生物降解地膜在果蔗的田间应用效果研究

黄瑶珠，陈明周，谢 东，杨友军，李发勇，陈骏佳，张文桦

(1广东省科学院生物与医学工程研究所，广东 广州 510316；2广东省生物材料工程技术研究中心，广东 广州 510316)

0 引言

广东省是我国果蔗种植的主要地区之一，主要分布于珠三角和粤北地区，果蔗种植收入是农民就业致富的重要经济来源之一。其中广州为省内最大的果蔗种植区，2019年果蔗种植面积0.54万hm2，总产量65.59万t，平均产量为121.06 t/hm2[1]。地膜覆盖栽培技术是广州果蔗种植常规栽培技术，其覆盖率高达90%以上。

目前农户偏向使用超薄地膜，其机械性能较差，在使用时地膜容易破裂无法回收。部分农户地膜使用后揭膜回收，但回收的残膜难处理，农民习惯把其堆放在田边或焚烧，导致水渠堵塞，污染环境，清理困难，也容易导致农田涝害，影响作物生长。残膜作为一种持续性投入农业污染物，主要成分为聚乙烯，其化学性质极为稳定，不易分解，在土壤可存留200～400年，导致地膜残留逐年累计增加[2]。覆膜年限越久，残留量越高，且残膜大部分为小块膜，且覆膜年限越长，残膜的破碎程度越高，越难以回收。据我国农业面源污染普查，2007年全国种植业地膜残留量为12.10万t，每年地膜回收率仅为80.30%；2017年我国地膜残留量为118.48万t，意味着我国10年内残膜以年增长率25.55%累积于土壤中。已有研究表明，土壤中残膜含量为58.5 kg/hm2时，玉米减产11%～23%，小麦减产9%～16%，大豆减产5%～9%，蔬菜减产14.6%～59.2%[3]。以2017年我国地膜覆盖面积1865.72万hm2计算，土壤残膜量为63.50 kg/hm2，已对农业生产造成减产的影响。残膜面源污染已成为影响我省地膜覆盖栽培技术发展的主要阻碍因素之一，地膜覆盖栽培技术已从最初的“白色革命”演变为“白色污染”。

生物降解地膜是指在自然环境中通过微生物的作用而引起降解的一类塑料薄膜。日本生物降解塑料研究技术委员会将其定义为“在自然界中通过微生物作用可以分解成不会对环境产生恶劣影响的低分子化合物的高分子及其掺混物”[4]。相对于普通PE地膜加厚回收方法，使用生物降解地膜综合成本更低、可实施性更强，因此，使用生物降解地膜替代技术是解决目前农业面源“白色污染”有效、成本较低、持续性较好的途径。为此《中华人民共和国土壤污染防治法》中明确提出“鼓励和支持农业生产者使用生物可降解农用薄膜”。《关于加快推进农用地膜污染防治的意见》，明确要求推进传统地膜回收利用和减量使用，推广应用安全可控的地膜替代产品；并明确提出了加强科技支撑，加大全生物降解地膜等产品关键技术研发的支持力度。广东省科学院生物与医学工程研究所研制的作物专用型生物降解地膜具有高效保水、增温及降解显著等功能，并从2013年开始，在广东省的甘蔗[5-6]、马铃薯[7-9]、花生[10]、甜玉米、辣椒、瓜类等作物进行了多年多试验点应用研究，并取得了良好的效果。为了扩大生物降解地膜的推广应用，2019～2020年连续2年在广州南沙区进行果蔗生物降解地膜田间试验，并结合南沙区果蔗地膜管理方式布置试验，以完善生物降解地膜在果蔗上的应用评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019～2020年春季在广州南沙区东涌镇万洲村，果蔗品种为黑皮果蔗拔地拉，经华南农业大学选育提纯的组培苗二代，自命名为组培一号。供试地膜为：生物降解地膜(宽40 cm，厚0.012 mm，原始重量15.345 g/m2)；甘蔗普通地膜(宽40 cm，厚0.012 mm，原始重量11.000 g/m2)。

1.2 试验方法

试验管理措施按南沙区常规地膜覆盖栽培技术进行，覆膜前施复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 375 kg/hm2，撒施杀虫剂防治地下害虫；机械开宽畦，每畦宽450 cm，畦与畦之间设排水沟，沟宽60 cm，每畦植蔗3行，行距150 cm；下种量为平均2.5段/m蔗种，每个蔗种5～8个芽；排好蔗种后用人力轮式压膜机盖膜。果蔗齐苗后揭膜追施复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 375 kg/hm2培土。待果蔗进入分蘖期后每20～25天追施复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 1次，每次施用量为375 kg/hm2，在果蔗整个生长期控制总施肥量6000 kg/hm2。

1.2.1 生物降解地膜对比田间应用试验

2019～2020年连续进行生物降解地膜对比田间应用试验。试验均设生物降解地膜、普通地膜(CK)2个处理，每个处理重复3次。其中2019年试验播种、覆膜时间为2019年4月2日，果蔗收获期为2020年2月13日；2020年试验播种、覆膜时间2020年3月18日，果蔗收获期为2021年2月24日。在果蔗齐苗后，覆盖生物降解地膜和普通地膜处理均不揭除地膜，直接膜上追肥培土。

1.2.2 生物降解地膜轻简栽培技术的田间应用试验

生物降解地膜轻简栽培技术试验于2019年4月布置。由于当地果蔗种植存在甘蔗齐苗后揭膜追肥培土的习惯，因此，在2019年2种地膜对比田间应用试验基础上，设置覆盖同一地膜下揭膜或不揭膜追肥培土处理，探讨在轻简栽培技术生物降解地膜对果蔗生长及产量的影响，为蔗田大面积应用生物降解地膜，实现果蔗轻简栽培管理及解决农田白色污染的目标。

1.3 调查项目及方法

地膜力学性能与透水蒸气性测定：对生物降解地膜和普通地膜在使用前进行。其中力学性能测定按GB/T 13022-2009《塑料 薄膜拉伸性能试验方法》[11]、QB/T 1130-2013《塑料直角撕裂性能试验方法》[12]进行；透水蒸气性按GB 1037-2009《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法 杯式法》[13]进行。

地膜降解时期调查：不定时调查地膜降解情况（是否出现裂纹，裂缝、破碎程度），并判定降解情况，记录降解各个阶段出现的日期。其中诱导期为：开始铺膜到出现小裂缝的时间；破裂期：肉眼清楚看到大裂缝的时间；崩裂期：地膜裂解成大碎块，没有完整的膜的时间；碎裂期：地膜无大块残膜存在，仍有小碎片的时间；全降解期：地膜在地表基本消失的时间。

降解情况：盖膜后约60～70天、90～100天、220～250天调查生物降解地膜的失重率。在覆盖生物降解地膜的畦面上，随机选取3点，挖至埋土地膜，把0.5 m长度的地膜全部取出洗净、晾干后称重，计算失重率，失重率(%)=（地膜原始重量-残膜重量）/（地膜原始重量）×100。

果蔗农艺性状调查：在果蔗各生长期，调查不同地膜处理的果蔗有效茎数、株高、茎径、单茎重等性状。

果蔗产量调查：在果蔗收获时，通过田间定点5 m畦面实收果蔗，并按南沙地区果蔗销售的外观质量标准砍去叶梢，实测果蔗蔗径产量，并折算每公顷产量。

2 结果与讨论

2.1 生物降解地膜力学性能与透水蒸气性

生物降解地膜的初始力学性能如表1所示，在同样厚度下，生物降解地膜横向拉伸负荷、直角撕裂负荷及断裂标称应变等指标均优于普通地膜；在纵向指标，生物降解地膜的拉伸负荷优于普通地膜，但直角撕裂负荷、断裂标称应变等指标稍差于普通地膜。从力学性能的综合评价上，生物降解地膜优于普通地膜。生物降解地膜满足于GB/T 35795-2017《全生物降解农用地面覆盖薄膜》[14]中的力学性能要求。

生物降解地膜的透水性能如表1所示。生物降解地膜满足于GB/T 35795-2017《全生物降解农用地面覆盖薄膜》[14]中的水蒸气透过量＜800g/(m2·24 h)的要求。

表1 地膜初始力学性能与透水性

在同样厚度下，生物降解地膜的水蒸气透过量、透过系数均明显高于普通地膜，生物降解地膜的保水性比普通地膜差。在南沙地区3～4月降雨多，地膜覆盖后约20天，果蔗齐苗后农民就揭膜培土，地膜主要在完成果蔗齐苗前增温保水作用后被揭除，在果蔗生长中后期地膜并没有起作用。与普通地膜揭膜培土比较，生物降解地膜的保水性能稍差，只要保证果蔗前期保证出苗作用，影响果蔗中后期生长的程度不大。

2.2 生物降解地膜的降解情况

2.2.1 生物降解地膜的降解期

在果蔗整个生育期，对生物降解地膜的降解效果进行目测。盖膜后30天内甘蔗齐苗培土前，生物降解地膜已开始出现降解小裂口，此时生物降解地膜已进入降解诱导期；盖膜后30～90天（约膜上培土后60天），地膜继续降解，小裂口增加，同时出现大裂口，部分大裂口长度超过5 cm，地膜较脆，地膜已进行降解破裂期；盖膜后100～150天（约膜上培土后120天），降解大裂口持续增多且脆性增强，地膜已基本裂解成大碎块，没有完整的膜，此地膜已进行崩裂期；盖膜后180～270天（约膜上培土后150天），大裂口碎片继续降解成小碎片，此地膜无大块残膜存在，仍有小碎片，地膜已进行碎裂期；盖膜后270～350天（果蔗收获时），生物降解地膜在地表基本降解，已看不到残膜小碎片，地膜已全降解。

从表2中可以看出，2019年田间试验中的生物降解地膜降解比2020年快，降解速度约快30天左右，这可能与2020年甘蔗生育期的降水量比2019年减少，气温也降低相关。据广州市气候公报显示，2019年南沙区平均降雨量2077.3 mm，平均气温24.4℃；2020年南沙区平均降雨量1357.2 mm，平均气温24.2℃；而土壤含水量和温度增加会加速生 物降解地膜的降解速度[15]。

表2 生物降解地膜的降解阶段记录(盖膜后天数) 单位：天

从果蔗生长特点对地膜的要求看，2年的应用试验结果表明，生物降解地膜的降解速度与果蔗生育期较为吻合，其配方适宜在广州南沙区果蔗使用，可将该配方作为大面积推广的生物降解地膜配方。

2.2.2 生物降解地膜的降解失重率

从表3可知，生物降解地膜表现出随着埋土后盖膜时间的增加，生物降解地膜的生物降解效果越明显，失重率也逐渐增大。盖膜后60～70天，2019、2020年的降解失重率分别为26.74%、11.62%；盖膜后90～100天，2019年、2020年的降解失重率达到66.37%、64.37%；到果蔗收获时，生物降解地膜已全降解，看不到残膜，降解失重率100%。在果蔗的生长前中期，2020年的生物降解地膜降解失重率比2019年稍有减少，但在果蔗生长后期也达到全降解效果，与生物降解地膜的降解阶段基本相吻合。从2年的生物降解地膜田间降解表现，生物降解地膜在果蔗田间应用具有明显的降解效果，在果蔗收获时能够实现全降解。

表3 2年田间试验的生物降解地膜降解失重率

2.3 生物降解地膜对果蔗农艺性状的影响

覆膜后不同时期果蔗株高的调查结果见表4，2个地膜覆盖处理的果蔗株高整体变化趋势一致，均随着时间的增加，株高均逐渐增加。不同年份果蔗株高变化趋势基本相同。其中在盖膜后90～200天左右，果蔗生长处于伸长期，植株速度较快。到200天后，果蔗生长速度变缓，最后株高保持在一定高度，果蔗已进入糖分积累阶段，直到砍收收获。在同一试验年份整个果蔗生长期来看，生物降解地膜处理的株高均稍高于普通地膜，但2个处理间差异 未达到显著水平。

表4 覆膜后不同时期果蔗株高调查结果

分别于覆膜后160、190、250和280天调查2个盖膜处理的茎径，调查结果见表5。不同年份的2个地膜处理各时期茎径差异不大，且在160～280天期间茎径无明显变化，均维持在37～42 mm之间。同一年份从果蔗生长中后期，生物降解地膜处理的茎径均稍高于普通地膜，但差异未达到显著水平。

表5 覆膜后不同时期果蔗茎径调查结果

覆膜后不同时期果蔗单茎重的调查结果见表6。2个地膜覆盖处理的果蔗单茎重整体变化趋势一致，均随着时间的增加，单茎重均逐渐增加。同一年份从果蔗生长中后期看，生物降解地膜处理的单茎重均稍高于普通地膜，但差异未达到显著水平。

表6 覆膜后不同时期果蔗单茎重调查结果

2.4 生物降解地膜对果蔗产量及构成因素的影响

从表7结果可见，生物降解地膜处理与普通地膜处理比较，在株高、茎径、单茎重等性状差异不明显，稍高于或等于普通地膜处理。在2019年田间试验中，生物降解地膜在产量构成因子指标均高于普通地膜，因此产量表现增产，增产率为13.47%；2020年田间试验中，生物降解地膜在有效株数指标上低于普通地膜处理，因此产量稍低于普通地膜，但减产率仅为1.90%。2种地膜处理间在同一年份的产量差异均未达到显著水平，说明覆盖生物降解地膜对果蔗生长及产量的促进作用与普通地膜相同。2019年南沙区降雨量较大，生物降解地膜的降解有利于保持土壤的通气性，有利于保持果蔗中后期的根系活力，促进果蔗产量的提高；而2020年降雨量偏少，地膜的降解和水蒸气性透过率大，可能促进土壤水分的蒸发流失，影响果蔗生长，导致产量稍有减产。

表7 生物降解地膜对果蔗产量影响

以2年田间试验平均果蔗产量计算，生物降解地膜处理的果蔗平均产量为138.58 t/hm2，普通地膜处理的果蔗平均产量为131.67 t/hm2。与普通地膜比较的平均产量比较，生物降解地膜处理的增产达到5.25%。

2.5 生物降解地膜轻简栽培技术对果蔗产量及构成因素影响

从表8结果可见，覆盖生物降解地膜下的果蔗采取揭膜措施，其株高、茎径及单茎重稍高于不揭膜，因此产量也稍有增产，但增产率仅为6.78%，2种管理措施下的果蔗产量构成因子及产量指标之间的差异未达到显著水平，因此果蔗采用生物降解地膜覆盖栽培技术，减少齐苗揭膜工序，直接进行膜上覆盖，也不会对果蔗生长及产量造成不良影响，达到果蔗轻简栽培管理效果。

表8 生物降解地膜轻简栽培技术对果蔗产量影响

覆盖普通地膜的果蔗采用揭膜管理措施，其有效株数、株高、茎径及单茎重等指标均高于不揭膜处理，其产量增加。株高、茎径及单茎重等指标两措施间的差异未达到显著水平，但有效株数及产量两措施间差异达到显著水平，其中揭膜措施的产量较不揭膜增产23.66%。普通地膜在齐苗后不揭膜导致减产，原因可能是大量地膜残留于土壤，导致土壤酶活性和微生物多样性显著下降[16]，土壤肥力下降[17]和水分运输受阻[18]，从而影响作物根系[19]，导致减产。因此，在覆盖普通地膜下，揭膜措施能够通过促进果蔗有效株数的增加，从而达到显著的增产效果。特别在降雨量大的年份，揭膜更有利于产量的提高。因此，在南沙果蔗种植上，如采用普通地膜覆盖，则需要在果蔗齐苗进行揭膜培土，否则可能会影响果蔗生长及产量提高。

3 结论

连续2年生物降解地膜应用于南沙果蔗种植，果蔗萌芽时均能够穿透地膜出苗，免除人工破膜出苗的费用，且在果蔗齐苗时直接膜上追肥培土，对果蔗生长及产量基本没有影响。覆膜后30天，生物降解地膜已开始进入降解诱导期，到甘蔗收获时，地膜已基本全降解，降解率达到100%，其降解速度基本与果蔗的生长发育相吻合，配方比较适宜南沙果蔗使用，说明使用生物降解地膜覆盖技术不仅可以达到防除残膜白色污染的目标，还可以有助于果蔗实现轻简栽培管理效果。

生物降解地膜的降解受到外界环境的强烈影响，具有很强的区域性，需要根据区域环境和作物需求研发专用生物降解地膜。综合评价生物降解地膜在田间应用的可行性，则要从几方面进行：产品上机性能、农艺性能（增温保墒、杂草防除等）、降解性能（降解时间、降解方式和程度等）、经济性（与PE地膜比较，获取降解地膜在投入、农作物产量增产、回收等参数）的综合评价[4]。2年的应用试验表明，生物降解地膜具有良好稳定的降解效果，地膜降解时间与果蔗不同时期的生长特点基本相吻合，可以满足果蔗前期增温保水的要求，在果蔗生长中后期地膜的降解提高了土壤透气性，有助于果蔗生长；到果蔗收获时，地膜基本全降解，其降解彻底，不影响果蔗产量的提高。在南沙地区，果蔗普通地膜的使用量较少，一般为37.5～45.0 kg/hm2，生物降解地膜的使用量约为普通地膜的2～3倍，如使用生物降解地膜，则在果蔗齐苗期免除揭膜及残膜处理费用，平均节省750元/hm2，且产量增加。

从果蔗生物降解地膜的多指标体系综合评价，生物降解地膜可以替代普通地膜应用于果蔗种植上，综合经济效益较为明显，经济可行性较高。在目前农业残膜面源污染日益突出的严峻情况下，通过采用生物降解地膜在源头上替代减量化技术，能较好地解决因长期连续使用普通地膜导致的面源污染问题，是一种符合现代农业绿色发展的产品及技术，建议在广东省其他果蔗主产区进行应用，进而解决农业残膜面源污染，促进广东省果蔗产业绿色生态发展。