生物降解膜对土壤温、湿及玉米生长的影响

邓 路，崔巍平

(新疆维吾尔自治区发展和改革委员会经济研究院，乌鲁木齐 830001)

0 前 言

地膜在农业生产中被广泛地使用，具有增温、保墒、节水等多种作用，可以明显提高作物产量[1]。目前，塑料地膜是世界上最广泛使用的地膜类型，但是普通地膜在自然条件下降解极为困难，因此导致大量残膜在农田中堆积，进而产生土壤板结、水土流失、产量下降等一系列的恶果，造成严重的“白色污染”[2]。“白色污染”问题日趋严重，成为制约农业可持续发展的主要因素之一[3]。特别是干旱半干旱区生态环境更加脆弱，如何合理发掘该地区农业生产潜力，同时保护脆弱的农田生态环境，成为农业可持续发展亟待解决的一个问题。此时，各种类型的可降解地膜开始投产使用，并且被用于田间试验[4-7]。

目前，主流的降解膜大致分为三类：①光降解膜出现最早，但由于地膜被掩埋后降解同时停止，因此无法完全降解[8-10]。②光-生物降解膜随后出现，但这类降解膜的生产成本较高，且降解稳定性欠佳，因此试用范围较窄。③生物降解膜，此类地膜降解性状稳定，保温增产效果好，分解不受光照限制，成为代替普通塑料地膜较好的选择[11]。生物降解地膜也分为两大类，一类是添加型部分可生物降解地膜，由于淀粉的廉价和可再生性，应用较为广泛；另外一类是完全生物降解膜，以PBAT等聚酯类材料为代表，由于聚酯类完全生物降解地膜能够被完全分解成为二氧化碳和水，因此更加干净安全，具有广泛的应用前景。可降解地膜的效果除了和降解性、膜强度、生产成本等因素有关以外，还和特定的气候因素、土壤因素、作物种类等有相关性。因此一种可降解地膜在一个地区能否大规模地进行推广，需要在该区域进行大田试验进行验证，以评估其适应性是否理想。

昌吉州是全国第二大玉米制种基地，随着地膜技术在玉米种植中的广泛应用，污染问题也日益严重。本研究引进蓝山屯河公司透明和黑色两种PBAT完全可生物降解地膜，与普通地膜进行大田试验，通过可降解地膜与普通地膜保水性、增温性以及对玉米生长的影响等方面对比分析，对可降解地膜的使用效果进行评估，为解决残膜污染问题，促进降解地膜的推广使用、干旱半干旱区农业可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于新疆维吾尔自治区昌吉市二六工镇上三畦村(87°13′E，44°02′N)，海拔574 m。试验区为中温带区，是典型的大陆性干旱气候，具有冬季寒冷、夏季炎热、昼夜温差大的特点。日照充足，年日照时数为2 700 h，太阳年辐射总量为133.6 kJ/cm2；热量条件也较为充足，年≥10℃积温为3 450 ℃。其中年平均气温6.8 ℃，1月份平均气温为-15.6 ℃，7月份平均气温为24.5 ℃；年平均降水量为190 mm；年无霜期175 d。试验区土壤为漠土纲的灰漠土，土壤熟化程度较差，肥力水平较低(表1)。试验期从2015-2017年，年降雨量分别是182.3、239.5、124.4 mm，平均气温分别为8.6、8.0、8.7 ℃。

表1 试验区土壤基本理化性质

1.2 材 料

供试品种为新疆美亚联达种业公司提供的“美亚联达C1”一代育种玉米，供试膜均有新疆蓝山屯河化工股份有限公司提供。其中普通塑料地膜(A)以聚乙烯材料为主，厚度为0.010 mm，地膜透明；全生物降解膜(B)以PBAT(大于95%)为主要成分，厚度0.010 mm，地膜透明，降解诱导期45 d；全生物降解膜(C)以PBAT(大于95%)为主要成分，厚度0.010 mm，地膜黑色，降解诱导期45 d。

1.3 试验方案

本试验分于2015、2016和2017年的4到9月进行，试验地总面积约为5.4 hm2。试验地设置四种处理：普通膜A、全生物降解膜B、全生物降解膜C、不覆膜的裸地对照D。本试验采用完全随机对照试验，每个处理3次重复。试验于2015到2017年共进行3年，每年播种和收获日期见表2。

表2 各试验年玉米播种和收获日期

试验田施75 kg/hm2磷酸二铵做底肥，采用一体机进行覆膜平播。行距60 cm，株距25 cm，理论留苗密度60 000 株/hm2左右。生育期间每隔10 d进行滴灌浇水，随水滴灌120 kg/hm2尿素，75 kg/hm2钾肥，生育期间4种处理的其余田间管理措施一致。

1.4 测定项目与方法

地膜的降解情况：覆膜后每隔10 d观测记录地膜降解情况。地膜降解程度参考杨惠娣[12]等的研究制定分级指标，使用0～5级对地膜降解程度进行定义。0级表示地膜完整未出现任何裂纹。1级表示开始出现第一个裂纹。2级表示田间约为25%的地膜出现细小裂纹。3级表示出现2～2 cm裂纹。4级表示出现均匀网状裂纹。5级表示裂解为4 cm×4 cm以下的细小碎片。

土壤温度、土壤含水量采样方法。土壤温度和含水量同期采样，都根据不同生长期来测定，共分为芽期、苗期、拔节期、抽穗期、成熟期；每次采样时间选择各生长期的中间时段的一天，土壤温度测定时间为北京时间11∶00。土壤温度采用土壤墒情速测仪进行测定，每次测定采用三点法在4个处理中分别测定各样点距地表0～20、20～40、40～60 cm的土壤温度，每一土层分东、西、南、北4个方向测定，每个样点3次重复。土壤含水量测定方法是用铝盒将土样带回实验室称重，然后烘干，进行测定。试验期间采样时间见表3。

表3 土壤温度、含水量采样时间

玉米生育进程及生长特征指标：观察记载不同处理下玉米的生长发育进程；统计出苗率；测定不同处理下的株高、茎粗、叶面积和地上干物质累积量。

1.5 数据处理

数据采用Excel进行收集汇总，并利用spss22.0进行统计分析，不同地膜覆膜之间采用单因素方差分析进行显著性分析(P<0.05)，并作图。

2 结果与分析

2.1 不同地膜的降解速度

不同覆膜处理下的降解情况有所不同(表4)。2015年和2016年B、C两种全生物可降解地膜均是覆膜后60 d后出现细小裂纹，2017年降解膜C在播种50 d后出现细小裂纹。三年间，覆膜后90 d，可降解地膜C降解程度达到3级，而可降解地膜B降解程度依然为2级，说明可降解地膜C的降解速度快于可降解地膜B。覆膜后60 d内，两种可降解地膜均保持较为完整的形态，覆膜后140 d，两种可降解地膜的降解程度均达到4级，说明两种可降解地膜最终均可达到较为满意的降解效果。其中普通地膜在覆膜后90 d后也出现了细小裂纹。

表4 不同地膜的降解速度

注：0级表示地膜完整未出现任何裂纹。1级表示开始出现第一个裂纹。2级表示田间约为25%的地膜出现细小裂纹。3级表示出现2 cm×2 cm裂纹。4级表示出现均匀网状裂纹。5级表示裂解为4 cm×4 cm以下的细小碎片。

2.2 不同处理对土壤含水量的影响

在玉米生育期内，选取各个生长阶段具有代表性的时间点进行土壤水分含量进行测定，4种处理下土壤含水量变化见图1。可知：①不同处理下各个土层的含水量随着深度增加而增加，20～40 cm较0～20 cm土壤含水量增加22.6%，40～60 cm较20～40 cm土壤含水量增加15.8%，说明在覆膜和多种环境因子的作用下，中层土壤含水量增速最快，随后，随着深度增加，增速减小。②从芽期到苗期，3种地膜处理下土壤含水量无显著差异，各覆膜下各层土壤含水量均显著高于裸地，高出2.7%～3.5%。③从拔节期到抽穗期，土壤含水量基本上表现为A处理> B、C处理> D处理。④在成熟期，A处理下各层土壤含水量一般显著高于B、C处理下的各层含水量，高出2.5%～2.7%，但B、C处理下的各层含水量与D处理下各层则无显著差异。

2.3 不同处理对土壤温度的影响

在玉米生育期内，选取各个生长阶段具有代表性的时间点进行测定，4种处理下土壤温度变化见图2。可知：①总体来看，3种覆膜在玉米生长的各个时期均能有效提高土壤温度。②3种覆膜下，随着土层深度的增加，土壤温度逐渐降低，20～40 cm较0～20 cm土壤温度降低0.89 ℃，40～60 cm较20～40 cm土壤温度降低0.47 ℃，说明地膜对土壤的增温效果随着土层深度的增加而减弱。③总体来看，从芽期到抽穗期，在0～20 cm处，覆膜A、B的相比覆膜C分别提高0.97、0.71 ℃；在20～40 cm处，覆膜A、B的相比覆膜C分别提高0.82、0.57 ℃；在40～60 cm深度，3种覆膜之间土壤温度差异不明显，但是仍显著高于裸地。④在成熟期，由于覆膜B、C降解程度较高，增温效果减弱，此时各层土壤温度为覆膜A最高。

为探究不同覆膜对土壤温度日变化的影响，选取2015-2017年(拔节期和抽穗期)，北京时间9∶00-19∶00，每隔两小时测定一次土壤温度(表5-表7)。分析发现：①所有处理下，各层温度均逐渐升高，基本上在15∶00左右达到最高峰，随后温度逐渐下降，土壤温度日变化呈现出明显的单峰变化。②早上9∶00时，各种覆膜处理下温度差异不显著，随着气温升高，3种覆膜处理下的增温效果出现差异，在15∶00左右基本达到最大值。③抽穗期，3种覆膜处理下土壤温度之间的差异要大于拔节期，可能与地膜的降解程度有关。④4种处理下对土壤温度的增加效果随土壤深度增加逐渐减弱。

图1 2015-2017年不同地膜处理下土壤含水量变化

2.4 不同覆膜处理对玉米生长的影响

普通地膜的出苗率最高，覆膜B的出苗率略高于覆膜C，裸地的出苗率大幅度低于其余3种覆膜处理。覆膜A和覆膜B的出苗期一样都是11.3 d，略微少于覆膜C，3种覆膜处理下出苗时间均小于裸地对照。整体上来看，普通地膜的生育进程最短，为129.7 d，可降解膜B、C和裸地对照分别为135 d，143.7d，145 d。从拔节期到成熟期，在玉米的整个生育期内，3种覆膜处理下，玉米生育进程所用的时间差距越来越明显，两种可降解膜与裸地之间，玉米生育进程所用的时间越来越接近。

表5 2015年拔节期、抽穗期土壤温度日变化

注：不同小写字母表示差异达到显著水平(P<0.05)，下表同。

表6 2016年拔节期、抽穗期土壤温度日变化

表7 2017年拔节期、抽穗期土壤温度日变化

图2 2015-2017年不同地膜处理下土壤温度变化

在拔节期、抽穗期、成熟期，地膜覆膜下玉米的株高、茎粗、叶面积和地上干物质累积量均明显高于裸地，3种地膜覆膜间表现略有差异，但差异未达到显著性水平。

3 讨 论

3.1 各种覆膜的降解程度

不同年份之间，可降解覆膜开始降解时间基本相同，比设计的降解诱导期略晚一些。2017年较前两年略微提前，这可能与2017年的大气温度高于前两年有关。大部分时间，可降解覆膜C的降解速率要略微大于可降解覆膜B，这可能是由于覆膜的颜色不同造成的，因为黑色能吸收更多的热量，导致自身的降解速率略快无色透明的可降解覆膜。普通覆膜由于机械外力、降雨、太阳辐射等原因也会出现裂纹，但首次出现细小裂纹的时间要比可降解覆膜晚上约30 d左右，并且直到成熟期后也没有出现明显的降解情况。由于普通地膜的自然分解极为缓慢，还会逐步变成细碎的残片残留在土壤之中，这导致残膜回收难度增加，土壤污染加重。

表8 2015-2017年不同覆膜处理下玉米的出苗率及生育进程(播种后天数)

表9 2015-2017年不同覆膜处理下玉米的生长特征数据

3.2 覆膜对土壤含水量的影响

由于覆膜能改变土壤与空气之间的接触面，形成阻隔，将空气流动速度降低，并阻止土壤水分蒸发，因此能显著改变土壤含水量。同时，由于制备地膜的材料不同，造成不同处理方式下土壤含水量也有所差异。土壤含水量变化除了受到不同处理方式的影响，还和当年的气象条件相关，因此具有一定差异，但总体规律基本一致。

总体上来看，从芽期到苗期，3种地膜的保水性能差异不显著。从拔节期到抽穗期，降解膜出现不同程度的降解，此时，两种可降解地膜的保水性略弱于普通地膜，但两者之间差异不显著。成熟期时，两种可降解地膜的降解程度都达到4级，保水性大幅度下降，两种可降解地膜处理下的土壤含水量和裸地无明显差异，都显著低于普通地膜。

3.3 覆膜对土壤温度的影响

各个时期的土壤温度变化受到覆膜方式和太阳辐射、降雨、风速等环境因素的共同影响，在个别时候具有一定差异，但总体规律基本一致。

从不同的时期来看，3种地膜都能有效的提高土壤温度，其中覆膜A的增温效果最好，因为普通塑料地膜在自然环境中降解非常缓慢。不同覆膜处理下，土壤表层温度差距较为明显，土壤深层，土壤温度差距减弱，说明覆膜对土壤温度的影响随着土壤深度的增加而减弱。覆膜B、C的增温效果随着时间的推移逐渐减小，其中覆膜C的减小更加明显，这与覆膜的降解程度密切相关。

从土壤温度的日变化来看，在覆膜后至拔节期，3种覆膜都能提高土壤温度，覆膜之间的增温效果差距较小，但和裸地相比增温效果较强；从抽穗期到成熟期，3种覆膜之间增温效果差距较大，可降解覆膜对比裸地的增温效果减弱。因此，可以得出，不同覆膜处理下，在玉米生长过程中的大部分时间里都能较好的提高土壤温度，其中可降解地膜的增温效果类似于普通地膜，但是持续时间略短，提升幅度略低。

3.4 覆膜对植株生理特性的影响

覆膜能显著提高玉米的出苗率，3种地膜的效果也有所不同，这可能与地膜的材料以及颜色有关，因为地膜的这些性质可以影响地膜的保墒增温效果。前期三种覆膜缩短玉米生育进程差距接近，随后差距逐渐拉开，这可能与可降解膜的降解程度相关，随着可降解地膜的不断降解，保墒增温效果逐渐减弱，对玉米的生育进程影响程度也逐渐减小。三种覆膜处理均能显著提升玉米的株高、茎粗、叶面积以及地上干物质重量，但是三种覆膜之间的差异不显著。这可能是因为3种覆膜的增温保墒效果在玉米生育前期差距较小。

3.5 覆膜对经济效益的影响

覆膜在农业生产中往往能起到节本增效的作用[13]，本研究中，3种覆膜条件下均能显著提高玉米的生物量，但3种膜之间的差距不显著。3种覆膜条件下玉米的生物量平均约为353.4 g/株，根据理论留苗密度可知每公顷约有玉米60 000 株，则覆膜条件下每公顷玉米的生物量约为21 204 kg。同理，计算出非覆膜条件下每公顷玉米的生物量约为19 548 kg。根据近年来的统计数据显示，青储玉米的价格约为480 元/t，因此使用覆膜技术每公顷约能提升农民收益795 元，提升幅度为11%。这说明使用覆膜技术能有效提高农民收益。

4 结 论

综上所述，全生物可降解地膜在玉米生长的前期能保持良好的完整性，具有较好的保墒增温效果，随着时间的推移，与普通地膜会产生微小的差异。完全生物降解膜可以显著提高玉米株高、茎粗、叶面积和地上干物质量，也能较好的提升种植收益。综合考虑，塑料地膜存在污染问题，全生物可降解膜能有效解决该问题，初步达到应用要求，可大面积推广应用。