PBAT型全生物降解地膜对南疆马铃薯产量及土壤温湿度与养分的影响

王 斌，万艳芳，王金鑫，孙九胜，槐国龙， 崔 磊，张彦红，魏彦宏，刘国宏

(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.新疆农业科学院 拜城农业试验站，新疆拜城 842300)

随着聚乙烯农用PE地膜的连年使用，残留在农田中的地膜逐年累积、增加，造成土壤结构破坏、通透性变差、地力下降[1-3]，影响作物根系生长、发育和吸收，最终影响到作物产量提升[4-6]。由地膜残留带来的农业生产和环境问题日趋严重，已严重影响农业生产的可持续发展[7-9]。因此，可降解地膜的研究和推广应用受到极大的关注。

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是重要的粮食和蔬菜兼用作物[10-11]，其分布广泛，容易栽培，营养丰富，有“地下苹果”之美誉[12]。2015年，马铃薯已成为中国第四大主粮，成为粮食安全的重要保障[12-14]。南疆光热资源丰富，农业机械化程度高，非常适宜马铃薯的繁种及栽培，主产县为泽普县和拜城县[15]。2016年，新疆覆盖地膜的马铃薯种植面积已经达到3.5万hm2，总产量约 86万～137万t，单产在全国排名前列[16]。目前，针对南疆马铃薯的研究多集中于栽培技术、品种选择等方面[17]，而针对覆盖降解地膜对马铃薯产量和土壤环境影响的研究鲜见报道。本研究以南疆马铃薯典型种植区的拜城县为试验区，以聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)型全生物降解地膜为处理，研究马铃薯生育期降解地膜的降解特征以及其对马铃薯产量、土壤温湿度和养分等指标的影响，为南疆马铃薯种植过程中降解地膜的使用与推广提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验位于新疆阿克苏地区拜城县拜城农业试验站，该区属温带大陆性干旱气候。年均气温 7.6 ℃，最高气温38.3 ℃，最低气温-28 ℃，无霜期133～163 d，年均日照时数为2 789.7 h，年均降水量171.13 mm；马铃薯生育期月均降雨量为14 mm、月均温度为22.9 ℃；地下水位2～3 m。

试验区为砂壤土，0～20 cm土层土壤pH 8.36，有机质23.83 g·kg-1、速效氮110.8 mg·kg-1、速效磷84.4 mg·kg-1、速效钾216 mg·kg-1、总盐1.4 g·kg-1，20～40 cm土层土壤pH 8.60，有机质18.65 g·kg-1、速效氮73.7 mg·kg-1、速效磷49.9 mg·kg-1、速效钾182 mg·kg-1、总盐1.2 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验马铃薯品种为‘大西洋’。处理为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，以下简写为BMF)、普通PE地膜为对照(CK)，共计2个处理，3次重复。试验处理膜宽90 cm、膜厚0.010 mm。小区面积1 333.34 m2，垄宽70 cm，垄高20 cm，沟宽50 cm；一垄一膜一管两行、膜下滴灌、机械覆膜。试验播种方式、肥料用量、种植与管理等同当地大田一致。2017-04-20播种，8月8日收获。2017年为降解膜定位铺设的第3年。试验灌溉制度见表1。

表1 马铃薯田间灌水时间与用量Table 1 Irrigation time and quantity of potato in field

1.3 测定项目及方法

1.3.1 地膜降解程度 马铃薯生育期，用数码相机每半个月定点采集地膜照片，参照文献[18]对采集的照片进行图像处理，得到地膜自然降解破损率。

1.3.2 马铃薯产量 每个处理随机选取5个点，每点按照一垄宽、5 m长挖取所有马铃薯，称量、记录。

1.3.3 土壤温湿度 采用L99-TWS-3型的土壤温度水分记录仪(上海发泰精密仪器仪表有限公司产)，对膜下5 cm、15 cm和25 cm土层的土壤温度和水分进行连续不间断测定、时间间隔2 h，测定时间段为6月2日至8月7日。

1.3.4 土壤理化性质 对土壤基础值(3月24日)、作物生长中期(6月8日)和成熟期(8月2日)土壤，以“S”形取样法在每个小区取0～20 cm和20～40 cm土层土样，每个处理重复3次，测定样品土壤pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾和总盐。

土壤pH用数显酸度计测定，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[19]。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和Origin 8.0进行数据分析和作图，用SPSS 19.0进行方差分析，数据间比较采用独立样本t检验法。

2 结果与分析

2.1 不同时期BMF降解特征

马铃薯生育进程中，BMF出现了较为明显的降解(图1)。BMF裂解过程表现为覆膜30 d开始出现裂纹，40 d出现细小裂纹，80 d出现较长裂纹，到成熟期108 d垄上大部分地膜裂解为 4 cm×4 cm以下碎片；垄边埋土部分仍具有一定韧性，破孔较小，但地膜已经变薄，降解速度滞后于地表面部分。而CK在整个生育期未出现降解，仅在收获前，因农事操作等影响，部分膜面出现破碎。

BMF的破损率随着马铃薯生育进程表现为6-7月破损率较小，为0.4%～4.0%，8月成熟期地膜破损率较大(15.0%)的变化趋势(图1)。地膜破损率从6月6日的0.48%增加至8月2日的15.0%。其中，7月17日至8月2日之间的递增幅度最大，为10.98%，占总增量的75.62%。表明马铃薯覆盖降解地膜近4个月后(即8月后)，进入快速降解时期。

图1 马铃薯生长期BMF破损率变化Fig.1 Changes of BMF degradation rate during potato growth period

2.2 BMF覆盖对土壤温度的影响

2.2.1 马铃薯不同生育期土壤温度日变化 马铃薯不同生育期[块茎形成期(06-15)、块茎增长期(07-01)、成熟期(08-06)]降解膜处理和CK处理，膜下0～30 cm的土壤平均温度(即5 cm、15 cm和25 cm 3个土层土壤温度的平均值，下同)日变化均呈先减小后增大再减小的变化趋势(图2)，即在0:00-10:00期间，土壤温度逐渐减小，从10:00开始逐渐回升，18:00达到峰值，之后又逐渐回落。不同处理 0:00-12:00期间，膜下土壤温度基本一致，而 12:00-22:00期间，CK明显高于BMF(图2)。

马铃薯块茎形成期和块茎增长期BMF和CK的土壤温度日变化幅度较大，土温分别为 20～32 ℃和17～30 ℃，而成熟期(08-06)为19～27 ℃。从土温的日均值和最高值来看，块茎形成期BMF分别较CK低0.5 ℃和1.8 ℃，块茎增长期分别较CK低0.7 ℃和2.2 ℃，成熟期分别较CK低0.4 ℃和0.5 ℃。两个处理在马铃薯块茎形成期和块茎增长期土壤温度差异较大，而成熟期差异相对较小。其原因是马铃薯成熟期前，BMF裂解率较小(图1中6、7月)，但此阶段昼夜温差较大(在15 ℃以上)，而成熟期BMF裂解率增大(图1中8月)，但此阶段昼夜温差较小(在 5 ℃以下)。

图2 马铃薯不同生育期膜下0～30 cm土层平均地温日变化Fig.2 Diurnal variation of mean ground temperature in 0-30 cm soil layer under different growth stages of potato

2.2.2 马铃薯生育期不同土层土壤温度变化 膜下5 cm、15 cm和25 cm，马铃薯全生育期BMF和CK的土壤温度(简称“土温”，为生育期连续监测值)变化趋势基本一致，即随生育进程均呈先增大后减小的变化趋势(图3)。

从不同土层来看，随着土层深度增加，土温波动越发平缓(图3)。其中，两处理膜下5 cm的土温变幅较大，分别为19.2～27.8 ℃和19.3～ 29.2 ℃，膜下25 cm土温变幅较小、分别为 19.2～25.6 ℃和19.6～24.9 ℃。可见，地膜覆盖对土壤不同层次的增温效果由表层向下层 递减。

从不同处理来看，全生育期BMF膜下5 cm和15 cm的平均土温分别较CK低1.08 ℃和0.26 ℃，而膜下25 cm的较CK高0.27 ℃，但不同土层两种地膜处理的平均土温差异均不显著(P>0.05)(图4)。统计表明，膜下0～30 cm平均土壤温度，BMF较CK低0.4 ℃。

图3 马铃薯生育期膜下不同土层温度变化Fig.3 Temperature changes of different soil layers under different potato growing stages

2.3 BMF覆盖对土壤水分的影响

2.3.1 马铃薯生育期土壤水分日变化 由图5可以看出，马铃薯不同生育期膜下0～30 cm，BMF平均土壤含水率日变化幅度较小，稳定在一个较小数值区间；其中，块茎形成期(06-15)、块茎增长期(07-01)和成熟期(08-06)土壤含水率分别为39.7%～41.3%、35.4%～38.0%和29.5%～31.4%；而同期CK的平均土壤含水率日变化差异较大，块茎形成期、块茎增长期和成熟期分别为44.3%～58.3%、42.9%～60.4%和36.2%～38.2%。

从不同处理来看，马铃薯各生育期BMF膜下0～30 cm平均土壤含水率明显低于CK(图5)，块茎形成期、块茎增长期和成熟期分别较CK低8.4%、12.1%和7.3%。马铃薯全生育期，BMF膜下0～30 cm的平均土壤含水率明显低于CK，主要是马铃薯生育期BMF膜面裂解(如图1所示)、水分散失所致。而马铃薯成熟期，BMF裂解率增大(图1)，但平均土壤含水率并没有与CK差距拉大，主要是8月后日均温差显著缩小的 原因。

不同小写字母表示差异显著水平在P<0.05 Different lowercase letters indicate significant level atP<0.05；下同 The same below

图4 马铃薯全生育期膜下0～30 cm土层平均温度变化
Fig.4 Average temperature changes of 0-30 cmsoil layers under each treatment duringthe whole growth period of potato

图5 各处理马铃薯不同生育期膜下0～30 cm土壤含水率日变化Fig.5 Diurnal changes of soil moisture of 0-30 cm during different growth stages of potato

2.3.2 马铃薯生育期不同土层土壤水分变化 BMF和CK膜下5 cm、15 cm和25 cm平均土壤含水率生育期内变化趋势基本一致(图6)，两处理膜下5 cm和15 cm土壤含水率随着生育进程波动较小，土壤含水率分别为22.2%～38.4%和25.4%～44.0%，30.1%～48.1%和37.0%～58.8%，BMF在膜下25 cm土壤含水率为 31.8%～45.3%，但6月13日至15日和6月29日至7月1日期间，CK土壤含水率波动较大，出现了两次较大的峰值，分别为79.2%和85.6%。

马铃薯全生育期，BMF在膜下5 cm、15 cm和25 cm的平均土壤含水率明显低于CK 3.77%、5.64%和14.60%(图7)。方差分析得到，两个处理在膜下5 cm平均土壤含水率差异不显著，而15 cm和25 cm处CK均显著大于BMF。统计表明，BMF在膜下0～30 cm平均土壤含水率较CK低8.0%。

2.4 BMF覆盖对土壤养分等指标的影响

在0～20 cm土层，与CK比较，BMF的土壤养分、pH和盐分变化趋势有所不同(表2)。BMF的土壤pH、有机质、速效磷、速效钾均是先升高后降低，速效氮一直高于CK，而总盐是先降低后升高的变化趋势。然而，不论如何变化，BMF的土壤养分、pH和盐分均与CK不显著。

同样，在20～40 cm土层，与CK处理比较，BMF的土壤养分、pH和盐分变化趋势也各有不同(表3)。BMF的土壤pH先升高后降低，而土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾和总盐含量则均是先降低后升高的变化趋势。总之，20～40 cm土层，BMF的土壤理化指标均与CK差异不 显著。

2.5 BMF对马铃薯产量的影响

从表4中可看出，BMF的产量较CK增产 2 500.01 kg·hm-2、增产率为5.67%，但增产差异不显著(P>0.05)。

图7 马铃薯全生育期不同土层平均土壤含水率变化Fig.7 Changes of average soil moisture in different soil layers during the whole growth period of potato

表2 膜下0～20 cm土层土壤养分变化Table 2 Changes of soil nutrient under the 0-20 cm soil layer

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference between treatments(P<0.05),the same below.

表3 膜下20～40 cm土层土壤养分变化Table 3 Changes of soil nutrients under the 20-40 cm soil layer

表4 不同处理的马铃薯产量Table 4 Potato yield in different treatments

注：相同字母间表示差异不显著(P>0.05)。

Note:Same lowercase letters indicate no significant difference between treatments(P>0.05).

3 讨 论

随着聚乙烯塑料地膜使用年限的增加，残留在农田中的地膜逐年增加，破坏了农田生态环境和土壤结构，也对作物生长发育造成了不良影响[20]。可降解地膜在提高土壤温湿度以及产量水平方面与普通聚乙烯PE地膜相当，还具有自然降解作用[1,20-22]，因此，在农业生产应用中，大力发展可降解地膜将成为趋势[23]。

李海萍等[22]研究发现马铃薯中 0.008 mm的全生物可降解膜覆膜30 d后出现一定程度的降解，在收获前(85 d后)出现10 cm以上裂纹，而普通PE地膜未出现降解。本研究结论与该研究基本一致，主要区别在于降解地膜的降解时间，该指标主要受降解地膜的材料、降解膜应用的作物类型以及当地的气候、土壤、灌溉等因素影响[24-25]。

本研究发现马铃薯全生育期内，降解地膜在膜下5 cm和15 cm的平均土温分别较CK低 1.08 ℃和0.26 ℃，膜下25 cm较CK高 0.27 ℃，但差异均不显著；而降解地膜在膜下5 cm、15 cm和25 cm的平均土壤含水率分别较CK低3.77%、5.64%和14.60%。这应该是马铃薯整个生育期CK膜面未出现破损，地膜保墒、保温作用得到了很好的发挥，而降解地膜随时间延长，膜面部分降解破裂使地膜保温保墒作用下降的原因。李海萍等[22]、王建武等[26]和李振华等[27]研究也发现马铃薯在聚乙烯塑料地膜覆盖后，土壤耕层增温和保水能力较生物降解地膜强。

本研究发现，南疆马铃薯生长中期和成熟期降解地膜和CK覆盖下土壤养分略有不同，但无显著差异(P>0.05)。但段义忠等[28]发现生物可降解膜覆盖可增加土层肥力，且土壤有机质、速效NPK含量均显著高于CK，这与本试验的结论有所不同。出现差异的原因可能是以下几个方面：第一，生物可降解膜的材料不同，使得补充到土壤中的养分及含量有所不同；第二，是由于降解膜材料、当地气候、土壤水肥等因素的差异造成地膜降解速率不同(本研究中马铃薯成熟期降解地膜降解破损率为15.0%)，进而造成补充到土壤中的养分产生差异。

许多学者发现，降解地膜覆盖下的马铃薯产量较CK高[22，26-28]。李海萍等[22]、黄瑶珠等[29]和Gao等[30]发现全生物降解地膜马铃薯产量较CK增产显著；金良等[31]发现6种生物降解地膜的马铃薯产量既有大于CK、也有小于CK的，产量与CK非常接近；而李振华等[27]、高旭华等[32]发现降解地膜马铃薯产量虽较普通膜高，但无显著差异。本研究与这些结果一致。

4 结 论

南疆马铃薯生育期，BMF降解程度表现为 6-7月自然降解破损率较小、为0.4%～4.0%，8月成熟期破损率较大，为15.0%；而同一时期CK未出现降解。从土壤温度看，BMF在马铃薯块茎形成期、块茎增长期和成熟期 0～30 cm土层内，平均土温分别较CK的低0.5 ℃、0.7 ℃和 0.4 ℃；马铃薯整个生育期BMF处理膜下5 cm和15 cm的平均土温分别较CK低1.08 ℃和 0.26 ℃，膜下25 cm较CK高0.27 ℃，但两处理各土层平均土壤温度差异均不显著。从土壤水分看，马铃薯块茎形成期、块茎增长期和成熟期BMF 0～30 cm土层内，平均土壤含水率分别较CK低 8.4%、12.1%和7.3%；马铃薯整个生育期BMF处理膜下5 cm、15 cm和25 cm的平均土壤含水率分别较CK低3.77%、5.64%和 14.60%。马铃薯生育期内，0～20 cm和20～40 cm土层，BMF与CK间土壤养分、盐分和pH差异均不显著。马铃薯BMF处理增产2 500.01 kg·hm-2，增产率为5.67%，但增产不显著。