全生物可降解地膜的土壤环境效应研究——以玉溪市为例

夏鸾金玥,王帅兵*,申雨禾,黄彩霞,曾维庆,岳志强

(1.玉溪师范学院化学生物与环境学院 云南,玉溪 653100; 2.玉溪市农业环境与农村能源工作站 云南,玉溪 653100)

引言

随着现代农业、高分子工业的迅速发展,人们对地膜的使用量也与日俱增,铺设地膜,既能避免杂草生长,又能保持土壤温度和水分,影响土壤酶的活性[1,2],具有增温保墒、防病抗虫和抑制杂草等作用,能够显著提高作物产量,为农业生产带来了不错的效益,但丢弃的农用地膜随着光解对环境也产生了一些影响[3],主要是环境污染和资源短缺问题。废弃的农用地膜多为合成高分子材料,耐腐蚀性较好,在自然环境中难以降解。在地膜广泛应用的区域,农田土壤中存在不同程度的残膜污染,而土壤中残膜的积累会破坏土壤结构,使耕地质量下降,进而造成作物的减产[4-7]。回捡地膜人工成本高,且只能捡拾浅层地膜,进一步加重了地膜残留,给农田生态环境以及农业生产带来了严重的负面影响,引发农事操作受阻、次生环境污染等一系列问题。部分地区残留污染日益严重[8],近期的一次调查显示,在长期覆盖的农田中,塑料的残留总量为71.9～259.1 kg/hm2[9],进行可降解地膜对土壤环境效应的研究迫在眉睫。在可降解地膜中,全生物可降解地膜由于优秀的降解性能而得到了广泛的应用。

烟草是玉溪的主要经济作物之一,生物可降解地膜的覆盖可以有效解决农田地膜的残留现状,开展全生物可降解地膜的土壤环境效应的研究,可以为玉溪市乃至全国可降解地膜的推广提供数据支撑。为进一步确立可降解地膜在云南玉溪市的最适宜推广范围做好了基础技术贮备;对解决土壤及环境的污染问题,保护环境,保持生态平衡,推进可持续发展,建设高原特色农业,创造良好的社会和生态效益,具有深远的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概括

研究区域位于云南省玉溪市澄江市龙街镇双树村,试验核心区中心地理坐标为:24°39′21.79″N,102°52′21.80″E,海拔1741米左右,土壤类型为水稻土,常年平均气温17.2℃,极端最高气温33.7℃,极端最低气温-3.9℃。年平均日照时数为2360.5 h,年平均降水量为795.8 mm,年平均相对湿度为76%,无霜期318 d,主导方向是西南风。

1.2 实验方法

1.2.1 样地布设

试验示范点地块选择相对集中且有试验基础的地区,根据当地实际情况设置及地膜供应量设置不重复不同的试验区。试验区域内设置1个15亩的核心观测区,能够代表试验点整体情况;其中全生物可降解地膜设置4个处理,共布设三种全生物可降解地膜(厚度分别为0.006 mm、0.008 mm、0.01 mm),普通PE地膜设1个处理,不覆膜设1个处理。在核心区每种参试地膜设置1个处理,3次重复;普通PE地膜覆盖为对照处理(对照区);整个核心区设置6个处理,均为3次重复。各处理间作物品种、播种量、播期、整地、覆膜方式与施肥种类、数量、田间管理等措施一致(详见图1)。

图1 核心区布设图

表1 具体地膜布设情况

1.2.2 实验设计

在试验区种植烤烟,品种为烤烟K326,覆膜方式为人工覆膜,种植方式为轮作,按当地最适节令统一播种,统一种植规格,统一病虫防治,统一测产验收。田间重点记录生育期、生长势和抗逆性。通过对试验地块的基础土壤理化(容重、pH值、基础养分、温度、水分、重金属)进行测定,土壤温度、水分常规测定,地膜降解定期的观察记录,作物生长的农事记录(种植、覆膜、施肥、灌水、采收)等进行监测分析评价,研究不同种类全生物可降解地膜在烟草栽培上的降解情况。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤测定

土壤背景值监测采用五点采样法,在核心区共设置5个采样点进行采样。覆膜结束后采用随机均匀采样法,共采集15组土样数据进行测定。土壤采样时分层采集表层土和30 cm以下土,按四分法混合均匀后分析监测。试验点土壤理化性质监测指标为水分、容重、孔隙度、有机质含量、全氮、全磷、全钾、速效氮磷钾和pH值等。监测指标不同,采样监测频次也不同,水分指标采样监测频次为每周一次;其余指标于覆膜前、膜降解后分别取样监测一次,以查明全生物降解地膜的降解过程中是否会对土壤理化性质产生影响。具体指标如下:

(1)土壤水分

使用TDR150(美国)测定土壤水分。在每个区域采用五点取样法选择5个点位,分别测定0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的土壤水分、土壤电导率情况。

(2)土壤温度

使用HOBO温度自计仪(美国)测定核心观测区烟草整个生育期土壤中的温度。在核心观测区的全生物可降解地膜处理、普通PE地膜处理分别取对角线三等分进行埋设,每个区域埋设3组土壤温度自计仪,埋深为20 cm左右,埋设总数为30个,设置每隔1 h自动记录一次数据。监测记录时间为2021年4月28日至2021年9月17日。每个填埋点设置醒目标识,铺设地膜前埋设,到作物收获后取出。

(3)土壤养分性质

覆膜前和作物收获后在每个样地各取一次土样进行分析,取样方法为5点采样法,采样后带回实验室晾干,待后期统一测定。

有机碳(SOC):重铬酸钾氧化-分光光度(HJ615-2011)

全氮(STN):凯氏法(HJ717-2014)

水解性氮(HN):碱解扩散法

全磷(STP):碱熔-钼锑抗分光光度法(HJ 632-2011)

速效磷(AP):钼锑抗比色法

1.3.2 覆膜观测

观测内容:记录各参试膜破损情况(是否出现裂纹、 裂缝、破碎程度,记录裂纹、裂缝的数量以及破碎的块数并记录),判定降解情况,记录降解各个阶段出现日期。

观测时间:观测记载人员应在栽培试验区覆膜后前30 d,每10 d观测一次;覆膜后31～40 d,每5 d观测一次;覆膜后41 d起,每3 d观测一次,直至诱导期结束(最多到覆膜后75 d);以后恢复每10 d观测一次。记录各参试膜破损情况,并判定降解进程。

观测点设置:釆用固定观测框方法观测,每个核心观测区按照梅花型选3个观测点。观测框根据作物株距及地膜幅宽确定,不小于50 cm×50 cm。

观测要求:拍照记录每个降解阶段的场景,按照观测间隔要求,每次观测都拍一组照片,直至无膜期;烟草覆膜栽培试验观测到首个降解地膜达到诱导期、开裂期、大裂期、碎裂期和无膜期时,所有样品分别全部拍照。每个观测日拍照结束后,务必于当天对照片标注(膜样编号、拍照日期、降解状况),发现问题及时补救。在作物收获时,降解膜表面的脆裂程度,包括整体状况,残膜强度测试和评价。

1.3.3 作物生长情况

(1)试验作物及种植方式

种植品种为烤烟K326,耕作层厚度为30 cm,土壤类型为黄壤。起垄种植,垄宽0.7 m、垄间距0.4 m、垄沟深0.3 m,作物的行距1.1 m和株距0.50 m。4月20日核心观测区移栽覆膜,移栽定植烤烟1100株/亩。

(2)作物生育状况调查

分别于烟草不同生育期进行调查,每个时期分别记录移栽数、成活率、株高、茎围、叶片面积等指标。株高是指植株根茎部到顶部之间的距离,它是形态学调查工作中最基本的指标之一[10,11];茎粗的测量位置一般为地上部分的第一茎节的中部直径;有效叶片数和单叶片面积可以帮助我们直观的了解烟草的生长情况。

(3)产量测试

在烤烟收获时,进行称重测产,统计各区域烟叶干重、鲜叶重、产量、上等烟、中等烟、下等烟数目,计算折合亩产值。根据种植面积,株数、重量和当年烟草收购价格测算产量。要求将小区内杂株和非试验因素引起的异常植株(如空杆)剔除,剔除株的产量以小区平均产量补回。

2 结果与分析

2.1 不同地膜对土壤指标影响

实验期间不同覆膜处理下土壤积温如表3所示。与普通地膜(E区)相比,本研究中的全生物可降解地膜30 d土壤积温与普通地膜(E区)相比降低0.86%～8.13%,其中D区的30 d土壤积温增减率变化最小,60 d土壤积温与普通地膜(E区)相比降低1.35%～6.95%,其中D区的60 d土壤积温增减率变化最小,整个作物生育期土壤积温与普通地膜(E区)相比降低0.41%～3.50%。在作物整个生育期全生物可降解地膜土壤温度平均低于普通地膜0.2℃～0.8℃,所有的参试地膜均具有良好的保温效果,其中0.008 mm全生物可降解地膜表现最佳。

表2 试验点土壤测试结果

表3 试验点全生物可降解地膜覆盖土壤积温(单位 ℃)

试验期间不同覆盖处理下烟田的土壤水分监测结果显示(表4),本研究中所有参试地膜与普通地膜(E区)的土壤水分没有明显差距。原因可能是在水分监测期间,可降解地膜仍处于诱导期,地膜的机械强度较好,保水效果与普通地膜相似,而6月中旬云南进入雨季,参试降解地膜都进入开裂期,土壤水分和普通地膜无显著差异。综合降雨量、作物生育情况和地膜降解等因素分析,所有参试地膜达到保水的效果。

表4 2021年试验期间不同覆膜处理田间土壤水分情况监测表

2.2 不同地膜降解情况

地膜降解等级划分参照张文群[12]和迪丽拜尔·迪力买买提[13]的方法,并根据地膜降解特点进行调整。诱导期:从开始铺膜到出现小裂缝所经历的时间。开裂期:肉眼清楚看到地膜出现大裂缝所经历的时间。大裂期:地膜已经裂解成大碎块,没有完整的膜面,出现膜大面积崩裂所经历的时间。破碎期:地面无大块残膜存在,仍有小碎片时所经历的时间。无膜期:地膜在地表基本消失的阶段。

观测结果显示(表5),普通地膜(E区)的诱导期是最长的,而0.0008 mm的可降解地膜和普通PE地膜的开裂期较长,所有地膜进入大裂期的时间差距不大。截止到8月28日,所有参试地膜达到60±5 d的诱导期的预期指标;所有参试地膜均未进入破碎期;截至8月28日烤烟收割结束,残膜覆盖率都在50%以上。

表5 核心区地膜降解状况调查表

生物可降解地膜的降解特性会影响作物的生长的水温环境,进而影响作物产量[14]。根据实验结果来看,可根据作物的生育期来选择不同长度诱导期的地膜进行布设,使作物在生育期过程中保持地膜的完整性,在作物收获之后快速进入下一阶段以达到更好的降解效果。

2.3 不同地膜布设后对作物生长情况的影响

2.3.1 核心区烟草生育情况

不同地膜处理下烟草的株高、围径、有效叶片数、单叶片面积情况如图2所示。

图2 核心区不同地膜处理下烟草的株高、围径、有效叶片数、单叶片面积(单位:cm、mm、片、cm3)

核心区内每一区域移栽烟苗42株,均已成活,成活率达到100%,符合当地烟草生产标准(移栽成活率大于95%)。各处理下烟草的株高为110～115 cm之间,符合当地烟草生产的标准(株高:110～120 cm),各厚度间烟草株高无明显的差异;各处理下的烟草的茎粗在11.6～12.6 mm之间,其中以B区植株的茎粗最大;有效叶片数是衡量烟草产量的重要指标之一,本研究中,各处理下的有效叶片数在18～21片之间,符合当地烟草生产标准(有效叶片18～20片);单片叶面积可以衡量烟叶的生长情况,一般来说,单位叶面积越大,烟叶的长势越好,图中可看出B、D两区的单片叶面积明显高于其他区域,而全生物可降解地膜覆盖的区域单片叶面积高于不覆膜和覆盖普通PE膜的区域单片叶面积,说明可降解地膜的覆盖可有效提高烟草的单片叶面积。总体来说,本研究中所有可降解地膜生育指标均达到当地烟草生产的标准要求,可降解地膜和普通地膜没有显著差异,并且A区、B区、C区和D区的地膜的多数指标都要高于普通地膜和不覆膜栽培的烟草,说明本研究中所使用的可降解地膜对作物生长没有不良影响,且0.008 mm可降解地膜综合表现最佳。

2.3.2 核心区烟草产量

不同地膜处理下烟草的干重、鲜叶重、折合亩产、上等烟、中等烟、下等烟情况如图3所示。

图3 核心区不同地膜处理下烟草的产量情况(单位:kg)

由图中可以看出,地膜覆盖下的烟草的干重、鲜叶重和折合亩产值均高于不覆膜的,可降解地膜覆盖下烟草的干重、鲜叶重和折合亩产值均高于普通PE地膜覆盖下的,这些现象可以说明地膜的覆盖对作物的产量具有一定的促进作用,而可降解地膜的效果要优于普通PE地膜。

核心区各区域的烟叶等级也有着类似的规律,地膜覆盖下的烟草的上等烟、中等烟、下等烟数量均大于不覆膜的区域,可降解地膜覆盖下烟草的上等烟、中等烟、下等烟数量均大于普通PE地膜覆盖的区域,且可降解地膜覆盖下上等烟的占比更高。

总体来看,3种厚度的可降解地膜相比普通地膜的亩产值变化范围为-10.0%～+5%,变化不大,未造成减产。其中A、B、C和D区域可降解地膜的产量指标都要高于普通地膜栽培的烟草,剩余多数参试地膜产量、产值和普通地膜基本吻合,E和F的产量指标表现略差,但是和普通地膜差距不大。总体上看,可降解地膜对作物产量影响不大。

3 讨论

在核心区布设不同的地膜后,可以得出:不同类型的地膜覆盖对土壤的温度水分,作物生长和作物产量具有一定影响,这与穆晓国等[15]的研究一致,在本研究中,参试地膜30 d土壤积温与普通地膜(E区)相比降低0.86%～8.13%,60 d土壤积温与普通地膜(E区)相比降低1.35%～6.95%,整个生育期土壤积温与普通地膜(E区)相比降低0.41%～3.50%。在作物整个生育期全生物可降解地膜土壤温度平均低于普通地膜0.2℃～0.8℃,但是所有参试地膜都达到良好的保温的效果;水分监测结果显示,本研究中所有参试地膜与普通地膜(E区)的土壤水分没有明显差距,6月中旬云南进入雨季参试降解地膜都进入开裂期,土壤水分和普通地膜无显著差异。综合降雨量、作物生育情况和地膜降解等因素分析,所有参试地膜达到保水的效果。在地膜布设的初期,可降解地膜与普通PE地膜的增温保墒效果未出现显著差异,其原因可能是因为在地膜布设的前期,生物可降解地膜的机械强度较好,还未发生降解。

全生物可降解地膜的降解特性会影响作物生长环境中的土壤性质,从而影响作物的生长发育和产量。对比申丽霞等[16]的研究中,光生物双降解地膜在玉米地布设后40 d开始出现裂纹,90 d后无大块地膜存在;高宗昌等[14]的研究中,棉田白色氧化—生物双降解地膜覆膜后80 d开始降解,180 d后无大块地膜存在,本研究中3种不同厚度的全生物可降解地膜在60天左右开始出现裂纹,134天左右无大块地膜存在。各类可降解地膜的降解情况存在差异的原因是:①各地膜的所运用的地带气候不一,降解条件可能导致地膜降解速度存在不一致。②各地膜的布设的适用作物不一致,应该根据作物的生长周期选择合适诱导期的可降解地膜,在地膜进入破碎期前结束作物采收。本研究中3种不同厚度的全生物可降解地膜在核心区的诱导期均达到预期的60±5 d的目标,开裂期在14～21 d,大裂有53～59 d,未进入破碎期烟草就采收结束。其中0.008 mm可降解地膜的诱导期最长,进入开裂期所需的时间较长,可降解地膜对比普通PE地膜降解速度更快,全部参试降解地膜都完成诱导期进入开裂期。从烟草生育指标和产量来看,全部参试可降解地膜生育指标和产量均达到当地烟草生产的标准要求,可降解地膜和普通地膜未表现出显著差异,可见,参试可降解地膜对作物生长和产量没有不良影响。总体来说,通过核心观测区的降解情况、保温保湿、生育和产量指标等数据来分析,参试的3种不同厚度可降解地膜都达到了普通地膜的各项指标要求,其中0.008 mm可降解地膜综合表现最佳。

对于全生物可降解地膜的推广使用,应该加大宣传使用全生物降解膜的优越性,提高农户对生物降解膜的认知,应该对相关配方进行进一步的优化, 以便更好解决高海拔地区昼夜温差过大,作物急需增温保墒的问题,因为云南烤烟的覆膜一般在60 d前的作用是保温、增湿,60 d后地膜对烤烟生长无影响。建议根据不同农作物生长期、不同降解诱导期的要求及各地气候特征、环境条件等调整产品配方,进一步加强降解膜在可控性、抗拉性、保温性等性能研发,生产适宜区域特点、降解速率和时间可控的可降解地膜,实现对降解地膜的可控性,增加保温保湿功能,增强地膜韧性及抗拉强度,提高生物降解膜的性能质量。开展地膜覆盖、降解性、土壤质量等的长期定位监测,研究降解地膜与土壤质量的相互作用关系,确保耕地质量。

4 结论

(1)与普通地膜(E区)相比,全生物可降解地膜在30 d、60 d的土壤积温均有所降低,整个作物生育期土壤积温降低0.41%～3.50%,土壤平均温度降低0.2℃～0.8℃。

(2)本研究中所有参试地膜与普通地膜(E区)的土壤水分没有明显差距。

(3)各厚度可降解地膜开裂期在14～21 d,大裂期在53～59 d,各区域的作物均在地膜进入破碎期前就采收结束,能达到预期的60±5 d的目标。

(4)参试可降解地膜覆盖下作物的产量对比当地烟草的生产标准要求均为合格,且可降解地膜和普通地膜间未表现出显著差异,证明参试可降解地膜并未对作物生长产生不良影响。

(5)可降解地膜的布设不影响作物产量,在做到良好的增墒保温作用的同时,对环境的保护具有一定的作用,对农田土壤质量和土壤生态系统有积极的影响,因此可降解地膜的推广使用是可行的。