王 斌,萬(wàn)艷芳,王金鑫,孫九勝,王新勇,槐國(guó)龍,孔立明
(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆康潤(rùn)潔環(huán)??萍加邢薰?,烏魯木齊 830001)
地膜覆蓋具有增溫、保墑、保肥、早熟、增產(chǎn)、抑制雜草生長(zhǎng)以及控制土壤鹽堿度等作用[1-2],是解決干旱地區(qū)缺水和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。20世紀(jì)80年代起,覆膜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于作物栽培上[1]。但由于地膜材料成分主要為聚乙烯[3-4],其分子結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,在自然條件下很難降解,會(huì)在土壤中殘留幾十年之久[5-6]。隨著地膜的連年使用,越來(lái)越多的殘膜留在土壤中[7-8],造成土壤板結(jié)、通透性變差、農(nóng)事操作受阻以及作物減產(chǎn)等一系列問題[9-10]。因此,可降解地膜的研究和推廣在國(guó)內(nèi)外引起了極大的關(guān)注。
目前,許多學(xué)者主要集中于不同類型材料的降解性能、覆蓋效應(yīng)的對(duì)比,以及同種材料不同規(guī)格可降解地膜田間應(yīng)用效果的對(duì)比等研究[1,10-13]。研究得到降解地膜具有可降解特性,能減少土壤殘膜污染;具有保溫、保墑、能促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)等作用[2,10-13]。與普通地膜相比,降解地膜覆蓋對(duì)土壤水分、溫度以及作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響相當(dāng),差異不顯著[2,10-12];但降解地膜覆蓋后的降解特性以及作物產(chǎn)量的增減存在差異,這可能是由于作物種類、覆膜方式、灌水量和區(qū)域氣候條件等不同造成的[14-16]。目前,針對(duì)干旱區(qū)不同區(qū)域同時(shí)開展降解地膜對(duì)比試驗(yàn)的研究較少。
新疆的巴音郭楞蒙古族自治州(巴州)、阿克蘇、喀什與和田四地州,總面積約108萬(wàn)km2,占我國(guó)國(guó)土面積的11.25%[17],玉米和棉花是主要的種植作物。目前相關(guān)研究主要集中于可降解地膜栽培技術(shù)規(guī)程、降解過(guò)程以及對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響等方面[17-18],而針對(duì)四地州降解地膜對(duì)比試驗(yàn)的系統(tǒng)研究較少。因此,本研究在南疆四地州開展降解地膜大面積應(yīng)用與示范,研究降解地膜降解特征以及對(duì)作物產(chǎn)量、土壤溫濕度和養(yǎng)分的影響,為PBAT型全生物降解地膜的推廣應(yīng)用以及降解地膜覆蓋技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
南疆屬典型的大陸性干旱氣候,其氣候特點(diǎn)是光照長(zhǎng),晝夜溫差大,干旱少雨。年平均日照時(shí)數(shù)在3000 h左右,年均蒸發(fā)量在2300 mm以上,≥10℃的積溫平均在4000℃以上,無(wú)霜期240 d左右,年降水量?jī)H20~100 mm,年均沙塵天氣約92 d。
南疆種植的作物主要有棉花、玉米、加工番茄、馬鈴薯和小麥等。生物降解地膜在南疆主要應(yīng)用于棉花、玉米、番茄和馬鈴薯等,其中,以棉花和玉米應(yīng)用較為普遍,用量約為7.5~12.0 g·m-2。
2016年2—3月期間,在南疆4個(gè)地州13個(gè)縣市建立生物降解地膜核心示范區(qū),4—10月期間開展降解地膜在棉花和玉米上的應(yīng)用,9月底開展生物降解地膜應(yīng)用情況調(diào)查,地點(diǎn)及作物見表1。
設(shè)PBAT型全生物降解地膜(產(chǎn)自新疆康潤(rùn)潔環(huán)保科技股份有限公司)和普通PE地膜2個(gè)處理,每處理3次隨機(jī)重復(fù)。PE地膜和降解地膜的膜寬和膜厚一致,具體膜寬和膜厚見表1。南疆四地州試驗(yàn)區(qū)共22個(gè)(表1),每個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積為1000 m2。
選取棉花和玉米為試驗(yàn)對(duì)象,棉花于2016年4月5日—11日播種,玉米于2016年6月12日—21日播種(冬小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播)。灌溉方式為膜下滴灌,鋪膜方式為機(jī)械鋪設(shè)。
肥料用量、作物種植與管理方式同當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?/p>
表1 試驗(yàn)與示范點(diǎn)基本情況Table 1 Basic situation of experiment and demonstration
1.3.1 降解地膜降解性能
采用目測(cè)法,定期觀測(cè)降解地膜,記錄地膜的形態(tài)以及表面的完整情況;根據(jù)觀測(cè)結(jié)果,將地膜降解過(guò)程分為誘導(dǎo)期、開裂期、大裂期、碎裂期和無(wú)膜期5個(gè)階段[19]。
1.3.2 土壤溫濕度
土壤溫度采用曲管地溫計(jì)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定位置為膜下5 cm和10 cm土層,每日08:00、14:00、20:00 3個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行記錄,每3 d一次。
土壤濕度采用烘干法測(cè)定[20]。每隔10 d取一次土樣(分膜下0~5 cm和5~10 cm土層),將采集的土壤樣品裝入已知質(zhì)量的鋁盒(W),帶回實(shí)驗(yàn)室稱得鋁盒+鮮土質(zhì)量(W1),然后將其放進(jìn)烘箱于105℃溫度下烘至恒質(zhì)量,稱得鋁盒+干土質(zhì)量(W2),由此測(cè)得土壤質(zhì)量含水量(SW,%)為:
試驗(yàn)中僅對(duì)降解地膜處于誘導(dǎo)期之前的土壤溫濕度進(jìn)行了測(cè)定。其中,棉花測(cè)定時(shí)間為2016年4月—6月,玉米測(cè)定時(shí)間為2016年6月—8月。
1.3.3 土壤理化性質(zhì)
2016年作物播種前和收獲期,以“S”型取樣法在每個(gè)降解地膜試驗(yàn)示范區(qū)取0~20 cm土壤混合樣,風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩,測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、總鹽。
土壤pH測(cè)定用數(shù)顯酸度計(jì)(PHS-3C,產(chǎn)自上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司),土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法,土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法,土壤速效磷采用鉬銻抗比色法,土壤速效鉀采用火焰光度法,土壤總鹽用烘干質(zhì)量法測(cè)定[20]。
1.3.4 產(chǎn)量
棉花吐絮期,測(cè)定單位面積棉花株數(shù)、鈴數(shù)以及單鈴質(zhì)量,其中單鈴重按棉株下、中、上部位分別采50朵完全吐絮棉花測(cè)定,按產(chǎn)量=單位面積株數(shù)×每株鈴數(shù)×單鈴質(zhì)量公式計(jì)算棉花產(chǎn)量。
玉米收獲期,測(cè)定單位面積玉米株數(shù)、玉米棒數(shù)以及每棒玉米粒質(zhì)量,按產(chǎn)量=單位面積株數(shù)×每株玉米棒數(shù)×每棒玉米粒質(zhì)量公式計(jì)算玉米產(chǎn)量。
數(shù)據(jù)利用Excel 2016和Origin 8.0軟件進(jìn)行初步分析和作圖,采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析,數(shù)據(jù)間比較采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。
種植棉花的降解地膜降解過(guò)程表現(xiàn)為覆膜82 d左右開始出現(xiàn)裂紋,出現(xiàn)誘導(dǎo)期;98 d左右出現(xiàn)孔洞,出現(xiàn)開裂期;138 d左右開始降解為大的碎片,膜面變薄,韌性下降,出現(xiàn)大裂期;到作物收獲時(shí)(148 d左右),出現(xiàn)碎裂期,膜面上大部分地膜破碎成小塊,地膜變薄、變脆,無(wú)韌性;膜邊埋土部分仍然具有一定韌性,破孔較小,但地膜已經(jīng)變薄、變脆,降解速度滯后于地表面部分。不同地區(qū)之間,巴州地區(qū)降解地膜降解速度比阿克蘇地區(qū)快,巴州出現(xiàn)誘導(dǎo)期、開裂期、大裂期和碎裂期的時(shí)間分別較阿克蘇的提前3、1、1 d和4 d,但不同地區(qū)之間降解時(shí)間差異不顯著(P>0.05)(圖1)。
種植玉米的降解地膜降解過(guò)程與種植棉花的降解過(guò)程基本相似,但種植玉米的降解地膜降解速度明顯較種植棉花的快,出現(xiàn)誘導(dǎo)期、開裂期和大裂期的時(shí)間分別較種植棉花的提前2、5 d和28 d。不同地區(qū)之間,喀什的降解地膜降解速度比和田的快,出現(xiàn)誘導(dǎo)期、開裂期和大裂期的時(shí)間分別較喀什的提前3、5 d和7 d,但不同地區(qū)之間降解時(shí)間差異不顯著(P>0.05)(圖1)。
2.2.1 土壤溫度
從種植的棉花來(lái)看,巴州和阿克蘇地區(qū)降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土溫隨著生育期進(jìn)程基本上呈增大的趨勢(shì),即表現(xiàn)為6月>5月>4月(圖2)。4—6月降解地膜處于誘導(dǎo)期之前(圖1),降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土溫基本上高于PE地膜,但巴州有所不同。其中,膜下5 cm處巴州降解地膜平均土溫較PE地膜低0.14℃,阿克蘇地區(qū)較PE地膜高0.76℃;膜下10 cm處巴州和阿克蘇地區(qū)降解地膜平均土溫分別較PE地膜高0.27℃和1.21℃;但兩種地膜的土溫差異不顯著(P>0.05)。
圖1 PBAT型全生物降解地膜的降解階段Figure 1 The biodegradable stages of PBAT biodegradable plastic mulch film
圖2 棉花兩種地膜覆蓋土壤溫度變化Figure 2 Soil temperature under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the cotton planting areas
從種植的玉米來(lái)看,喀什、和田地區(qū)降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土溫隨著生育期進(jìn)程基本上呈增大的趨勢(shì),即表現(xiàn)為8月>7月>6月(圖3)。6—8月降解地膜處于誘導(dǎo)期之前(圖1),降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土溫均高于PE地膜。其中,膜下5 cm處巴州和阿克蘇地區(qū)降解地膜的平均土溫分別較PE地膜高0.40℃和2.08℃,膜下10 cm處分別較PE地膜高0.77℃和2.00℃;但兩種地膜的平均土溫差異不顯著(P>0.05)。
2.2.2 土壤濕度
從種植的棉花來(lái)看,巴州和阿克蘇地區(qū)降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率隨著生育進(jìn)程呈增大的趨勢(shì)。即表現(xiàn)為6月>5月>4月(圖4)。4—6月降解地膜處于誘導(dǎo)期之前(圖1),降解地膜處理膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率高于PE地膜。其中,膜下5 cm處巴州和阿克蘇地區(qū)降解地膜的平均土壤含水率分別較PE地膜的高0.83%和1.47%,膜下10 cm處分別較PE地膜的高0.25%和2.42%;但兩種地膜的平均土壤含水率差異不顯著(P>0.05)。
從種植的玉米來(lái)看,喀什與和田地區(qū)降解地膜和PE地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率隨著生育進(jìn)程呈先增大后減小的趨勢(shì),峰值均出現(xiàn)于7月份(圖5)。6—8月降解地膜處于誘導(dǎo)期之前(圖1),降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤含水率高于PE地膜。其中,膜下5 cm處喀什、和田地區(qū)降解地膜的平均土壤含水率分別較PE地膜的高0.58%和3.81%,膜下10 cm處分別較PE地膜的高0.40%和3.51%;但兩種地膜的平均土壤含水率差異不顯著(P>0.05)。
就種植棉花的土壤來(lái)看,巴州和阿克蘇地區(qū)播種前和收獲期的土壤養(yǎng)分略有不同(表2)。其中,巴州收獲期的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和速效磷分別較播種前的高0.01、0.148 g·kg-1和3.6 mg·kg-1,土壤速效氮、速效鉀和總鹽分別較播種前的低0.7、7 mg·kg-1和0.3 g·kg-1;阿克蘇收獲期的土壤速效磷和速效鉀分別較播種前的高1.2 mg·kg-1和3 mg·kg-1,土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和速效氮分別較播種前的低0.04、0.015 g·kg-1和2.1 mg·kg-1,總鹽與播種前的含量相同,為 3.8 g·kg-1,但同一地區(qū)播種前和收獲時(shí)的土壤養(yǎng)分差異均不顯著(P>0.05)。不同地區(qū)之間,巴州的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀和總鹽含量均高于阿克蘇地區(qū),而速效氮低于阿克蘇地區(qū)。
圖3 玉米兩種地膜覆蓋土壤溫度變化Figure 3 Soil temperature under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the maize planting areas
圖4 棉花兩種地膜覆蓋土壤含水率變化Figure 4 Soil moisture content under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the cotton planting areas
圖5 玉米兩種地膜覆蓋土壤含水率變化Figure 5 Soil moisture content under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching in the maize planting areas
就種植玉米的土壤來(lái)看,喀什、和田地區(qū)播種前和收獲期的土壤養(yǎng)分略有不同(表2)。其中,喀什收獲期的土壤速效氮較播種前的高7.1 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀分別較播種前的低0.633 g·kg-1、0.4 mg·kg-1和 1 mg·kg-1,土壤pH和總鹽與播種前的含量相同,分別為8.38和1.2 g·kg-1;和田收獲期的土壤pH和速效磷分別較播種前的高0.10和1.5 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效鉀和總鹽分別較播種前的低0.732 g·kg-1、9.5 mg·kg-1、4 mg·kg-1和0.2 g·kg-1,但同一地區(qū)播種前和收獲時(shí)的土壤養(yǎng)分差異均不顯著(P>0.05)。不同地區(qū)之間,喀什地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和總鹽含量均高于和田地區(qū),而土壤pH和速效鉀均低于和田地區(qū)。
與PE地膜相比,巴州和阿克蘇地區(qū)降解地膜覆蓋下的棉花均呈現(xiàn)出不同程度的增產(chǎn)(表3)。其中,阿克蘇棉花增產(chǎn)較多,較PE地膜平均增產(chǎn)8.33%,巴州棉花增產(chǎn)較少,較PE地膜平均增產(chǎn)6.48%,但同一地區(qū)兩種地膜覆蓋下的棉花產(chǎn)量差異均不顯著(P>0.05)。不同地區(qū)之間,阿克蘇地區(qū)的棉花增產(chǎn)率較巴州地區(qū)的高1.85%。
與PE地膜相比,喀什、和田地區(qū)降解地膜覆蓋下的玉米也呈現(xiàn)出不同程度的增產(chǎn)(表3)。其中,和田玉米增產(chǎn)較多,較PE地膜平均增產(chǎn)14.97%,喀什玉米增產(chǎn)較少,較PE地膜平均增產(chǎn)3.67%,但同一地區(qū)兩種地膜覆蓋下的玉米產(chǎn)量差異均不顯著(P>0.05)。不同地區(qū)之間,和田地區(qū)的玉米增產(chǎn)率較喀什地區(qū)的高11.30%。
隨著聚乙烯PE地膜使用量的不斷增加,殘膜累積對(duì)新疆尤其是南疆地區(qū)的土壤和生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響也不斷顯現(xiàn)。降解地膜具有與PE地膜類似的保溫和保水效果,產(chǎn)量水平與PE地膜相當(dāng),還具有自然降解作用[10]。因此,降解地膜的研究和推廣對(duì)塑料農(nóng)膜工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的作用。本研究以降解地膜和PE地膜為處理,在南疆四地州棉花、玉米主栽區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn),深入分析了南疆四地州降解地膜的降解性能以及對(duì)作物產(chǎn)量和土壤環(huán)境的影響。
從降解地膜降解過(guò)程看,種植棉花的降解地膜82 d左右開始出現(xiàn)裂紋,隨著生育進(jìn)程地膜逐漸變薄、變脆,裂口變大,收獲期時(shí)(148 d左右)膜面上大部分地膜破碎成為小塊,膜邊埋土部分降解速度滯后于膜面部分,但降解趨勢(shì)明顯;種植玉米的降解地膜降解速度較種植棉花的快,出現(xiàn)始裂期、開裂期和大裂期的時(shí)間分別提前2、5 d和28 d。而且,巴州棉花降解地膜降解速度比阿克蘇的快,喀什玉米降解地膜降解速度比和田的快。出現(xiàn)這種差異可能是由于作物種類和區(qū)域氣候條件不同造成的[14-15]。降解地膜降解過(guò)程在很大程度上受自然環(huán)境因素的影響,不同溫度和水分條件下都會(huì)表現(xiàn)出不同程度的降解[21],溫度越高,水分越大,降解越強(qiáng)烈[22]。何文清等[14]也研究發(fā)現(xiàn)降解膜的降解特性存在區(qū)域的差異性,河北試驗(yàn)點(diǎn)降解膜降解速率要明顯快于新疆試驗(yàn)點(diǎn)。
表2 不同時(shí)期全生物降解地膜膜下0~20 cm土層土壤養(yǎng)分變化Table 2 Changes of soil nutrient at average of 0~20 cm below surface under biodegradable plastic film mulching at different stages
表3 兩種地膜覆蓋下棉花和玉米產(chǎn)量Table 3 The yield of cotton and maize under PE film and PBAT biodegradable plastic film mulching
降解地膜覆蓋能明顯改善土壤耕作層的水肥熱狀況,促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育,其作用與PE地膜相當(dāng)[2,23-25]。本研究發(fā)現(xiàn)降解地膜降解處于誘導(dǎo)期之前(即80 d左右),除膜下5 cm處巴州棉花降解地膜平均土溫較PE地膜低0.14℃外,四地州棉花和玉米降解地膜膜下5 cm和10 cm的平均土壤溫濕度均高于PE地膜的,但兩種地膜的平均土壤溫濕度差異均不顯著(P>0.05)。這可能是由于降解地膜處于開裂期之前,降解地膜尚未明顯降解,土壤保溫保墑性能較好,與PE地膜作用相當(dāng)。申麗霞等[2]也發(fā)現(xiàn)兩種可降解(光、生物降解)地膜對(duì)土壤水分和溫度的影響與普通地膜相當(dāng),劉群等[11]也發(fā)現(xiàn)生物降解地膜在降解前與PE地膜在提高土壤溫度方面有著一致的效果,其增溫效應(yīng)與PE地膜沒有明顯的差異。本研究還發(fā)現(xiàn)同一地區(qū),降解地膜覆蓋下作物收獲時(shí)的土壤養(yǎng)分略有不同,但差異不顯著(P>0.05);而且,不同地區(qū)之間的土壤養(yǎng)分存在差異,出現(xiàn)這種差異可能是由于作物種類、施肥量、灌水量和區(qū)域氣候條件等不同引起的。
與PE地膜相比,降解地膜覆蓋下的棉花和玉米均呈現(xiàn)出不同程度的增產(chǎn)。其中,巴州和阿克蘇地區(qū)的棉花分別增產(chǎn)8.33%和6.48%,喀什與和田地區(qū)的玉米分別增產(chǎn)3.67%和14.97%,但同一地區(qū)兩種地膜覆蓋下的作物產(chǎn)量差異均不顯著(P>0.05)。同樣,許多學(xué)者也發(fā)現(xiàn)降解地膜覆蓋下的玉米和棉花產(chǎn)量較PE地膜的高,且差異不顯著。康虎等[10]發(fā)現(xiàn)降解地膜覆蓋下的玉米較PE地膜高4.8%;劉群等[11]研究發(fā)現(xiàn)生物膜覆蓋能使玉米增產(chǎn)18.7%,略高于PE地膜的增產(chǎn)率(17.7%);何文清等[14]發(fā)現(xiàn)新疆石河子日本降解地膜覆蓋下的棉花較PE地膜產(chǎn)量高2.8%;然而,有的學(xué)者也發(fā)現(xiàn)降解地膜覆蓋下的玉米和棉花的產(chǎn)量低于PE地膜的,且差異不顯著。楊迎春等[12]發(fā)現(xiàn)降解地膜覆蓋下的玉米增產(chǎn)比PE地膜低0.34%;趙彩霞等[15]發(fā)現(xiàn)與PE地膜相比,國(guó)內(nèi)供試的A和B降解膜覆蓋下的棉花減產(chǎn)幅度分別為20%以上;曹玉軍等[22]發(fā)現(xiàn)降解地膜和PE地膜處理的玉米產(chǎn)量分別比對(duì)照提高了20.9%和21.6%,兩者相差0.7%。造成這種差異的原因可能是由于降解地膜種類、作物種類和區(qū)域環(huán)境條件等不同,從而導(dǎo)致降解地膜對(duì)作物產(chǎn)量的影響有所不同[14-15]。
(1)降解地膜的降解過(guò)程表現(xiàn)為先出現(xiàn)裂紋,然后出現(xiàn)孔洞,最后破碎成小塊,中間伴隨著地膜變薄、變脆。巴州棉花降解地膜降解速度比阿克蘇的快,喀什玉米降解地膜降解速度比和田的快,但同一作物不同地區(qū)之間降解時(shí)間差異不顯著(P>0.05)。
(2)降解地膜降解處于誘導(dǎo)期之前能夠提高膜下5 cm和10 cm的平均土壤溫濕度,且土壤溫濕度高于PE地膜,但膜下5 cm處巴州棉花降解地膜平均土溫低于PE地膜。方差分析得到,兩種地膜的土壤溫濕度差異均不顯著(P>0.05)。
(3)同一地區(qū),降解地膜覆蓋下作物收獲期和播種前土壤養(yǎng)分略有不同,但差異不顯著(P>0.05)。
(4)與PE地膜相比,降解地膜覆蓋下的棉花和玉米均呈現(xiàn)出不同程度的增產(chǎn)。巴州和阿克蘇地區(qū)棉花分別增產(chǎn)8.33%和6.48%,喀什、和田地區(qū)玉米分別增產(chǎn)3.67%和14.97%;但同一地區(qū)兩種地膜覆蓋下的作物產(chǎn)量差異均不顯著(P>0.05)。