可降解地膜对玉米生长发育及水分利用效率的影响

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)

河西绿洲灌区是我国最大的杂交玉米制种基地，由于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，但大面积、高强度使用地膜使大量的地膜残留在土壤，对农业生产以及农田生态环境带来了严重的负面影响[1-4]。与普通膜相比，降解膜具有可降解特性，能有效减少残膜的污染危害。降解地膜能否彻底代替普通地膜用于生产实践，除降解性能及功能期、膜强度及延展性、生产成本等问题外，核心问题在于降解地膜的保墒增温性能[5]。目前，降解膜在河北、内蒙古、新疆、陕西等地的棉花、玉米作物上研究比较多。海南省在多种蔬菜、甘肃在娃娃菜、新疆在番茄、河北在茄子、浙江在西瓜等作物上也有零星研究或小面积示范。研究认为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[6-9]。河西绿洲灌区降解膜在玉米生产方面研究鲜见报道，仅有李强、唐文雪等[10,11]在降解膜降解性能及降解膜对土壤水热效应、产量等方面进行了一些研究。河西灌区作为水资源严重缺乏地区，抑蒸保墒是降解膜推广应用主要的考核指标之一。本研究在河西灌区开展田间试验，研究降解膜对玉米生长发育及阶段水分利用效率的影响,充实降解膜覆盖的水分效应理论，全面评价不同生育期降解膜保水效果，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10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38°56′N、100°26′E，海拔1 570 m，年平均降水量129 mm，平均年蒸发量2 075 mm。年平均气温为7.38 ℃，降水主要集中在7、8、9月，干旱指数达16.09。年平均日照时数 3 085 h，≥10 ℃的积温为2 896 ℃。土壤属轻壤土，0～200 cm土层平均土壤容重1.376 g/cm3。试验前采集 0～20 cm 耕层土壤测定土壤理化性质：有机质含量0.79%，碱解氮为70.9 mg/kg,速效磷24.7 mg/kg，速效钾82 mg/kg。该区为无灌溉就无农业的典型干旱绿洲灌溉区。

1.2 试验设计

试验为单因素试验，设置可降解保水地膜(降1)、BASF2(降2)、BASF1(降3)三个水平，以露地栽培(CK1)和普通地膜覆盖(CK2)为对照，共5个处理。采用随机区组设计，3次重复，共15个试验小区，小区面积为6.5 m ×4.8 m=31.2 m2。

试验用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。可降解保水地膜由吉林省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；供试玉米品种为豫玉22号，为当地主栽品种。

各处理生育期灌水量3 600 m3/hm2。全生育期灌水四次，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。各处理施N 300 kg/hm2，P2O5225 kg/hm2。氮素用量的40%、全部磷肥作基肥。在玉米大喇叭口及吐丝期各施氮素的30%作追肥。氮肥为尿素(46.4% N)，磷肥为重过磷酸钙(44% P2O5)。

玉米采用全地面地膜覆盖栽培，宽窄行模式种植，栽培示意图见图1。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/hm2。4月17日覆膜，顺播种方向沿小区地埂覆第一幅膜，边覆边用土压外侧膜边，覆第二幅时，与第一幅膜内侧重叠10 cm，边覆边用土压重叠膜边，依次类推。4月23日播种，10月3日收获。

图1 宽窄行平作栽培技术示意图(单位：cm)Fig.1 Schematic diagram of wide-narrow horizontal cultivation technique

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤水分测定及作物田间耗水量计算

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一天及拔节期、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。

土壤贮水量计算公式：

(1)

式中：Wt为0～120 cm土壤水分总贮量,mm；wi为i层的土壤质量含水量，%；ri为第i层土壤容重，g/cm3；hi为第i土层的厚度，均为20 cm。

作物田间耗水量通过农田水分平衡方程计算：

ETi=Pi+Ii+ΔWi

(2)

式中：ETi为i生育阶段耗水量，mm；Pi为i阶段降雨量，mm；Ii为i阶段灌溉水量，mm；ΔWi为i阶段土壤贮水变化量，mm。

ΔWi=(i-1)生育阶段末土壤贮水量-i生育阶段末土壤贮水量

(3)

1.3.2 水分利用效率计算

基于经济产量的水分利用效率通过下式计算：

WUEe=Ye/ET

(4)

式中：WUEe为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Ye为经济产量，kg/hm2；ET为作物全生育期的田间总耗水量，mm。

基于干物质的水分利用效率通过下式计算[12]：

WUEbi=Ybi/ETi

(5)

式中：Ybi为i生育阶段单位面积生物量增量，一般用单位面积地上生物量来表示,kg/hm2；ETi为i阶段作物田间耗水量,mm。

Ybi=i阶段末单位面积地上生物量-(i-1)阶段末单位面积地上生物量

(6)

1.3.3 玉米农艺性状及产量测定

玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期等生育进程中，在各小区选取有代表性的10株植株测量株高和叶面积(单片叶面积=叶最长处长度×叶最宽处宽度×0.75)，并将地上部全部带回实验室烘干测定生物量。同时在苗期、拔节期地上部取样后，同步采集植株周围长30 cm、宽30 cm，深40 cm土壤范围内根系样品，观测节根层数、条数，并清洗干净烘干称质量。成熟期每小区收获中间2个条带测产，根据重量均值法取有代表性的样穗20穗进行室内考种，考察穗长、穗粗、秃尖长、穗粒数、千粒质量等指标。

1.3.4 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 降解地膜覆盖对玉米生长发育的影响

2.1.1 苗期、拔节期玉米根系状况

研究表明,玉米根系的生长受土壤温度、水分影响较大[13,14]，土壤水分不足或过量都会改变玉米根系数量及分布，使根系生长异常或抑制根系的生长[15]，本试验为充分灌溉,并且玉米播种至拔节期降解膜具有显著的增温效果，6 月上旬玉米进入拔节期后，地膜的增温效应弱化，各处理差异变小[11]。因此，本研究只分析苗期和拔节期玉米根系发育情况。各处理玉米苗期及拔节期的根系状况见表1。从表1可知，在玉米苗期，降解膜1、2、3节根层数为3.2～3.4层，与CK1、CK2差异不显著；节根数13.2～14.2条、节根重0.40～0.45 g,均显著高于CK1，但与CK2差异不显著。在拔节期，与CK1相比，降解膜1、2、3节根层数、节根条数、节根重均显著增加，节根层数增加1.1、0.5、0.5层，节根条数增加9.1、5.8、6.4条，节根重增幅分别为155.56%、123.02%、126.98%；与CK2相比，降解膜节根层数、节根条数差异均不显著，降2、降3根干重显著降低。

表1 不同降解膜覆盖下玉米根系变化Tab.1 The change of plant root of maize under different mulching

2.1.2 玉米株高、叶面积、地上部干物质重

可降解地膜对玉米株高、叶面积和地上部干物质重均有明显影响。从表2可知，在玉米各生育期，降解膜株高均显著高于露地对照CK1；并且降1膜株高与CK2差异不明显，而降2、降3株高显著低于普通地膜CK2。在玉米苗期至抽雄期，降解膜叶面积显著高于CK1，与CK2差异不显著；在灌浆期，降解膜叶面积差异变小，与CK1、CK2相近，差异不显著。叶面积大小总体表现为降1>CK2>降3>降2>CK1；玉米干物质积累呈苗期慢，拔节期、抽雄期、灌浆期快，成熟期又减缓的趋势。在玉米各生育期，降解膜处理玉米干物质重均显著高于CK1。降1膜干物质重与CK2差异不显著。降2、降3膜干物重在苗期显著低于CK2，在拔节期后与CK2差异不显著。

表2 不同降解膜覆盖下玉米株高、叶面积、地上部干物质重变化Tab.2 Plant height，leafarea and dry weight ofmaize under different treatments

2.1.3 玉米产量及相关因子

降解膜、普通地膜、露地对照栽培玉米的产量及相关因子见表3。从表3可知，降解膜对玉米产量及产量构成因子均有显著影响。3种降解膜产量、千粒重、穗粒数、果穗长、果穗粗显著高于CK1，但单位面积穗数及果穗秃尖长与CK1差异不显著。与CK1相比，降1、降2、降3膜果穗增长3.60%～9.40%、穗直径增加10.20%～12.00%、穗粒数多20.25%～20.79%、千粒重提高14.44%～21.69%，产量分别增加47.01%、37.88%、39.84%。与CK2相比，降解膜玉米产量及产量构成所有因子均表现为差异不显著，降1产量增幅为2.51%，降2、降3产量仅比CK2降低3.85%和2.49%。

表3 不同降解膜覆盖下玉米产量及产量构成因子Tab.3 Yield and relevant factors of maize under different treatment

2.2 降解地膜覆盖对玉米水分利用效率的影响

2.2.1 降解地膜覆盖对玉米耗水量的影响

土壤耗水量是衡量土壤水分收支平衡的重要指标。表4为玉米各生育阶段0～120 cm土壤耗水量的动态变化。从表4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阶段土壤耗水量低于CK1。随玉米生育进程推进，降解膜保墒效果变的不明显，并且各降解膜性能不一样，导致不同降解膜覆盖下土壤耗水量不一致。降1膜在各生育阶段耗水量均比较低，保墒效果与与CK2相近，甚至在玉米抽雄前耗水量低于CK2，玉米灌浆期、成熟期，由于地膜破损度增加，耗水量仅比CK2增加1.9、2.5 mm。降3膜在抽雄前，具有显著的保水效果，在抽雄期以后，耗水量急剧增大，显著高于CK2。而降2膜在玉米整个生育期保墒效果与CK2相近。以上结果表明，土壤耗水量整体表现为降1﹤CK2﹤降2﹤降3﹤CK1。

表4 不同降解膜覆盖下玉米阶段耗水量 mmTab.4 Phase water consumption of maize under different mulching

2.2.2 降解地膜覆盖对水分利用效率的影响

农学研究中水分利用效率是反映大田作物生长与水分关系的综合指标。降解膜覆盖下水分利用效率用基于干物质和经济产量的两个指标来分析。从图2看，降解膜覆盖对玉米干物质水分利用效率具有显著影响。从全生育期水分利用效率总体指标看，降1、降2、降3膜水分利用效率分别为45.52、41.56、41.91 kg/(hm2·mm)，显著高于CK1，比CK1提高27.26%、16.19%、17.17%。并与CK2差异不显著，比CK2仅降低-1.68%、7.17%、6.39%。由于水分利用效率总体指标仅反映玉米成熟期总干物重与总耗水量关系，不能动态反映玉米各生育阶段水分利用效率变化情况。为全面评价降解膜保水效果，因此还需分析各生育阶段玉米水分利用效率指标。从各生育阶段指标看，在玉米播种至抽雄期，随玉米生育进程的推进水分利用效率呈增大趋势。该阶段降解膜水分利用效率显著高于CK1，与CK2差异不显著；大喇叭口期至抽雄期，降解膜水分利用效率达到最大，分别为77.95、71.64、70.79 kg/(hm2·mm)，比CK1显著提高25.32%、15.18%、13.81% ，仅比CK2降低-5.48%、3.06%、4.21% 。在玉米抽雄期后，但降1膜仍具有较好的保墒效果，水分利用效率显著高于CK1，与CK2差异不显著。但降2、降3膜降解速度快，保墒效果变差，水分利用效率显著低于CK2，与CK1差异不显著。综合来看，降解膜可显著提高玉米水分利用效率，但玉米灌浆期、成熟期由于降解膜膜面破损，对水分利用效率的提高影响较大，需对降解膜降解速度加以调控，延长其稳定期。

降解膜覆盖对玉米基于经济产量水分利用效率的影响如表5所示。结果表明，降解膜覆盖对玉米基于经济产量水分利用效率存在显著影响。降解膜1、2、3水分利用效率为22.97、20.72、20.59 kg/(hm2·mm)，比CK1提高60.41%、44.69% 和43.78%，但与CK2差异不显著。由此说明，降解膜通过减少水分蒸发、降低了玉米生育期耗水量，并提高地温[16]，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2 不同降解膜覆盖下玉米基于干物质水分利用效率Fig.2 Water use efficiency based on biomass accumulation of maize under different mulching 注:Ⅰ:播种-拔节期、Ⅱ：拔节期-大喇叭口期、Ⅲ：大喇叭口期-抽雄期、Ⅳ：抽雄期-灌浆中期、Ⅴ：灌浆中期-成熟期、Ⅵ：全生育期

表5 不同降解膜覆盖下玉米基于经济产量水分利用效率Tab.5 Water use efficiency based on grain yield of maize under different mulching

3 结果与讨论

地膜的应用极大改善了农业生产条件，尤其在增温保墒方面。河西灌区严重缺水，抑蒸保墒是降解膜推广应用的一个主要考核指标。赵彩霞[17]在新疆研究提出，在整个棉花生育期内，国内供试的3种降解膜由于破裂较早，保墒效果明显低于普通膜，何文清[8]在河北研究提出，在棉花生育前期,由于降雨量少,降解速度较快的降1和降2膜土壤墒情明显要低于CK2,平均低2%～3%,而膜面比较完整的降三膜与CK2差异不大。本研究表明降1膜在抽雄前，保水效果好，耗水量显著低于CK1。在灌浆中期、成熟期，耗水量比CK2有所增加，但差异不显著。降2、降3在玉米拔节期膜面光滑完整，保水效果好。在大喇叭口期，仍具有显著的保水效果。之后，随玉米生育进程推进，保水效果变差。在灌浆期、成熟期玉米耗水量与CK1相近，并显著高于CK2。根据本课题组降解膜田间降解情况评价及保水效果研究结果[11]，降解膜破裂前具有良好的保水效果，若降解膜降2和降3破裂期推后，使稳定期延长至灌浆中期(覆膜后120 d)左右，在玉米生育后期还可使土壤保水效果达到与CK2相近水平。

地膜覆盖可有效改善农作物生长发育条件，促进种子萌发和作物生长，是一种积极的“促根栽培”法[18]。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[6,16]。本课题组已有研究表明，与露地对照相比，可降解地膜覆盖使土壤水分、温度条件得以明显改善[11]，从而促进了玉米根系及地上部生长发育。降解膜对玉米节根层数、条数、根干重均有明显的影响。在拔节期，与CK1相比，降1、降2、降3节根层数、节根条数分别增加1.1、0.5、0.5层和9.1、5.8、6.4条，节根重分别提高155.56%、123.02%、126.98%。在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期，降解膜覆盖下玉米株高、叶面积和地上部干物质积累量显著高于露地CK1。降1膜显著促进玉米生长，保墒效果最好，在整个生育期干物质水分利用效率均与普通膜相近；降2和降3在玉米生育前期具有显著的保墒效应，玉米生长发育优于CK1，干物质阶段水分利用效率显著高于CK1。在玉米抽雄后，由于保墒效果变差，阶段水分利用效率显著低于CK2，与CK1差异不显著。

本研究提出降解膜1、2、3比CK1显著增产47.01%、37.88%、39.84%，与CK2相比，降解膜1增产2.51%，降解膜2和3仅减产3.85%和2.49%。3种降解膜产量表现与各自保墒效应一致，并与申丽霞等[9]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[16]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。

河西绿洲灌区3种降解膜覆盖对玉米生长发育影响与普通膜没有明显差异；降1膜在玉米全生育期保墒效果与普通地膜作用相当，降2、降3膜在玉米抽雄前保墒效果良好，在生育后期保墒能力降低。仅从保墒、增产、提高水分利用效率看，3种降解膜均有可推广价值，但建议生产企业延长降2和降3膜的稳定期，提高其在玉米生育后期的保墒效果。但其经济成本和农艺特性方面还待进一步研究。