极端干旱区降解膜对滴灌棉花土壤水热及产量的影响

丁宏伟，王振华*，李文昊，张金珠，贾浩，温越，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)

膜下滴灌技术可以提高棉田土壤温度、降低土壤水分蒸发、节省水肥用量、促进棉花生长发育且增产增收，为新疆棉花产业发展做出了巨大贡献[1].然而，传统塑料地膜短期难以降解，多年连作导致棉田残膜逐年累积，从而造成严重的残膜污染[2].董合干等[3]研究发现残膜累积会导致棉田土壤理化性质恶化、水分分布不均、土壤营养下降，降低棉花的出苗率及生长速率，最终造成棉花减产.残膜污染促生了降解膜的研发与应用.目前，越来越多的学者对降解膜应用效果进行了大量的研究，但由于试验区气象条件、土壤环境、所选降解膜类型及供试作物种类与品种等因素不同而产生不同的研究结论.有研究人员认为目前降解膜在降解性能可控性及价格高等方面仍有待提高[4-6]，然而还有研究人员却乐观认为降解膜可替代传统地膜用于实践[7-8].

目前，中国很多地区进行了降解膜应用试验，例如山东、内蒙、陕西、甘肃、宁夏、新疆南疆及北疆等地；而在东疆哈密盆地研究较少.哈密盆地长期膜下滴灌棉田残膜污染严重，0～40 cm土层残膜量至少为37.5 kg/hm2，且每年以5.3%的速度增加，极大地影响到哈密绿洲棉花产业的可持续发展[8].综合考虑到地域特色及绿洲农业的可持续发展等因素，在哈密盆地选取4种降解膜M1，M2，M3，M4及普通塑料地膜PE(CK)开展降解膜滴灌棉花试验，研究降解膜的降解性能及其对土壤水热时空变化及产量的影响，从中筛选出最适宜哈密盆地的降解膜类型，为解决当地残膜污染提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于哈密盆地的新疆生产建设兵团某师哈密垦区灌溉试验站(93°37′21″E,42°41′49″N)，是典型的极端干旱区，降雨稀少、光热充足、蒸发强烈，年均气温为9.8 ℃，年均降雨量仅为33.8 mm、蒸发量却达3 300 mm，年日照时间为3 358 h，≥10 ℃积温为4 058.3 ℃、无霜期为182 d.该地棉花生育期气象要素如图1所示，图中θa，P，td分别为平均气温、降雨量、覆膜播后天数.

图1 试验区棉花生育期气象要素

试验区地下水埋深在60 m以上，土壤类型为沙壤土；1 m内土层平均土壤容重为1.51 g/cm3，田间持水率(质量)为18.6%，有机质为14.5 g/kg、碱解氮为87 mg/kg、有效磷为15.39 mg/kg、速效钾为197 mg/kg[9].

1.2 试验设计

供试降解膜分别为山东省天壮环保有限公司的黑色不透明氧化-生物双降解膜(M1)、无色透明氧化-生物双降解膜(M2)，以及广州金发科技股份有限公司的黑色不透明全生物降解膜(M3)、白色半透明全生物降解膜(M4)；降解膜M1和M3的诱导期为100 d，M2和M4的诱导期为80 d，膜厚均为0.010 mm,宽1.2 m；对照组(CK)为新疆天业公司生产的普通聚乙烯塑料地膜，膜厚0.008 mm,宽1.2 m.滴灌带为单翼迷宫式滴灌带，滴头间距为30 cm,流量为2.6 L/h.供试棉花品种为新隆T6；种植模式为1膜2管4行，如图2所示，密度为18万株/hm2.试验小区面积为100 m2(20 m×5 m)，且随机排列；每个处理重复3次.灌溉用水采取深层地下水，包括出苗水共灌水13次；出苗水为30 mm；苗期1次灌水45 mm；蕾期3次，每次灌水37.5 mm；花期3次，每次灌水67.5 mm；铃期3次，每次灌水67.5 mm；吐絮期2次，每次灌水45 mm.以机械水表与球阀控制灌水量[9].施肥配比采用w(N)∶w(P2O5)∶w(K2O)为2∶1∶2，施肥总量为750 kg/hm2；打顶、打药及中耕等农艺措施与当地生产实践一致.

图2 棉花种植模式

1.3 测定项目与方法

1) 地膜降解性能.每个覆膜处理中随机选出3个90 cm×90 cm的区域作为观测点，采用目测法在覆膜后每隔10 d观测1次地膜降解情况，将地膜降解过程分为6个阶段，即诱导期、开裂期、破裂期、崩解期、残存期与无膜期.其中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每m2出现2～4处≤2 cm自然裂缝或孔洞的阶段；破裂期为地膜出现≥2 cm大裂缝的阶段；崩解期为地膜出现≥20 cm自然裂缝的阶段；残存期为地膜残片面积≤16 cm2的阶段；无膜期为土壤表面地膜残片消失的阶段[8-9].

2) 土壤质量含水率.覆膜后30，60，80，110，150 d选择1个膜在其宽行、窄行及膜间的1 m土层内取土，每10 cm 1个土样，然后拿回实验室采用烘干法测定土壤质量含水率，分别代表苗期、蕾期、花期、铃期及吐絮期的土壤水分.

3) 土壤温度.观看天气预报于各生育期选择具有代表性的5 d从8:00—20:00，在作物行用曲管地温计对5，10，15，20及25 cm深度的土壤温度进行监测(如图2所示)，每隔2 h监测1次，以5 d的平均地温作为该生育期的代表地温.

4) 棉花产量.棉花采摘期，每个覆膜处理随机选取3个1.0 m×1.5 m的地块作为测点，数出测点的棉铃数，并随机摘取50个棉铃称重，算出平均单铃质量，然后折算出每hm2的籽棉产量.

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Origin 2018进行绘图，方差分析采用SPSS 19.0，并以Duncan法比较处理之间的差异(α=0.05).

2 结果与分析

2.1 地膜降解特征

图3为地膜的降解情况.由图可以看出M2的降解速度最快、降解程度最彻底，覆膜80 d左右最早开始出现裂纹，降解进入开裂期，早于其他降解膜10～20 d；110 d左右出现2 cm以上长度的裂缝，降解进入破裂期，且裂缝尺寸逐渐增大；150 d左右裂缝长度已达20 cm，手撕裂膜片时感觉抗拉能力明显降低，降解进入崩解期，且降解速度加快；180 d左右地表仅能看到≤16 cm2的残片，降解开始进入残存期，生育期末地膜残片仍未完全消失.

图3 地膜的降解情况

M4前期降解缓慢，90 d左右开始出现裂纹，120 d左右进入破裂期后降解加速，并分别在150 d左右、180 d左右与M2一同进入崩解期和残存期，生育期末地膜残片仍未消失.M1与M3降解较慢，其中M3在100 d左右进入开裂期，较M1晚10 d，但在130 d左右开始与M1基本同步，并分别在130 d左右、160 d左右进入破裂期与崩解期，且两者在生育期末均未进入残存期，然而普通塑料地膜始终没有降解.因此，地膜降解速度从大到小按处理排序依次为M2，M4，M1，M3，PE(CK).

2.2 降解膜对土壤水分变化的影响

棉田土壤水分是棉花生长发育的关键要素之一.图4为不同覆盖处理下棉田土壤平均质量含水率β随生育期变化情况，图中h为土壤深度.

图4 不同覆盖处理下棉田土壤平均质量含水率随生育期变化

试验区降雨稀少，当年全生育期内降雨总量仅为32.3 mm，但蒸发强烈，可以忽略降雨对棉田土壤水分的影响；地下水埋深超过60 m，可忽略地下水对棉田土壤水分的补给.因此在灌水一致的条件下，棵间蒸发与作物蒸腾是影响土壤水分的主要因素.试验数据显示，水平方向的土壤含水率呈现由窄行、宽行到膜间依次减小的趋势；垂直方向的土壤含水率前期随深度先增后减，中后期先减后增.例如苗期土壤含水率峰值主要分布在约40 cm土层处，但随着时间推移及灌水增多，土壤水分峰值逐渐下移，由于花期到吐絮期棉花蒸腾加剧及根系吸水，导致土壤水分在40～50 cm土层明显小于其他深度的土壤水分.

由于花期之前降解膜尚未开始降解，因此苗期和蕾期5种地膜处理的土壤水分分布规律基本一致.降解膜M1，M2，M3及M4的土壤平均含水率在苗期比CK低2.26%，0.85%，4.43%及5.21%，在蕾期比CK低1.70%，2.71%，5.36%及3.15%；各种降解膜的保墒性能与CK相似.

花期以后，各种降解膜出现了不同程度降解.花期到吐絮期降解膜M1，M2，M3及M4的土壤平均含水率比CK低5.92%，8.09%，7.14%及12.41%；普通塑料地膜保墒优势突出，降解膜中降解较慢的M1及M3比降解较快的M2及M4保墒性能更好.由于土壤水分蒸发遇膜凝结回流，因此普通塑料地膜的宽行0～20 cm处土壤水分有明显的偏大现象.花期降解膜M1，M2，M3及M4覆盖的0～20 cm平均土壤含水率比CK低11.93%，12.40%，11.63%及14.29%；铃期低12.28%，12.04%，11.77%及18.13%；吐絮期低15.81%，17.75%，14.91%及17.87%.因此可以看出降解较快的M2与M4的保墒效果低于降解缓慢的M1与M3.

2.3 降解膜对土壤温度变化的影响

土壤温度是棉花生长发育的另一个关键要素，覆膜降低了膜内土壤温度散失，起到保温作用.不同降解膜在各生育期对土壤温度的影响不同.

棉田苗期土壤温度对棉花出苗及棉苗生长发育至关重要，选择苗期5，10，15，20及25 cm深度的土壤温度θs数据绘制成图5，分析降解膜对棉花苗期不同深度土壤温度日变化的影响.图中显示20与25 cm深度的土壤温度略有升高；5，10和15 cm深度的土壤温度有明显的先升后降趋势.在14:00前5种地膜覆盖下的土壤温度基本相同，但14:00后差异逐渐增大.16:00时5种地膜覆盖下5 cm深度的土壤温度均达到最高，其中降解膜M1，M2，M3及M4分别比CK低9.52%，6.67%，7.38%及7.14%；在16:00后5 cm深度的土壤温度最早开始回降，而10，15及20 cm深度的土壤温度仍在升高.18:00时普通塑料地膜覆盖下10 cm深度的土壤温度均达到最高，高达到39 ℃；降解膜M1，M2，M3及M4分别比CK低10.26%，8.97%，10.77%及10.51%.10，15 cm深度的土壤温度在18：00后相继开始回降，说明随着土壤深度逐渐增大，气温对土壤温度的影响具有滞后性且影响强度逐渐减弱.

图5 不同覆盖处理下苗期棉田5～25 cm深度土壤温度日变化

在不同生育期内，将5～25 cm深度的土壤温度θs求平均值θ并绘成图6.图中各种地膜覆盖下5～25 cm深度土壤平均温度日变化均为先升后降，且在16：00—18：00达到最高.

5种地膜覆盖下5～25 cm深度的土壤平均温度，在16：00—18：00的局部时间段内苗期到花期差异较大，而铃期和吐絮期差异较小.在苗期，降解膜M1，M2，M3及M4覆盖下16：00—18：00时的平均温度分别比CK的低6.48%，6.14%，6.57%及5.66%；蕾期分别低 6.72%，6.09%，5.96%及6.65%；而花期差异较大，分别低16.62%，13.90%，12.91%及15.28%.

图6 各生育期不同覆盖处理下棉田5～25 cm深度平均土壤温度

不同地膜覆盖下5～25 cm深度的土壤平均温度差异随棉花生长进程而变化，花期以后各种降解膜开始降解，降解膜的保温性能减弱；但花期高温天气频繁，花期降解膜与普通塑料地膜土壤平均温度差异达到最大，降解膜M1，M2，M3及M4的土壤平均温度分别比CK低11.62%，10.02%，7.67%及10.45%.其余4个生育期降解膜与普通塑料地膜土壤平均温度差异较小，苗期和蕾期由于降解膜尚未出现降解，各种降解膜与普通塑料地膜处理的土壤温度差异较小，降解膜土壤平均温度比CK仅低4.29%～5.62%；而铃期和吐絮期由于棉花封行、太阳光不能直接照射在棉田地表及后期气温降低，使各种降解膜与普通塑料地膜处理的土壤温度差异较小，降解膜土壤平均温度比CK仅低2.05%～5.52%.由于普通塑料地膜厚度比降解膜小，无色透明，对太阳光热削弱最小，且始终没有降解，因此其保温效果始终最优；降解膜M2因其无色透明，在前期增温较好，后期由于降解加速了土壤热量的散失，保温效果变差.白色半透明的降解膜M4及黑色不透明的降解膜M1和M3对太阳光热的削弱效果较强，而且由于制造工艺等造成前期土壤温度较低，后期降解膜M1和M3降解缓慢，M2与M4降解较快，因此后期降解膜M1和M3覆盖下的土壤温度稍高于M2与M4.

2.4 降解膜对棉花籽棉产量的影响

不同地膜处理下棉花的产量构成要素及籽棉产量见表1，表中m，c，Y分别为单铃质量、单位面积棉铃数、籽棉产量.表中不同地膜覆盖下单铃质量与单位面积棉铃数差异不具有统计学意义(P>0.05)，而部分降解膜与M2及CK的产量差异具有统计学意义(P<0.05).降解膜M2在苗期和蕾期没有降解且为无色透明膜，对光热的削弱较小，因此具有良好的保温保墒作用，棉花生长较好，为棉田丰产奠定了良好的基础；又因其最早开始降解，促进了地膜内外空气流通及膜内土壤干湿交替，为后期棉花根系生长发育创造出良好的土壤通气环境，使得棉花在花铃期与吐絮期生长良好；尽管降解加速造成M2的保温保墒性能减弱，但棉花后期生长对土壤水热要求不高，因此对应棉铃较大、单铃质量最大，比其余降解膜大4.01%～6.45%，比CK也大1.30%.但是普通塑料地膜厚度较小且无色透明、对光热削弱较小，而降解膜厚度较大、对光热削弱较大，所以降解膜对应土壤温度相对普通塑料地膜较低，因此普通塑料地膜的保温保墒效果最好，出苗率最高、成活密度最大、单位面积平均棉铃数最多，比M2多3.85%，比其余降解膜多4.03%～11.23%；因此普通塑料地膜处理的籽棉产量也最高.各种降解膜籽棉产量比CK低2.05%～13.72%；降解膜中M2籽棉产量最高，仅比CK减产2.05%，且M2与CK相对M3和M4增产显著(P<0.05).

表1 棉花产量构成要素及籽棉产量

3 讨 论

由于化学成分、生产工艺及应用环境等因素的差别造成各种降解膜的降解性能不同[8-10]，降解膜的降解性能是影响棉田土壤水热环境及其能否推广应用的重要因素.赵爱琴等[11]对生物降解膜进行了深入研究并发现覆膜后20 d左右时地膜边缘首先出现2～3 cm小洞，33 d左右时已经裂成块状，韧性减小；申丽霞等[12]研究发现可降解地膜在覆膜30～40 d出现裂纹，90 d后基本完全降解.

本试验研究发现哈密极端干旱区降解膜的降解相对较缓慢，最快的无色透明氧化-生物双降解膜也在80 d才开始出现裂纹，其余降解膜在90 d以后逐渐出现降解；主要是选择了较长诱导期的降解膜以防过早降解而丧失保墒作用难以应对当地极其强烈的蒸发.根据降解膜后期的降解速率、作物生长及产量情况，后期加速降解对作物的生长影响不大，因此可以考虑通过调整降解膜的化学成分以加快后期降解膜的降解速度，保证尽快完全降解，为翌年作物种植及生长创造较好的土壤环境.

降解膜的降解性能直接影响棉花各生育期的增温保墒效果，从而间接影响到棉花的生长发育和产量[13].本研究发现在棉花生长的苗期和蕾期，降解膜增温保墒效果与普通塑料地膜相似，主要由于各种降解膜尚未开始降解，棉田棵间蒸发差异较小，而且棉花相对较小，作物蒸腾差异也相对较小，因此对土壤水分的影响较小；由于降解膜完好，土壤散热较少，因此各种地膜覆盖下土壤温度差异较小.但因普通塑料地膜厚度较小且无色透明、对光热削弱较小，而降解膜厚度较大、对光热削弱较大，所以降解膜对应土壤温度较普通塑料地膜低.由于降解膜M2无色透明，对光热削弱较小，土壤温度比透明度低的其余降解膜相对较高.

棉花花期普通塑料地膜的增温保墒优势突出，主要由于各种降解膜在花期相继开始出现降解，且当时正逢高温季节，土壤水分蒸发强烈，各种地膜处理下土壤水热差异较大，且降解较快的降解膜的保温保墒性能弱于降解较慢的降解膜.在铃期和吐絮期，普通塑料地膜的保墒效果明显高于各种降解膜，这与龚双凤等[14]研究指出的降解速率与棉花各生育期的土壤水热及产量呈线性负相关相似.然而在铃期和吐絮期，降解膜加速降解，普通塑料地膜与降解膜保温效果相似，主要由于降解膜的加速降解促进了土壤温度散失，从而降低了保温效果，且因棉花封行致使土壤表面接受的光热较少，盛铃期到吐絮期气温降低，因此降解膜与普通塑料地膜的保墒性能差异较小.

许多学者研究[13,15]发现，降解地膜与普通地膜对土壤水分、温度和棉花生长的影响类似，对棉花生长发育及产量的影响不显著.但本研究发现虽然降解较快的无色透明氧化-生物双降解膜M2的保墒性能在铃期和吐絮期比普通塑料地膜及降解缓慢的黑色不透明降解膜M1和M3差，但由于后期土壤水分对棉花生长影响不大，而且因其降解加速了膜内外的水热交换，使得土壤干湿交替，增加了土壤氧气含量，更有益于棉花的生长发育，因此无色透明氧化-生物双降解膜M2处理棉花产量相对其余降解膜最高，又因其出苗率与成活密度相对普通塑料地膜较小，因此其产量略小于CK.

4 结 论

普通塑料地膜始终没有出现降解，而各种降解膜出现了不同程度降解，其中无色透明氧化-生物双降解膜M2降解最早、降解程度最高，白色半透明全生物降解膜M4出现降解稍晚于M2，但降解程度与M2相当，黑色氧化-生物双降解膜M1及黑色全生物降解膜M3降解较慢且程度不高.

苗期和蕾期各种降解膜均未出现降解，因此5种地膜保温保墒性能相似；由于普通塑料地膜厚度较小、且无色透明，对光热削弱较小，土壤温度最高，降解膜厚度较大，对光热削弱较大，所以各种降解膜对应土壤温度较普通塑料地膜低；同样由于降解膜M2无色透明，对光热削弱较小，土壤温度比透明度低的其余降解膜相对较高.

花期各种降解膜开始降解，降解膜保温效果明显低于普通塑料地膜；铃期和吐絮期各种地膜的保温性能差异较小.花期之后各种降解膜的保墒性能明显低于普通塑料地膜，且降解程度高的M2与M4的保墒性能相对低于降解程度低的M1和M3，但后期土壤水热对棉花生长及产量形成的影响不大，因此降解膜M2的生长和产量没有出现明显低于M1和M3的情况.

各种降解膜处理的籽棉产量相对普通塑料地膜均有减产，其中无色透明氧化-生物双降解膜M2由于苗期和蕾期因颜色透明、增温效果较好而促进了棉花生长发育，为产量形成奠定了基础，因此其对应籽棉产量高于其他降解膜，仅次于厚度较小、始终没有降解的普通塑料地膜.

综上分析，认为无色透明氧化-生物双降解膜M2可以替代普通塑料地膜在哈密极端干旱区用于棉花种植实践.