PBAT型全生物降解地膜对南疆棉花和玉米产量及土壤理化性质的影响

王 斌，万艳芳，王金鑫，孙九胜，王新勇，槐国龙，孔立明

（1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆康润洁环保科技有限公司，乌鲁木齐 830001）

地膜覆盖具有增温、保墒、保肥、早熟、增产、抑制杂草生长以及控制土壤盐碱度等作用[1-2]，是解决干旱地区缺水和农业增产的一项重要技术措施。20世纪80年代起，覆膜技术被广泛应用于作物栽培上[1]。但由于地膜材料成分主要为聚乙烯[3-4]，其分子结构比较稳定，在自然条件下很难降解，会在土壤中残留几十年之久[5-6]。随着地膜的连年使用，越来越多的残膜留在土壤中[7-8]，造成土壤板结、通透性变差、农事操作受阻以及作物减产等一系列问题[9-10]。因此，可降解地膜的研究和推广在国内外引起了极大的关注。

目前，许多学者主要集中于不同类型材料的降解性能、覆盖效应的对比，以及同种材料不同规格可降解地膜田间应用效果的对比等研究[1，10-13]。研究得到降解地膜具有可降解特性，能减少土壤残膜污染；具有保温、保墒、能促进作物生长和增产等作用[2，10-13]。与普通地膜相比，降解地膜覆盖对土壤水分、温度以及作物生长和产量的影响相当，差异不显著[2，10-12]；但降解地膜覆盖后的降解特性以及作物产量的增减存在差异，这可能是由于作物种类、覆膜方式、灌水量和区域气候条件等不同造成的[14-16]。目前，针对干旱区不同区域同时开展降解地膜对比试验的研究较少。

新疆的巴音郭楞蒙古族自治州（巴州）、阿克苏、喀什与和田四地州，总面积约108万km2，占我国国土面积的11.25%[17]，玉米和棉花是主要的种植作物。目前相关研究主要集中于可降解地膜栽培技术规程、降解过程以及对作物生长和产量的影响等方面[17-18]，而针对四地州降解地膜对比试验的系统研究较少。因此，本研究在南疆四地州开展降解地膜大面积应用与示范，研究降解地膜降解特征以及对作物产量、土壤温湿度和养分的影响，为PBAT型全生物降解地膜的推广应用以及降解地膜覆盖技术的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 调查区概况

南疆属典型的大陆性干旱气候，其气候特点是光照长，昼夜温差大，干旱少雨。年平均日照时数在3000 h左右，年均蒸发量在2300 mm以上，≥10℃的积温平均在4000℃以上，无霜期240 d左右，年降水量仅20～100 mm，年均沙尘天气约92 d。

南疆种植的作物主要有棉花、玉米、加工番茄、马铃薯和小麦等。生物降解地膜在南疆主要应用于棉花、玉米、番茄和马铃薯等，其中，以棉花和玉米应用较为普遍，用量约为7.5～12.0 g·m-2。

2016年2—3月期间，在南疆4个地州13个县市建立生物降解地膜核心示范区，4—10月期间开展降解地膜在棉花和玉米上的应用，9月底开展生物降解地膜应用情况调查，地点及作物见表1。

1.2 试验设计

设PBAT型全生物降解地膜（产自新疆康润洁环保科技股份有限公司）和普通PE地膜2个处理，每处理3次随机重复。PE地膜和降解地膜的膜宽和膜厚一致，具体膜宽和膜厚见表1。南疆四地州试验区共22个（表1），每个试验区面积为1000 m2。

选取棉花和玉米为试验对象，棉花于2016年4月5日—11日播种，玉米于2016年6月12日—21日播种（冬小麦收获后复播）。灌溉方式为膜下滴灌，铺膜方式为机械铺设。

肥料用量、作物种植与管理方式同当地大田一致。

表1 试验与示范点基本情况Table 1 Basic situation of experiment and demonstration

1.3 测定项目与方法

1.3.1 降解地膜降解性能

采用目测法，定期观测降解地膜，记录地膜的形态以及表面的完整情况；根据观测结果，将地膜降解过程分为诱导期、开裂期、大裂期、碎裂期和无膜期5个阶段[19]。

1.3.2 土壤温湿度

土壤温度采用曲管地温计进行测定，测定位置为膜下5 cm和10 cm土层，每日08：00、14：00、20：00 3个时间点进行记录，每3 d一次。

土壤湿度采用烘干法测定[20]。每隔10 d取一次土样（分膜下0～5 cm和5～10 cm土层），将采集的土壤样品装入已知质量的铝盒（W），带回实验室称得铝盒+鲜土质量（W1），然后将其放进烘箱于105℃温度下烘至恒质量，称得铝盒+干土质量（W2），由此测得土壤质量含水量（SW，%）为：

试验中仅对降解地膜处于诱导期之前的土壤温湿度进行了测定。其中，棉花测定时间为2016年4月—6月，玉米测定时间为2016年6月—8月。

1.3.3 土壤理化性质

2016年作物播种前和收获期，以“S”型取样法在每个降解地膜试验示范区取0～20 cm土壤混合样，风干、磨细、过筛，测定土壤pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾、总盐。

土壤pH测定用数显酸度计（PHS-3C，产自上海仪电科学仪器股份有限公司），土壤有机质用重铬酸钾外加热法，土壤速效氮采用碱解扩散法，土壤速效磷采用钼锑抗比色法，土壤速效钾采用火焰光度法，土壤总盐用烘干质量法测定[20]。

1.3.4 产量

棉花吐絮期，测定单位面积棉花株数、铃数以及单铃质量，其中单铃重按棉株下、中、上部位分别采50朵完全吐絮棉花测定，按产量=单位面积株数×每株铃数×单铃质量公式计算棉花产量。

玉米收获期，测定单位面积玉米株数、玉米棒数以及每棒玉米粒质量，按产量=单位面积株数×每株玉米棒数×每棒玉米粒质量公式计算玉米产量。

1.4 数据处理

数据利用Excel 2016和Origin 8.0软件进行初步分析和作图，采用SPSS 21.0软件进行方差分析，数据间比较采用独立样本T检验。

2 结果与分析

2.1 降解地膜的降解特征

种植棉花的降解地膜降解过程表现为覆膜82 d左右开始出现裂纹，出现诱导期；98 d左右出现孔洞，出现开裂期；138 d左右开始降解为大的碎片，膜面变薄，韧性下降，出现大裂期；到作物收获时（148 d左右），出现碎裂期，膜面上大部分地膜破碎成小块，地膜变薄、变脆，无韧性；膜边埋土部分仍然具有一定韧性，破孔较小，但地膜已经变薄、变脆，降解速度滞后于地表面部分。不同地区之间，巴州地区降解地膜降解速度比阿克苏地区快，巴州出现诱导期、开裂期、大裂期和碎裂期的时间分别较阿克苏的提前3、1、1 d和4 d，但不同地区之间降解时间差异不显著（P＞0.05）（图1）。

种植玉米的降解地膜降解过程与种植棉花的降解过程基本相似，但种植玉米的降解地膜降解速度明显较种植棉花的快，出现诱导期、开裂期和大裂期的时间分别较种植棉花的提前2、5 d和28 d。不同地区之间，喀什的降解地膜降解速度比和田的快，出现诱导期、开裂期和大裂期的时间分别较喀什的提前3、5 d和7 d，但不同地区之间降解时间差异不显著（P＞0.05）（图1）。

2.2 降解地膜覆盖对土壤温湿度的影响

2.2.1 土壤温度

从种植的棉花来看，巴州和阿克苏地区降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土温随着生育期进程基本上呈增大的趋势，即表现为6月＞5月＞4月（图2）。4—6月降解地膜处于诱导期之前（图1），降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土温基本上高于PE地膜，但巴州有所不同。其中，膜下5 cm处巴州降解地膜平均土温较PE地膜低0.14℃，阿克苏地区较PE地膜高0.76℃；膜下10 cm处巴州和阿克苏地区降解地膜平均土温分别较PE地膜高0.27℃和1.21℃；但两种地膜的土温差异不显著（P＞0.05）。

图1 PBAT型全生物降解地膜的降解阶段Figure 1 The biodegradable stages of PBAT biodegradable plastic mulch film

图2 棉花两种地膜覆盖土壤温度变化Figure 2 Soil temperature under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the cotton planting areas

从种植的玉米来看，喀什、和田地区降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土温随着生育期进程基本上呈增大的趋势，即表现为8月＞7月＞6月（图3）。6—8月降解地膜处于诱导期之前（图1），降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土温均高于PE地膜。其中，膜下5 cm处巴州和阿克苏地区降解地膜的平均土温分别较PE地膜高0.40℃和2.08℃，膜下10 cm处分别较PE地膜高0.77℃和2.00℃；但两种地膜的平均土温差异不显著（P＞0.05）。

2.2.2 土壤湿度

从种植的棉花来看，巴州和阿克苏地区降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率随着生育进程呈增大的趋势。即表现为6月＞5月＞4月（图4）。4—6月降解地膜处于诱导期之前（图1），降解地膜处理膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率高于PE地膜。其中，膜下5 cm处巴州和阿克苏地区降解地膜的平均土壤含水率分别较PE地膜的高0.83%和1.47%，膜下10 cm处分别较PE地膜的高0.25%和2.42%；但两种地膜的平均土壤含水率差异不显著（P＞0.05）。

从种植的玉米来看，喀什与和田地区降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率随着生育进程呈先增大后减小的趋势，峰值均出现于7月份（图5）。6—8月降解地膜处于诱导期之前（图1），降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率高于PE地膜。其中，膜下5 cm处喀什、和田地区降解地膜的平均土壤含水率分别较PE地膜的高0.58%和3.81%，膜下10 cm处分别较PE地膜的高0.40%和3.51%；但两种地膜的平均土壤含水率差异不显著（P＞0.05）。

2.3 降解地膜覆盖对土壤养分的影响

就种植棉花的土壤来看，巴州和阿克苏地区播种前和收获期的土壤养分略有不同（表2）。其中，巴州收获期的土壤pH值、有机质和速效磷分别较播种前的高0.01、0.148 g·kg-1和3.6 mg·kg-1，土壤速效氮、速效钾和总盐分别较播种前的低0.7、7 mg·kg-1和0.3 g·kg-1；阿克苏收获期的土壤速效磷和速效钾分别较播种前的高1.2 mg·kg-1和3 mg·kg-1，土壤pH值、有机质和速效氮分别较播种前的低0.04、0.015 g·kg-1和2.1 mg·kg-1，总盐与播种前的含量相同，为 3.8 g·kg-1，但同一地区播种前和收获时的土壤养分差异均不显著（P＞0.05）。不同地区之间，巴州的土壤pH值、有机质、速效磷、速效钾和总盐含量均高于阿克苏地区，而速效氮低于阿克苏地区。

图3 玉米两种地膜覆盖土壤温度变化Figure 3 Soil temperature under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the maize planting areas

图4 棉花两种地膜覆盖土壤含水率变化Figure 4 Soil moisture content under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the cotton planting areas

图5 玉米两种地膜覆盖土壤含水率变化Figure 5 Soil moisture content under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the maize planting areas

就种植玉米的土壤来看，喀什、和田地区播种前和收获期的土壤养分略有不同（表2）。其中，喀什收获期的土壤速效氮较播种前的高7.1 mg·kg-1，有机质、速效磷和速效钾分别较播种前的低0.633 g·kg-1、0.4 mg·kg-1和 1 mg·kg-1，土壤pH和总盐与播种前的含量相同，分别为8.38和1.2 g·kg-1；和田收获期的土壤pH和速效磷分别较播种前的高0.10和1.5 mg·kg-1，有机质、速效氮、速效钾和总盐分别较播种前的低0.732 g·kg-1、9.5 mg·kg-1、4 mg·kg-1和0.2 g·kg-1，但同一地区播种前和收获时的土壤养分差异均不显著（P＞0.05）。不同地区之间，喀什地区的土壤有机质、速效氮、速效磷和总盐含量均高于和田地区，而土壤pH和速效钾均低于和田地区。

2.4 降解地膜覆盖对作物产量的影响

与PE地膜相比，巴州和阿克苏地区降解地膜覆盖下的棉花均呈现出不同程度的增产（表3）。其中，阿克苏棉花增产较多，较PE地膜平均增产8.33%，巴州棉花增产较少，较PE地膜平均增产6.48%，但同一地区两种地膜覆盖下的棉花产量差异均不显著（P＞0.05）。不同地区之间，阿克苏地区的棉花增产率较巴州地区的高1.85%。

与PE地膜相比，喀什、和田地区降解地膜覆盖下的玉米也呈现出不同程度的增产（表3）。其中，和田玉米增产较多，较PE地膜平均增产14.97%，喀什玉米增产较少，较PE地膜平均增产3.67%，但同一地区两种地膜覆盖下的玉米产量差异均不显著（P＞0.05）。不同地区之间，和田地区的玉米增产率较喀什地区的高11.30%。

3 讨论

随着聚乙烯PE地膜使用量的不断增加，残膜累积对新疆尤其是南疆地区的土壤和生态环境的负面影响也不断显现。降解地膜具有与PE地膜类似的保温和保水效果，产量水平与PE地膜相当，还具有自然降解作用[10]。因此，降解地膜的研究和推广对塑料农膜工业和农业发展具有重要的作用。本研究以降解地膜和PE地膜为处理，在南疆四地州棉花、玉米主栽区进行田间试验，深入分析了南疆四地州降解地膜的降解性能以及对作物产量和土壤环境的影响。

从降解地膜降解过程看，种植棉花的降解地膜82 d左右开始出现裂纹，随着生育进程地膜逐渐变薄、变脆，裂口变大，收获期时（148 d左右）膜面上大部分地膜破碎成为小块，膜边埋土部分降解速度滞后于膜面部分，但降解趋势明显；种植玉米的降解地膜降解速度较种植棉花的快，出现始裂期、开裂期和大裂期的时间分别提前2、5 d和28 d。而且，巴州棉花降解地膜降解速度比阿克苏的快，喀什玉米降解地膜降解速度比和田的快。出现这种差异可能是由于作物种类和区域气候条件不同造成的[14-15]。降解地膜降解过程在很大程度上受自然环境因素的影响，不同温度和水分条件下都会表现出不同程度的降解[21]，温度越高，水分越大，降解越强烈[22]。何文清等[14]也研究发现降解膜的降解特性存在区域的差异性，河北试验点降解膜降解速率要明显快于新疆试验点。

表2 不同时期全生物降解地膜膜下0～20 cm土层土壤养分变化Table 2 Changes of soil nutrient at average of 0～20 cm below surface under biodegradable plastic film mulching at different stages

表3 两种地膜覆盖下棉花和玉米产量Table 3 The yield of cotton and maize under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching

降解地膜覆盖能明显改善土壤耕作层的水肥热状况，促进作物生长发育，其作用与PE地膜相当[2，23-25]。本研究发现降解地膜降解处于诱导期之前（即80 d左右），除膜下5 cm处巴州棉花降解地膜平均土温较PE地膜低0.14℃外，四地州棉花和玉米降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤温湿度均高于PE地膜的，但两种地膜的平均土壤温湿度差异均不显著（P＞0.05）。这可能是由于降解地膜处于开裂期之前，降解地膜尚未明显降解，土壤保温保墒性能较好，与PE地膜作用相当。申丽霞等[2]也发现两种可降解（光、生物降解）地膜对土壤水分和温度的影响与普通地膜相当，刘群等[11]也发现生物降解地膜在降解前与PE地膜在提高土壤温度方面有着一致的效果，其增温效应与PE地膜没有明显的差异。本研究还发现同一地区，降解地膜覆盖下作物收获时的土壤养分略有不同，但差异不显著（P＞0.05）；而且，不同地区之间的土壤养分存在差异，出现这种差异可能是由于作物种类、施肥量、灌水量和区域气候条件等不同引起的。

与PE地膜相比，降解地膜覆盖下的棉花和玉米均呈现出不同程度的增产。其中，巴州和阿克苏地区的棉花分别增产8.33%和6.48%，喀什与和田地区的玉米分别增产3.67%和14.97%，但同一地区两种地膜覆盖下的作物产量差异均不显著（P＞0.05）。同样，许多学者也发现降解地膜覆盖下的玉米和棉花产量较PE地膜的高，且差异不显著。康虎等[10]发现降解地膜覆盖下的玉米较PE地膜高4.8%；刘群等[11]研究发现生物膜覆盖能使玉米增产18.7%，略高于PE地膜的增产率（17.7%）；何文清等[14]发现新疆石河子日本降解地膜覆盖下的棉花较PE地膜产量高2.8%；然而，有的学者也发现降解地膜覆盖下的玉米和棉花的产量低于PE地膜的，且差异不显著。杨迎春等[12]发现降解地膜覆盖下的玉米增产比PE地膜低0.34%；赵彩霞等[15]发现与PE地膜相比，国内供试的A和B降解膜覆盖下的棉花减产幅度分别为20%以上；曹玉军等[22]发现降解地膜和PE地膜处理的玉米产量分别比对照提高了20.9%和21.6%，两者相差0.7%。造成这种差异的原因可能是由于降解地膜种类、作物种类和区域环境条件等不同，从而导致降解地膜对作物产量的影响有所不同[14-15]。

4 结论

（1）降解地膜的降解过程表现为先出现裂纹，然后出现孔洞，最后破碎成小块，中间伴随着地膜变薄、变脆。巴州棉花降解地膜降解速度比阿克苏的快，喀什玉米降解地膜降解速度比和田的快，但同一作物不同地区之间降解时间差异不显著（P＞0.05）。

（2）降解地膜降解处于诱导期之前能够提高膜下5 cm和10 cm的平均土壤温湿度，且土壤温湿度高于PE地膜，但膜下5 cm处巴州棉花降解地膜平均土温低于PE地膜。方差分析得到，两种地膜的土壤温湿度差异均不显著（P＞0.05）。

（3）同一地区，降解地膜覆盖下作物收获期和播种前土壤养分略有不同，但差异不显著（P＞0.05）。

（4）与PE地膜相比，降解地膜覆盖下的棉花和玉米均呈现出不同程度的增产。巴州和阿克苏地区棉花分别增产8.33%和6.48%，喀什、和田地区玉米分别增产3.67%和14.97%；但同一地区两种地膜覆盖下的作物产量差异均不显著（P＞0.05）。