地膜降解特征对土壤水热效应和玉米产量的影响

唐文雪，马忠明

（1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070；2．甘肃省农业科学院，兰州 730070）

地膜覆盖技术使我国玉米每年增产100亿～150亿kg，贡献了相当于全国玉米总产量的5%～8%[1-2]。河西绿洲灌区是我国最大的杂交玉米制种基地，占全国制种面积的53%，制种量的60%[3]，该区玉米制种业的持续发展对我国玉米产业的发展起到至关重要的作用。受水资源缺乏和积温不足的影响，玉米生产中普遍采用地膜覆盖栽培技术，呈现覆盖面积大、覆盖年限长、使用强度大、污染严重的特点[4-5]，大量的地膜残留给农业生产以及农田生态环境带来了严重的负面影响[6-7]。为此，地膜覆盖技术合理利用和新型环境友好型降解地膜产品研制成为我国现代农业的新需求[1，8-10]。目前，降解地膜一般可分为光降解地膜、生物降解地膜、光/生物降解地膜三种类型[2]。近年来，我国降解地膜的研究和应用取得了长足进步。降解膜在新疆、河北、内蒙古、山西等地的棉花、玉米等作物上的研究表明，可降解地膜覆盖能明显改善土壤耕作层的水热状况，促进作物生长发育，其作用与普通地膜相当[10-13]。但由于区域气候条件、作物种类、覆盖方式等不同，其覆盖后的降解特性以及作物产量的增减不一[8，14-16]，这给降解膜的研究推广工作带来了很大难度。河西绿洲灌区降解膜应用研究很少，李强等[17]和何增国等[18]研究仅局限在降解膜对土壤温度、水分及玉米产量的影响方面，缺乏对降解膜降解性能、降解稳定性、适应性评价等方面的研究。本研究在河西灌区开展为期2年的田间试验，研究评价降解性能的稳定性及其对土壤水热效应和玉米产量的影响，以期为可降解地膜在河西灌区应用推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年4月至2017年3月在甘肃省农业科学院张掖节水农业试验站进行。试验站位于甘肃省河西走廊中部，土壤质地为沙质壤土，0～20 cm耕层土壤养分平均含量：有机质12.49 g·kg-1，全氮0.87 g·kg-1，速效磷 13.72 mg·kg-1，速效钾 223.7 mg·kg-1，容重 1.39 g·cm-3，pH值 8.58。平均年蒸发量 2075 mm，年降水量不足130 mm，干旱指数达15.96，属于典型的无灌溉就无农业的干旱灌溉地区，具有西北绿洲灌溉农业区的典型特征。

1.2 试验材料与设计

水资源缺乏和春季积温不足是玉米生产的限制因子。研究表明河西灌区在6月中下旬后，由于玉米田间郁闭度增大，地膜基本失去增温效应[19]。为此，降解膜稳定期要达到60 d以上，并且具有较好的保墒效果及降解性能才能满足生产及生态要求。本试验选用的3种降解膜颜色均为乳白色。其中降解保水地膜由白山市喜丰塑业有限公司生产，为光氧化降解膜，由95%的聚乙稀加5%的光助剂和热助剂制成。膜幅宽120 cm，厚度0.008 mm，稳定天数约60～90 d；可降解地膜BASF1和BASF2由德国巴斯夫股份公司青岛分公司生产，为全生物降解地膜，主要成分为PBAT（己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物）。BASF1幅宽140 cm，厚度0.012 mm，稳定天数约90 d；BASF2幅宽 140 cm，厚度 0.010 mm，稳定天数约80 d；普通地膜由山东济宁市唐口新华塑料制品厂生产，成分主要为聚乙稀，膜宽140 cm，厚度0.008 mm。供试玉米品种为豫玉22号，是本地主栽品种。

试验采用随机区组设计，小区面积为6.5 m×7.2 m，3次重复。试验设5个处理，分别为露地对照（CK1）、普通地膜（CK2）、可降解保水地膜（降 A）、BASF2（降 B）、BASF1（降 C）。

各处理不施有机肥，施N 300 kg·hm-2，P2O5225 kg·hm-2。氮素用量的40%和全部磷肥作基肥。在玉米大喇叭口及吐丝期各施30%的氮素作追肥。氮肥为尿素（46.4%N），磷肥为重过磷酸钙（44%P2O5）。生育期灌水量3600 m3·hm-2。全生育期灌水4次，分别于拔节期、大喇叭口期、吐丝期和灌浆中期灌水，每次灌水量占灌溉定额的比例为20%、30%、30%、20%。采用水表计量灌溉。

玉米采用全地面地膜覆盖栽培，宽窄行模式种植。带幅120 cm，宽行80 cm，窄行40 cm，株距24 cm，播深2.0～2.5 cm。播种密度67 500株·hm-2。玉米播种前一周覆膜。4月下旬播种，10月上旬收获。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 不同地膜的降解性能测定

通过目测法和计算地膜质量损失法对田间覆盖试验降解膜降解性能、降解强度进行评价。

田间覆盖试验的目测评价法[12]：通过定期的人为肉眼观测，记录地膜颜色、形态以及表面完整性的变化情况。地面暴露部分的降解过程分为5个阶段。具体评价标准如表1所示：

表1 降解膜田间降解观测标准Table 1 The standard of degradable mulch in the field

地膜质量损失法：覆膜前分别量取10 m长降解地膜、普通地膜称出质量，每种膜称量3次，然后求其平均数；玉米覆膜后 30、60、90、120、150、170 d 在每个小区第2、5带随机选取3个1 m长覆膜段，收集地膜，洗净、晾干、称质量（1/10 000高精度电子天平测量），计算地膜质量损失率[20]。

地膜质量损失率（%）=（覆盖前膜质量-覆盖后膜质量）/覆盖前膜质量×100。

1.3.2 土壤温度测定

用WQG-16曲管地温计（北京普特仪表成套厂）人工测定。将曲管地温计在各处理内分3个层次（5、10、15 cm）埋设。从玉米播种至拔节后期每隔1 d在8：00、14：00 和 18：00 测定土壤温度。苗期和拔节期1 d 测定 3 次的基础上，在 6：00、10：00、12：00、16：00和20：00各加测5次。

1.3.3 土壤水分测定

采用烘干法对不同处理的土壤水分进行测定，测定时间为玉米播种前1 d及拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆中期和收获后，共6次。每小区分别在宽行和窄行中间各测定1个点，测定层次为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm 6 个层次，取 2 个点相同土层平均值为该处理相应土层的土壤含水量值，并根据各土层土壤含水量计算0～120 cm土层贮水量（W）。

式中：W为0～120 cm土壤水分总贮量，mm；wi为土壤质量含水量，%；ri为每层土壤容重，g·cm-3,每 20 cm采用不同容重；hi为分层厚度，为20 cm。

1.3.4 作物田间耗水量及水分利用效率的计算

本文采用农田水分平衡法计算作物田间实际蒸散量，由于试验小区平整、地水位深、土层深厚且土壤质地均一，在试验区很少产生深层渗漏和地下水补给。因此，作物田间耗水量（ET）的农田水分平衡方程为：

式中：ET 为阶段耗水量，mm；P 为降雨量，mm；I为灌溉水量，mm；ΔW为计算时段内土壤贮水变化量，mm。

水分利用效率（WUE）的计算：

WUE（kg·hm-2·mm-1）=玉米产量（kg·hm-2）/耗水量（mm）

1.3.5 产量的测算

作物成熟后，各试验小区取中间2带进行测产，并折合成公顷产量。

1.3.6 数据处理与分析

用SPSS软件对所得数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 降解膜降解性能

2.1.1 降解膜的田间降解情况评价

本试验中供试的降解膜田间降解表现如表2所示。2016年3种降解膜诱导期、破裂期、崩裂期均比2015年提前2~3 d，碎裂期、完全降解期又推后几天，这可能与5月15日严重霜害冻伤幼苗，使玉米生育时期推迟、田间郁闭度变化有关。从2年结果看，3种降解膜田间降解有差异，但变化不大，降解性能比较稳定，年际间具有可重复性。从玉米生育进程看，在覆膜30 d（苗期）左右，3种降解膜都很稳定，膜面光滑完整；覆膜60 d（大喇叭口期）左右，3种膜均变薄且弹性降低，膜面有小裂纹出现，膜面完整，具有良好的增温保墒作用；覆膜90 d（吐丝期）左右，3种膜继续变薄变脆，弹性进一步降低，裂纹变长；覆膜120 d（灌浆期）左右，膜面均无弹性，降A裂缝增长，膜面尚完整，降B和降C膜面裂缝加长增多，裂解成大碎块，保墒效果变差。覆膜150 d（成熟期）左右，降A膜面破损较严重，降B 20%完全降解，部分紧附地面，一触即破，部分完全碎裂，无法捡拾。降C 30%完全降解，部分紧附地面，60%碎裂成小碎块，无法捡拾。由于河西地区降雨量少，蒸发量大，早春土壤温度较低，要求降解膜有良好的增温保墒效果，6月中下旬后，随着玉米田间郁闭度增加，地膜基本失去增温作用。仅从增温角度考虑，降解膜有效功能期达到60 d即可满足要求。但从保墒的角度考虑，在玉米整个生育期覆盖时间越长则保墒效果越好。本试验降A膜完全满足玉米生育期增温保墒作用，降B和降C基本能满足要求，若进一步加强对其降解速度的控制，延长其有效功能期，则效果会更好。

表2 不同类型降解膜降解阶段记录（覆膜后天数d）Table 2 The degradation stages of different kinds of degradable film（d）

2.1.2 降解膜的降解强度

田间试验中生物降解膜质量损失率的变化是用来衡量其在土壤中降解程度的主要指标。在适宜的温度和湿度条件下，土壤微生物可对生物降解膜进行攻击，加快其降解的过程，但由于降解膜成分和结构的不同，其在土壤中的降解速率各异。从图1田间试验结果来看，2015年3种降解膜都发生了不同程度的降解。其中降B和降C降解最快，降A降解速度最低。3种降解膜在灌浆前随着覆盖时间的增加，地膜质量损失率均平缓增加，覆盖120 d时，降B质量损失率最高，为27.1%，其次为降C，为22.1%，降A最低，仅为6.6%。普通地膜虽有轻微破损，但没有发生明显降解损失现象，颜色和拉伸强度几乎没有变化。覆膜120 d后，降B和降C降解速度加快，质量损失率急剧增大。在覆膜170 d时，降B、降C损失率高达84.6%、94.0%，降A损失率为12.6%，普通地膜仅为6.2%。覆膜360 d时，降B和降C已完全降解，但降A地面还有大量碎块存在。2016年3种降解膜降解强度大小与变化趋势与2015年相似，只是在覆膜120 d前3种降解膜降解强度稍大，但覆膜120 d后降解强度稍低，这与目测法测得田间降解情况一致。

图1 不同降解膜质量损失率变化Figure 1 Dynamics of weight loss ratio of degradable film

2.2 降解膜对土壤水分的影响

2.2.1 玉米土壤耗水量变化

土壤耗水量是衡量土壤水分收支平衡的重要指标。图2为玉米生育期0～120 cm土壤耗水量的动态变化，从中可以看出，降解膜具有明显的保墒效果，覆盖降解膜使玉米各生育期土壤耗水量显著低于CK1。随玉米生育进程推进，降解膜保水效果变差，并且各降解膜降解速度不一样，导致不同降解膜覆盖下土壤耗水量不一致。在降A、降B、降C三种降解膜中，降A保墒效果最好，其次为降B和降C。降A在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆中期、成熟期土壤耗水量显著低于 CK1，平均降低 26.3、12.2、7.4、6.8、4.7 mm，随玉米生育进程推进，耗水量降幅呈减小趋势。降A在玉米灌浆中期前耗水量低于CK2，在玉米成熟期，由于地膜破损度增加，耗水量比CK2增加4.2 mm。降B和降C也具有较好的保墒效果，在玉米各生育期耗水量均低于CK1，在灌浆中期前与CK2差异不显著，但随降解膜破损度增加耗水量呈增大趋势，收获期耗水量显著高于CK2。以上结果表明，降解膜膜面的完整性对于保墒效果具有决定作用，膜面越完整，保墒效果越好。土壤耗水量整体表现为降A

2.2.2 土壤含水率的垂直变化

图3为苗期和收获期不同处理0～120 cm土层土壤水分的变化。在苗期，0～20 cm土层不同处理土壤水分差异显著（P＜0.05），降A土壤含水率较CK1、CK2提高34.6%、8.6%；降B、降C土壤含水率分别较CK1提高 14.5%和 21.8%，比 CK2降低 7.6%和1.8%。20～80 cm土层，随土层加深，各处理含水率均呈缓慢下降趋势，3种降解膜之间的差异性逐渐变小。80 cm土层以下，各处理含水率趋于稳定。说明不同地膜覆盖对土壤表层含水率影响比较大，而对深层土壤水分的影响较小。在玉米收获期，降解膜虽已变薄、脆化、碎裂，但此时降解膜仍有一定的保墒作用。在0～20 cm，各处理间含水率差异较小，降A含水率仅比CK1、CK2高2.3%、1.3%，降B和降C含水率相近，与CK1、CK2差异不明显；在20～40 cm土层中，各处理间含水率差异达到最大。降A、降B和降C比CK1分别提高4.9%、2.9%、2.4%；与CK2相比，降A含水率仅降低0.7%，降B和降C降幅分别为2.7%、3.2%。之后随土层加深，各处理含水率差异呈先减小后增大趋势。说明收获期不同地膜覆盖对深层土壤水分的影响较大。3种降解地膜的稳定期在80 d左右，可保证玉米吐丝前需水要求，在生育中后期，降B和降C膜破损虽严重，但仍有保墒作用，可基本保证玉米灌浆期对土壤水分的需要。

图2 不同处理0～120 cm土壤耗水量的变化Figure 2 The dynamic changes of soil water consumption of different treatments in 0~120 cm soil layer

图3 不同处理土壤含水量的垂直变化Figure 3 The vertical changes of soil water content of different treatments in 0~120 cm soil layer

2.3 降解膜对土壤温度的影响

2.3.1 土壤温度的动态变化

土壤温度在玉米前期生长中的作用十分重要。从图4降解膜土壤温度变化看，在玉米播种至6月上旬拔节期降解膜具有显著的增温效果。降A、降B、降C日均温两年均值比CK1高5.4、4.4、4.5℃，比CK2降低0.5、1.5、1.4℃。6月上旬玉米进入拔节期后，随生育进程的推进，田间郁闭度逐渐增大，地膜的增温效应弱化，降解膜与CK2及CK1的温差变小，到6月中旬后，降解膜与CK2和CK1温度趋于一致，覆盖地膜已基本失去保温作用。

2.3.2 土壤温度的日变化

土壤温度的日变化是1 d内土壤热状况的直接反应。从图5看出，0～15 cm土层土壤温度日变化以“S”型的形式由表层向深层土壤传递，以5 cm土层的温度变化最为明显，并随着土层的加深变化幅度逐渐减缓。2015年在5、10、15 cm土层最高温度分别出现在 14：00、16：00、18：00，土层每加深 5 cm 各处理土壤温波位相依次推移2 h。在玉米苗期，各处理日温差大，均达到12℃以上。并且降A日均温度比CK1高5.6℃，比CK2仅低0.4℃。降B、降C日均温度比CK1高4.2、4.1℃，但比CK2低1.8、1.9℃。玉米拔节期，由于田间郁闭度增大，土壤温度的波动受太阳辐射的影响变小，各处理日温差仅为3.0℃左右。降A、降 B、降C日均温度仅比 CK1高 0.9、0.5、0.7℃，比CK2降低-0.4、0.4、0.1℃。由此说明，覆盖降解地膜具有明显的增温、保温作用，降A增温效果和CK2相近，降B、降C稍低于CK2。随生育时期推进，增温效果减弱。

2.4 降解膜对玉米产量及水分利用效率的影响

2.4.1 对玉米产量及相关因子的影响

2015年、2016年玉米播种密度为67500株·hm-2，2年中玉米出苗整齐，各处理保苗数接近，相互间差异不显著。另从表3可知，2年玉米产量及产量构成因子均表现为3种降解膜与CK2差异不显著，但显著高于CK1。2015年降A、降B、降C产量因子与CK1相比，穗长增加3.6%～9.4%、穗直径增加10.2%～12.0%、穗行数多7.5%～11.6%、行粒数多8.3%～12.1%、百粒重提高14.4%～21.7%。降A、降B、降C产量分别比CK1增加47.0%、37.9%、39.8%，与CK2相比，降A产量增幅为2.5%，降B、降C产量仅比CK2降低3.9%和2.5%。从产量结果看，由于极端冻害天气对玉米生长发育产生的影响，2016年玉米产量显著低于2015年，但2年间各处理对玉米产量的影响趋势一致。

2.4.2 对玉米水分利用效率的影响

由表4可知，2015年降A、降B、降C水分利用效率分别为 23.0、20.7、20.6 kg·hm-2·mm-1，比 CK1 显著增加60.5%、44.7%和43.8%，但与CK2差异不显著。2016年不同降解膜覆盖下玉米水分利用效率变化趋势与2015年相似。由此说明，降解膜通过减少水分蒸发、降低生育期耗水量、提高地温，促进了玉米生长发育，最终显著提高了玉米水分利用效率。

图4 不同处理土壤温度变化Figure 4 The dynamic changes of soil temperature under different treatments

图5 不同处理土壤温度日变化Figure 5 Daily changes of soil temperature under different treatments

3 讨论

3.1 降解膜的增温保墒性能

地膜的应用极大改善了农业生产条件，尤其是在增温保墒方面。研究结果显示，地膜覆盖是水资源缺乏、积温不足地区增加玉米产量和高效利用水资源的一项有效措施[21-22]，增温保墒性能是降解膜能否应用于生产实践的重要指标[23]。赵彩霞等[20]在新疆石河子研究提出棉花生育前期由于降解膜膜面完整，保温效果与普通地膜相比差异不大。兰印超等[24]玉米试验结果表明可降解地膜和普通地膜的温度变化没有明显差异，但高于露地栽培的温度，且温差较明显；在试验后期，可降解地膜和普通地膜的温度开始逐渐接近于露地栽培的温度。王淑英等[23]在甘肃旱区研究结果显示生物降解膜保墒性能达普通地膜的90.4%～95.4%。本研究提出覆盖生物降解地膜具有明显的增温作用，在玉米播种至拔节期，0～15 cm土层，降A、降B、降C土壤温度仅比普通膜低0.5～1.5℃，6月中旬玉米进入拔节后期，降解膜和普通地膜的增温效应弱化。降A膜灌浆中期前保墒效果优于普通膜，降B和降C的耗水量在玉米播种至灌浆中期与普通膜差异不大，之后显著高于普通膜。本研究提出的降解膜的增温保墒结果与以上前人的研究结果基本一致。只是在玉米灌浆中期前降A保墒效果优于普通膜，这和赵彩霞等[20]研究提出的“降解膜保墒效果明显低于普通膜，平均低3～5个百分点”有差异，这可能与降A膜配方中含有保水材料及优化的生产工艺有关。另外玉米生育后期降解膜增温效应降低至消失是由玉米田间郁闭度逐渐增大引起的，这与刘群等[11]研究提出的“在玉米拔节期后由于生物降解地膜的破损，保温效果越来越弱”，与赵彩霞等[20]提出的“5月下旬随降解膜破裂棉花膜内温度迅速下降”的结论有一定出入，这可能与作物种类、田间郁闭度大小等有关。

表3 不同处理下玉米产量及产量构成因子Table 3 Yield and relevant factors of maize under different treatments

表4 不同处理下玉米水分利用效率Table 4 Water use efficiency of maize under different treatments

3.2 降解膜的降解性能

可降解地膜的降解强度、降解速度因原材料组成、地膜厚度、气候条件等的差异而表现不同。何文清等[12]研究结果表明在河北试验点，广东上九公司提供的淀粉基全生物降解地膜A和B诱导期仅为20 d左右，覆盖后30 d即出现严重的裂缝，至覆膜后60 d，膜A和膜B已完全降解为大的碎片，完全丧失了增温保墒的功能，而新疆石河子由于气候干燥，气温相对较低，降解地膜的诱导期阶段长于河北试验点，延长了其增温保墒的功效期。赵爱琴等[10]研究结果表明，南京环绿降解塑料公司提供的生物降解膜覆盖20 d（作物苗期）时边缘首先出现2～3 cm的小洞，之后在雨水冲打下沿着小洞向周围破裂；覆膜33 d时，地膜已经裂成块状，韧性减小。之后地膜在雨水作用下粘于土面，逐渐变薄，到作物收获时畦面地膜全部降解。本研究提出A、B、C三种降解膜稳定期均比较长，在作物生育前期、中期地膜虽变薄变脆，但破裂度小，增温保墒效果较好，对作物生长发育及产量影响较小。在灌浆后期降解迅速，覆膜150 d时降B、降C膜失重率高达52.2%、56.0%。在覆膜180 d左右已达到完全降解，对下茬作物的起垄播种不会有任何影响。3种降解膜中，降A增温保墒效果最好，但降解速度慢，降解效果差，覆膜170 d时地膜失重率仅为12.3%，在第二年玉米播前土壤还有大量残留地膜，覆膜360 d内存在降解不完全问题。本研究还发现，一种降解膜在相同区域相同栽培模式、管理措施等条件下，不同年份田间降解情况有一定差异，这与年度气象条件差异有关[15-16]，但是否与2016年5月中旬极端冻害天气对玉米产生冻害，进而影响作物生育进程、影响田间郁闭度有关，还需进一步研究。

3.3 降解膜的增产效果

曹玲等[25]研究提出玉米生育期内≥10℃的活动积温与产量关系最为密切，是影响河西走廊绿洲灌区玉米产量的关键气象因子，玉米产量随≥10℃积温的增加而提高。董平国等[26]在河西灌区研究提出制种玉米各生育阶段对缺水的敏感程度由大到小依次为灌浆期、拔节期、苗期、乳熟期、抽雄期。说明玉米灌浆期土壤水分对玉米生长发育影响最大。本试验3种降解膜具有良好的增温保墒效果。降解膜A保墒效果最好，在玉米整个生育期土壤贮水量均高于普通膜，并且在播种至拔节期土壤温度仅比普通膜降低0.5℃。降解膜B、C也具有良好的增温保墒效果，在灌浆中期前与普通膜保墒效果差异不大，在播种至拔节期土壤温度仅比普通膜降低1.5、1.4℃。本研究提出降解膜A、B、C比露地对照显著增产42.2%、37.1%、38.3%，与普通膜相比，降解膜A增产0.6%，降解膜B和C仅减产3.0%和2.2%。3种降解膜产量与各自增温保墒效应一致，并与申丽霞等[13]研究提出“可降解地膜产量比露地栽培产量增加35.1%，和普通地膜间差异不显著”，与张杰等[27]研究提出的“普通地膜和生物降解膜处理的玉米产量比不覆膜对照分别提高20.0%和19.7%”的结论是一致的。

4 结论

河西绿洲灌区降A膜虽然增温保墒效果好、产量高，但在覆盖360 d内不能完全降解，并且其破碎度增大，造成残膜捡拾困难。降B、降C膜具有完全降解性，并且降解性能稳定，与普通地膜对土壤保温、保墒的效果及对玉米产量的影响方面没有明显差异。从环境安全、粮食安全方面考虑，降B、降C膜替代普通地膜应用于农业生产具有可行性。同时建议生产厂家加强对B、C降解膜降解速度的控制，延长其有效功能期。

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