全生物可降解膜在红芽芋生产中的应用研究及示范

庄文雅 ,林志寅 ,黄歆贤 ,朱奇彪

(1.瑞安市顺泰毛芋专业合作社,浙江 瑞安 325208;2.浙江农艺师学院,浙江 杭州 310021;3.温州市农业技术推广中心,浙江 温州 325200;4.浙江省农业科学院 农村发展研究所,浙江 杭州 310021)

地膜覆盖技术具有良好的保温、保湿、改善土壤理化性质的作用[1],并被实验证明能够有效提高玉米[2]、马铃薯[3]、水稻[4]等作物的产量,目前已广泛应用于农业生产的各个领域。由于普通地膜使用的是聚乙烯材料,自然条件下极难降解[5],不仅极大地提高了人工回收成本,并且土壤地膜残留对土壤结构造成破坏,阻碍了农作物对土壤中水分和养分的吸收,影响农业可持续发展。全生物可降解膜是普通聚乙烯地膜的优良替代品,能在作物生育期内充分降解成二氧化碳和水[4],在起到普通地膜保温保湿作用的同时,还能减少人工成本。尽管性能优良,但是一些客观因素阻碍了全生物可降解膜的进一步普及应用:一是成本高让很多农户望而却步;二是适应性,可降解膜的降解周期能否满足作物生长的需求仍需不断研究。

红芽芋是芋类品种之一,种植历史悠久,品质鲜美细腻且营养全面,深受消费者喜爱。但是红芽芋是块茎类作物,使用普通PE 地膜回收较为困难[6]。为了减少红芽芋生产中的耕地污染,实现绿色、可持续发展,本研究以不同类型的全生物可降解膜作为研究材料,通过对比分析其降解状况、保温作用及成本与经济效益,探究其在红芽芋实际生产中大规模应用的可能性。

1 材料与方法

1.1 材料

试验地膜包括9 种全生物可降解膜以及普通聚乙烯地膜。在实验过程中,以不同的地膜材料作单因素处理,普通地膜实验编号为CK,全生物可降解膜编号为T1～ T8,分别为南通龙达黑色地膜0.008 mm;南通龙达黑色地膜0.01 mm;南通龙达白色地膜 0.008 mm;南通龙达白色地膜0.01 mm;家乐密黑色地膜0.008 mm;家乐密黑色地膜0.01 mm;家乐密白色地膜0.008 mm;家乐密白色地膜0.01 mm。

1.2 处理设计

本实验共设9 个处理,以普通聚乙烯地膜作为对照,每个处理为1 个试验小区,3 次重复,采用随机区组设计,每个小区约25 m2。各处理田间管理水平一致。

1.3 测定项目

1.3.1 作物生长情况

对红芽芋的生育期进行调查,记载各处理作物到达相应生育期的日期,以小区50%以上植株进入该生长期为标准,以及距离覆膜后的天数。

1.3.2 地膜降解分期标准

通过定期的肉眼观察,记录地膜表面颜色、损坏程度、手撕拉力等变化情况,可将地膜的降解过程大致分为5 个时期。诱导期:从覆盖地膜日起,到地膜出现3 处2 cm 左右裂缝或孔洞的阶段,在此阶段内,地膜表面完整性和地膜拉力基本无变化。开裂期:地膜表面出现大于2 cm 的孔洞或裂缝。大裂期:地膜表面颜色暗淡,出现裂缝宽度大于20 cm。碎裂期:地膜变薄,韧性变差,最大地膜残片面积小于16 cm2。无膜期:地表只能看到少量或见不到残膜存在的阶段。

1.3.3 地膜降解观测标准

从地膜铺设之日起,每30 d 观测一次。在每个小区随机选取3 个0.5 m×0.5 m 的区域作为地膜降解观测区域,以框定的方式标记,并在观察日去观察和测量每个区域内孔洞的数目及直径,记录地膜降解的程度和时间。在红芽芋采收结束后,取覆盖地膜样品测量残留面积及质量损失。

地膜质量损失率测定方法:分别取各处理地膜面0.5 m×0.5 m,洗净、晾干后用万分之一天平称重,计算地膜质量损失率,地膜质量损失率=(地膜原质量-地膜现质量)/地膜原质量×100%。

1.3.4 土壤温度监测

使用RC-4 温度记录仪对土壤温度进行检测,测定层次为耕层10 cm,测定时间间隔为10 d,每个实验小区设置3 次重复。于收获期计算产量。

2 结果与分析

2.1 不同地膜覆盖对作物生长情况及土壤温度的影响

本研究统计了不同覆膜情况下作物的生长状况,结果显示,相较于普通地膜,不同厚度及颜色的全生物可降解膜对红芽芋生长情况并无显著的影响。覆膜播种后,经历了1 个月左右的时间开始出苗,在110 d 左右开始形成块茎,至最后收获共经历了200 d 的时间,在这一过程中,各处理的红芽芋生长状况良好,生长周期符合预期 (表1)。

表1 不同地膜处理红芽芋的生长状况

从图1 可以看出,在红芽芋生育前期(0～100 d),T3、T4、T7 和T8 相较于CK 有相似的保温作用,而T1、T2、T5 和T6 增温效果稍差,相比于其他处理日平均增温降低2.45 ℃。在红芽芋的生长后期 (100 d 至生育期结束),由于可降解膜碎片化严重,其日平均增温效果相比于普通地膜降低了2.23 ℃。整体而言,不同全生物可降解膜对红芽芋生育期具有与普通地膜相似的保温作用,能够满足红芽芋生育前期尤其是出苗期对温度的要求,较好地保证了成活率。

图1 不同类型地膜覆盖对红芽芋生长期内土壤温度的影响

2.2 地膜降解状况

从表2 可以看出,不同类型的全生物可降解膜具有较为相似的降解特征。全生物可降解膜在红芽芋播种40 d 左右就已达到开裂期,在70 d 左右达到大裂期,3 个月左右开始碎裂,到了5 个月前后,即红芽芋的收获期之前,地膜达到无膜期,至此田地表面已见不到残膜,或者只残存少量碎片。观察发现,在红芽芋生育前期,可降解膜能够维持较好的形态特征,在90～150 d,其降解速度明显增加,至收获期平均各处理地膜残留量为0.19 m2·m-2,平均质量损失率为84.3%。在红芽芋生长过程中,各个降解膜的降解时期较为相似,并未出现较大波动,但在大规模种植中,仍不能排除受到大气和土壤环境影响造成的偏差。

表2 不同处理地膜的降解周期及时间

2.3 不同地膜对红芽芋经济性状及产量影响

由表3 可以看出,在白色可降解膜处理下,红芽芋的667 m2产量在1 888.08～2 188.80 kg,平均667 m2产量为2 084.88 kg,相较于普通地膜处理增产139.20 kg。其中,可降解膜厚度对于红芽芋生产并无显著影响。然而黑色可降解膜处理的平均667 m2产量只有1 464.12 kg,相较于其他处理减产明显。

表3 不同地膜处理红芽芋的产量

从成本来看,黑色全生物可降解膜相较于白色可降解膜和普通地膜对田间杂草的控制效果更好,用工人数更少 (表4)。就整体用工数而言,T6 用工数最少,较CK 节省了53.3%,其次是T5,均为黑色可降解膜。然而全生物可降解膜的价格明显高于普通地膜。按照3.2 元·kg-1的价格计算,T8的产值最高,其667 m2效益达到了6 494.16 元,其次为T7、T4 和T3。T6 的667 m2效益相较于普通地膜缩水最为显著,其次是T5、T1 和T2。结果表明,在实际应用中,白色全生物可降解膜所带来的增产效果及减少人工成本所带来的收益使其具有在红芽芋大规模生产中替代普通地膜的能力,而黑色可降解膜可能较难适应红芽芋的生产模式。

表4 不同地膜处理的每667 m2 效益情况

3 讨论

地膜栽培技术是目前最广泛应用于现代化农业生产中的技术之一,通过保持土壤温度、保留水分和营养物质,有效提高了作物的出苗和成活率,带来了较大的产量提升。然而随着愈加广泛的应用范围及其高分子难降解的特性,普通地膜所带来的污染问题已然不可忽视。本研究通过全生物可降解膜和普通高分子地膜的对比分析发现,在红芽芋的实际生产过程中,全生物可降解膜的降解周期符合红芽芋的生长状况,不同全生物可降解膜均能起到良好的保温效果,有效保障红芽芋生长前期尤其是出苗以及幼苗生长过程中对温度的要求。而在红芽芋生长后期,随着全生物可降解膜的逐步降解,其保温作用相较于普通地膜较差,但是由于植被覆盖度的增加,其生长状况并未受到影响。

红芽芋整体生长喜湿耐凉,田间杂草较易滋生,很难根除,由此带来的除草人工成本较高。本研究发现,黑色全生物可降解膜对于杂草的抑制作用好于白色可降解膜和普通地膜,相对人工成本较低。白色全生物可降解膜虽然节约了地膜回收成本,但是杂草量稍多,整体用工量最高。结合地膜铺设费用来看,整体成本表现为:白色全生物可降解膜>黑色全生物可降解膜>普通地膜。但是本研究中仅考虑了小区实验范围内的覆膜、除草和地膜回收等显性成本,而在红芽芋大规模种植中,其规模效应及可降解特性应能有效降低人工成本。并且从全生物可降解膜的降解状况来看,在收获期可降解膜质量损失率即可达到80%以上,翻耕时残留很少,这一特性能够有效降低因地膜缠绕带来的农机损坏等问题所造成的成本。因此,尽管目前由于技术等因素的限制,导致可降解膜的普及率并不高,其应用前景已然十分广阔。

全生物可降解膜能够在微生物的分解下逐步降解,在这一过程中促使微生物活性增加,有效补充土壤养分,提高了土壤中氮、磷、钾等微量元素,使得作物增产。黑色全生物可降解膜相较于普通地膜也表现出了较为明显的减产,效益也有所降低,主要是由于在红芽芋生长前期,由于其透光性较差,很难及时了解红芽芋生长状况,未能及时破膜出芽,导致其成活率偏低,并且在这一时期黑色可降解膜未能提供相较于其他处理类似的保温效果,这表明红芽芋实际生产过程中可能不能很好地适应这类地膜覆盖。而白色全生物可降解膜在小区生产中所带来的增收效果显著高于其他处理,并且展现了较高的经济效益。这一结果可能是在红芽芋生长前期的正常保温保湿效果及后期分解过程中对土壤微生物活性、营养元素及土壤通透性增加所带来的综合效果。本研究证明了白色全生物可降解膜在小区生产中的优势,然而其是否能够在红芽芋大规模生产中得到应用,仍需在实际生产过程中得到验证。

目前全生物可降解膜已在多种作物中展现了其在实际生产中的增产效果,尤其是如马铃薯这一类不耐寒作物。本研究也发现了白色可降解膜在红芽芋生产中的增产增收效果,其可降解特性能够有效减少人工和机械成本,减少环境污染,但是其高昂的造价限制了它的大规模应用,因此,其研发还需要在降低成本上下功夫,以此来提高农民的接受度。土地是农民致富之本,良好的生态环境是农村最宝贵的财富,在守好生态红线的基础上寻求致富良机、以绿色可持续发展的态度来引领乡村振兴,仍然需要孜孜不倦地去探究。