极端干旱区降解膜对棉田耗水、籽棉产量及水分利用的影响

丁宏伟，王振华，李文昊，张金珠，温 越，贾 浩，邹 杰

(1. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

覆膜可以节水保墒、抗旱保苗[1]，滴灌技术灌水精准、节约水肥[2]。新疆建设兵团第八师1996年率先将覆膜栽培与滴灌技术相结合开展了膜下滴灌棉花试验，且因高产、节水、省力等突出优点[3]，很快得到了推广应用，极大地促进了新疆，乃至全国的棉花产业及纺织业发展[4-6]。

随着覆膜连作年限增加，大量聚乙烯或聚氯乙稀塑料地膜残留于土壤耕作层，造成严重的残膜污染[7]。严昌荣等[7]研究得出新疆地区覆膜连作10 a的棉田残膜累积可达259±36.78 kg·hm-2；在现有回收技术下连作20 a时残膜累积量将大于300 kg·hm-2。贺怀杰等[8-9]对石河子121团不同膜下滴灌年限(5、9、11、13、15、19 a)的6块棉田进行研究，得出残膜密度分别为127.11、215.85、250.63、294.17、327.83、348.83 kg·hm-2,且以每年16.37 kg·hm-2的速度递增，并预测出膜下滴灌30 a的残膜密度高达419.19 kg·hm-2，超出国家标准限值(75.0 kg·hm-2)[10]近6倍。残膜不利于作物的生长发育，姜益娟等[11]研究发现，残膜累积量为52.5～210 kg·hm-2时，棉花出苗率降低16.8%～19.1%，残膜累积量为210 kg·hm-2时，脱铃率增加4.1%～5.3%，产量下降4.5%～9.5%。许多学者研究表明，残膜累积造成作物减产[12-14]；毕继业等[15]通过评价模型分析出覆膜36 a后，增产率将小于减产率。

回收和研发降解膜是解决残膜污染的主要方法；我国农膜使用量大、残膜分布广，回收不能很好地解决残膜污染；而降解膜替代普通塑料地膜可以从源头上阻止残膜进入土壤，可以较好地解决残膜污染，目前已研发出生物降解地膜、光降解地膜、光/生物双降解地膜和液态可降解地膜[16]。大量降解膜试验研究表明降解膜具有普通塑料地膜类似的增温保墒作用；但因降解膜类型及研究地域的不同，有些学者研究认为目前降解膜代替普通塑料地膜来解决残膜污染仍需较大改进[17-18]，还有些学者研究得出降解膜可以代替普通塑料地膜用于生产[19-21]。

哈密盆地高温频繁(最高43℃)、蒸发极强(3 300～3 500 mm)、水资源极度短缺(人均水资源量不足全新疆人均水资源量的一半)；残膜污染严重，棉田0～40 cm土层残膜量至少有37.5 kg·hm-2，以目前最高回收率计算，每年至少增加5.3%，极大地威胁到哈密绿洲生态农业的可持续发展。虽然目前我国很多地方都进行了降解地膜的应用研究，但主要集中在降解膜保温保墒及对作物产量的影响上，在作物不同阶段的耗水、生长状况及水分利用等方面研究较少，哈密地区对降解膜应用的研究也较少。因此本研究在新疆生产建设兵团第十三师哈密垦区灌溉试验站选用4种不同类型的降解膜(M1、M2、M3及M4)作为试验组，以普通塑料地膜为对照(CK)开展滴灌棉花试验，观测分析不同降解膜的降解情况、棉田耗水规律、株高、叶面积指数、单株干物质累积量、籽棉产量及水分利用效率，系统揭示极端干旱区降解膜对棉田耗水、籽棉产量及水分利用的影响，优选出适宜当地棉花种植的降解膜类型，为研发推广降解膜与解决极端干旱区残膜污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年4—10月在新疆生产建设兵团第十三师哈密垦区灌溉试验站(42°41′49″N, 93°37′21″E)进行。位于东疆的哈密盆地，南通“死亡之海”罗布泊，西临“火洲”吐鲁番，东邻甘肃酒泉，北与蒙古国交界，是典型的极端干旱区；气候类型属于温带大陆干旱性气候，干旱少雨、蒸发强烈，年平均气温9.8℃、降雨量33.8 mm、蒸发量3 300 mm、日照时间3 358 h、≥10℃积温4 058.3℃、无霜期182 d，试验区棉花生育期的气象条件见图1。试验地的土壤类型为沙壤土，1 m土层内平均土壤容重为1.51 g·cm-3、田间持水量为18.6%、有机质为14.5 g·kg-1、碱解氮为87 mg·kg-1、有效磷为15.39 mg·kg-1、速效钾为197 mg·kg-1。

图1 试验区棉花生育期降水量及平均温度Fig.1 Precipitation and average temperature during cotton growth period in the study area

1.2 试验设计

供试降解膜为黑白两种氧化—生物双降解膜(M1、M2)、黑白两种全生物降解膜(M3、M4)，黑、白降解膜诱导期分别为100 d和80 d，膜厚0.010 mm,宽1.2 m；普通塑料地膜为聚乙烯塑料地膜，膜厚0.008 mm, 宽1.2 m；滴灌带为滴头间距10 cm、流量为2.6 L·h-1的单翼迷宫式滴灌带;供试棉花品种为新隆T6。采用1膜2管4行种植模式(图2)，种植密度为18万株·hm-2。试验小区随机排列，重复3次。灌溉用水采取深层地下水，不同地膜覆盖下灌水一致，共灌水13次。出苗水为30 mm;苗期灌水1次，为45 mm;蕾期灌水3次，每次灌37.5 mm;花铃期灌水6次，每次灌水67.5 mm；吐絮期灌水2次，每次灌水45 mm。通过机械水表与球阀控制灌水量，农艺措施与当地生产实践一致。

图2 棉花种植模式Fig.2 Cotton planting mode

1.3 测定项目与方法

1.3.1 地膜降解性能的测定 通过田间覆盖和目测法评价降解性能，在每个处理中随机选出3个1 m×1 m的区域作为降解性能观测点，覆膜后每隔10 d观测记录一次地膜降解情况，并参照唐薇等[22]将地膜降解过程分为诱导期、开裂期、破裂期、崩解期、残存期和无膜期等6个阶段，分别用0～5依次代替；诱导期为覆膜日到地膜开始出现裂纹的阶段；开裂期为地膜开始出现裂纹到出现多处(2～4处·m-2)≤2 cm自然裂缝或孔洞(直径)的阶段；破裂期为地膜出现>2 cm而<20 cm自然裂缝或孔洞(直径)的阶段；崩解期为地膜出现≥20 cm自然裂缝的阶段；残存期为地表无大块残膜，最大地膜残片面积≤16 cm2的阶段；无膜期为地表看不到地膜残片的阶段。

1.3.2 土壤质量含水率的测定 于棉花生长的各生育期初期及采摘期，于宽行、窄行及膜间的1 m内土层每10 cm一个土样进行取土(图2)，然后采用烘干法测定土壤质量含水率。

1.3.3 棉田耗水量、耗水模数及耗水强度的计算 采用水量平衡法计算作物耗水量(ET)[23]：

式中,ETj为某生育期的阶段耗水量(mm)；i为土壤层序数；n为土壤层次总数，本试验为10；γi为第i层土壤干容重(g·cm-3)，本试验为1.51 g·cm-3；Hi为第i层土壤的，本试验为10 cm；θi1为第i层土壤初期的质量含水率，以占干土质量的百分数计(%)；θi2为第i层土壤末期的质量含水率，以占干土质量的百分数计(%)；P0为时段内的有效降水量(mm)，本试验地降雨稀少，大多为阵雨，又因蒸发极强，阵雨不能有效地提供给棉株吸收，因此本试验忽略降雨量；M为时段内的灌水量(mm)；K为时段内的地下水补给量(mm)，本试验地下水埋深在8 m以下，无地下水补给。

耗水模数的计算公式为：

MWC=(ETj/ET)×100%

式中,MWC为耗水模数，ETj为某生育期的阶段耗水量(mm)，ET为全生育期耗水量(mm)。

耗水强度为某生育期的阶段耗水量与该生育期对应的时间长度之比，mm·d-1。

1.3.4 棉花生长的测定 于棉花的各生育期，每个处理选取5株具有代表性的棉株，用卷尺测量株高，同时测量出叶片长、宽，并计算出棉株的叶面积指数，然后在棉花生长的各生育期初期及采摘期挑选长势相近的5株棉株，挖出根系并清洗干净、晾干后置于105℃烘箱中杀青30 min、80℃烘干至恒重、冷却称重得到干物质积累量。

1.3.5 棉花产量及水分利用效率的测定 棉花成熟后，每个处理取3个1 m×1.5 m的测点，测定棉花铃数，折算成面积为1 m×1 m的铃数，并随机摘取50个棉铃称重，计算平均单铃质量，然后算出每1 m2籽棉产量，最后折算出每公顷的籽棉产量。水分利用效率用产量与耗水量计算得出。

WUE=Y/ET

式中,WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1);Y为籽棉产量(kg·hm-2)；ET为生育期内耗水量(mm)。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010整理数据；采用SPSS 19.0进行方差分析，采用Duncan法比较处理间的差异(α=0.05)；采用MATLAB 2018a与Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 棉花生育期降解膜的降解特征

对各种地膜的降解情况观测结果如表1，从表中可以看出普通塑料地膜始终没有降解而各种降解膜均有不同程度的降解。降解膜M2的降解效果最好，在覆膜80 d时开始出现裂纹、诱导期结束，相对其他降解膜提前10～20 d进入开裂期，并且裂纹逐渐变大，110 d时地膜出现>2 cm的自然裂缝或孔洞(直径)，150 d时出现≥20 cm自然裂缝，180 d时地膜出现碎裂，地表不再有大块残膜，最大地膜残片面积≤16 cm2，生育期末地表残片仍未消失。M4在前期的降解速度较慢，覆膜90 d时开始出现裂纹，120 d时地膜出现>2 cm的自然裂缝或孔洞(直径)，150 d后与M2降解情况基本一致。M1与M3降解速度缓慢，M1在90 d开始出现裂纹，较M3提前10 d进入开裂期；130 d后M1和M3降解情况基本一致，130 d时地膜均出现>2 cm的自然裂缝或孔洞(直径)，160 d出现≥20 cm的自然裂缝，降解进入了崩解期，M1与M3在生育期末均未出现地膜碎裂。因此，地膜的降解速度为：M2>M4>M1>M3>PE(CK)。

表1 地膜的降解情况Table 1 Degradation of plastic film

2.2 降解膜对棉田耗水规律的影响

不同降解膜与普通塑料地膜覆盖下棉田的耗水量、耗水模数及耗水强度见表2。可以看出，棉田耗水呈先升高再降低的趋势，苗期和蕾期棉株矮小、叶片较小、蒸腾较弱，耗水量较少；花铃期棉花营养生长和生殖生长同时进行，水肥充足、棉花枝繁叶茂、降解膜加速降解、天气持续高温，蒸腾蒸发剧烈，所以耗水量剧增，并达到最大；吐絮期棉花成熟、灌水量减少、叶片开始衰老脱落、蒸腾强度降低，因此耗水量随之减少。

从表2可以看出，在灌水量相同的情况下，普通塑料地膜(CK)与各种降解膜覆盖的棉田耗水情况有所差异。苗期降解膜尚未开始降解，保墒性能与普通塑料地膜相当，棉田耗水量及耗水强度均没有显著性差异；蕾期棉田耗水差异增大，降解膜M4显著低于M2及CK；花铃期与吐絮期差异显著，花铃期降解膜M2与M4加速降解，保墒性能减弱、耗水增强，棉田耗水量达到最大，降解膜M2处理的棉田耗水量达到479.01 mm，比降解膜M1、M3及普通塑料地膜(CK)分别高出1.93%、1.95%及5.59%(P<0.05)，降解膜M4处理的棉田耗水量达到477.76 mm，仅次于M2。由于降解膜M1、M4降解程度较低，因此其对应棉田耗水量低于降解程度较高的M2与M4，普通塑料地膜(CK)没有出现降解情况，耗水量最小。吐絮期降解膜M2与M4降解程度进入残存期、M1与M3进入崩解期，保墒性能大大减弱、耗水增强，降解膜M2处理的棉田耗水量仍然最大，分别高出降解膜M1、M3及普通塑料地膜(CK)4.79%、4.50%及6.22%。全生育期内降解膜M2耗水最大，比降解膜M1、M3、M4及CK分别高于2.86%、1.83%、0.81%及5.58%，由此可以看出降解膜降解快的棉田耗水量大，而且耗水量与降解程度呈正相关。

表2 棉花生育期棉田的耗水参数Table 2 Water consumption parameters of cotton fields at growth stages of cotton

2.3 降解膜对棉花生长状况的影响

从图3中可以看出棉花株高、茎粗及单株干物质积累量均呈现出苗期到蕾期增长较慢，蕾期到花铃期增长迅速，花铃期到吐絮期增长缓慢的趋势，其中棉花株高在花铃期到吐絮期基本不再增加，主要因为人工打顶抑制了棉花营养生长的顶端优势，促使光合积累的营养物质供给棉花的生殖生长以保棉田高产。叶面积指数呈现出苗期到花铃期快速增大，而花铃期到吐絮期略有减小的趋势，主要因为吐絮期棉花成熟、气温降低、灌水减少促使棉花叶片脱落，从而导致棉花叶面积指数减小。图3还可以看出单株干物质积累量在苗期到蕾期升高比较缓慢，而在蕾期到花铃期迅速升高，在花铃期到吐絮期又缓慢升高，主要由于花铃期棉花由营养生长过渡到生殖生长，花蕾和棉铃增多造成单株干物质积累量迅速增大，吐絮期虽然棉铃长大，但棉花成熟、叶片脱落，从而降低了单株干物质积累量的增速，因此在花铃期到吐絮期单株干物质积累量缓慢升高。

图3 不同地膜覆盖下棉花的生长指标Fig.3 The growth indexes of cotton under different mulches

苗期降解膜尚未出现降解，各种地膜的保温保墒性能相当，因此苗期棉花叶面积指数及单株干物质积累量等没有显著差异。蕾期棉花株高、叶面积指数及单株干物质积累量等生长指标均出现了显著差异，其中普通塑料地膜处理(CK)的生长情况最好，降解膜株高较CK低2.30%～15.63%、叶面积指数较CK低11.59%～31.31%，单株干物质积累较CK低3.82%～21.83%，其中降解膜M1显著低于降解膜M2、M4及CK。花铃期棉花快速生长，为防止棉花疯长进行人工打顶，因此各种降解膜处理的棉花株高差异不大；而茎粗、叶面积指数及单株干物质积累量差异显著，其中降解膜M2的茎粗、叶面积指数及单株干物质积累量均为最大，茎粗比其他降解膜及CK大0.84%～17.91%，叶面积指数大1.10%～17.17%，单株干物质积累量大0.20%～16.28%。其中降解缓慢的降解膜M1及M3处理的棉株茎粗、叶面积及单株干物质积累量显著小于降解较快的M2、M4及不降解的CK处理(P<0.05)。吐絮期棉花株高及叶面积指数没有显著差异，降解膜M2处理的茎粗最大，较其余降解膜及CK大2.58%～22.13%，与降解膜M1及M3差异显著(P<0.05)，普通塑料地膜处理(CK)的单株干物质积累量最大，较降解膜大1.21%～6.65%(P<0.05)，降解膜中M2的单株干物质积累量最大。

2.4 降解膜对籽棉产量及水分利用效率的影响

从表3看出，不同地膜覆盖下单铃质量、单位面积铃数没有显著差异(P>0.05)。由于M2最早开始降解，促进膜内外空气流通、土壤干湿交替等原因，促进了棉桃长大及棉铃开花，因此M2处理的棉铃较大，单铃平均质量最大，较其他降解膜大0.21～0.33 g,比CK的单铃平均质量大0.07 g；但由于普通塑料地膜处理的棉花出苗率最高、密度最大，因此CK的单位面积平均棉铃数最多，比M2多4.89个，比其他降解膜多5.11～13.33个。因此CK的籽棉产量最高，与M3、M4的籽棉产量有显著差异(P<0.05)。降解膜M1、M3及M4的籽棉产量比CK的籽棉产量低8.74%、13.72%、10.55%(P<0.05)；M2的籽棉产量比CK低2.05%，较M1、M3、M4增产7.33%、13.53%、9.50%，与M3存在显著差异(P<0.05)。各种地膜处理的棉田水分利用效率存在显著性差异，降解膜M1、M3及M4的棉田水分利用效率比CK分别低11.08%、16.82%及14.56%(P<0.05)，降解膜中M2产量及水分利用效率仅次于CK，且与CK差异不显著。

表3 不同地膜覆盖下棉花的籽棉产量及水分利用效率Table 3 Seed cotton yield and water use efficiency of cotton under different mulches

3 讨 论

降解膜的降解性能是其能否推广应用的关键因素之一，然而不同的降解地膜由于化学成分、生产工艺、应用环境等因素而表现出不同的降解性能[24]。赵爱琴等[25]对南京环绿降解塑料公司生产的生物降解地膜进行研究，发现覆盖后20 d左右地膜边缘首先出现2～3 cm小洞，33 d时，地膜已经裂成块状，韧性减小。本试验研究发现白色氧化—生物双降解膜在80 d开始出现裂纹，180 d地膜出现碎裂，地表不再有大块残膜，最大地膜残片面积≤16 cm2，生育期末地表残片尚未消失；黑色全生物降解膜与黑色氧化—生物双降解膜均在90 d以后才开始出现裂纹，在降解速率与强度方面均较弱，在生育期末没有出现地膜的碎裂情况。从降解膜降解的情况来看，极端干旱区降解膜的降解速度缓慢，原因是所选降解膜的设计诱导期较长，也可能是由于极端干旱区土壤水分与温度不利于棉田土壤微生物，从而降低了降解膜的降解速率与强度，因此有必要在极端干旱区，研究土壤微生物群落及其对降解膜降解性能的影响。

降解膜的降解影响棉田土壤环境，进而影响棉田耗水规律及棉花生长发育。丁宗江等[26]研究得出降解膜与普通塑料地膜在玉米苗期至拔节期差异不显著，但在抽雄期至成熟期可降解膜覆盖下耗水量显著高于普通膜覆盖，且2 a试验平均总耗水量可降解膜覆盖均高于普通地膜。本试验研究发现苗期各种降解膜尚未开始降解，棉田耗水无显著差异，棉花叶面积指数及单株干物质积累量等生长指标也没有显著差异；蕾期棉田耗水差异逐渐增大，棉花株高、叶面积指数及单株干物质积累量等均出现了显著差异，其中普通塑料地膜处理(CK)的株高最高、叶面积最大，降解膜M2次之；花铃期各种降解膜加速降解、保墒性能减弱，棉花快速生长、蒸腾强度增强，造成棉田耗水增强且差异显著，人工打顶使棉花株高相对整齐，没有显著差异，而茎粗、叶面积指数及单株干物质积累量差异显著；吐絮期棉花株高及叶面积指数不再具有显著差异，茎粗和单株干物质积累量存在显著性差异。整体来看普通塑料地膜及降解膜M2处理的棉花生长较好。

覆膜类型的不同可以影响棉田土壤环境，王斌等[27]研究表明，降解膜对番茄产量和土壤养分等指标影响与CK无显著差异；袁海涛等[28]研究发现，降解地膜对土壤水分、温度和棉花生长的影响与普通地膜相近，未对棉花生长发育及产量产生显著影响；韩冬梅等[29]研究认为，可降解地膜增产效果差于普通塑料地膜；邬强等[17]研究认为，降解膜较普通塑料地膜有降低棉花产量及棉田水分利用效率的情况。本试验研究发现降解膜较普通塑料地膜的产量及水分利用效率均表现出减小趋势，这与以上结果一致；其中白色氧化—生物双降解膜虽耗水最大，但棉花生长较好，产量及水分利用效率仅次于普通塑料地膜。

4 结 论

与普通塑料地膜相比，降解膜表现出不同程度的降解，其中白色氧化—生物双降解膜M2降解效果最好，白色全生物降解膜M4次之，黑色氧化—生物双降解膜M1及黑色全生物降解膜M3降解较慢，因此可以研究使降解膜在特定时间开始降解，并在棉花采摘后尽早完全降解以防影响次年作物的生长。

5种地膜处理的棉田耗水均呈现出先升高后降低的趋势，花铃期达到最大。苗期各种降解膜尚未开始降解，棉田耗水没有显著性差异；蕾期开始出现差异，花铃期与吐絮期差异显著。阶段性耗水及全生育期的总耗水为M2>M4>M3>M1>CK。各种处理的棉花整体上生长趋势一致，各种生长指标均为先增后减，与耗水规律一致，棉花生长在苗期差异较小，蕾期和花铃期差异较大，总体来看普通塑料地膜及降解膜M2处理的棉花生长较好。

各种降解膜处理的籽棉产量比普通塑料地膜的籽棉产量及水分利用效率均有降低，其中普通塑料地膜(CK)处理的棉田水分利用效率与降解膜M1、M3及M4有显著性差异(P<0.05)，白色氧化—生物双降解膜(M2)降低最少，仅次于普通塑料地膜；综合考虑到残膜累积可致棉田减产，清除残膜需要成本，因此在极端干旱区使用降解膜M2替代普通塑料地膜用于棉花种植实践是可行的。