降解地膜的降解性及其对土壤水分和棉花产量的影响

田玲枝,刘晓伟,吕 军,何文清，李志强，张 媛，朱春梅，李 君，4*

(1.中国农业科学研究院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.石河子农业科学研究院农业环境与可持续发展研究所，新疆石河子832000；3.新疆第八师石河子市农业技术推广总站，新疆石河子 832000；4.绍兴文理学院生命科学学院，浙江绍兴 312000)

地膜覆盖技术在新疆推广多年，因地膜优良的功效与该地区特殊气候环境需要已成为一项难以替代的技术之一[1]。然而，土壤中长期积聚的地膜数量大、分布广泛，已成为新疆农田生产亟需解决的问题[2-4]。降解地膜的铺设既可以达到覆膜的效果，最终又可在土壤中分解，起到了覆膜功效与减少土壤中地膜污染的双重目的[5-6]。目前降解地膜在棉花、玉米、烟草、大豆等作物上均有应用并取得了良好的效果[7-9]，其覆膜的功效是增温保墒抑制杂草生长，其中对土壤水分的保持是通过阻止土壤水分蒸发，使土壤蓄水[10]，但如果降解膜裂解过快，土壤表面失去物理阻隔，覆膜保墒作用减弱。因此，降解地膜的使用限制因素是作物生长时期地膜能否达到其功能性要求。国内外研究生产的降解地膜种类较多，但主要应用的是生物降解地膜、光氧降解地膜、光氧-生物降解地膜。笔者研究铺设这3类降解地膜对土壤水分、棉花产量的影响，探讨降解地膜的选择，生产出既能满足作物需求，又能最大限度降低成本的可降解地膜，这对于未来可生物降解地膜的研究、生产和应用都具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1田间小区概况试验于2016年在石河子市农业科学研究院试验地进行。地处天山北麓中段，古尔班通古特大沙漠南缘，地理坐标位于84°58′～86°24′E、43°26′～45°20′N，属于典型的温带大陆性气候，日照充沛，全年日照时数2 074～2 668 h，年平均气温约7 ℃，无霜期160 d左右，年均降水量100.0～225.6 mm。供试土壤为灌耕灰漠土，土壤基本理化性质：有机质 14.93 g/kg、全氮 0.92 mg/kg、有效氮 64.3 mg/kg、速效磷 15.9 mg/kg、速效钾 138.2 mg/kg、pH 7.76。

1.2试验设计与方法该试验为田间小区试验和室外模拟试验，试验处理一致，共设13个处理，3次重复。T1～T3为全生物降解地膜处理，T4～T6为光氧降解地膜，T7～T9为光氧-生物降解地膜，T10～T12为生物降解地膜，T13为对照普通地膜(PE)处理。采用地膜覆盖和膜下滴灌技术，机械平作覆膜，于2016年4月24日覆膜播种，播幅为2.25 m，1膜6行，株距9 cm的种植方式，1膜3管。其他管理方式同大田。小区面积为52 m2(8.0 m×6.5 m)，供试作物为棉花(Gossypiumspp.)，供试品种为新陆早61号。

室外模拟试验为同期于露天室外进行的地膜保墒试验，培养时间120 d。每个培养杯装土600 g，培养杯中加入同等重量的蒸馏水，然后将完整地膜覆盖于培养杯内土壤表面，进行无遮挡暴晒，定期测定水分蒸发量，随后补充水量至原始重量。

1.3样品采集及测定

1.3.1地膜降解情况。分别在2016年覆膜后的37、43、57、64、72、90、107 d进行降解地膜定点观察，于每条地膜相同位置放置相框(40 cm×40 cm)进行拍照。该试验中5类降解地膜每类选一种地膜降解照片，选择3次照片放置，共5组。

1.3.2保墒性能。保水率=W1/W×100%[11]，其中，W1为暴晒15 d后水杯内水体积(mL)，W为水杯内原始水体积(mL)。该试验于6月将完整地膜覆盖于水杯，无遮挡暴晒15 d后测定。

1.3.3韧性性能。使用拉力机[XLW(B)智能电子拉力试验机，中国]测定地膜韧性，分别在地膜覆盖后50、90 d取样进行测定。测得地膜拉伸负荷与拉伸位移，计算断裂伸长率，断裂伸长率=ΔL/L×100%,式中，ΔL为地膜拉伸位移(mm),L为原始长度(mm)。与地膜降解情况照片保持一致，共5组数据。

1.3.4棉花产量。采用小区实收法测定。

1.4数据处理数据采用EXCEL 2007和SPSS 19.0统计软件进行单因素方差分析(one-wayANOVA)。

2 结果与分析

2.1不同类型降解地膜的降解情况由图1可知，随着铺设地膜的时间变化，T4、T8、T10处理的降解地膜在定点观测处得出分别在43、57、57 d发生降解。其中T4、T8处理最初降解表观现象是横向裂纹，而T10处理膜面出现大面积的破碎，说明T10处理的地膜降解迅速，在横向纵向均发生裂解；地膜铺设90 d后，除PE膜外各处理地膜均发生降解，此时除了T8处理膜面裂纹变长，其余处理膜面均降解一半以上。综上所述，各处理的降解地膜铺设后不同天数均发生降解，其中T4处理光氧降解的地膜降解最早，而T10处理的生物降解地膜降解最迅速。

图1 降解地膜降解情况Fig.1 Degradation of degraded mulch film

2.2不同类型降解地膜的韧性情况由表1可知，T1处理的横向/纵向拉伸负荷在地膜铺设50 d后分别显著高于对照处理55.9%、16.7%，其他处理则低于对照处理；而此时地膜的横向/纵向断裂伸长率与对照处理相比分别显著降低0～59.0%和12.3%～65.3%。各处理的地膜在铺设90 d后横向/纵向拉伸负荷、断裂伸长率与对照处理相比显著降低，其中T4、T10处理降幅较大；与铺设50 d时的横向/纵向拉伸负荷相比，其降低幅度分别为3.7%～60.4%和20.0%～48.6%，其中T1处理降幅最大；而各处理的横向断裂伸长率降低幅度分别为83.7%、80.7%、20.0%、37.3%、0，相应的纵向断裂伸长率降低幅度分别为94.3%、86.6%、3.6%、74.0%、30.5%。由此表明，各降解地膜处理在铺设90 d后韧性均大幅降低，并且T1、T4、T10处理横向和纵向均发生裂解，而T8处理主要为横向裂解。综上所述，降解地膜铺设后膜面均发生不同程度的降解，铺设90 d后韧性均降低。

2.3降解地膜的保水性能由表2可知，T1、T2、T3、T11、T12处理的降解地膜厚度高于普通地膜(T13)，其他地膜与普通地膜厚度一致；然而各处理的保水性能表现为T13>T6>T8>……>T3>T11>T10，由此可知，地膜保持完整时地膜的保水性能与其厚度无关。观测各降解地膜的降解时间表现为T9>T3>T1>…>T4，T4处理的地膜降解最早，但是T4处理的地膜保水性较好，表明地膜保水性能与降解时间无关。进一步分析表明，地膜的厚度、降解天数均与地膜的保水性能无显著相关关系(P>0.05)。

表1 不同类型降解地膜韧性情况

表2 降解地膜保水性能

2.4降解地膜的土壤水分保持性能变化由图2可知，培养期间PE处理的土壤水分蒸发量始终保持在较低水平，降解地膜T1～T3和T10～T12处理的土壤水分始终保持较高蒸发量，且在27 d内显著高于其他各处理(P<0.05)；而其他各处理的土壤水分蒸发量在17～87 d在不同时段增长至峰值，并且在培养87 d后除T5处理外各降解地膜处理无显著差异。其中T6、T7处理的土壤水分蒸发量在27～47 d迅速增加，随后缓慢增长且显著高于其他各处理(P<0.05)，并且在第67天达到峰值；T4、T8、T9处理的蒸发量在27～47 d增长缓慢，47 d后呈上升趋势，并且均在87 d到达峰值。

进一步分析可知，T1～T12各处理的土壤水分蒸发量增长率峰值分别为67、67、67、57、77、37、37、77、87、67、67、67 d，而峰值后增长率变化无显著差异。表明T1～T3和T10～T12处理的降解地膜在57～67 d发生降解，而T6～T7处理的地膜在37～47 d即发生降解，是降解最早的地膜，T9处理的地膜降解最晚。综上所述，地膜破裂后即失去保墒作用，土壤水分蒸发量在地膜破裂达到峰值，其后与破裂程度无关。

图2 不同降解地膜覆盖的土壤水分蒸发量变化Fig.2 Changes of soil water evaporation of different degraded plastic films

2.5不同降解地膜对棉花产量的影响由表3可知，降解时间的延迟与棉花生长发育及产量影响成正比。其中各处理间的单铃重与单株有效铃个数无显著差异，T1、T4处理的株高、果枝台数和产量均显著低于其他各处理，且T1处理最低。进一步分析可知，T8、T10、T13处理与T1处理的株高相比分别增加2.8%、8.2%、8.2%，T10、T13处理与T8处理相比株高均增加5.3%。T8、T10、T13处理的产量无显著差异，但均显著高于T1、T4处理(P<0.05)，增幅为20.7%～34.1%。由此可知，地膜降解过早影响棉花生长发育、降低产量，在85 d后降解的地膜对棉花生长发育和产量已无显著影响。

表3 不同处理对棉花产量与产量构成因素的影响

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

Note:Different lowercase alphabets in the same column represented significant differences at 0.05 level

3 讨论

可降解地膜的降解速度和降解强度因原材料组成、生产厂家、诱导期设计等的差异而表现不同，该试验中地膜的降解时间表现为43～107 d。该试验中4类生物降解地膜，其中同一类型的降解地膜，由于材料不同，降解性能差异显著，也印证了这点。刘晓伟等[12]研究表明，不同材料地膜降解时间不同，其对土壤含水量、土壤盐分含量和产量都有一定程度的影响。覆膜能明显改善土壤耕作层的水热状况，促进作物生长发育，可降解地膜在覆膜初期其作用与普通地膜相当。这是由于地膜覆盖在土壤表面设置了一层不透气的物理阻隔，土壤水分垂直蒸发直接受阻。然而随着地膜的降解，在未出现明显孔洞、破碎时，土壤水分蒸发量逐渐增加，直到地膜破裂，露出土壤表面，此时水分蒸发量达到峰值；其后尽管地膜破裂程度加大，但土壤水分蒸发量没有显著变化。在试验期间，普通地膜始终保持较低水分蒸发量，表明降解地膜破裂后即失去其保墒作用。

前期试验得出结论，在棉花封垄后降解的地膜即在棉花生长85 d后地膜覆盖对土壤温度无显著增温效应，其后降解对棉花株高、单铃重、产量与普通地膜无显著差异[13]。该试验中，降解地膜对田间棉花产量的影响得出相同结果，封垄后降解的地膜不会造成棉花减产。

4 结论

(1)生物降解地膜降解时间早于光氧-生物降解地膜，该试验中生物降解地膜最短覆盖期为50 d，最长覆盖期为72 d，光氧-生物降解地膜覆盖期可达107 d。

(2)地膜的厚度、降解天数均与地膜的保水性能无显著性相关关系。覆土条件下，随着地膜的降解，土壤水分蒸发量逐渐增加，在地膜破裂时达到峰值，其后与破裂程度无关，即地膜破裂后失去其保墒作用。

(3)封垄后即85 d后，此时降解的地膜其棉花株高、单铃重、产量与普通地膜无显著差异。地膜已完成其增温保墒作用。