全生物可降解地膜覆盖大蒜应用效果评价

张相松，房晓燕，王献杰，张 凯，王 莉，刘现明，王 涛

（1临沂市农业技术推广中心，山东临沂 276001；2山东省农业生态与资源保护总站，济南 250100；3兰陵县农业技术推广中心，山东临沂 277700）

0 引言

大蒜是重要香辛类蔬菜，具有较高的营养和经济价值。山东省是国内最主要的大蒜种植区，种植面积达到15.64 万hm2[1]。地膜覆盖是大蒜高产的重要技术[2]，但地膜残留污染也成为影响农业可持续发展的一个重大问题[3]。为解决地膜残留引起的农田“白色污染”问题，前人进行了较多氧化-生物双降解地膜的应用研究，但极少关注全生物可降解地膜对大蒜抽薹的影响。近年来，国内外厂家、科研单位在全生物可降解地膜研发和应用方面，不断改进和完善产品配方，研究配套农艺措施，使得产品应用性能、经济性能都得到了大幅度提高[4]，全生物可降解地膜替代技术成为大蒜生产的趋势[5]。本研究选择蒜薹、蒜头兼收型品种‘苍山大蒜’为供试作物，研究4 种全生物可降解地膜的增温、保墒、机械、降解等性能，及对秋播大蒜根系、株高、假茎粗、抽薹和蒜头产量等生长发育指标的影响，系统评价全生物可降解地膜覆盖大蒜的农田适用性及推广的可行性，为减少蒜田残膜污染寻求有效途径。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2021 年10 月—2022 年5 月在山东省临沂市河东区进行。该区域属暖温带大陆性半湿润季风气候，气候温和，四季分明，年平均降雨量约800 mm，历年平均气温13.1℃，无霜期平均202 d，日照时数为2357.5 h。试验期内最低气温-8.3℃、最高气温35.1℃，降水量仅约80 mm，其中单次20 mm以上降水2次。

1.2 试验设计

试验设置7 个处理（表1），每种类型地膜一个处理，包括全生物可降解地膜4 种，同时设置裸地和2 种聚乙烯(PE)地膜作为对照。每个处理重复3次，随机排列，小区面积40.5 m2(2.7 m×15 m)。2021年10 月6 日整地，每公顷施用复合肥(15-15-15)1.5 t、有机肥22.5 t；10 月8 日播种大蒜，起垄播种，每垄种植4 行，垄距90 cm，行距18 cm，株距11cm；10 月16日人工覆盖地膜、埋设温度记录仪；2022 年5 月31日收获测产。整个生育期内灌溉6 次，农事管理与日常一致。

表1 试验处理

1.3 测定指标及方法

1.3.1 地膜降解进度观测 采用目测法进行地膜降解进度观测，从覆膜开始，定期观察记录地膜颜色、形态以及表面完整度的变化情况，并拍照。降解诱导期指垄面地膜出现多处（每米地膜出现3处及以上）≤2 cm自然孔缝的时间；降解开裂期指垄面地膜出现＞2 cm、＜20 cm自然孔缝的时间；降解大裂期指垄面地膜出现≥20 cm 自然孔缝的时间；降解碎裂期指垄（畦）面地膜出现碎裂，最大地膜残片面积≤16 cm2的时间；无膜期指垄面地膜基本见不到地膜残片的时间。

1.3.2 土壤温度 土壤温度采用温度自动记录仪（HIOKI，日本）测定，探头埋设深度为10 cm，每小时记录1次。

1.3.3 土壤湿度 分别于幼苗期越冬前（11月23日）、返青期（3月2日）和鳞芽及花芽分化期（4月2日）取膜下0～10 cm混合土样，分别称量鲜土和风干土质量，计算土壤风干基含水量。

1.3.4 大蒜生长指标 随机选取3处连续5株大蒜，用直尺测定大蒜株高，用游标卡尺测定茎粗；随机选取3株，统计大蒜根系数量；随机选取3处连续10株，统计抽薹率；收获时，随机选取3处连续1 m测定蒜头鲜重（测产面积0.9 m2），折算公顷产量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Office Excel 和DPS 15.10 软件进行数据处理和方差分析，运用Tukey法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 地膜降解情况

参试的4种全生物可降解地膜诱导期由长到短为D＞C＞B/A（表2）。地膜A 和B 在3 月初时出现较多约2 cm 孔缝，韧性变差，在外力作用下易纵向直线开裂。4 月初观察各处理的控草性能，结果发现地膜C和D控草能力强，地膜B部分被草破坏，而地膜A被草破坏严重，基本无控草能力。截止到大蒜收获，参试的地膜均未达到碎裂期，A、B地膜处在大裂期，无韧性，C、D 地膜处在开裂期，D 的韧性优于C。由以上结果可以看出，厚度为0.01 mm 的地膜C、D 韧性和控草性能较强，功能期能满足大蒜生长发育的要求。

表2 参试全生物可降解地膜降解进度d

2.2 地膜的增温性能

各处理2021年10月17日—2022年4月24日土壤积温数据如表3所示。整个生育期内积温由高到低为CK3＞D＞C＞B＞A＞CK2＞CK1，虽然各覆膜处理间积温差异未达显著水平(P＞0.05)，但与裸地对照相比显著增温17.54%～20.41%(P＜0.01)。由此可知，参试的4种全生物可降解地膜的增温效果与PE地膜相当，且随着地膜厚度的增加增温性能有所提高。

表3 各处理生育期内积温

为反映各参试地膜的增温性能，将各处理每15日积温求和，并与裸地相比，得到各参试地膜在不同时期的增温幅度（图1）。各参试地膜的增温幅度随着气温的变化先升高后降低。10月中下旬，气温较高，各参试地膜的增温幅度平均为6.29%；11月上旬—12月中旬，增温幅度平均为25.84%；12月下旬—次年2月中旬气温较低，增温幅度均在50%以上，最高达到80%以上；次年4月上旬，增温幅度降到了1.02%～5.79%，这与气温升高、大蒜植株遮蔽和全生物可降解地膜的降解有关；4月中旬以后，各处理的地温基本与裸地持平，甚至出现覆膜处理地温低于裸地的情况，这与大蒜植株的遮蔽作用有关。通过以上分析可知，鲁南地区秋播大蒜要求全生物可降解地膜的功能期不低于180 d。

图1 各参试地膜不同时期的增温幅度

2.3 地膜的保墒性能

由图2可知，在3个不同时期，覆盖PE地膜的处理(CK2、CK3)土壤含水量均大于覆盖全生物可降解地膜的处理(A～D)，且同种类型的地膜厚度越大保墒效果越好。进入4月，随着全生物可降解地膜的降解，质地变脆、孔缝增多，逐渐失去了保墒效果；特别是处理A、B，土壤含水量与裸地相当。

图2 各处理不同时期土壤含水量

2.4 大蒜生长发育情况

表4列出了各处理不同时期大蒜株高、茎粗、根系数量及蒜头鲜重等指标。在越冬前（2021 年11 月23日）各覆膜处理间株高差异不显著，但较裸地对照显著增高14.62%～20.07%。在返青期（2022年3月2日），各覆膜处理大蒜根系数量比裸地对照多约30%。到抽薹期（2022 年4 月25 日），各覆膜处理大蒜株高、假茎粗与裸地处理相比均达到极显著水平。收获时，各处理蒜头鲜重由高到低为CK3＞C＞D＞B＞CK2＞A＞CK1，各覆膜处理间蒜头鲜重相当，比裸地对照增产28.06%～34.69%；参试的4 种降解地膜，只有A 比普通PE地膜略有减产。

表4 大蒜生长发育情况

分别于4月25日、4月29日对每个处理随机选取3处连续10株，统计抽薹率。结果显示，相比裸地，覆盖地膜促进了大蒜提前抽薹，覆盖全生物可降解地膜的处理大蒜抽薹期比覆盖PE地膜的晚2～3 d。

3 结论

全生物可降解地膜的增温、保墒及对大蒜生长发育的促进作用与普通PE地膜相当，可以作为替代普通PE地膜、解决蒜田地膜污染的有效措施。鲁南地区秋播大蒜要求全生物可降解地膜的功能期不低于180 d。覆盖全生物可降解地膜处理的大蒜抽薹期比覆盖PE地膜的晚2～3 d，因此建议加强大蒜返青期、鳞芽及花芽分化期和抽薹期的水肥管理，有利于促进大蒜抽薹和产量的形成。

标准PE 地膜增温、保墒效果优于普通PE 地膜。标准PE 地膜和全生物可降解地膜因厚度大、韧性强，大蒜难以自行破膜，建议于大蒜出苗后再覆盖地膜；覆膜后，及时人工辅助出苗，避免高温灼伤；作物收获后及时捡拾回收残膜。

4 讨论

4.1 参试地膜物理性能评价

参试4 种全生物可降解地膜均能满足大蒜生产过程中人工覆膜、扣眼引苗等农事操作的要求。进入3月后，随着地膜的降解，厚度为0.006、0.008 mm的降解地膜韧性变差，在杂草、风等外力作用下易纵向直线开裂，后期杂草控制效果相对较差[6]。杨俊等[7]在烤烟上覆盖全生物可降解地膜也表明，全生物可降解地膜在作物生长后期力学性能急剧下降、变脆，作物根系容易穿透地膜。

4.2 参试地膜降解性能评价

已有研究表明，环境因子（光照、水分、温度等）、土壤微生物活性以及地膜三维结构是影响生物降解地膜降解速率的主要原因[8-11]。一般认为，紫外线越强，地表温度越高，水分越大，降解速率越快；填埋部分的降解主要受土壤微生物、含水量和温度的影响[12]。聚乳酸链中酯键的水解速度随温度和相对湿度的增加而增加；较低的温度使分子链的运动发生阻滞，体现为地膜降解速率减慢。紫外线的照射引起羰基、双键等基团吸收辐射能量，导致聚合物的分子链断裂，引起可降解地膜的光老化[13-14]。吴思等[9]和Yakabe 等[15]发现当土壤含水率较低时，细菌的活性降低，延迟诱导；当土壤含水率增加时，诱导期会随之缩短，但土壤过湿、温度过低又会使反应速度减缓。本研究中，参试4 种全生物可降解地膜的功能期在210～140 d不等；3月前各地膜降解速度缓慢，随着气温升高和灌溉引起土壤含水量的增加，降解加速。其中，0.01 mm厚度的降解地膜到收获时处在开裂期，完整度和韧性较好，能满足鲁南地区秋播大蒜对全生物可降解地膜功能期不低于180 d的要求；0.006、0.008 mm 的降解地膜到收获时处在大裂期，韧性差，在外力作用下易纵向直线开裂，影响了其保墒、控草等功能。

4.3 参试地膜增温保墒性能评价

本研究中，参试地膜可有效提高土壤温度和湿度。各覆膜处理间的耕层10 cm处土壤积温差异不显著，与裸地相比差异达极显著。其中标准PE地膜增温性能最强（达到20.41%），4 种降解地膜增温性能略优于普通PE地膜，且随着地膜厚度的增加增温性能有所提高。全生物可降解地膜保墒效果均劣于聚乙烯地膜；进入4 月，随着降解进程的加快，特别是0.006、0.008 mm 厚度的降解地膜逐渐失去了保墒功能。实验室试验数据显示，参试的全生物可降解地膜的水分蒸发量是普通PE地膜的7.4倍[16]。全生物可降解地膜的保水性较差[17]，这与原料性质有关，厚度0.01 mm的PBAT 薄膜透水率为1000 g/(m2·d)左右，而PE 仅为100 g/(m2·d)左右[18]。

谢亚楠[19]和任艳云等[20]研究表明，在大蒜生长的各时期生物降解覆盖处理的土壤温度均显著高于不覆膜处理，与普通地膜处理间差异不显著；生物降解地膜和普通地膜覆盖均增加土壤含水量。这与地膜在土壤表面形成的物理阻碍层有效阻止了水分直接蒸发，促进水分横向运移有关[5,21]。PBAT地膜可以在一定程度上抑制土壤水分的蒸发，但其水蒸气阻隔性能低于PE地膜[22]。李海萍等[23]在马铃薯上研究也表明，全生物可降解地膜有较好的增温保墒作用，但较PE地膜差，且增温保墒效果与地膜厚度呈正比。韩胜强[24]认为可降解地膜的增温保墒性能并不亚于普通地膜的作用效果。

4.4 参试地膜对大蒜生长发育的影响

裸地处理受到低温冻害影响，约50%的大蒜植株无法正常生长。各覆膜处理间大蒜株高、假茎粗、根系数量、蒜头鲜重等指标差异不显著；与裸地处理相比，大蒜株高、假茎粗均达到极显著水平，根系数量多约30%，蒜头增产幅度为28.06%～34.69%；参试的4 种全生物可降解地膜，除0.006 mm 降解地膜比普通PE 地膜略有减产外，其他均增产。覆盖地膜均促进了大蒜提前抽薹，但是覆盖全生物可降解地膜的处理大蒜抽薹期比覆盖PE地膜的晚2～3 d。

覆盖全生物可降解地膜和PE 地膜均能显著提高大蒜生长发育指标，增加大蒜产量。地膜覆盖显著提高了土壤含水量及水分利用效率；地膜覆盖显著提高了土壤温度，增加有效积温，从而促进了根系的生长和深扎[2,19]；地膜覆盖栽培可以改善土壤理化性质，促进有益菌群的增加，改变土壤微生物群落的结构和多样性[25-26]。土壤微气候条件的改善，不仅可以提高土壤尿酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶等酶活性，还能推动土壤有机质的矿化分解和养分吸收，从而促进大蒜地上部的生长，提高大蒜的产量和品质[27]。

谢亚楠等[19]以‘金乡蒜’为供试作物，发现覆膜处理的大蒜假茎粗、株高、叶片数量、根系活力均显著高于不覆膜；覆盖生物降解地膜的鳞茎产量与不覆膜处理达极显著水平，与普通地膜差异不显著。范厚明等[28]对毕节大白蒜覆盖地膜应用效果研究表明，地膜覆盖可以让大蒜的出苗期提前9 d，抽薹期提前13 d，蒜薹和蒜头分别增产63.8%和33.2%。徐磊等[2]研究表明，大蒜在生长发育前期对温度反应较为敏感，中后期转化为对水分要求较高，覆盖生物降解地膜和普通PE地膜的处理鲜蒜头产量分别比裸地增产31.64%和38.32%。张淑敏等[29]研究表明，选择功能期满足需要、透光率和雾度适宜的降解地膜，可以实现降解与功能的同步，不仅利于大蒜增产，而且可通过降解减少对环境的不良影响。

本试验研究了全生物可降解地膜对兼收型大蒜品种抽薹、产量等生长发育指标的影响，有利于全生物可降解地膜的示范推广。本试验周期内，降水较少、气温偏高。全生物可降解地膜的应用效果受气温、降水、光照等气候条件以及土壤理化性质等多重因素影响，下一步需开展不同气象条件下全生物可降解地膜应用效果评价；研究不同土壤理化性质、水肥管理以及土壤微生物活动对全生物可降解地膜的影响；研究配套农艺措施，进一步提高全生物可降解地膜的农田适用性。