不同地膜的降解性能与力学特性及其对南瓜生长的影响

穆晓国,高 虎,李海俊,高富成,张 莹,叶 林,2

(1.宁夏大学农学院,银川 750021;2.宁夏设施园艺工程技术研究中心,银川 750021)

【研究意义】宁夏地处我国西北部,属温带大陆性气候,常年干旱少雨,水资源亏缺,限制当地农业发展。地膜在农业生产应用推广以来,由于覆盖地膜可以改善土壤水热环境,促进高产高质[1-2],解决气候环境对作物生长的制约问题,使得地膜覆盖面积得到快速增加[3]。在覆膜栽培技术引进以来,由于回收地膜不彻底,土壤中积累了大量残膜,使得土壤结构破坏,作物产量和质量下降[4-5]。研究表明,覆盖降解膜是解决残膜的有效途径之一[6-7]。【前人研究进展】目前,降解地膜在棉花[8]、番茄[9]、玉米[10]及小麦[11]等作物上的应用较多,覆盖降解膜和普通地膜对作物生长和产量的影响差异不明显。随着覆膜时间的增加,降解膜的裂解程度加大,这也导致土壤温湿度下降,从而造成作物减产[3]。即使同一种作物覆盖同一种地膜在不同环境下也存在差异,因此,不同地区、不同作物对不同地膜的适宜性不同[9]。在地膜力学特性研究中发现,受自然环境的影响,膜的力学性会被破坏,使地膜结构变化,牢固性降低[12]。同时,受环境差异的影响,无法明确地膜降解时间和降解程度。针对于生育期较长的作物来说,如果降解时间过早,将不满足覆膜栽培的生产需求[13-14]。地膜力学特性变化会改变膜的完整性和覆盖效果,进而影响作物的生长情况。【本研究切入点】南瓜(CucurbitamaximaDuch)隶属葫芦科(Cucurbitaceae)南瓜属(Cucurbita),为一年生草本植物,我国是世界上南瓜最大的生产国和消费国, 2018年栽培面积达53.3 hm2。地膜覆盖技术可促进南瓜早熟与增产[15],而在南瓜栽培生产中应用降解膜的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以PE膜为对照,通过对比不同降解膜力学特性变化、降解程度及南瓜生长等方面的差异,为降解膜在南瓜生产应用提供理论依据,发展安全、绿色生态农业。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2021年5—9月在宁夏红寺堡区富阳公司基地进行。试验区属于温带大陆性气候,常年干旱少雨,昼夜温差大。

1.2 试验材料

供试南瓜品种为艾丽斯,由宁夏红寺堡富阳公司提供,不同地膜信息参数见表1。

1.3 试验设计

试验共设4个覆膜处理,在南瓜栽培中分别覆盖黑色PE地膜(CK)、黑色降解膜(T1)、白色降解膜(T2)及黑色二氧化碳基降解膜(T3),每个处理重复3次。试验田总面积1334 m2,平均分为12个面积为111.2 m2的小区,所有处理小区随机排列。

播种前选择饱满度趋于一致的南瓜种子,于2021年5月28日进行起垄、播种、铺设滴灌以及覆膜工作。各处理水肥均采用膜下滴灌方式,试验期间所有处理水肥管理方式一致。地膜的力学特性和南瓜植株长势的测定以南瓜不同生育期为节点,品质与产量于成熟期测定。

表1 不同地膜信息参数

1.4 采样及测定方法

1.4.1 地膜裂解程度测定 地膜降解程度采用目测法,降解未发生时的原始地膜表征见图1,在固定点位定期观测裂解情况(图2),裂解等级参照何文清等[16]的方法。

1.4.2 地膜力学特性测定 依据南瓜不同生育期进行采样,分别在南瓜伸蔓期(第38 天)、开花结果期(第46 天)、果实膨大期(第55 天)及成熟期(第87 天)对所覆盖的地膜进行采样,将地膜降解程度极大、极小区域剔除,取出现孔洞及裂口较平均的地膜,用剪刀裁取面积为1 m2(1 m × 1 m)的地膜,各处理取9次重复样。将原始膜和伸蔓期、结果期和成熟期的样品膜,在采样当天及时送往河南青源天仁生物技术有限公司进行断裂力值、伸长率、拉伸强度及直角撕裂指标的测定。

1.4.3 光合参数及叶绿素测定 光合参数使用叶绿素仪(Li-6400,北京力高泰科技有限公司)测定,SPAD(Soil and plant analyzer develotrnent)值使用SPAD-502 Plus[博特(连云港)仪器有限公司]测定。叶绿素含量用乙醇法[17]测定。

广西社会工作服务机构参与城市社区治理，通过与政府、街道、社区居委会、社区社会组织、社区共建单位、社区居民等不同主体之间的合作互动，发挥其关系与资源协调的作用，通过共同参与、沟通协商、利益调节、协同合作来解决社会问题、处理社区事务、服务居民生活和促进社区发展，达到培育社区社会组织、发展志愿者力量、推动居民参与、培养公民意识、扭转政府服务角色、促进社区能力发展，实现社区善治的目的。因此，广西社会工作服务机构与各社区治理多元主体间是一种合作共赢、互惠互利的关系，在共同参与社会治理过程中，彼此进行深度合作和协力支持，从而互通有无并形成合力，共同推进社区发展与社区建设。

Chla=13.95×OD665-6.88×OD649

(1)

Chlb=24.96×OD649-7.32×OD665

(2)

Chlt=Chla+Chlb

(3)

1.4.4 南瓜的生长指标及品质测定 南瓜栽培生产过程中使用双蔓整枝方式,在南瓜不同生育期,使用直尺测定植株叶宽、叶长并计算叶面积,每株测定双蔓上各3个叶片,用钢卷尺测量植株2个主蔓蔓长,记录整株南瓜植株的叶片数,每个处理测9株。成熟期测定南瓜的可溶性固形物、可溶性蛋白、可溶性糖及Vc含量。南瓜可溶性蛋白质采用考马斯亮蓝法测定,可溶性糖采用蒽酮比色法测定,Vc采用比色法测定[18],可溶性固形物使用手持折光仪[BK-506,标康(深圳)科技有限公司]测定。

品质综合得分使用加权计算,设定加权综合满分为100分,可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性固形物以及Vc含量的权重系数均为25%。

Y=(Y1/Y1max)×25+(Y2/Y2max)×25+(Y3/Y3 max)×25+(Y4/Y4max)×25

(4)

式中,Y1～Y4分别为所测定南瓜可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性固形物以及Vc含量;Y1max～Y4max为南瓜可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性固形物以及Vc含量最高值。

1.5 数据处理

采用Excel 2019进行数据处理及制图,采用SPSS 21.0进行数据分析,采用Origin 2021制图。

2 结果与分析

2.1 南瓜生育期内不同地膜的裂解程度

由表2可以看出,对不同时期4个处理膜观测后发现,覆膜38 d时,4种不同地膜均保持完整性,未出现自然降解现象。第46天时,3种降解膜均出现裂纹。当南瓜生长进入果实膨大期(第55天),3种降解膜裂解程度增加,裂解程度等级相近,有25%左右地膜出现裂解。第87天时,T2和T3降解地膜出现2.0～2.5 cm 裂纹,裂解程度较T1明显增加,黑色PE膜(CK)在南瓜整个生育期整体完整。

图1 原始地膜表征Fig.1 Characterization of the original plastic film

图2 南瓜不同地膜成熟期(第87天)降解情况Fig.2 Degradation condition of different plastic film maturation stages (the 87th day)

2.2 不同地膜力学特性的变化

CK横向拉伸强度下降趋势最小,降低10.22 MPa,T1横向拉伸强度下降幅度最大,降低13.18 MPa。T2横向拉伸强度在覆膜87 d后降为最低,其次是T3。纵向拉伸强度的变化过程中,拉伸强度在第38～78天呈急剧下降趋势。在第87天时,T2和T3纵向拉伸强度降为最低,分别为1.92、2.99 Mpa。

由图4可知,不同材质地膜伸长率和直角撕裂的变化趋势。从非线性拟合方程可以看出,3种降解膜在第38～87天,横向伸长率下降幅度均明显大于CK,T1、T2、T3横向伸长率在第87天分别降至25.00%、28.80%、26.38%。T2纵向伸长率由690.34%降至最低的17.67%,在4个处理中变化幅度最大。第87天,3种降解地膜纵向伸长率降至最低,CK较T1、T2、T3纵向伸长率高188.00%、220.33%、208.37%。4种不同地膜横向、纵向直角撕裂受力值在第38～55天开始快速降低,第55～87天变化幅度减缓。T1第87天的直角撕裂值比直角撕裂初始值减小2.5倍,此时的横向直角撕裂值与T2、T3基本一致,这也说明不同降解膜的制作工艺具有很高的相似性。T2纵向直角撕裂的初始值和第87天的值在4种膜中最高,T1纵向直角撕裂前后下降0.83 N,不仅下降幅度最大,而且第87天的值也比另外3种膜低。

表2 不同地膜降解程度分级

y1为CK非线性拟合公式,y2为T1非线性拟合公式,y3为T2非线性拟合公式,y4为T3非线性拟合公式,下同。y1 is the CK nonlinear fit formula, y2 is the T1 nonlinear fit formula, y3 is the T2 nonlinear fit formula, and y4 is the T3 nonlinear fit formula. The same as below.图3 不同地膜断裂力值和拉伸强度的变化Fig.3 Changes of breaking force and tensile strength of different plastic films

图4 不同地膜直角撕裂和伸长率的变化Fig.4 Variation of right-angle tear and elongation of different mulch films

2.3 降解地膜力学特性与降解性能的相关性分析

对降解地膜的降解程度进行分级后,通过相关性分析(表3)可知,降解程度分级与横向断裂力值、纵向断裂力值、横向拉伸强度、纵向拉伸强度、横向伸长率以及纵向伸长率之间呈极显著负相关(P<0.01),说明降解地膜的力学特性受降解程度影响,降解程度越大,地膜可承受的断裂力值等特征值越小,地膜力学特性越不稳定。

表3 降解地膜力学特性与降解等级的相关性分析

2.4 不同处理对南瓜植株形态指标的影响

由图5可知,不同地膜处理对南瓜蔓长和叶片数的影响不显著。成熟期,CK处理的蔓长增加显著,CK和T1处理的叶片数显著高于T2和T3处理。南瓜叶面积受不同处理的影响,在不同时期波动较大,苗期CK和T3处理的叶面积较大;开花期,T1处理的叶面积大幅度增加,显著高于其他处理;结果期和成熟期,处理间叶面积趋于一致,处理间无显著差异。

2.5 不同处理对南瓜叶片叶绿素含量与SPAD值的影响

由表4可知,不同处理叶片的SPAD值从苗期至果实膨大期均呈先上升后下降趋势。CK叶片的SPAD值范围在29.2～59.9,叶绿素a含量范围在0.42～2.59 mg/g, 叶绿素b含量范围在0.29～1.17 mg/g,总叶绿素在0.71～3.76 mg/g;T1叶片的SPAD值范围在30.0～58.1,叶绿素a含量范围在0.48～2.47 mg/g, 叶绿素b含量范围在0.32～1.13 mg/g,总叶绿素在0.80～3.60 mg/g;T2叶片的SPAD值范围在30.5～58.4,叶绿素a含量范围在0.51～2.49 mg/g,叶绿素b含量范围在0.34～1.14 mg/g,总叶绿素在0.85～3.63 mg/g;T3叶片的SPAD值范围在29.1～57.0,叶绿素a含量范围在0.41～2.38 mg/g,叶绿素b含量范围在0.28～1.11 mg/g,总叶绿素在0.69～3.49 mg/g。伴随南瓜生育期的推移和降解膜降解的原因,降解膜覆盖土壤的水分减少,降低土壤中养分的有效利用效率,因此叶片中合成的叶绿素含量较CK有所下降,该差异现象主要表现在果实膨大期, T2和T3处理的南瓜叶片叶绿素含量与CK存在显著差异。

2.6 不同处理对南瓜叶片光合的影响

气孔导度大小影响南瓜叶片的蒸腾速率、光合速率和胞间CO2浓度。由表5可知,在植株叶片水分蒸腾范围内,蒸腾速率会随气孔导度的增加而增加,加快根部汲取矿物质向叶片运输,提高光合速率制造同化物促进植物生长。蒸腾速率和光合速率均下降。3种降解膜的气孔导度、光合速率和蒸腾速率均明显下降。果实膨大期,随着叶片的老化速度加快,叶片中的叶绿素含量开始下降,与开花期相比,气孔导度、光合速率和蒸腾速率明显降低。叶片胞间CO2浓度少受叶片老化情况的影响,两个时期叶片胞间CO2浓度波动不大。果实膨大期T2处理叶片胞间CO2浓度相比开花期有所升高,且明显高于其他处理叶片胞间CO2浓度,这也使植株光合速率比其他处理低。其中CK叶片仍保持相对较高气孔导度,所以蒸腾速率和光合速率显著高于其他处理。推测可能与CK未出现裂解有关,结果期以后降解膜的裂解程度增加,保水率弱于CK,因此导致蒸腾速率与光合速率下降。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05). 图5 不同处理对南瓜植株形态指标的影响Fig.5 Effects of different treatments on morphological indicators of pumpkin plants

表4 不同处理对南瓜叶片叶绿素含量与SPAD值的影响

2.7 不同处理对南瓜品质与产量的影响

由表6可知,T1处理的南瓜可溶性糖含量显著低于其他处理,其它处理间差异不显著;T3处理的南瓜可溶性蛋白较CK、T2高3.3%、10.0%;覆有3种降解膜的南瓜Vc含量高于对照(CK)处理,T2与T3处理均与CK存在显著差异;二氧化碳基降解膜(T3)处理下南瓜可溶性固形物含量均显著高于其他处理,CK处理的南瓜可溶性固形物的含量最低。对4个不同的品质指标进行加权计算综合得分可以得出,T2和T3处理对南瓜品质的提升起到作用。在产量方面,T1处理产量最低,CK、T2、T3处理的产量分别较T1处理高12.8%、12.2%、5.5%。

3 讨 论

3.1 不同降解地膜降解程度及力学特性变化

降解地膜的裂解程度及降解速率因不同材质、环境及作物种类而存在差异[19]。本研究中,普通地膜未发生降解,2种黑色降解膜的降解程度在覆膜87 d时明显高于白色降解膜,这与李仙岳等[20]研究结果类似,其原因分析主要是地膜种类和环境条件造成,该原因造成降解膜降解的具体机理未说明。而本研究则是以力学特性角度去分析降解程度与力学特性之间关联度。研究发现,地膜力学特性随覆膜时间增加呈衰减趋势,其中黑色PE膜所有力学特性虽然下降,但其仍能保持较高的刚性与韧性,来保证膜的完整性以及绝大部分残膜能被回收[21]。而降解膜是基于不回收、自然降解的理念而研发的地膜,因此,在自然环境条件下,降解膜通过分子结构变化,使膜的刚性与韧性被削弱,膜的力学特性极大幅度降低[9]。白色降解膜断裂力值、拉伸强度、伸长率以及直角撕裂的变化幅度大于黑色降解膜和二氧化碳基膜。杨振兴等[22]和谢建华等[23]对降解膜的研究中也得出相似结论。而白色降解膜力学特性之所以大幅度下降,可能与白色降解膜下较高温度有关,张楠等[24]指出,温度越高,地膜力学性能削弱越快。本试验通过相关分析得出,力学性能与降解程度之间存在极显著相关,说明力学性能下降幅度越大,膜的裂解程度也越大。但第87天时测定的降解等级来看,黑色降解膜和二氧化碳基降解膜降解程度比白色降解膜程度大,通过数据分析发现,白色降解膜的初始力学特性本来就比黑色降解膜和二氧化碳基降解膜高,因此白色降解膜有相对较高的韧性而未出现大面积降解。另有研究指出,黑暗环境下有利于微生物数量的激活,白色降解膜的透光率高于黑色降解膜和二氧化碳基降解膜,所以两种黑色降解膜下附着了更多数量的微生物,加快膜分子结构变化,降解程度增加[25]。

表6 不同降解膜对南瓜品质的影响

3.2 不同降解地膜对南瓜叶片叶绿素含量及光合参数的影响

本研究中,南瓜叶片苗期SPAD值较低,相应的叶绿素a、b含量也均低于降解地膜,降解膜具有较高的水蒸气透过量,可以带走一部分热量[22],推测其主要受根区温度的影响,王浩等[26]在根区温度对葡萄叶片光合荧光特性研究中发现,根区温度过高会伤害PSII受体,电子传递的量子产额及性能指数降低,光合性能降低。开花期,地膜开始出现裂解现象,此时土壤温度和含水量都较PE膜降低,因此没有足够的水分供应植株生长,系统活力受到土壤水分含量变化的影响,Fv/Fm、Y(II)随土壤水分含量降低逐渐受到抑制[27],同时传输至叶片的矿质元素含量减少。杨振兴等[22]研究发现,降解膜水蒸气透过量很高,土壤中的水分蒸发量高于PE膜,因此,推测是由于土壤水分的差异造成叶绿素含量和光合速率下降。从南瓜全生育期来看,覆盖黑色PE膜植株叶片的SPAD值明显高于其他处理,光合速率也相对最高,其次是白色降解膜,这与曹玉军等[28]在玉米覆盖降解膜的研究结果相似。因为白色降解膜具有较高的力学特性,所以在前期裂解程度较小,含水量相对高于黑色降解膜与黑色二氧化碳基降解膜,因此叶绿素合成含量合光合速率高于黑色降解膜与二氧化碳基降解膜,这与王东明等[29]在杂交谷覆盖降解膜的研究结果相似。

3.3 不同降解地膜对南瓜生长、品质及产量的影响

在南瓜果实膨大期之前,各处理间植株蔓长、叶片数及叶面积并未出现较大差异,其原因在于降解膜裂解程度不高,还具有一定的保水能力,而到了膨大期之后,随着降解膜裂解程度的增加,降解膜处理的植株蔓长、叶片及叶面积增长相对普通地膜有所减缓,并表现出明显差异,这与丁宏伟等[30]在棉花上的研究结果相似。同时,裂解后的降解膜能够起到调控土壤环境的作用,会使大气温度与土壤温度直接对流传热,覆盖降解膜的土壤昼夜温差较PE膜大,所以可促进南瓜可溶性固形物及Vc的积累,提高南瓜的品质,这与陶凯等[31]在甜瓜和王旭钰[32]在马铃薯及生菜中的研究结果相似。另一方面,膜的材质也会影响品质的形成,Song等[33]得出降解膜里的HA成分可以延缓蔬菜衰老,这对蔬菜品质的提高均起到一定作用。南瓜产量作为衡量不同地膜辅助生产能力的重要指标,从结果来看,覆盖黑色降解地膜和二氧化碳基降解地膜与黑色PE膜的南瓜产量没有显著差异,Franois等[34]在葡萄应用降解膜也发现产量与PE膜未形成显著差异,因此也进一步说明了覆盖降解膜对于作物产量的影响与PE膜相当。

4 结 论

(1) 降解膜力学特性与降解程度呈负相关,力学特性随时间下降,降解程度增加。黑色降解膜和二氧化碳基降解膜的断裂力值、拉伸强度、伸长率及直角撕裂初始值均比白色降解膜低,因此,在第87天黑色降解地膜和二氧化碳基降解地膜的降解程度更高。

(2) 受地膜降解影响,植株可吸收的水分降低,所以覆盖3种降解膜的植株叶片叶绿素a、b含量及平均光合速率低于PE膜。

(3) 覆盖黑色降解膜和黑色二氧化碳基降解膜可以提高南瓜Vc和可溶性固形物含量,使南瓜综合品质提升,同时南瓜产量与黑色PE膜趋近,无显著差异。鉴于降解膜可大幅度降低对土壤环境污染程度,并在提升南瓜品质与产量方面表现良好,替代普通PE膜进行农作物以及蔬菜生产具有可行性。