不同类型降解膜对花生增产及在土壤中残留消解动态研究

丁 彬，谢吉先*，冯梦诗，陈志德，2，常 蕾，蒋 莹

(1.江苏省农业科学院泰州农科所,江苏 泰州225300；2.江苏省农业科学院经济作物研究所,江苏 南京210014)

地膜覆盖具有改善根系环境,抑制杂草生长,调节土壤温湿度、减轻作物病害的功能,可提高作物产量,减少劳动力成本等[1-2],因而在生产上得到了大面积的推广。普通地膜的分子结构非常稳定,其在土壤中可以残留百年之久,土壤中大量的残膜对农业可持续发展构成严重威胁[3-4]。

为稳定作物产量,避免环境污染,发展降解膜是重要途径[5]。因此需要开发全生物降解地膜来有效解决土壤污染问题。常见的生物降解膜种类有聚乳酸(PLA)、二氧化碳/环氧丙烷共聚物(PPC)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、对苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯(PBAT)等[6],均具备普通地膜在生长前期促进作物提早发苗、生长,在后期破裂直至降解的特点,对产量、土壤及下茬作物生长不会造成影响。普通地膜在江苏大量的应用,已造成土壤残膜积累过多,严重影响下茬作物生长及造成“白色污染”[7-8]。因此,本课题组通过近年来连续引进多种类型生物降解地膜,研究其对花生产量以及收获后对田间土壤的影响,旨在为大面积应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验PPC黑色降解膜由中科金龙新材料有限公司提供；强化耐厚膜和PBAT生物降解材料由南通华盛新材料股份有限公司提供；PLA地膜由上海弘睿生物科技有限公司提供；普通地膜则由当地市场采购。花生品种为泰花8号。

1.2 试验方法

试验于2019年在江苏农科院泰州农科所试验基地进行,土质砂壤土,地势平坦,排灌良好,肥力中等均匀。前茬花生冬闲,4月25日耕翻整地,施用商品有机肥15000 kg/hm2、15-15-15硫基绿聚能缓控释复合肥600 kg/hm2,机械起垄,垄宽75 cm,垄面宽45 cm,垄高15 cm,每垄播2行,穴距18～20 cm,重复3次,每小区4垄,宽3.2 m,长4.0 m,间隔0.4 m,随机区组排列,四周设保护行。在地膜覆盖前用96%异丙甲草胺乳油1.5 L/hm2+水50 L/hm2喷雾化除,5月8日按试验设计要求对小区进行人工铺膜,5月21日每穴两粒、三粒相间播种。7月18日用花生超生宝0.75 kg/hm2+水50 L/hm2化控,同时用苏云金杆菌1.5 kg/hm2+水50 L/hm2兼治斜纹夜蛾。9月7-12日成熟并收获。12月18日五点法取0～5 cm土层样品进行全元素和热裂解分析。

1.3 试验设计

根据材料组成及性状设:强化耐厚膜、厚度0.01 mm(JM1)；PPC黑色降解膜、厚度0.01mm(JM2)；PLA 地膜、 厚 度0.01 mm(JM3)；PLA地膜、厚度0.008 mm(JM4)；PLA 地膜、厚度0.006 mm(JM5)；PBAT生物降解材料、厚度0.01 mm(JM6)；普通白地膜(CK1)；普通黑地膜(CK2),露地栽培(CK3),共9个处理。

1.4 考查项目与标准

开裂程度包括以下几个阶段:①开裂始期:地膜面上开始出现自然零星裂缝的时期；②开裂期:地膜面上自然裂缝面积占小区覆盖面积百分比的时期,包含开裂1期:(地膜面上自然裂缝面积占小区覆盖面积10%的时期)；开裂2期:(30%)；开裂3期:(50%)；开裂4期:(70%)。 降解程度包括以下几个级别:①降解1级:(地膜膜面自然降解消失面积占覆盖面积的10%)；②降解2级:(30%)；③降解3级:(50%)；④降解4级:(70%)；⑤降解5级:(90%及以上的时期)。农艺性状考查标准按《花生种质资源描述规范和数据标准》要求[9]。

1.5 仪器及数据分析

土壤全元素分析使用美国Thermo Fisher Scientific公司的电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP6000)；采用气相色谱—质谱联用仪(EGA/PY-3030D-GCMS-QP2010Ultra)进行土壤热裂解分析,其中EGA/PY-3030D为日本frontier公司生产；GCMS-QP2010Ultra为日本Shimadzu公司生产。

采用江苏省精创电气股份有限公司土壤温度仪对不同地膜覆盖小区的土壤温度进行监测,测量深度分别为地面表层0 cm、10 cm土壤温度,测定时间为每日2:00、8:00、14:00、20:00,结果取三次重复的平均值,监测时间从5月22日开始,持续到8月2日止。各处理每天的土壤温度为当天四个观测时刻的平均值。数据经Excel整理后,方差分析采用SPSS16.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 膜型对降解效果的影响

CK1、CK2和JM1三个处理一直未出现自然开裂现象；而降解膜于6月4日-7月1日先后发生自然开裂,其中JM5开裂较早为6月4日,其次是JM4和JM6处理为6月10日,再次是JM2为6月12日,最后是JM3自然开裂较晚为7月1日(表1)。从降解情况看,各膜型于覆盖期内均出现降解现象,其中JM5较早,为7月1日,其次是JM4为7月8日、JM6处理为7月9日,JM2为7月10日,JM3较晚为7月25日；花生收获前,JM2、JM4、JM5和JM6膜型自然降解均达4级(70%)以上(表1)。

表1 不同膜型田间开裂及降解日期考查表(mm/dd)Table 1 Investigation on cracking and degradation date of different types of film in field

2.2 膜型对花生生长发育的影响

各覆膜处理均于6月4-5日出苗,出苗率在90.00%～93.36%之间,差别较小,JM1、JM3处理最高,均为93.36%,因而膜型处理对花生出苗未出现不良影响。JM2、JM6开花期为6月22日,JM4、JM5为6月23日,CK3为6月23日,而其他各覆膜处理均为6月21日。花生封行日期处理间差别较大,CK1、CK2及JM1处理封行均较早,同为7月10日；其次是JM3处理为7月12日；JM2、JM4和JM6处理再次,同为7月13日。CK1成熟期最早为9月7日,CK2、JM1晚1 d为9月8日,JM3为9月11日,JM2、JM4和JM6为9月12日,JM5最晚为9月13日。全生育期为110～119 d(表2)。

2.3 膜型对植株营养生长的影响

2.3.1 对植株性状的影响

CK1、CK2和JM1早发优势较为明显。JM1、JM3、CK1、CK2在生长发育前期叶龄迅速增长,利于植株的早发快长；在生长发育后期依然保持叶龄最大,利于增加植株的光合面积,从而积累更多有机物。分枝数从苗期到花针期生长速度比较快,结荚期之后生长速度变得缓慢。同一厚度不同材质的JM2、JM3和JM6处理促进幼苗早发效应存在一定差异；同一材质不同厚度PLA地膜早发作用差别也较为明显,地膜越厚对幼苗期壮苗早发作用越明显(表3)。

2.3.2 对鲜物质量的影响

考查结果显示,CK1、CK2和JM1的营养体构架优势略好于降解膜,CK1、CK2和JM1无论营养生长还是生殖生长优势均表现最强,JM3略次,JM2、JM4、JM6再次,JM5相对较弱(表4)。不同处理在苗期器官积累量差距小；鲜物质量积累随着生育期推进,各器官积累量差距开始扩大。绿叶鲜质量在全生育期内先增大后减少,在结荚期达到最大。

表2 不同类型地膜覆盖对花生出苗率和生育期的影响Table 2 Effect of different types of film on the growth period of peanut

表3 不同类型地膜覆盖花生生长发育的影响Table 3 Effect of different types of film on the growth and development of peanut

表4 不同类型地膜覆盖花生鲜物质量的影响/gTable 4 Effect of different types of film on the fresh mass of peanut

2.3.3 对主根长和地下针的影响

花针期主根长以CK1最长,其次JM1、CK2、JM3和JM2,分别为14.5、14.4、14.0、13.9和13.0 cm,CK3处理最短仅10.0 cm(图1)。 根系的快速增长有利于吸收更多的养分,进而促进侧根的生长。苗期CK1、CK2和JM1主根长差异不显著；相同厚度不同材质的JM2和JM3差异不显著,JM3和JM6差异显著；相同材质不同厚度的JM4、JM5和JM6差异显著。除JM5以外,所有处理与CK3差异均显著。

膜型的不同影响结荚期花生的地下针数,CK1、CK2和JM1、JM3地下针最多,且四种处理差异不显著；相同厚度不同材质的JM2和JM3、JM2和JM6差异不显著；相同材质不同厚度的JM3、JM4和JM5差异显著；说明不同膜型覆盖促进多针多果效果不同。

2.3.4 对叶面积指数的影响

叶面积指数在一定范围内能够反映叶片光合作用的强弱,叶面积指数越大,光合作用越强。由图2可看出,在整个生育期内,花生叶面积指数呈现先增加后降低的趋势。在花生结荚期时,CK1叶面积指数最高,与CK2和JM1差异不显著；CK2叶面积指数与相同厚度JM1和JM3差异不显著；相同材质不同厚度的JM4和JM5差异显著；相同厚度不同材质JM3和JM6处理的叶面积差异显著。

图1 不同类型地膜覆盖花生主根长和地下针的影响Fig.1 Effect of different types of film on the main root length and underground needle of peanut

图2 不同类型地膜覆盖花生叶面积指数的影响Fig.2 Effect of different types of film on the leaf area index of peanut

图3 全监测期内不同覆盖方式下土层平均温度的变化Fig.3 Variation of mean temperature under different films during the whole monitoring period

表5 全监测期内不同覆盖方式下土层平均温度/℃Table 5 Mean temperature of soil layer under different films in the whole monitoring period

表6 覆盖不同材料生物降解膜降解后土壤全元素分析/(mg·kg-1)Table 6 Analysis of whole elements in soil after biodegradation of different mulching materials

2.4 不同降解膜对土层温度的影响

由图3可看出,各覆膜处理表层日均温度均高于地下10 cm土层温度。其中,CK2、JM1和JM3三个处理温度最高,分别为29.29、28.62、28.10℃,且三者都达到显著性差异(p＜0.05),其次为JM2、JM6、JM4和JM5处理,温度分别为27.81、27.78、27.73、27.58℃,四个处理差异不显著,CK3温度最低,为27.48℃,与JM5温度差异不显著。地下10 cm土层温度JM1和JM8温度最高,且差异不显著,其次为JM3、JM2、JM6,三者差异也不显著,JM4和JM5差异不显著,CK3温度最低,为26.9℃(表5)。

2.5覆盖不同材料生物降解膜降解后土壤全元素分析

通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP6000)对四种土壤样品进行全元素检测(表6)。依据《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)公布土壤8种主要重金属元素污染:镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍,在样品中检测出5种(表中下划线标注),均低于中国土壤环境质量标准(GB 15618-1995)的自然背景值,处于安全范围内。

2.6 热裂解气相色谱-质谱联用仪分析结果

用气相色谱—质谱联用仪对厚度均为0.01 mm的JM2、JM3和JM6样品进行热裂解分析,JM2土壤峰面积92.76%为二氧化碳、1.18%为环氧乙烷,占总峰面积的93.95%；JM3土壤峰面积31.57%为二氧化碳、56.99%为N-甲基辛胺,占总峰面积的88.57%；JM6土壤峰面积100%为二氧化碳(表7)。

表7 覆盖不同材料生物降解膜降解后土壤热裂解分析Table 7 Analysis of soil thermal cracking after biodegradation of different mulching materials

2.7 对荚果产量的影响

从花生荚果产量结果看,各处理变幅为4608.3～5550.0 kg/hm2,其中CK3处理最低为4608.3 kg/hm2。 CK1、CK2、JM1荚果产量位居kg/hm2,其次JM3处理为5433.3 kg/hm2,再次是JM2处理为5288.9 kg/hm2,JM4和JM6产量相当,分别为5233.4、5225.1 kg/hm2(表8)。前三,分别为5550.0、5533.4、5527.8

表8 覆盖不同膜型生物降解膜对荚果产量的影响Table 8 Yield of peanut under different mulches

3 讨 论

生物降解膜是指自然环境中,在微生物(真菌、细菌和放线菌等)作用下将材料最终分解成CO2和H2O[10-11]。以往研究表明,降解地膜统一呈现出残膜畦面部分降解快、覆土部分降解慢,诱导期越长,花生产量越高的现象[12]。谢吉先等对三种PPC降解膜在花生上的应用效果研究,发现三种PPC降解的差异性主要受降解膜膜型结构影响[13]。杨林等用0.008 mm和0.01 mm生物降解膜(PLA+PBAT材料)对茶菊的抑草率分别为49.63%和52.21%,产量方面增产达15.60%(0.008 mm)和16.98%(0.01 mm)[14]。 丁彬等研究表明,PPC生物降解膜能够显著提高土壤温度、土壤含水量,且PPC白膜增温保湿效果优于PPC黑膜[4]。有研究表明土壤细菌、真菌和放线菌等3类菌群中,细菌的数量最高、繁殖速度最快,更有助于生物降解膜的降解[15-16]。

本研究表明,PPC等几种降解膜在花生生育期内均有不同程度的自然破裂和降解作用,其中0.006 mm厚度PLA地膜最快,0.008 mm厚度PLA次之,厚度均为0.01 mm的PPC、PBAT和PLA地膜再次之；花生收获前,JM2、JM4、JM5、JM6膜型自然降解均达4级(70%)以上。CK1、CK2、JM1、JM2在生育后期依然保持叶龄最大,利于增加植株的光合面积,从而积累更多有机物；主根长也最大,根系的快速增长有利于吸收更多的养分,进而促进多针多果。叶面积指数呈先增加后降低的趋势,在结荚期时CK2、JM1和JM3差异不显著；相同材质不同厚度的JM4和JM5差异显著；相同厚度不同材质JM3和JM6处理的叶面积指数差异显著。在成熟期,相同厚度不同材质的JM4和JM6差异不显著。五种重金属均低于中国土壤环境质量标准(GB 15618-1995)的自然背景值,处于安全范围内；JM2、JM6处理土壤样品热裂解主要成分均为二氧化碳。JM3土壤样品中热裂解的主要成分为N-甲基辛胺,其次为二氧化碳,N-甲基辛胺可能为土壤样品中的有机物或者是易分解无机物质的分解产物,亦有可能为PLA地膜热裂解产物,需进一步研究确定。土壤微环境的变化引发了植株生长发育的改变,进而影响作物产量。大量研究表明覆膜处理对花生具有不同程度的增产效果[17-19]。

本研究中各降解膜处理对花生生长发育均有不同程度的影响作用,CK1、CK2、JM1对花生生长发育促进和增产效果均最好；JM3稍次,JM2次之,JM6再次之。因此生产上建议选0.01 mm的PPC、PLA和PBAT膜型示范,以更好地发挥其生态、经济和社会效益。