可降解地膜对石河子垦区棉花农艺性状及产量的影响

刘晓伟，何文清，李志强，李生太，吕 军

（1石河子农业科学研究院，新疆石河子832000；2中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081；3农业农村部旱作农业重点实验室，北京100081）

0 引言

石河子垦区属于典型的温带大陆性气候，该区棉花生长季（4—10月）热量充足，日照时间长，降水稀少，有利于棉花生产[1]。为解决水资源不足对棉花生长的限制，20世纪80年代新疆已经开始推广棉花覆膜种植，该技术既可促进棉花早熟也可提高棉花的产量[2]。多年来，石河子垦区棉花覆膜种植面积不断增加，截至2017年该垦区覆膜面积2.2×105hm2，地膜使用量达1.66×107kg，其中棉花种植面积达2.01×105hm2，位居全兵团首位[3]。然而，现如今广泛使用的普通地膜主要成分为聚乙烯烃类化合物，自然条件下长期存在且很难降解，即使在降解过程中仍会溶出有毒物质。随着覆膜量和覆膜年限的增加，土壤中残留量也随之加大，最终影响土壤的物理结构，使得土壤水分、养分向下运移受阻，影响作物对水分、养分的充分利用，造成作物减产，农田环境和农业生产受到威胁[4-5]。可降解地膜的出现能够替代传统地膜，具有与传统地膜相似的效果[6]，是地膜污染防控的重要途径之一，亦可有效改善土壤环境，降低作物减产风险[7]。目前，可降解的地膜材料可分为3类，即PE/PP光-氧降解类，淀粉基PE材料类和PLA、PBS(A)、PBAT、PCL降解聚酯类，前2类降解剩余碎片会长期存在，最后一类的产物最终会变为水和二氧化碳[8-12]。本研究在新疆生产建设兵团地膜应用最广泛的石河子垦区开展了不同来源及不同配方可降解地膜的降解特点及其对棉花产量的影响，以期为可降解地膜的推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于新疆石河子市，地处天山北麓中段，古尔班通古特大沙漠南缘，地理坐标位于东经84°58′—86°24′、北纬43°26′—45°20′，属于典型的温带大陆性气候，年平均气温约7℃，年平均降水量约为125.0～220.7 mm，雨量多集中在4—7月，该地区日照充沛，无霜期160天左右。供试土壤类型为灰漠土，土壤质地为中壤。

1.2 试验设计及材料

试验设5个处理，（1）CK，不覆膜对照；（2）PE，地膜主要成分为聚乙烯；（3）PPF，地膜主要成分为PE/PP-光氧型；（4）PBAT，地膜主要成分为二元酸二元醇共聚酯；（5）PLA，地膜主要成分为聚乳酸。每个处理3个重复，随机区组排列，共15个小区。试验中棉花种植采用膜下滴灌技术，机械平铺(10 cm+66 cm+10 cm)，地膜宽度为2.05 m，株距为9 cm，小区面积为61.56 m2(9 m×6.84 m)。供试棉花品种为‘新陆早61号’。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 地膜降解情况 在每小区内固定3个观测点，采用目测法观测每个观测点的地膜降解情况，即每条地膜宽行处相同位置放置40 cm×40 cm相框，于4月20日覆膜后每隔10天进行定点拍照，记录地膜表面变化程度。降解地膜降解分级按照4个不同阶段进行观测，并记录各阶段出现的时间[13]。（1）诱导阶段，从覆膜开始至出现无规则孔洞，直至出现小的裂缝；（2）破裂阶段，地膜由小裂缝向大裂缝转变；（3）崩裂阶段，地膜碎裂成大的块状、片状；（4）完全降解阶段，地膜碎裂程度加剧，大块、片状碎裂成不规则小块状、片状且不对土壤和作物造成影响。

1.3.2 棉花农艺性状及产量的测定 棉花出苗期调查出苗数，并计算出苗率；收获期采取全区实收计产、考种方式，测定折合每公顷籽棉产量和单铃重；每小区随机取样连续20株，测定株高、茎粗、果枝台数和单株结铃数。

1.4 数据处理

数据分析采用Microsoft Excel 2007和SPSS 21.0对数据进行整理和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同降解地膜田间降解情况评价

可降解地膜田间降解过程观察结果（表1）表明，光降解地膜面透明，诱导阶段发生在覆膜后70天，开始出现降解现象，膜面出现不规则孔洞和微小裂缝，但膜面基本完整，仍具有良好的保墒效果；覆膜后80～90天膜面已由小裂缝向大裂缝转变，降解现象很明显；覆膜后100～120天膜面碎裂成大的块状和片状，已经没有完整的膜面，丧失地膜基本作用。对比PBAT和PLA，前者膜面不透明（泛白），后者膜面透明，两者在覆膜后60天开始出现降解现象，比光降解地膜提前10天进入诱导阶段；覆膜90天后，PBAT在各处理中最先进入崩裂阶段，且至覆膜120天时，大块和片状膜面持续加剧降解成小的碎片，基本与地表相贴，不易分离。结合各处理降解情况，PBAT效果优于其他处理；PLA虽然比PPF提早进入诱导阶段和破裂阶段，但两者后期降解情况基本一致，无明显差异。

表1 2019年可降解地膜膜面降解情况

2.2 不同降解地膜对棉花生长的影响

与不覆膜对照相比，覆膜显著增加了棉花的出苗率和株高(P＜0.05)，且PE和PPF对茎粗有影响（表2）。不同覆膜处理相比，PBAT和PE的出苗率显著高于光降解地膜(P＜0.05)，可能是因为PBAT膜面泛白，在前期土壤墒情高的情况下，由于透气性好，促进种子萌发且根系伸展受到影响小[14]。收获期测定的株高结果表明，PE的棉花植株最高，且与其他处理差异显著(P＜0.05)，其次是PPF，显著高于 PBAT和 PLA(P＜0.05)。可见，地膜的覆盖对棉花的出苗率和株高有明显的影响，不同降解地膜对棉花生长影响各不相同，分析认为地膜降解越早越不利于土壤保温保墒和棉花生长发育。

表2 不同覆膜处理棉花生长情况

2.3 不同降解地膜对棉花产量的影响

从不同处理下的棉花产量及产量构成因素看，与CK相比，覆膜显著增加了棉花的单铃重(P＜0.05)，从而增加了棉花的籽棉产量，增产幅度为6.6%～21.3%（表3）。不同降解地膜与PE相比，PPF、PLA和PE处理的果枝台数、单株结铃数和籽棉产量均无显著性差异(P＞0.05)，PBAT处理的单铃重显著低于其他覆膜处理(P＜0.05)，且籽棉产量显著低于PE(P＜0.05)。由此可见，PPF、PLA替代PE风险较小，可保证棉花的正常生长。

表3 不同覆膜处理棉花产量及产量构成因素

3 讨论

降解地膜的降解过程受材料构成影响[15]。由于配方不同，降解地膜的功能性和降解特性对棉花产量的影响存在差异[16]，本研究中，不同材料降解地膜的田间降解速度有明显差异，其中PBAT和PLA降解速度最快，比PPF提早10天进入诱导阶段，特别是PBAT覆膜90天时加剧降解，进入崩裂阶段，待覆膜120天时完全降解成小的块状和片状，紧贴于地表，地膜的功能性丧失。随着覆膜时间增加PLA降解速度逐渐降低，覆膜120天时PLA和PPF仍处于崩裂阶段，没有显著性变化。总体来看，降解速度是限制棉花生长的重要因素，增温保墒是地膜覆盖的主要功效，在作物封垄前要保证地膜的功效不能丧失，而PBAT在覆膜后90天进入崩裂阶段，地膜的功效急剧下降甚至丧失，不利于棉花的正常生长和产量形成，与前人研究结果相同[17]。

大量研究结果表明[16,18-20]，不同材料、不同配方降解地膜降解过程会使得作物生长和产量结果存在显著性差异。本研究中，PBAT的出苗率显著(P＜0.05)高于PLA和PPF，与PE无显著性差异。收获期前测定的株高结果显示PPF显著高于PBAT和PLA，分析认为降解快慢直接影响作物的生长状况，最终影响产量形成。总体上，由于PBAT降解过快且功效过早丧失，产量最低，相比CK增产幅度仅为6.6%，而PPF降解速度相对慢一些，增产幅度为19.0%，与PE增产幅度相近，与前人研究结果相似[21]。不同覆膜处理相比，PBAT的籽棉产量显著低于PE，而PLA、PPF的籽棉产量与PE无显著性差异，所以除PBAT外，PLA和PPF与当地气候条件和作物生长匹配。但PLA降解地膜对棉田其他土壤性质及环境的影响，对PLA在新疆地区棉田生产体系中的应用及可持续性具有重要影响。因此，进一步的研究要围绕PLA对农田土壤性质及环境的影响展开。

4 结论

本研究从不同可降解地膜的降解情况及其对棉花的农艺性状和产量影响的角度进行了探讨，为可降解地膜在新疆地区棉花生产体系中的应用及推广提供了科学理论依据，研究证明可降解地膜的应用是解决“白色污染”的有效途径之一，基本具备了聚乙烯地膜的功能和较好的降解性能[22]，但是降解过快会影响作物的正常生长，直接影响产量形成[23]，而降解过慢或降解不彻底不能根本解决土壤中地膜残留问题[24]。本研究中PBAT覆膜120天后基本完全降解，降解性能较好，但由于降解过早，最终影响了作物的产量，配方还需进一步改进，以延长诱导阶段、降低减产风险。PPF降解速度慢，各方面性能与常规PE地膜无异，但无法彻底降解。综合考虑，PLA在石河子垦区覆盖与其区域气候条件和棉花生长匹配较好，棉花籽棉产量与常规PE地膜无显著性差异，相比CK增产幅度为16.4%，虽然降解过早仅覆膜60天就进入诱导阶段，但后期降解速度平稳，地膜功效并未完全丧失，有望替代PE地膜在新疆石河子垦区棉花生产体系中推广应用。