氧化生物双降解地膜降解性能及其对东北雨养春玉米田间水热和生长的影响*

孙仕军, 张旺旺, 刘翠红, 周佳琪, 朱昆仑



氧化生物双降解地膜降解性能及其对东北雨养春玉米田间水热和生长的影响*

孙仕军1†, 张旺旺1†, 刘翠红2, 周佳琪1, 朱昆仑3

(1. 沈阳农业大学水利学院 沈阳 110866; 2. 沈阳农业大学工程学院 沈阳 110866; 3. 山东天壮环保科技有限公司济南 250110)

为解决当前农田大量残膜污染问题, 设置3种不同降解速率的氧化生物双降解地膜(降解a、降解b、降解c)和普通塑料地膜覆盖及露地对照5个玉米种植试验, 研究氧化生物双降解地膜田间降解性能(降解率、拉伸强度和断裂伸长率)及其对土壤水热、玉米生长状况及产量的影响。结果表明: 1)不同降解速率氧化生物双降解地膜降解梯度与预期基本相符, 3种降解速率的地膜全生育期降解率分别为14.2%、10.0%和6.5%, 差异达显著水平。降解a、降解b和降解c地膜在田间覆盖120 d后, 垄上地膜拉伸强度损失率分别为30.4%、20.3%和19.1%, 断裂伸长率损失率为10.4%、13.5%和5.0%, 垄侧地膜拉伸强度损失率为59.0%、50.7%和45.6%, 断裂伸长率损失率为71.7%、55.6%和51.0%, 其中降解a拉伸强度和断裂伸长率与降解b和降解c相比均达显著差异水平, 且垄侧各降解地膜机械性能损失率显著大于垄上地膜。2)氧化生物双降解地膜显著提高了玉米生育前期5~25 cm层土壤温度和0~40 cm层土壤含水率, 与露地相比, 降解a、降解b和降解c处理下5~25 cm土层平均温度分别提高了4.5 ℃、4.4 ℃和4.4 ℃, 0~40 cm土层含水率分别提高了3.2%、2.9%和2.2%。3)氧化生物双降解地膜加快了玉米生育进程, 使玉米植株提前3 d出苗, 缩短生育期5~7 d, 且玉米株高和叶面积指数均显著高于露地处理, 略优于普通地膜。4)在产量构成和最终产量方面, 氧化生物双降解地膜与普通塑料地膜覆盖均较露地处理增加了玉米穗长、穗粗及百粒重, 降解a、降解b、降解c和普通地膜处理较露地对照增产率分别达14.3%、14.3%、10.4%和13.2%。研究认为, 氧化生物双降解地膜覆盖具有明显的增温保墒效应, 与普通地膜相同, 能够显著提高玉米产量, 并且可以通过改变配方调节其降解速率。本研究成果可为氧化生物可降解地膜替代普通地膜及其在东北地区推广应用提供科学依据。

氧化生物双降解地膜; 降解性能; 土壤温度; 土壤水分; 玉米生长发育; 玉米产量

近年来, 玉米(L.)已成为我国第一大粮食作物。东北地区是我国最重要的玉米产区, 玉米种植面积及产量分别占全国的31%和34%[1]。但是, 东北部分地区春季经常发生低温冷害和霜冻[2], 且大部分地区降水不足或降水年内分布不均, 易造成玉米减产。大量研究表明, 地膜覆盖具有显著的增温、保墒、早熟、增产等作用[3-4], 其在东北地区有着不容忽视的推广意义。随着使用年限增长及规模不断扩大, 地膜覆盖在给农业生产带来巨大效益的同时, 也产生了农田残留、景观污染等负面效应[5-6]。目前为止, 解决地膜污染问题的途径主要有两种: 一是加大地膜回收力度, 二是研发推广可降解地膜。我国地膜产品均比较薄(2017年, 我国地膜厚度标准由0.008 mm提高到0.010 mm, 美国0.024 mm, 日本0.015 mm), 不利于回收作业, 且需耗费大量人力物力[7]。因此, 可降解地膜的研发推广成为解决我国地膜污染问题的重要途径[8]。目前国内外开发应用的可降解地膜主要有: 生物降解地膜、光降解地膜、光-生物双降解地膜、液态地膜及氧化生物双降解地膜等。

目前针对生物降解地膜已有诸多研究, 主要集中于生物降解地膜覆盖增温保墒效果、增产效应和降解率等[9-11]。谷晓博等[12]研究表明, 与露地对照相比, 生物降解地膜破裂前可显著提高土壤温度, 其中, 田间5 cm和25 cm处土壤温度分别提高1.0~3.8 ℃和0.7~2.9 ℃, 还可促进油菜(L.)主根下扎, 有效增加20~30 cm土壤深度的侧根质量密度。邬强等[13]研究表明, 随着厚度增加, 生物降解地膜降解速率减慢, 但可通过改变地膜配方增加或减缓降解速率。氧化生物双降解地膜是近年来我国研制的一种新型可降解地膜, 该膜兼具氧化降解和生物降解的优点[14]。刘蕊等[15]研究表明, 玉米田间覆盖氧化生物双降解地膜相比裸地显著提高了0~25 cm土层平均温度, 其增温效果在0~15 cm最为显著, 0~60 cm深度土壤蓄水量增加显著, 玉米出苗率提高16.2%, 玉米籽粒产量提高35.2%。袁海涛等[16]研究发现氧化生物双降解地膜破裂前与普通地膜具有相当的保温效果, 试验期结束后, 地膜裂成大碎块, 拉力下降明显, 降解失重率达67.7%。目前, 对氧化生物双降解地膜降解过程的研究大多停留在定性观察阶段, 对地膜降解过程中机械性能的变化缺乏阶段性定量研究。地膜机械性能是地膜抵抗破坏的能力, 其变化与地膜降解程度息息相关, 是地膜降解过程中重要的物理特性。本研究采用3种不同降解速率的氧化生物双降解地膜, 通过对不同时期地膜机械性能的跟踪检测, 探讨其降解性能和田间使用效果, 旨在为进一步研究氧化生物双降解地膜降解效果和推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年5—9月在沈阳农业大学水利学院综合试验场进行。该试验场位于东北地区南部(41°44′N, 123°27′E), 平均海拔为44.7 m, 属于丘陵地带。土壤类型为潮棕壤土, 土质分布均匀, 在该地区具有典型代表意义。0~100 cm土层平均土壤容重为1.49 g∙cm-3, 田间持水率平均值0.38 cm3∙cm-3, 凋萎系数平均值为0.18 cm3∙cm-3。2017年生育期降水量为303.7 mm。

1.2 试验材料

试验用氧化生物双降解地膜样品由山东天壮环保科技有限公司提供, 膜宽1.2 m, 膜厚0.008 mm。样品“降解a”、“降解b”、“降解c”为3种具有不同降解速率的降解膜, 设计降解时间依次为60 d、90 d和120 d。普通地膜厚度和宽度与降解膜相同。供试玉米为辽沈地区耐密品种‘良玉777’, 春播生育期125 d左右。

1.3 试验设计

试验设3种不同降解速率氧化生物双降解地膜和普通地膜覆盖及露地对照, 共5个处理, 3次重复, 随机区组排列, 每个单独试验小区面积44.8 m2(14 m×3.2 m), 周围设置保护行。采用大垄双行种植, 每个小区3条垄, 垄台宽80 cm, 高20 cm, 垄沟宽40 cm, 玉米理论种植密度为82 500株∙hm-2。5月3日人工穴播, 喷施除草剂并覆盖地膜, 覆膜方式均为全垄覆盖, 在垄沟压土固定。试验期间不进行灌水, 降雨为惟一水分来源, 除覆膜材料不同外, 其他田间管理措施均与当地种植习惯一致。

1.4 测定项目及方法

地膜降解速率: 1)降解特征调查。自覆膜之日起, 于每个小区随机划定3个30 cm×40 cm的区域, 每10 d拍照记录地膜降解情况, 拍照时将相机置于拍照区域正上方。地膜降解等级划分参照杨惠娣等[17]的方法, 并根据地膜降解特点进行调整。0级, 未出现裂纹; 1级, 开始出现裂纹; 2级, 地膜出现2~5 cm裂纹; 3级, 出现大于5 cm裂纹; 4级, 出现均匀网状裂纹, 无大块地膜存在。2)降解速率计算。覆膜前分别取各类地膜1 m称重, 重复3次。收获后, 于每个小区随机选取一垄划定1 m长区域, 捡拾包括埋土部分在内的所有地膜, 洗净、晾干、称重, 计算地膜质量损失。

地膜机械性能测定: 于覆膜时对各地膜取样, 样品数为3, 规格为30 cm×40 cm; 覆膜90 d和覆膜120 d时, 在每个小区固定的一条垄上(防止地膜大面积破坏对试验造成影响)随机选取3个样品, 120 d时加取垄侧样品, 样品规格和数量同前, 用剪刀剪下后用超声波清洗机清洗, 晾干后采用美产Instron-5567A测定地膜拉伸强度和断裂伸长率。根据塑料薄膜拉伸性能试验方法(GB—13022), 地膜拉伸强度以σ(MPa)表示, 计算公式为:

=/´(1)

式中:为断裂负荷, N;为试样宽度, mm;为试样厚度, mm。

断裂伸长率以ε(%)表示, 计算公式为:

ε=(L0)/0(2)

式中:0为试样原始标线距离, mm;为试样断裂时标线间距离, mm。

土壤水分和温度测定: 土壤水分采用TDR(时域反射仪)测定, 每个小区3个测点, 测定深度为0~60 cm, 间隔为10 cm, 每7 d测一次, 雨前后加测。土壤温度测定采用套组曲管地温计, 每个小区1套, 置于小区中间位置(垄上), 测量深度为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm, 测定时间为7:00、14:00、18:00, 间隔为3~5 d。

玉米农艺性状和产量测定: 于苗期在每个小区内选择3株代表性较强的植株, 挂牌标记, 分别于苗期、拔节期、抽雄期和灌浆成熟期测定株高和叶面积。玉米成熟时, 按小区单独收获计产, 并换算为14%含水率的产量。

玉米叶面积指数(LAI)采用以下公式计算:

式中:为玉米种植密度, 株∙hm-2;为测量株数;为第株玉米总叶片数;L为叶长, cm;W为最大叶宽, cm。

加州鲈鱼苗培育池塘面积为2.3亩和1.8亩的两口土池塘，平均水深0.8m。据汤老板介绍，5月初加州鲈鱼苗有少量沿池塘边独自游动，体型瘦小，几天后数量逐渐增多，并看见鱼苗头部呈白色，每天有几十尾死亡，起初以为是细菌性疾病，泼洒了两次二氧化氯消毒药，死亡量反而逐步增加，吃食量也降低，这种情况持续了几天仍未好转。现场水质检测各指标：pH值为7.6，溶氧4.5mg/L，氨氮0.3mg/L，亚硝酸盐0.01mg/L，硫化氢＜0.05mg/L，水温19.5℃，水色为黄褐色，水质偏肥。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2015对数据进行预处理, 采用R语言进行方差分析, 采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 氧化生物双降解地膜降解性能

2.1.1 降解速率

将3种不同降解速率双降解地膜田间覆盖后降解效果列入表1。3种双降解地膜降解速率梯度基本和设计降解速率相符。降解a在覆膜30 d后开始出现裂纹, 40 d后出现2~5 cm裂纹, 60 d后裂纹大于5 cm, 此后随着土壤温度下降和光照条件减弱, 地膜降解速率减慢, 130 d后田间仍残留大块完整地膜; 降解b降解过程稍滞后于降解a, 在40 d开始出现裂纹, 60 d出现2~5 cm裂纹, 110 d裂纹大于5 cm, 130 d后田间仍残留大块地膜; 降解c在覆膜60 d开始出现裂纹, 明显晚于降解a和降解b, 80 d出现2~5 cm裂纹, 之后裂纹虽继续扩大, 但未超过5 cm。以上裂纹主要出现在垄侧部位, 地膜降解表现出明显的不均匀性。覆膜130 d后降解a、降解b和降解c田间降解率分别为14.2%、10.0%和6.5%, 3个处理间差异显著。表明氧化生物双降解地膜降解可靠性及降解速率具有一定可控性。

表1 不同覆盖时间下氧化生物双降解地膜表观降解程度及降解率

1)0~3表示地膜降解分级指标, 0表示未出现裂纹, 1表示开始出现裂纹, 2表示出现2~5 cm裂纹, 3表示出现大于5 cm裂纹。2)地膜宽1.2 m。3)同列不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著。1) 0-3 mean the levels of film degradation. 0 means no crack, 1 means the beginning of crack, 2 means that the crack reaches to 2-5 cm and 3 means that the crack is larger than 5 cm. 2) The film is 1.2 m wide. 3) Different small letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

2.1.2 地膜机械性能变化

将铺膜前后不同时间测定的地膜拉伸强度和断裂伸长率分别汇入表2。由表2可知, 氧化生物双降解地膜初始拉伸强度略低于普通地膜, 断裂伸长率与普通地膜相当, 说明氧化生物双降解地膜具备良好的弹性, 利于田间铺膜。在拉伸强度方面, 降解a降解90 d、120 d后垄上地膜拉伸强度减少7.6 MPa和9.02 MPa, 拉伸强度损失率为25.6%和30.4%, 垄侧地膜拉伸强度损失率为59.0%, 且垄侧地膜拉伸强度损失率显著大于垄上地膜。相同覆盖期下, 降解b拉伸强度损失率为16.5%、20.3%和50.7%, 降解c拉伸强度损失率为9.8%、19.1%和45.6%。3种双降解地膜拉伸强度损失率表现为降解a>降解b>降解c, 梯度与地膜降解速率相同。

不同降解地膜断裂伸长率变化与拉伸强度基本一致, 覆膜120 d后垄上各地膜(降解a、降解b、降解c)断裂伸长率分别下降10.4%、13.5%和5.0%, 垄侧各地膜断裂伸长率分别下降71.7%、55.6%和51.0%, 依旧表现为垄侧地膜损失率大于垄上地膜。整体上看, 不同降解地膜拉伸强度和断裂伸长率损失率表现为降解a>降解b>降解c。其中, 降解a除铺膜时拉伸强度与降解b和降解c无显著差异外, 其余铺膜时间下差异均达到显著水平, 断裂伸长率仅在铺膜90 d垄上和120 d垄侧与降解b和降解c达显著差异水平, 而拉伸强度与断裂伸长率的变化与地膜降解程度有着紧密联系, 进一步表征氧化生物双降解地膜降解速率具有可控性。

表2 不同覆盖时间下不同氧化生物双降解地膜拉伸强度和断裂伸长率变化

同列不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level among different treatments.

图1 氧化生物双降解地膜覆盖下玉米全生育期5~25 cm层土壤温度的变化(a: 5 cm土层; b: 10 cm土层; c: 15 cm土层; d: 20 cm土层; e: 25 cm土层)

2.2 不同氧化生物双降解地膜覆盖对田间地温和水分的影响

2.2.1 对土壤温度的影响

图1为不同处理下玉米全生育期田间5~25 cm层土壤温度变化情况。玉米苗期(播后0~40 d), 各层土壤温度波动幅度较大, 处理间差异明显大于其他时期。降解a、降解b和降解c处理下5~25 cm层土壤温度基本相同, 三者均显著高于普通地膜和露地处理, 随着土层深度的增加, 各处理间差异逐步减小。以降解a处理为例, 5~25 cm层土壤平均温度较露地分别提高4.9 ℃、4.9 ℃、4.5 ℃、4.1 ℃和4.1 ℃。就5~25 cm土层平均温度而言, 3种双降解地膜处理较露地分别提高4.5 ℃、4.4 ℃和4.4 ℃, 三者间差异不显著。上述分析表明, 氧化生物双降解地膜在苗期具有比普通地膜更好的保温性能, 尤其对5~15 cm土层, 有效避免了早春低温胁迫对玉米根系生长的不利影响, 促进玉米根系生长发育, 对后期玉米产量形成具有重要意义。

玉米进入拔节期后(播后约40 d), 植株体生长迅速, 各项指标快速增大, 覆盖率大, 极大削弱了地膜的增温效果, 覆膜处理下5~25 cm层土壤温度波动明显较苗期平稳, 降解地膜与普通地膜间差异不显著。此时降解a和降解b出现降解裂纹, 地膜变脆, 强度有所下降, 保温效果降低, 但由于破裂程度较小, 且破裂部分仍紧贴地面, 具有一定保温效果, 导致二者与降解c间温度差异不明显。

2.2.2 对土壤含水率的影响

由图2可知, 在播后14 d, 氧化生物双降解膜和普通地膜处理显著增加了0~40 cm层土壤含水率。与露地相比, 降解a、降解b、降解c和普通地膜处理下0~40 cm层土壤含水率分别提高3.2%、2.9%、2.2%和2.9%, 此时地膜覆盖体现出显著保墒效果的主要原因是该时期田间水分主要以棵间蒸发的形式散失, 而地膜覆盖可以有效抑制土表蒸发, 而对于40~60 cm土层, 除降解a外其余处理含水率差异均不显著, 这可能与降解a处理底墒较好有关。播后55 d, 玉米进入拔节期, 植株蒸腾耗水增加, 各处理水分均有所下降,覆膜处理由于前期良好的水分温度条件, 植株生长明显较露地旺盛, 耗水强度大, 因此各覆膜处理下0~40 cm层土壤含水率显著小于露地, 但40~60 cm层土壤差异不显著, 说明此时根系生长主要利用上层土壤水分。而在播后75 d及105 d, 虽各降解膜出现不同程度的破损, 但该时期作物封垄, 极大地抑制了棵间蒸发, 因此水分主要以作物蒸腾的方式散失, 覆膜处理下高大的植株需要消耗更多的水分, 且植株对深层土壤水分利用增加, 因此覆膜处理与露地间0~60 cm土层含水率差异进一步加大。玉米成熟后期(播后129 d), 需水量小, 此外, 氧化生物双降解膜出现较大破损, 但残膜紧贴地表, 仍具有一定的保墒作用, 因此, 各降解膜处理下0~60 cm层土壤含水率均显著高于露地, 此外, 由于降解膜破裂部分有利于降雨入渗, 使得3种双降解地膜处理下0~40 cm层土壤含水率显著高于普通地膜。

图2 不同氧化生物双降解地膜覆盖对玉米生育期0~60 cm层土壤含水率变化的影响(A: 0~40 cm土层; B: 40~60cm土层)

不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著。Different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level among different treatments.

2.3 不同氧化生物双降解地膜覆盖对玉米生长的影响

2.3.1 对玉米生育进程的影响

由表3可以看出, 氧化生物双降解地膜明显加快了玉米的生育进程, 出苗期较露地平均提前3 d, 较普通地膜提前2 d; 拔节期较露地提前4 d, 较普通地膜提前2 d。氧化生物双降解膜处理下玉米生育期明显较露地缩短, 降解b和降解c地膜降解率明显较降解a小, 增温效果及增温持续时间较长, 因此总生育期时长较降解a提前2 d, 较露地提前7 d。

表3 不同氧化生物双降解地膜覆盖对玉米生育进程的影响(播种后天数, d)

2.3.2 对玉米株高和叶面积指数的影响

由表4可以看出: 玉米拔节期生长最为迅速, 抽雄到灌浆成熟期, 株高已基本稳定, 而普通地膜和露地处理由于生育期较为迟缓, 在抽雄期株高显著低于3种降解膜处理。苗期、拔节期和抽雄期氧化生物双降解地膜处理下玉米株高显著高于普通地膜和露地处理, 且在抽雄期达到最大值, 降解a、降解b和降解c处理下株高分别较露地高35 cm、40 cm和38 cm, 3种降解膜处理间无显著差异。全生育期内, 玉米叶面积指数变化与株高有所不同。在苗期和拔节期, 3种降解地膜处理下玉米叶面积指数无显著差异, 均显著高于普通地膜和露地对照, 至抽雄期时, 各处理下叶面积指数达到峰值, 降解a、降解b和降解c处理下叶面积指数分别较露地高0.203 6、0.243 7和0.153 1。玉米进入灌浆成熟期后, 植株进入衰老阶段, 叶片逐渐枯黄掉落, 各覆膜处理叶面积指数均有小幅度降低。以上分析表明: 3种降解地膜处理均有效促进了玉米地上部分植株的生长, 各降解地膜处理间差异不显著, 但略优于普通地膜, 各配方降解膜和普通地膜处理均显著优于露地处理。

表4 不同氧化生物双降解地膜覆盖对玉米株高和叶面积指数的影响

同列不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level among different treatments.

2.4 不同氧化生物双降解地膜覆盖对玉米产量和产量构成的影响

由表5可以看出, 覆膜处理显著提高了玉米产量, 降解a、降解b、降解c和普通地膜较露地对照增产率分别为14.3%、14.3%、10.4%和13.2%, 3种双降解地膜与普通地膜处理间差异不显著, 总体表现为降解b>降解a>普通地膜>降解c>露地。产量构成方面, 各处理的玉米行数没有明显差异, 氧化生物双降解地膜处理下玉米穗长、穗粗和百粒重均优于露地对照, 表明双降解地膜覆盖促进了玉米穗的生长, 3种可降解地膜处理略优于普通地膜。

表5 不同氧化生物双降解地膜覆盖对玉米产量及产量构成的影响

同列不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

3 讨论

可降解地膜机械性能是其生产过程中的一个重要指标, 不仅关乎地膜能否顺利铺设, 还影响着地膜的覆盖效果。有研究者利用从香蕉(Lour.)假茎外层分离出的纳米纤维素制作生物降解地膜, 虽然地膜强度很高, 但其断裂伸长率仅有1.7%, 在降水、风力等外力作用下易于开裂, 影响覆盖效果[18]。本研究通过对地膜机械性能检测发现, 氧化生物双降解地膜虽强度略低于普通地膜, 但其断裂伸长率明显高于后者, 保证了地膜顺利铺设及其使用效果。袁海涛等[19]采用3种不同配方的氧化生物双降解地膜(亦为山东天壮环保科技有限公司生产)在山东省德州市进行棉田覆盖试验, 结果表明氧化生物双降解地膜在使用过程中逐步降解, 地膜延展性、拉力明显下降, 直至裂解为小碎片, 降解率最高可达74.5%, 且不同配方氧化生物双降解地膜表现出不同的降解速度和降解程度, 基本与预期相符, 表明氧化生物双降解地膜降解速度具有可控性。本研究也得到类似的结论: 降解a、降解b和降解c在玉米收获后降解率分别为14.2%、10%、6.5%, 降解速度梯度符合预期设置, 但总体降解率均比较小, 且垄上和垄侧降解差异明显。该现象出现的可能原因: 一是2017年降水偏少, 在降水较少且气候较为干燥的条件下, 土壤微生物活性较低, 对降解地膜的分解作用比较小, 从而导致地膜整体降解缓慢; 二是垄侧地膜与土表贴合度较好, 加速了土壤微生物对垄侧地膜的侵蚀作用; 三是垄侧地膜光照条件优于垄上地膜, 利于光催化反应的发生。拉伸强度和断裂伸长率是评价塑料地膜机械性能的重要指标, 其变化可以反映地膜降解程度的大小。刘群等[20]研究表明, 覆膜140 d后, 生物降解地膜纵向拉伸强度下降明显, 只有铺膜前的27.5%, 表明田间使用后生物降解地膜力学性能下降明显。本研究中, 铺膜120 d后, 垄上、垄侧地膜拉伸强度分别下降19.1%~30.4%、45.6%~59.0%, 断裂伸长率分别下降4%~11.0%、60.8%~77.6%, 也表明氧化生物双降解地膜在使用后机械性能下降明显, 降解效果良好。氧化生物双降解地膜还具有明显的增温保墒效果。玉米生育前期(0~40 d), 氧化生物双降解地膜覆盖下土壤温度、含水率显著高于露地处理, 而在生育中后期, 降解地膜开裂和植株遮阴导致增温效果明显减弱, 这与刘蕊等[15]、胡广荣等[21]的研究结果基本一致。申丽霞等[3]研究表明, 覆膜可有效改善土壤条件, 有利于玉米前期营养体搭建, 为后期生殖生长奠定了基础, 加快了玉米生育进程, 各时期株高、叶面积和地上部干物质重量显著高于裸地对照, 缩短了玉米秃尖长, 增加了行粒数和千粒重, 增产率达35.1%, 而可降解地膜和普通地膜间差异不显著。本研究中也得到了类似的结论: 前中期膜下良好的水热条件促进玉米植株快速生长, 株高和单株叶面积显著高于露地对照, 穗长、穗粗、行粒数等产量构成因素均优于对照, 玉米增产幅度达10.4%~14.3%, 虽与普通地膜存在一定差异, 但未达到显著水平, 这主要是由于在水分等条件满足的前提下, 温度是影响作物生长的主要因素, 而氧化生物双降解地膜处理的增温效果优于普通地膜。

4 结论

1)玉米生育期内, 3种不同降解速率氧化生物双降解地膜降解率分别为14.2%、10.0%和6.5%, 差异显著。

2)氧化生物双降解地膜具有明显的增温保墒效应, 地膜破损后, 残膜紧贴地表, 仍起到一定的增温保墒效果, 且有利于降雨入渗, 增加土壤水库蓄水。

3)氧化生物双降解地膜加快了玉米生育进程, 缩短了生育期5~7 d, 使玉米生育前中期株高和叶面积指数显著高于露地对照。

4)较露地对照, 氧化生物双降解地膜显著提高了玉米产量, 增产率达10.4%~14.3%, 综合表现为降解b>降解a>降解c, 3种降解膜与普通膜间无明显差异。

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Degradation property of oxo-biodegradable plastic film and its mulching effect on soil moisture, soil temperature and maize growth in rainfed Northeast China*

SUN Shijun1†, ZHANG Wangwang1†, LIU Cuihong2, ZHOU Jiaqi1, ZHU Kunlun3

(1. College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2. College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 3. Eco-Benign Plastics Technology Co., Ltd, Jinan 250110, China)

The growing use of plastic film in agriculture has significantly increased crop production as it positively enhances the soil environment. However, the massive disposal of this material has as well increased environmental risk. One way to solve this problem is by developing a substitutable mulching film such as biodegradable films that are ultimately convertible into water, carbon dioxide and soil organic matter by micro-organisms. Oxo-biodegradable plastic film is a newly developed biodegradable film that can increase soil water, soil temperature and crop yield and it also has satisfactory degradation properties. In this study, series of experiments were conducted to determine the degradation properties (degradation rate, tensile strength and elongation) of oxo-biodegradable plastic films and the effects of different mulching treatments on soil moisture, soil temperature, maize growth and maize yield. The mulching experiment was conducted using three kinds of oxo-biodegradable plastic films with different ingredients and different degradation rates (Degradation a, Degradation b and Degradation c) and common plastic film, and using un-mulched field as the control. Maize was ridge-cultivated and films covered all soil surface. The results showed that: 1) biodegradation rate of different oxo-biodegradable films met soil and crop requirements for high yield production. Degradation rates of Degradation a, Degradation b and Degradationc after maize harvesting were respectively 14.2%, 10.0% and 6.5%. While the tensile strength on the ridge tops of Degradation a, Degradation b and Degradationc were decreased respectively by 30.4%, 20.3% and 19.1%, elongation decreased by 10.4%, 13.5% and 5.0% under mulching in the field for 120 days. Meanwhile, tensile strength of side ridges decreased respectively by 59.0%, 50.7% and 45.6% for Degradation a, Degradation b and Degradation c and elongation by 71.7%, 55.6% and 51.0%. Decrease in degradation was significantly different for different films. Furthermore, decrease in degradation properties of the film on ridge side was significantly more than that on the top of ridge. 2) Compared with the control, oxo-biodegradable plastic film mulching significantly increased soil temperature in the 5-25 cm soil layer and soil moisture in the 0-40 cm soil layer on early maize growth period. Degradation a, Degradation b and Degradationctreatments increased average soil temperature in the 5-25 cm soil layers respectively by 4.5 ℃, 4.4 ℃ and 4.4 ℃. Soil moistures under Degradation a, Degradation b and Degradation c treatments were increased respectively by 3.2%, 2.9% and 2.2% in the 0-40 cm soil layer. 3) Oxo-biodegradable plastic film mulching promoted maize growth, enhanced early maize emergence and shortened overall growth period by 5-7 days. Also the height and LAI of maize under oxo-biodegradable plastic film mulching were significantly higher than those under un-mulched treatment and slightly better than that under common plastic film mulching. 4) Compared with the control treatment, three oxo-biodegradable plastic films and common plastic film treatments increased ear length, ear diameter and 100-kernel weight of maize. At the same time, Degradation a, Degradation b and Degradation c and common film treatments significantly increased maize yield by 14.3%, 14.3%, 10.4% and 13.2%, respectively. Based on the study, oxo-biodegradable plastic film mulching significantly increased soil temperature and moisture and enhanced maize yield more than common film mulching, with degradation rate adjustable by changing ingredients. The results provided scientific basis for the replacement of common plastic films by oxo-biodegradable plastic films and for the development, popularization and application of oxo-biodegradable plastic films in Northeast China.

Oxo-biodegradable plastic film; Degradable property; Soil temperature; Soil moisture; Maize growth; Maize yield

, SUN Shijun, E-mail: sunshijun2000@yeah.net

Jun. 12, 2018;

Sep. 24, 2018

S513.047

A

2096-6237(2019)01-0072-09

10.13930/j.cnki.cjea.180550

2018-06-12

2018-09-24

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51509155, 51609137), the Provincial Natural Science Foundation of Liaoning (20180550617) and the Special Program for National Key Research and Development Project of China (2018YFD0300301).

† Equal contributors

* 国家自然科学基金项目(51509155, 51609137)、辽宁省自然科学基金项目(20180550617)和国家重点研发计划重点专项(2018YFD0300301)资助

† 同等贡献者: 孙仕军, 主要从事农业高效用水和水资源综合利用研究, E-mail: sunshijun2000@yeah.net; 张旺旺, 主要从事农业节水研究, E-mail: 447813802@qq.com

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