生物可降解地膜對(duì)棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響

趙嘉濤，馬玉詔，范艷麗，劉俊梅，李全起

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

地膜覆蓋技術(shù)自1978年引入國(guó)內(nèi)以來(lái)，得到了極大發(fā)展.目前，中國(guó)已經(jīng)成為世界上地膜生產(chǎn)量及使用量最多的國(guó)家[1-2].劉秀位等[3]研究表明地膜覆蓋可以顯著提高棉花產(chǎn)量及水分利用效率(WUE) ，王進(jìn)等[4]的研究工作也同樣驗(yàn)證了地膜覆蓋顯著提高棉花WUE這一觀點(diǎn).但普通地膜原材料主要是聚乙烯和聚氯乙烯，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，在田間很難降解.普通地膜累年使用加上國(guó)內(nèi)使用的地膜大多數(shù)為8 μm以下的超薄膜，殘膜回收基本無(wú)法實(shí)現(xiàn).農(nóng)田殘膜污染問(wèn)題愈加嚴(yán)峻，殘膜留存于土壤中導(dǎo)致土壤水分分布發(fā)生變化，土壤理化性質(zhì)惡化，作物根系發(fā)育受阻進(jìn)而造成作物減產(chǎn)[5-6].華北平原地區(qū)覆膜已經(jīng)有近40 a的歷史，農(nóng)膜污染問(wèn)題嚴(yán)重，而且從種植作物種類上觀察，受污染最嚴(yán)重的當(dāng)屬棉田，特別是多年種植的棉田[7].因此，為了探求華北平原棉花可持續(xù)生產(chǎn)，亟需研究采用生物可降解地膜替代普通地膜.

生物可降解地膜作為新型農(nóng)膜，保溫保墑效果與普用農(nóng)膜類似，在設(shè)計(jì)誘導(dǎo)期后會(huì)自行降解且不會(huì)對(duì)土壤造成污染，從而成為替代普通膜的理想材料[8-9].目前，針對(duì)生物可降解地膜的研究工作已經(jīng)取得豐碩成果，應(yīng)用作物也十分廣泛.鄔強(qiáng)等[10]的研究表明，生物可降解地膜覆蓋條件下的棉花產(chǎn)量略低于普通地膜覆蓋處理的，普通地膜處理相比較于生物可降解地膜處理可使棉花的水分利用效率提高4%左右.但是，目前關(guān)于生物可降解地膜對(duì)棉花WUE的影響研究成果仍較少.可降解膜的降解過(guò)程受到土壤水分條件[11]、氣象因子[12]以及降解膜厚度等因素影響，故華北平原地區(qū)生物可降解地膜替代普通地膜對(duì)棉花WUE影響的可參考資料有限.

文中采用華北平原地區(qū)棉花應(yīng)用較為普遍的6 μm PE膜及裸地處理進(jìn)行對(duì)照，選用6 μm和8 μm 2種厚度生物可降解地膜進(jìn)行試驗(yàn).通過(guò)對(duì)4種處理之間棉花出苗率、葉面積指數(shù)(LAI)、產(chǎn)量及WUE等方面進(jìn)行研究，旨在選取適合華北平原地區(qū)棉花的替代普通PE膜的生物可降解地膜，為華北平原地區(qū)解決白色污染問(wèn)題提供數(shù)據(jù)參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站(117°09′03″E，36°10′19″N) ，試驗(yàn)日期為2017年4—10月，試驗(yàn)地土質(zhì)為壤質(zhì)黏土，土壤容重為1.30 g/cm3，田間持水量為32.4%(體積含水量) .棉花生育期內(nèi)降雨量為440.9 mm；4—10月逐月降水量分別占全生育期降水量的0.96%，5.28%，12.53%，51.86%，16.58%，6.02%和6.77%.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為慧創(chuàng)228，共設(shè)4個(gè)處理，分別為6 μm PE普通地膜(PE)，8 μm生物可降解地膜(M1)，6 μm生物可降解地膜(M2)以及不覆蓋地膜(CK).所有地膜均由山東清田塑工有限公司生產(chǎn)，2種生物可降解地膜的原料主要為PBAT和PLA.每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列.

播種于雨后進(jìn)行，整個(gè)棉花生育期內(nèi)無(wú)灌溉和遮雨措施.播前施氮磷鉀復(fù)合肥(15%N，15%P2O5，15%K2O)695.0 kg/hm2作基肥.播種寬窄行分別為80和60 cm，株距為30 cm.為了保證出苗，每穴種3粒種，每個(gè)小區(qū)共計(jì)184穴.手工覆膜，種植及覆膜時(shí)間為2017年4月19日，收獲時(shí)間為2017年10月16日.

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 出苗率

自棉花播種后4～7 d開(kāi)始進(jìn)行放苗，每穴中棉花萌發(fā)粒數(shù)≥1即記為出苗.播種后20 d統(tǒng)計(jì)整個(gè)小區(qū)的出苗狀況.出苗率α的計(jì)算方法為每小區(qū)的棉花出苗數(shù)/每小區(qū)的播種穴數(shù)(184穴) .

1.3.2 棉花群體葉面積指數(shù)

棉花定苗后，每個(gè)小區(qū)選取5株連續(xù)且有代表性的棉苗進(jìn)行標(biāo)記，每隔10 d測(cè)量1次葉面積.葉長(zhǎng)為葉基紅心至葉尖的距離，葉寬為以葉片葉基紅心為中心、垂直于葉長(zhǎng)的距離，只測(cè)量主莖及果枝上的葉片，以折算系數(shù)0.84計(jì)算葉面積，即

(1)

式中：LAI為葉面積指數(shù)；ρ為棉花植株密度，株/m2；m為測(cè)定株數(shù)；n為單株棉花葉片總數(shù)；L和B分別為葉長(zhǎng)和葉寬，cm.

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素

霜降日之前采摘的棉花為霜前花，之后為霜后花.霜前花率即霜前籽棉質(zhì)量占籽棉總質(zhì)量的百分率.每個(gè)小區(qū)排除邊行，采收中間行進(jìn)行測(cè)產(chǎn).每個(gè)小區(qū)選取10株連續(xù)且具有代表性的植株進(jìn)行標(biāo)記，每10 d測(cè)取果枝數(shù)、蕾和鈴數(shù).

1.3.4 耗水量及水分利用效率

通過(guò)烘干法進(jìn)行測(cè)量，棉花生育期交界時(shí)進(jìn)行土鉆取土，取土深度為0～100 cm，所取土樣每10 cm為1個(gè)層次，分小區(qū)將土樣混裝密封并帶回室內(nèi)稱重.稱重后放置于預(yù)先加熱的烘箱中用80 ℃烘干至恒重，再計(jì)算土壤含水量.土壤含水量=[(新鮮土樣重量-烘干冷卻后土樣重量)/烘干冷卻后土樣重量]×100%.

由于整個(gè)生育期不進(jìn)行灌溉，且試驗(yàn)地地下水位超過(guò)5 m，故不考慮地下水的補(bǔ)給作用；同時(shí)，由于小區(qū)邊界高出地表20 cm，故可不考慮地表徑流，棉花整個(gè)生育期耗水量計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

ET=P+E+SW，

(2)

式中：ET為棉花耗水量，mm；P為降雨量，mm，由距離試驗(yàn)田600 m處的氣象站提供；SW為根系土壤層存蓄水變化量，mm；E為時(shí)段內(nèi)根區(qū)深層滲漏量，mm，其結(jié)果為降雨前0～100 cm土層內(nèi)土壤有效含水量(mm)+降雨量(mm)-田間持水量(mm)[13].

農(nóng)田耗水速率為生育期內(nèi)耗水量比生育期天數(shù).

WUE計(jì)算公式為

WUE=Y/ET，

(3)

式中：WUE為棉花水分利用效率，kg/m3；Y為棉花籽棉產(chǎn)量，kg/hm2，ET為棉花整個(gè)生育期的耗水量，m3/hm2.

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

使用Microsoft Excel 2016和DPS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 2017進(jìn)行繪圖，使用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

分別就不同覆膜處理對(duì)棉苗出苗率、棉花群體葉面積指數(shù)、棉花產(chǎn)量及構(gòu)成要素、農(nóng)田耗水速率、棉花耗水量及WUE的影響進(jìn)行分析.

2.1 棉苗出苗率

播種后20 d各處理出苗率α如圖1所示.處理PE，M1，M2和CK的出苗率分別為78.5%，73.6%，74.2%及34.2%.3種覆膜處理的棉花出苗率均顯著高于處理CK的，且2種生物可降解地膜處理的出苗率與處理PE間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.因此使用生物可降解地膜替代普通PE地膜不會(huì)對(duì)其出苗產(chǎn)生影響.

圖1 播種20 d各處理出苗率Fig.1 Seed emergence rate in each treatment at 20 day after sowing

2.2 棉花群體葉面積指數(shù)

不同覆膜處理棉花LAI如圖2所示，各處理棉花的LAI均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).棉花生育前期，各處理LAI按處理排序由大到小為PE，M2，M1，CK.2種生物可降解膜處理的LAI差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但均顯著高于處理CK.說(shuō)明覆膜處理顯著提高了棉花的LAI，但是生物可降解地膜對(duì)LAI的提升程度顯著低于PE地膜.至棉花生育中期，各處理LAI按處理排序由大到小為PE，M2，M1，CK；處理PE與M2的顯著高于M1的，處理CK與M1之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

圖2 不同覆膜處理棉花的葉面積指數(shù)Fig.2 Cotton LAI in different treatments

2.3 棉花產(chǎn)量及構(gòu)成要素

不同處理間的棉花產(chǎn)量見(jiàn)表1，表中物理量分別為收獲密度ρh、果枝數(shù)F、單株成鈴數(shù)FB、霜前花率r、籽棉產(chǎn)量Y.處理PE，M1，M2在收獲時(shí)的密度分別比不覆膜處理提高了271.3%，281.6%和267.8%，3種覆膜處理之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；4種處理的果枝數(shù)表現(xiàn)按處理排序由大到小為CK，PE，M1，M2；和處理CK相比，覆膜處理顯著減少了單株成鈴數(shù)，但3種覆膜處理之間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；和處理CK相比，處理PE，M1和M2的籽棉霜前花率分別提高了19.3%，20.4%和15.3%，但3種覆膜處理之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；處理PE，M1和M2的籽棉產(chǎn)量分別比CK的提高了86.7%，82.5%及82.0%，3種覆膜處理間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.處理CK單株棉花植株較大，果枝數(shù)及成鈴數(shù)均較多，但是由于覆膜處理顯著提高了棉花的收獲密度，故3種覆膜處理顯著提高了棉花產(chǎn)量.覆膜處理可以顯著提高棉花的籽棉產(chǎn)量，棉花更早進(jìn)入吐絮期，霜前花率顯著提升，但由于2種生物可降解地膜的棉花籽棉產(chǎn)量及霜前花率與PE膜之間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，故生物可降解地膜替代PE膜覆蓋棉花不會(huì)造成棉花產(chǎn)量下降.

表1 不同覆膜處理棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Tab.1 Cotton yield and yield compositions in different treatments

2.4 農(nóng)田耗水速率

劉秀位等[3]研究發(fā)現(xiàn)，棉花耗水強(qiáng)度較大的時(shí)期為生育前期(苗期和現(xiàn)蕾期).由于本次試驗(yàn)棉花生育前期降雨少，各處理地膜保存較好，而后期降水增加，地膜有不同程度降解，故僅分析棉花生育前期(苗期和現(xiàn)蕾期)的農(nóng)田耗水速率.

各處理下棉花生育前期的耗水速率WCR如圖3所示.由圖可知苗期各處理農(nóng)田耗水速率分別為0.79，1.04，0.95和1.50 mm/d，現(xiàn)蕾期各處理農(nóng)田耗水速率分別為2.10，2.03，2.18和1.38 mm/d.苗期3種覆膜處理之間耗水速率差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，處理PE，M1和M2相較于CK顯著降低了47.8%，30.7%和36.8%.現(xiàn)蕾期3種覆膜處理之間的耗水速率差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，處理PE，M1和M2相較于CK顯著提高了51.8%，46.9%和57.6%.因此，可降解地膜替代PE地膜并不會(huì)影響棉花的耗水速率.

圖3 不同覆膜處理棉田耗水速率Fig.3 Water consumption rate of cotton field in different mulching treatments

2.5 棉花耗水量及WUE

各處理的耗水量ET如圖4a所示.處理PE，M1，M2及CK的耗水量分別為445.32，468.52，465.40和463.89 mm.覆PE膜處理的耗水量最少，處理PE，M2和CK之間的耗水量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明M2生物降解地膜的保水性能與普通PE地膜相當(dāng)，M2生物可降解地膜替代普通PE地膜不會(huì)造成棉花耗水量增加；而處理M1的耗水量顯著高于PE的，說(shuō)明M1生物可降解地膜的保水性能較PE地膜差，使用M1生物可降解地膜替代普通PE地膜會(huì)增加棉花耗水量.

圖4 不同覆膜處理棉花耗水量及WUEFig.4 Cotton water consumption and WUE in different treatments

各處理的WUE如圖4b所示，處理PE，M1，M2及CK的水分利用效率分別為0.59，0.55，0.55和0.30 kg/m3.3種覆膜處理之間的WUE差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義但均高于CK的，說(shuō)明覆膜處理會(huì)顯著提高棉花的WUE，生物可降解地膜替代普通PE地膜不會(huì)造成棉花WUE下降.

3 討 論

適當(dāng)?shù)臏囟群退謼l件是棉花出苗的基本條件.由于覆膜處理保墑增溫的優(yōu)點(diǎn)，3種覆膜處理棉花出苗率均顯著高于CK.試驗(yàn)中造成棉苗出苗率差異的主要因素是淺層土壤溫度及水分含量.劉會(huì)靈[14]研究發(fā)現(xiàn)，棉花種子播種時(shí)適宜的土壤含水量為14%～18%，而低于12%時(shí)棉苗出苗率下降.試驗(yàn)中，苗期3種覆膜處理的耗水速率顯著低于CK的，處理CK的表層土壤水分下降較快且種植時(shí)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件可以滿足棉花出苗，故處理CK的出苗率低的主要原因是淺層土壤水分含量.但是，試驗(yàn)地氣候條件、水分條件、地溫、土質(zhì)及土壤含鹽量等因素均會(huì)對(duì)棉花的出苗及生長(zhǎng)進(jìn)程造成影響，棉花出苗相關(guān)影響因素之間的系統(tǒng)性研究可以作為今后研究方向.

農(nóng)田耗水速率方面，苗期和現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)不同的規(guī)律.苗期棉田的耗水主要為土壤蒸發(fā)，2種生物可降解地膜的保水性能與PE地膜無(wú)異，覆膜隔絕了土壤與外界空氣的水熱交換，顯著減少了農(nóng)田無(wú)效水分散失，故3種覆膜處理耗水速率低于處理CK.而現(xiàn)蕾期棉田耗水除土壤蒸發(fā)外還有植株蒸騰，覆膜處理提高了棉花出苗率并使得棉花生長(zhǎng)旺盛，植株蒸騰量較大，故3種覆膜處理耗水速率高于處理CK.

棉花耗水量是地面直接蒸發(fā)量、棉花植株蒸騰量和地下滲漏損失量的總和.農(nóng)田中部分的水分通過(guò)地表蒸發(fā)散失，由于覆膜處理阻絕了田面與空氣的接觸，起到了較好的保水作用[15-16].田玲枝等[17]研究表明在使用降解膜的過(guò)程中，隨著降解進(jìn)程不斷推進(jìn)，在未出現(xiàn)明顯孔洞、破碎時(shí)，土壤水分蒸發(fā)量逐漸增加；地膜破裂露出土壤表面時(shí)，土壤水分蒸發(fā)量達(dá)到最大值；其后隨著降解膜紕裂程度加大，土壤水分蒸發(fā)量無(wú)顯著變化.宗睿等[18]2017年所做的玉米覆膜試驗(yàn)說(shuō)明，生物降解膜的保水性能略差于普通膜.李鶴等[19]所做試驗(yàn)表明地膜覆蓋處理在小麥生育前期增溫效果顯著，促進(jìn)了小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，而在生育后期的高溫季節(jié)起到了一定的降溫效應(yīng)，顯著提高了小麥產(chǎn)量和水分利用效率.鄔強(qiáng)等[10]的棉花試驗(yàn)也得出了相同的結(jié)論.但是在這2個(gè)試驗(yàn)中，覆膜處理作物的耗水量均低于裸地對(duì)照的.而在本試驗(yàn)中，由于2種可降解膜的降解使得膜的保水性能受到影響，土壤水分蒸發(fā)量增多，而降解膜處理的棉苗成活率較高，且生育期也相對(duì)提前，植株生長(zhǎng)較為旺盛，導(dǎo)致棉花植株蒸騰量較多，甚至出現(xiàn)了2種覆膜處理的耗水量高于CK的情況.在試驗(yàn)中，雖然膜M1的厚度較膜M2厚，但覆膜M1后32 d開(kāi)始降解，覆膜M2后43 d才開(kāi)始降解.M1提前降解使得保水性能受到一定影響，導(dǎo)致M1耗水量高于M2的.

4 結(jié) 論

1) 和處理CK相比，覆膜處理顯著提高了棉花出苗率、霜前花率、籽棉產(chǎn)量和WUE，且3種覆膜處理間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.因此，用生物可降解地膜替代普通PE地膜不會(huì)造成棉花產(chǎn)量及WUE下降.

2) 相較于PE，6 μm生物降解地膜未造成棉花耗水量升高，8 μm生物降解地膜顯著增加了棉花耗水量，故6 μm生物降解地膜替代PE地膜較好.