不同可降解地膜對(duì)土壤水熱變化和玉米產(chǎn)量的影響

李開宇，肖繼兵，楊 寧，馮良山，張 哲，馮 晨

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 遼寧 沈陽 110161）

地膜覆蓋可以改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，具有明顯的增溫保墑作用，可以顯著提高作物產(chǎn)量、水分利用效率和養(yǎng)分有效性，同時(shí)具有抗蟲、防病、抑制雜草生長(zhǎng)等作用［1］，對(duì)干旱半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保障我國(guó)糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)，被譽(yù)為中國(guó)的“白色革命”［2-5］。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)地膜用量到2013年達(dá)到 136.2萬 t，覆蓋面積為 0.25億 hm2［5］，有關(guān)專家預(yù)測(cè)，未來地膜年最高用量可達(dá)250萬t，覆蓋面積擴(kuò)大到0.47億多hm2［6］。目前，遼寧省地膜覆蓋面積約為34.2萬hm2，地膜使用量約為33 215.42萬t/年，其中64.6%的農(nóng)業(yè)縣、區(qū)使用地膜時(shí)間在20年以上，銷售和使用的地膜種類大部分為普通聚（氯）乙烯無色透明地膜和黑色地膜，寬度為900 mm 或1 200 mm，厚度＞0.006 mm，農(nóng)田土壤殘膜量平均達(dá) 90 ～ 150 kg/hm2［5，7］，其中遼西地區(qū)的朝陽市地膜覆蓋比例最大，為18.6%。大量殘膜積聚于耕層難以降解，嚴(yán)重影響機(jī)耕作業(yè)質(zhì)量，惡化土壤結(jié)構(gòu)，阻礙土壤水分、養(yǎng)分和空氣等傳輸，對(duì)土壤、作物、微生物、家畜以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等造成了“白色污染”，對(duì)作物產(chǎn)量造成潛在威脅［8-9］，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［10］，因此開發(fā)利用普及可降解膜成為應(yīng)對(duì)“白色污染”的關(guān)鍵技術(shù)措施［11-13］。

降解膜是一種用特殊生產(chǎn)工藝和原料生產(chǎn)出的薄膜，它施用于農(nóng)田后，能在光照和微生物的綜合作用下進(jìn)行分解，最后分解為小分子有機(jī)物，能被植物吸收利用，不會(huì)在土壤中形成長(zhǎng)期殘留物，對(duì)土壤造成污染和影響小，是解決目前普通地膜大量使用造成“白色污染”的一種有效途徑［14］。 相關(guān)研究表明，降解地膜與普通地膜增溫保墑功能效果相似，可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，顯著提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率［15-18］，而且可在自然條件下降解，有效解決殘膜污染，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境［19］。同時(shí)，降解地膜后期降解還避免了由于長(zhǎng)時(shí)間地膜覆蓋帶來的地溫過高、土壤板結(jié)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)量降低等負(fù)面影響［20］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)生物可降解膜的研究主要集中在不同原材料組成的降解性能及與普通地膜對(duì)比研究方面［21-22］，田間應(yīng)用主要以研究玉米、棉花等作物為主［12，17］。

遼寧省每年玉米種植面積在200萬hm2以上，其中遼西半干旱區(qū)每年種植面積占遼寧省的2/3以上，水資源短缺是該區(qū)玉米生產(chǎn)的第一限制因子［23-24］。近年來，國(guó)家在東北地區(qū)開展“節(jié)水增糧”行動(dòng)，遼寧省實(shí)施千萬畝滴灌工程，遼西旱地為膜下滴灌的新增灌溉核心區(qū)，但降解地膜在遼西地區(qū)尚未大面積推廣普及應(yīng)用，因此，為明確不同降解地膜在該區(qū)膜下滴灌條件下的作用效果，本試驗(yàn)選用不同可降解地膜和普通地膜覆蓋種植玉米，對(duì)不同地膜降解情況及保水、保溫效果和玉米增產(chǎn)狀況進(jìn)行比較研究，為降解地膜的研制與應(yīng)用提供理論依據(jù)，為遼西地區(qū)膜下滴灌規(guī)?；N植生產(chǎn)提供有力技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于建平縣中西部，老哈河?xùn)|岸的建平旱灌站（東經(jīng)119°18′，北緯41°47′），該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.1℃，年均降水量410 mm，年均蒸發(fā)量1 600 mm，≥10℃有效積溫3 200℃，無霜期125～133 d。土壤質(zhì)地砂壤土，地下水埋深3.0 m左右，土壤容重1.35 g/cm3，田間持水量20.0%，土壤pH值為7.1，有機(jī)質(zhì)含量為1.66%，堿解氮40 mg/kg，有效磷12.5 mg/kg，速效鉀80 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取4種不同材料地膜（表1），另設(shè)裸地處理（CK2）為對(duì)照。供試玉米品種為遼單588，采用雙壟面全膜覆蓋集雨溝播，大壟寬80 cm，小壟寬40 cm，小區(qū)面積48 m2（10 m×4.8 m），隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。各處理種植密度為66 000株/hm2，土壤含水率控制下限為苗期-拔節(jié)期60%（占田間持水率%）、拔節(jié)期-抽穗期70%、抽穗期-灌漿期75%、灌漿期-成熟期70%。玉米在2016年4月下旬播種，各處理施用三元復(fù)合肥（N 15%，P2O515%，K2O 15%）450 kg/hm2作 為 基 肥，播種后除草劑封閉。拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿前期分別追施尿素180、180、90 kg/hm2。

表1 地膜材料基本特點(diǎn)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 表膜（壟上沒有被土壤覆蓋完全裸露部分）降解觀測(cè)

田間覆蓋試驗(yàn)采用目測(cè)法判斷降解期。每種地膜處理設(shè)置固定5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，從作物苗期開始，定期觀察記錄不同地膜的降解情況（如是否出現(xiàn)裂紋、裂縫、破碎程度等）。通過定期的人為目測(cè)，記錄地膜形態(tài)以及表面完整情況的變化。

1.3.2 農(nóng)田殘膜情況測(cè)定

玉米收獲前，人工采集殘膜樣品，并測(cè)定每平方米農(nóng)田殘留地膜數(shù)量和重量。測(cè)定地膜重量時(shí)，將地膜樣品放入水中浸泡1 h左右后進(jìn)行清洗，然后風(fēng)干后稱重。

1.3.3 地溫測(cè)定

使用金屬曲管地溫計(jì)在10 cm土層測(cè)定土壤溫度。每隔7 d分別在當(dāng)天8:00、14:00和17:00進(jìn)行測(cè)定，取其平均值作為日平均溫度。

1.3.4 土壤含水量

采用土鉆烘干法。在春玉米主要生育時(shí)期，用土鉆分別在 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層取樣，在110℃下烘至恒重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量。

1.3.5 測(cè)產(chǎn)

成熟期取有代表性的樣穗（10穗）進(jìn)行室內(nèi)考種，考察穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003及SPSS 19.0軟件進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理地膜田間降解情況

本文降解地膜分以下4種降解情況，分別為“○”表示未出現(xiàn)降解現(xiàn)象，即田間降解地膜未出現(xiàn)裂紋；“＋”表示開始有降解現(xiàn)象，即田間降解地膜開始出現(xiàn)裂紋或開裂；“＋＋”表示降解現(xiàn)象明顯，對(duì)固體降解地膜而言，即肉眼清楚看到大裂縫并且隨時(shí)間推移地膜裂解成大碎塊，無完整膜面，對(duì)液體降解地膜而言，即肉眼清楚看到大裂縫并且隨時(shí)間推移黑色土壤的顏色逐漸褪去；“-”表示基本完成降解，對(duì)固體降解地膜而言，即地表雖有微小碎片，但對(duì)土壤和作物已無影響，對(duì)液體降解地膜而言，田間表面已無明顯黑色液體降解地膜，對(duì)土壤和作物已無影響。

對(duì)于所用固體降解地膜，本研究在玉米覆膜播種后不同時(shí)期進(jìn)行9次固體降解地膜的定點(diǎn)觀察和試驗(yàn)小區(qū)降解膜總體觀察，每處理定5個(gè)觀察點(diǎn)。從表2可以看出，T1處理在6月24日（地膜覆蓋45 d后）開始出現(xiàn)裂紋（誘導(dǎo)期），之后裂紋逐漸增多，地膜破損多為裂紋，玉米收獲時(shí)地膜破損程度為23%；T2處理播種后45 d出現(xiàn)裂紋（誘導(dǎo)期），地膜開始有明顯破損，7月8日（播種后59 d）地膜出現(xiàn)大面積破損現(xiàn)象，破損程度達(dá)到35%以上，降解現(xiàn)象明顯；普通地膜始終未出現(xiàn)降解現(xiàn)象。同時(shí)在實(shí)際播種過程中發(fā)現(xiàn)，T1和T2降解地膜能夠順利進(jìn)行機(jī)具覆膜打孔播種作業(yè)。

表2 不同地膜田間降解情況

本文所用生物降解液體地膜以農(nóng)作物秸稈，由木質(zhì)素、膠原蛋白，在交聯(lián)劑的作用下形成的高分子聚合物，完全降解之后，變成腐植酸肥料。由表2可以看出，T3（液體地膜）處理，在6月24日（地膜覆蓋45 d后）開始出現(xiàn)降解現(xiàn)象，之后隨著時(shí)間的推移，降解現(xiàn)象愈加明顯，到8月11日基本完成降解。

表3所示為玉米收獲后，每平方米田間地膜殘留情況。從田間地膜破壞程度來看，T1處理地膜田間破損程度較小，每平方米地膜殘留片數(shù)為1片，每平方米地膜殘留重為3.76 g；T2處理地膜田間破損程度較大，每平方米地膜殘留片數(shù)為12片，每平方米地膜殘留重為0.87 g，說明其幾乎已完全降解；普通地膜保存完整，每平方米地膜殘留重為5.62 g，幾乎沒有發(fā)生降解。

表3 田間地膜殘留情況比較

2.2 不同處理對(duì)土壤溫度的影響

不同處理10 cm處土壤溫度變化情況如圖1所示。可以看出，各處理地溫變化趨勢(shì)基本一致。T1、T2、T3各處理觀測(cè)期平均地溫分別為28.12、26.81、25.74℃，較普通地膜分別低1.92、3.23、4.30℃，較裸地處理分別高2.82、1.51、0.44℃，普通地膜平均地溫較裸地高4.74℃。裸地平均地溫最低，普通地膜覆蓋平均地溫最高。

圖1 不同處理10 cm處土壤溫度隨時(shí)間的變化

從玉米整個(gè)生長(zhǎng)季分析，液體地膜在苗期（6月11日前），地溫略高于裸地，6月11日以后，覆蓋液體地膜處理與裸地處理地溫基本相當(dāng)，這主要是與液體地膜的組成材料有關(guān)；覆蓋普通地膜處理地溫始終明顯高于裸地處理；覆蓋降解地膜處理在7月上中旬以前，地溫明顯高于裸地，之后隨著降解地膜不同程度發(fā)生降解，其地溫與裸地處理基本接近，其中T2處理由于降解相對(duì)較快，7月上旬（7月8日）其地溫已與裸地處理相當(dāng)，而此時(shí)T1處理地溫仍明顯高于裸地。整個(gè)玉米生長(zhǎng)季，T2降解膜處理地溫始終低于普通地膜處理，而T1降解膜處理在玉米苗期地溫與普通地膜處理接近，進(jìn)入拔節(jié)期后，隨著T1處理降解膜不斷降解，地溫始終低于普通地膜處理。

降解膜、液體地膜、普通地膜較裸地的增溫效果隨著玉米的生長(zhǎng)呈減小趨勢(shì)，這一方面是由于玉米生長(zhǎng)前期地溫相對(duì)較低，地膜覆蓋處理增溫效果顯著，另一方面是由于降解地膜和液體地膜逐漸降解或分解，增溫效果下降所致；降解地膜、液體地膜與普通地膜地溫差值隨著玉米的生長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，這是由于降解地膜和液體地膜逐漸降解或分解，增溫效果下降，而普通地膜始終未發(fā)生降解，增溫效果未受影響所致。

2.3 不同處理對(duì)土壤水分的影響

不同地膜材料覆蓋下0～100 cm土體平均土壤含水量如圖2所示?？梢钥闯觯琓1、T2、T3平均土壤含水量較CK1（普通地膜覆蓋處理）分別低1.94、3.20、3.37個(gè)百分點(diǎn)，較CK2（裸地處理）分別高出2.76、1.50、1.33個(gè)百分點(diǎn)，CK1平均土壤含水量較CK2高4.70個(gè)百分點(diǎn)。可以看出，覆蓋地膜后土壤含水量均不同程度高于裸地。降解地膜、液體地膜平均土壤含水量均低于普通地膜覆蓋處理，其中液體地膜覆蓋處理土壤含水量與普通地膜差值最大，其次為T2處理，T1處理土壤含水量與普通地膜處理最為接近，這可能與不同地膜的組成材料及降解程度有關(guān)。

圖2 不同處理土壤含水量

2.4 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

通過對(duì)不同處理玉米的產(chǎn)量構(gòu)成進(jìn)行方差分析（表4）表明，不同覆膜材料對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素影響不同，其中穗行數(shù)差異不顯著（P＞0.05）；通過比較玉米的行粒數(shù)表明，各處理之間存在顯著差異，其中T1處理玉米行粒數(shù)最多，與T2和CK2差異顯著（P＜0.05）；T1和CK1處理百粒重顯著高于其他處理（P＜0.05），且其他處理間差異不顯著（P＞0.05）。各處理間產(chǎn)量表現(xiàn)為 T1＞CK1＞T3＞T2＞CK2，差異顯著（P＜0.05），其中T1處理比T2、T3、CK1、CK2處理分別增產(chǎn)8.66%、7.46%、3.81%、15.32%，T2處理比CK2處理增產(chǎn)6.13%，T3處理比T2、CK2處理分別增產(chǎn)1.12%、7.32%，CK1處理比T2、T3、CK2處理分別增產(chǎn)4.67%、3.51%、11.09%。

表4 不同處理玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素

綜上所述，T2降解地膜降解過早，降解效果最好，產(chǎn)量雖然顯著高于裸地處理，但顯著低于普通地膜處理，需再進(jìn)一步完善配方提高其增產(chǎn)效果；液體地膜雖然可以有效降解，減少“白色污染”，但產(chǎn)量顯著低于普通地膜處理；T1降解地膜，不但可以有效減少“白色污染”，而且產(chǎn)量顯著高于普通地膜處理，顯著增加玉米產(chǎn)量，可在遼西及類似生態(tài)類型區(qū)膜下滴灌條件下采用。

3 討論

遼西地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的第一限制因素是水分，該區(qū)旱地農(nóng)田地膜覆蓋的首要功能是抑蒸保墑。降解地膜能否徹底代替普通地膜用于生產(chǎn)實(shí)踐，除降解性能及時(shí)長(zhǎng)、膜強(qiáng)度及延展性、生產(chǎn)成本等問題外，核心問題在于降解地膜的保墑增溫性能［25］。已有研究表明，覆蓋生物降解地膜在玉米生長(zhǎng)前期可提高地表和地下10 cm的地溫，增加玉米播種至大喇叭口期0～40 cm的土壤含水率，增溫保墑效果顯著，但中后期增溫作用不明顯［17，26］。本研究表明，玉米生長(zhǎng)前期，覆蓋降解地膜處理地溫明顯高于裸地，之后隨著降解地膜不同程度發(fā)生降解，其地溫與裸地處理基本接近。由于生物降解地膜隨著玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)而不斷降解，導(dǎo)致T1、T2、T3各處理觀測(cè)期平均地溫較CK1（普通地膜覆蓋處理）分別低1.92、3.23、4.30℃，但較CK2（裸地處理）仍分別高2.82、1.51、0.44℃，說明降解地膜雖然不同程度發(fā)生降解，但仍具有一定的增溫效果。遼西地區(qū)覆蓋地膜的主要作用是保墑，生物降解地膜隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸降解，其保墑效果會(huì)逐漸下降。本研究表明，觀測(cè)期平均土壤含水量生物降解地膜和液體地膜雖不同程度低于普通地膜覆蓋，但保墑效果仍明顯高于裸地處理。

降解地膜的降解時(shí)間直接影響覆膜玉米的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量。降解開始（誘導(dǎo)期）時(shí)間不宜過早，降解過早，保墑效果不顯著，影響覆膜玉米產(chǎn)量；降解過晚，降解程度低，導(dǎo)致土壤地膜殘留量增加，從而影響降解地膜的降解效果。已有研究表明，降解地膜處理的產(chǎn)量或者低于普通膜，或者與之無明顯差異，或者可以增加單產(chǎn)［27］。本研究表明，不同材料降解地膜的玉米產(chǎn)量與普通地膜相比，有的表現(xiàn)增產(chǎn)（T1處理），有的表現(xiàn)減產(chǎn)（T2和T3處理）。究其原因，可能與不同地膜的組成材料有關(guān)。如T2處理降解時(shí)間較早，降解程度較大，一定程度上減弱了其保墑效果，進(jìn)而影響了其增產(chǎn)效果；T1處理降解時(shí)間相對(duì)較晚，降解程度較小，從而較普通地膜表現(xiàn)出增產(chǎn)效果；液體地膜是一種高分子有機(jī)化合物，兌水噴施后，可在土壤表層形成一層黑色固化膜，能夠有效抑制土壤水分蒸發(fā)、提高土壤溫度［27］，但本研究表明，液體地膜增溫保墑效果雖優(yōu)于裸地處理，但明顯低于普通地膜處理，從而影響了其增產(chǎn)效果。

遼西地區(qū)水資源短缺，應(yīng)用地膜覆蓋可有效減少土壤水分蒸發(fā)，保墑效果明顯。相關(guān)研究表明降解地膜與普通地膜增溫保墑功能效果相似，可顯著提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率［15-18］，而且可在自然條件下降解，有效解決殘膜污染，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境［19］。本研究表明，雖然降解地膜保墑效果不同程度低于普通聚乙烯地膜，但T1降解地膜處理產(chǎn)量顯著高于普通地膜和裸地處理，說明以可降解地膜替代普通地膜在遼西地區(qū)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用是可行的，且意義重大。但由于降解地膜價(jià)格不同程度高于普通地膜，所以農(nóng)民朋友對(duì)降解地膜的接受還需要一個(gè)過程，其經(jīng)濟(jì)成本還有待進(jìn)一步研究。雖然降解地膜可有效解決“白色污染”問題，但其降解的碎片殘留對(duì)土壤環(huán)境的影響還有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，T1降解地膜處理產(chǎn)量顯著高于普通地膜處理（P＜0.05），T2（降解地膜）和T3（液體地膜）處理產(chǎn)量顯著低于普通地膜處理（P＜0.05），所有覆膜處理產(chǎn)量均顯著高于裸地處理（P＜0.05）。

遼西地區(qū)殘膜防控技術(shù)的建議：針對(duì)普通地膜，采用一膜多年用種植技術(shù)，提高地膜利用率；普通聚乙烯地膜大面積地塊應(yīng)采用回收機(jī)具進(jìn)行殘膜回收，小面積地塊進(jìn)行人工撿拾，并利用補(bǔ)貼等方式提高殘膜回收價(jià)格，實(shí)現(xiàn)殘膜再利用；限制使用超薄塑料地膜（0.008 mm以下），減輕回收強(qiáng)度；推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可降解型地膜覆蓋種植技術(shù)。