降解地膜降解后对土壤增温保墒及棉花生长的影响

崔磊，王斌，孙九胜，胡伟，周经纶，王金鑫， 祁通，黄建，王新勇

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091； 2.山东大学化学与化工学院特种功能聚集体材料教育部重点实验室，济南 250100)

0 引 言

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2016年4月在昌吉州佳弘农场进行。试验地土壤类型为灰漠土，质地为中壤，前茬作物为棉花。年降水量为255.2 mm，年平均气温7.0℃，无霜期约170 d。试验田0～20 cm耕层土壤含有机质18.6 g/kg，碱解氮106.20 mg/kg，速效磷25.44 mg/kg，速效钾237.11 mg/kg，土壤pH为8.02。

试验设氧化-生物双降解地膜覆盖TZ1、TZ2、TZ3、普通地膜(CK)对照，共4个处理，每个处理3 次重复，小区面积为20 m×7.5 m=150 m2。每小区分为地膜取样区与棉花生育性状调查区(长度各10 m)。

供试氧化-生物双降解地膜由山东天壮环保科技有限公司生产，普通地膜(CK)由新疆当地企业生产。试验用普通地膜和氧化-生物双降解地膜宽均为205 cm，厚度为0.008 mm。氧化-生物双降解地膜TZ1、TZ2、TZ3分别为3种不同配方、不同降解时间，设计的降解速率为依次递减。

棉花供试品种为新陆早57号，采取膜下滴灌两膜十二行种植模式。2016年4月28日播种，5月6日出苗，10月10日采收。棉花整个生育期灌溉 10 次，总灌水量 4 200 m3/hm2。肥料施用量分别为N为240 kg/hm2，P2O5为90 kg/hm2，K2O为90 kg/hm2。

1.2 方 法

1.2.1 图像数据采集及提取

图像数据采集：从4月28日覆膜起，分别在5月30日、6月20日、7月11日、8月10日、9月15日、10月2日对地膜降解情况进行摄照。操作步骤：清理膜上杂物，放置自备3 cm×3 cm的有色硬质卡片，标注拍摄时间、地点、作物、处理，用数码相机垂直照相，距离地面20 cm。所得照片应用地膜孔洞面积快速提取软件V3.0提取降解面积，计算地膜降解率。

1.2.2 农田土壤温度、水分测定

医院作为居民生活的重要场所，它的布局对居民的生活便捷度也是很重要的，所以居民也往往关注自己居所附近是否有便捷的医院场所。由图1可知，房价受医院的影响程度由中心城区向四周逐渐降低，中心城区在其他各种基础设施完善的条件下，医院的布局对小区邻里环境的重要性比较大。

采用L99-TWS-3型土壤温湿度记录仪对0～10 cm土壤温度进行测定，从地膜覆盖当天起每隔2 h测定一次，连续测定直至作物收获。

1.2.3 棉花产量测定

棉花吐絮后于10月3日测产。各小区随机选定2.5 m2分三次进行测产，同时取60朵棉花样测单铃重，计算理论产量。棉花晾干后室内轧花考种，计算衣分。

1.3 数据处理

数据处理和分析在Excel 2003和SPSS 11.5软件中进行，作图采用Sigmaplot 10.0。

2 结果与分析

2.1 棉花生物学性状及产量构成

2.1.1 棉花产量及产量构成因素

研究表明，TZ1、TZ2、TZ3处理棉花的单株铃数、单铃重、衣分及棉花产量无显著差异；单株结铃数以CK与TZ3处理最少；TZ1单铃重最小，其产量也最低，相比CK减产0.45%。TZ2与CK相比增产4.73%，TZ1、TZ3与CK产量接近，但TZ3皮棉产量和衣分最低。各处理产量差异不显著，依次为TZ2>TZ3>TZ1。表1

表1 棉花产量及产量结构

Table 1 Yield and yield components of cotton

处理Treatment单株结铃数Boll numbers per plant(个)单铃重Boll weight(g)籽棉产量Seed cotton yield(kg/hm2)皮棉产量Lint cotton yield(kg/hm2)衣分Lint percentage(%)增产率(%)CK5.0±0.1a5.01±0.13a4 712±132a1 838±51a39.0aTZ15.1±0.2a4.89±0.10a4 691±254a1 862±101a39.7a-0.45TZ25.2±0.1a5.02±0.11a4 935±58a1 954±23a39.6a4.73TZ35.0±0.1a5.05±0.06a4 715±81a1 834±32a38.9a0.07

注：表中列内不同小写字母表示不同氧化-生物双降解地膜棉花产量及产量构成因素差异显著(P<0.05)

Note: The different small letter in column yield and yield components of cotton of the different -biodegradable plastic films significant (P<0.05)

2.1.2 棉花株高与茎粗

6月各处理棉花株高无显著差异，以TZ3处理棉花植株最高。8月，TZ3处理棉花株高最高，显著高于TZ1、TZ2处理，但与CK处理无显著差异。

6、8月各处理下棉花茎粗无显著差异。其中，6月各处理棉花茎粗以TZ2膜下茎粗最大，CK膜下茎粗最小；8月，棉花茎粗以TZ1、TZ3处理最大，CK最小。表2

表2 棉花株高及茎粗

Table 2 Height and stem diameter of cotton

处理Treatment株高 Plant height (cm)茎粗 Stem diamete (cm)6月8月6月8月CK31.6±5.8a73.8±8.4ab0.68±0.10a1.21±0.21aTZ128.7±4.5a68.3±10.8b0.70±0.16a1.29±0.18aTZ230.7±3.6a70.6±7.7b0.73±0.09a1.25±0.24aTZ331.9±5.4a76.2±7.2a0.72±0.23a1.29±0.22a

2.2 地膜降解率

研究表明，对照CK在全生育期均未发生降解。3种氧化-生物双降解地膜在铺设33 d时几乎没有发生降解；在54 d时，TZ1降解率为28%～45%，而TZ2降解率为1.6%～5.2%，TZ3降解率小于0.2%；在75 d时，TZ1降解率为76%～95%，TZ2降解率为8.6%～13.6%，而TZ3降解率不足1%；在105 d时，TZ1降解率为100%，而TZ2降解率为25.7%～33.7%，TZ3降解率仅1.0%～1.7%；在141 d时， TZ2降解率为36.8%～40.5%，TZ3降解率小于3%；在158 d时，TZ2降解率为56.7%～66.2%，而TZ3降解率不足5%；图2为不同月份3种氧化-生物双降解地膜图片。图1

图1 氧化-生物双降解地膜降解率

Fig.1 The degradation weight loss of oxo-biodegradable mulching film

图2 不同月份氧化-生物双降解地膜

Fig.2 Pictures of oxo-biodegradable mulching film different months

在棉花收获时，3种氧化-生物双降解地膜中TZ1完全降解，TZ2部分降解，TZ3降解率不足5%，对照处理在全生育期均未发生降解，对照处理无法用相应的函数描述其降解速率与铺设时间的关系，而3种氧化-生物双降解地膜可以用多项式描述降解速率与铺设时间的关系。根据拟合曲线，理论上当降解面积比率达某一数值时，3种氧化-生物双降解地膜所需时间如表3所示。即在棉花生育期内，当TZ1、TZ2降解率达20%时，所需时间分别为42、95 d；当降解率达50%时，TZ1、TZ2两种不同降解时间的氧化-生物双降解地膜分别需要58、147 d；而TZ1氧化-生物双降解地膜在棉花生育期内完全降解时所需时间至少100 d。表3

表3 降解膜不同降解率所需时间(d)

Table 3 Time required for different degradation rates of degradable film

20%35%50%65%80%100%TZ14250586779100TZ295123147167184206TZ3298382449506557618

2.3 氧化-生物双降解地膜下0～10 cm土壤温度和湿度

2.3.1膜下0～10 cm土壤温度

研究表明，CK膜处理土壤0～10 cm土壤温度最高，但其标准差也最大。TZ1、TZ2、TZ3膜处理在膜内0～10 cm温度基本保持一致，平均温度为23.5～24.7℃，其中以TZ1平均温度最低，可能是由于TZ1基本完全破裂，导致其保温性能降低。由降解膜降解率可知，TZ1降解最快，TZ2其次，TZ3几乎没有发生降解，这跟土壤温度的趋势是一致的。图3，表4

图3 膜下0～10 cm土壤温度

Fig.3 Soil temperatures at 0-10 cm soil depth

表4 膜下0～10 cm土壤温度与水分

Table 4 The soil temperature and soil moisture at 0-10 cm soil depth

类型Typrs平均温度(℃)Average temperature平均湿度(%)Average relative humidityCK25.1±6.5a26.9±3.1aTZ123.5±1.5c24.0±3.3bTZ224.1±2.1b24.3±4.2bTZ324.7±2.2a25.7±5.9a

2.3.2 膜下0～10 cm 土壤湿度

在7、8月，从各处理膜内0～10 cm平均湿度数据看，CK、TZ1、TZ3膜下平均相对湿度介于24.3%～26.9%，其中TZ1膜下相对湿度最小，约为24.0%，说明TZ1保墒能力最差；CK土壤平均湿度最高，其保墒性能最好；在TZ系列三种降解膜中，TZ1和TZ2的平均湿度接近并显著低于TZ3，这与TZ1、TZ2降解膜均已发生大面积破裂而TZ3几乎没有发生降解是相符的。 图4，表4

在耕层0～10 cm内CK和TZ3的保温保墒能力最好，而TZ1膜下平均温度、平均相对湿度均低于TZ2，表明TZ1膜大面积降解后土壤保墒能力最差。

图4 膜下0～10 cm土壤湿度

Fig.4 Soil moisture at 0-10 cm soil depth

3 讨 论

目前降解膜常用评价指标有外观、微生物生长程度、粘均分子量、红外光谱仪所测羰基指数、质量等。王晓杰[11]等对这些评价指标的适用性进行探讨,但由于这些指标的检测需要专业机构进行检测，而对于生物降解地膜的实际使用者应用起来缺乏可操作性。有研究[4,12-13]应用目测法将地膜降解过程分为诱导期、破裂期、崩解期、残存期、消失期5个阶段。但地膜的降解是一个持续的过程，在地膜降解的5个时期间没有明确的界限从而存在一定的局限性。采用数码相机/手机，通过在固定位点连续拍摄地膜的降解图片，应用地膜孔洞面积快速提取软件，能够简单、快速、有效的剔除人为因素造成的地膜损伤，获取不同时间内地膜的降解率。

通过拟合铺膜时间与降解率得到拟合方程，即可算出该配方降解地膜的降解时间。对照CK在全生育期均未发生降解，无法用相应的函数描述其降解速率与铺设时间的关系，而3种氧化-生物双降解地膜可以用多项式描述降解速率与铺设时间的关系。当生物降解地膜降解率为20%时，可以认为该地膜基本失去了增温保墒性能。此时，TZ1、TZ2种配方的降解地膜分别需要42、95 d。而地膜达到50%降解时，分别需要58、147 d。因此，可以提前预测不同配方的降解地膜的降解周期，以便对农事操作进行指导。

生物降解地膜的降解不仅与其原材料有关，还受到光照、温度、水、土壤微生物等众多外界因素的影响[14]。生物降解地膜降解后对土壤增温保墒性能降低，将会影响耕层土壤温度水分及作物的生长发育。与对照相比，6、8月棉花株高、茎粗均无显著差异，收获期各降解膜处理棉花产量也并无显著减产或增产。

4 结 论

4.1 氧化-生物双降解地膜下平均温度为23.5～24.7℃，平均相对湿度24.0%～25.7%，TZ1、TZ2两种氧化-生物双降解地膜增温保墒性能在降解后显著低于与常规膜，而TZ3与常规膜无显著差异。与常规膜相比，不同配方的氧化-生物双降解地膜增产率介于-0.45%～4.73%，对棉花产量无显著影响。

4.2 不同配方的氧化-生物双降解地膜，开始降解的时间及降解速度差异显著。TZ1在棉花尚未成熟时已完全降解成微小碎片并最终分解消失在土壤中，TZ2在收获时(铺设158 d)已降解56.7%～66.2%，而TZ3在棉花收获时仅降解不足5%。