生物降解地膜在果蔗的田間應用效果研究

黃瑤珠，陳明周，謝 東，楊友軍，李發(fā)勇，陳駿佳，張文樺

(1廣東省科學院生物與醫(yī)學工程研究所，廣東 廣州 510316；2廣東省生物材料工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510316)

0 引言

廣東省是我國果蔗種植的主要地區(qū)之一，主要分布于珠三角和粵北地區(qū)，果蔗種植收入是農(nóng)民就業(yè)致富的重要經(jīng)濟來源之一。其中廣州為省內(nèi)最大的果蔗種植區(qū)，2019年果蔗種植面積0.54萬hm2，總產(chǎn)量65.59萬t，平均產(chǎn)量為121.06 t/hm2[1]。地膜覆蓋栽培技術(shù)是廣州果蔗種植常規(guī)栽培技術(shù)，其覆蓋率高達90%以上。

目前農(nóng)戶偏向使用超薄地膜，其機械性能較差，在使用時地膜容易破裂無法回收。部分農(nóng)戶地膜使用后揭膜回收，但回收的殘膜難處理，農(nóng)民習慣把其堆放在田邊或焚燒，導致水渠堵塞，污染環(huán)境，清理困難，也容易導致農(nóng)田澇害，影響作物生長。殘膜作為一種持續(xù)性投入農(nóng)業(yè)污染物，主要成分為聚乙烯，其化學性質(zhì)極為穩(wěn)定，不易分解，在土壤可存留200～400年，導致地膜殘留逐年累計增加[2]。覆膜年限越久，殘留量越高，且殘膜大部分為小塊膜，且覆膜年限越長，殘膜的破碎程度越高，越難以回收。據(jù)我國農(nóng)業(yè)面源污染普查，2007年全國種植業(yè)地膜殘留量為12.10萬t，每年地膜回收率僅為80.30%；2017年我國地膜殘留量為118.48萬t，意味著我國10年內(nèi)殘膜以年增長率25.55%累積于土壤中。已有研究表明，土壤中殘膜含量為58.5 kg/hm2時，玉米減產(chǎn)11%～23%，小麥減產(chǎn)9%～16%，大豆減產(chǎn)5%～9%，蔬菜減產(chǎn)14.6%～59.2%[3]。以2017年我國地膜覆蓋面積1865.72萬hm2計算，土壤殘膜量為63.50 kg/hm2，已對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成減產(chǎn)的影響。殘膜面源污染已成為影響我省地膜覆蓋栽培技術(shù)發(fā)展的主要阻礙因素之一，地膜覆蓋栽培技術(shù)已從最初的“白色革命”演變?yōu)椤鞍咨廴尽薄?/p>

生物降解地膜是指在自然環(huán)境中通過微生物的作用而引起降解的一類塑料薄膜。日本生物降解塑料研究技術(shù)委員會將其定義為“在自然界中通過微生物作用可以分解成不會對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響的低分子化合物的高分子及其摻混物”[4]。相對于普通PE地膜加厚回收方法，使用生物降解地膜綜合成本更低、可實施性更強，因此，使用生物降解地膜替代技術(shù)是解決目前農(nóng)業(yè)面源“白色污染”有效、成本較低、持續(xù)性較好的途徑。為此《中華人民共和國土壤污染防治法》中明確提出“鼓勵和支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者使用生物可降解農(nóng)用薄膜”?！蛾P(guān)于加快推進農(nóng)用地膜污染防治的意見》，明確要求推進傳統(tǒng)地膜回收利用和減量使用，推廣應用安全可控的地膜替代產(chǎn)品；并明確提出了加強科技支撐，加大全生物降解地膜等產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的支持力度。廣東省科學院生物與醫(yī)學工程研究所研制的作物專用型生物降解地膜具有高效保水、增溫及降解顯著等功能，并從2013年開始，在廣東省的甘蔗[5-6]、馬鈴薯[7-9]、花生[10]、甜玉米、辣椒、瓜類等作物進行了多年多試驗點應用研究，并取得了良好的效果。為了擴大生物降解地膜的推廣應用，2019～2020年連續(xù)2年在廣州南沙區(qū)進行果蔗生物降解地膜田間試驗，并結(jié)合南沙區(qū)果蔗地膜管理方式布置試驗，以完善生物降解地膜在果蔗上的應用評價。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019～2020年春季在廣州南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)萬洲村，果蔗品種為黑皮果蔗拔地拉，經(jīng)華南農(nóng)業(yè)大學選育提純的組培苗二代，自命名為組培一號。供試地膜為：生物降解地膜(寬40 cm，厚0.012 mm，原始重量15.345 g/m2)；甘蔗普通地膜(寬40 cm，厚0.012 mm，原始重量11.000 g/m2)。

1.2 試驗方法

試驗管理措施按南沙區(qū)常規(guī)地膜覆蓋栽培技術(shù)進行，覆膜前施復合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 375 kg/hm2，撒施殺蟲劑防治地下害蟲；機械開寬畦，每畦寬450 cm，畦與畦之間設(shè)排水溝，溝寬60 cm，每畦植蔗3行，行距150 cm；下種量為平均2.5段/m蔗種，每個蔗種5～8個芽；排好蔗種后用人力輪式壓膜機蓋膜。果蔗齊苗后揭膜追施復合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 375 kg/hm2培土。待果蔗進入分蘗期后每20～25天追施復合肥(N∶P∶K=15∶15∶15) 1次，每次施用量為375 kg/hm2，在果蔗整個生長期控制總施肥量6000 kg/hm2。

1.2.1 生物降解地膜對比田間應用試驗

2019～2020年連續(xù)進行生物降解地膜對比田間應用試驗。試驗均設(shè)生物降解地膜、普通地膜(CK)2個處理，每個處理重復3次。其中2019年試驗播種、覆膜時間為2019年4月2日，果蔗收獲期為2020年2月13日；2020年試驗播種、覆膜時間2020年3月18日，果蔗收獲期為2021年2月24日。在果蔗齊苗后，覆蓋生物降解地膜和普通地膜處理均不揭除地膜，直接膜上追肥培土。

1.2.2 生物降解地膜輕簡栽培技術(shù)的田間應用試驗

生物降解地膜輕簡栽培技術(shù)試驗于2019年4月布置。由于當?shù)毓岱N植存在甘蔗齊苗后揭膜追肥培土的習慣，因此，在2019年2種地膜對比田間應用試驗基礎(chǔ)上，設(shè)置覆蓋同一地膜下揭膜或不揭膜追肥培土處理，探討在輕簡栽培技術(shù)生物降解地膜對果蔗生長及產(chǎn)量的影響，為蔗田大面積應用生物降解地膜，實現(xiàn)果蔗輕簡栽培管理及解決農(nóng)田白色污染的目標。

1.3 調(diào)查項目及方法

地膜力學性能與透水蒸氣性測定：對生物降解地膜和普通地膜在使用前進行。其中力學性能測定按GB/T 13022-2009《塑料 薄膜拉伸性能試驗方法》[11]、QB/T 1130-2013《塑料直角撕裂性能試驗方法》[12]進行；透水蒸氣性按GB 1037-2009《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法 杯式法》[13]進行。

地膜降解時期調(diào)查：不定時調(diào)查地膜降解情況（是否出現(xiàn)裂紋，裂縫、破碎程度），并判定降解情況，記錄降解各個階段出現(xiàn)的日期。其中誘導期為：開始鋪膜到出現(xiàn)小裂縫的時間；破裂期：肉眼清楚看到大裂縫的時間；崩裂期：地膜裂解成大碎塊，沒有完整的膜的時間；碎裂期：地膜無大塊殘膜存在，仍有小碎片的時間；全降解期：地膜在地表基本消失的時間。

降解情況：蓋膜后約60～70天、90～100天、220～250天調(diào)查生物降解地膜的失重率。在覆蓋生物降解地膜的畦面上，隨機選取3點，挖至埋土地膜，把0.5 m長度的地膜全部取出洗凈、晾干后稱重，計算失重率，失重率(%)=（地膜原始重量-殘膜重量）/（地膜原始重量）×100。

果蔗農(nóng)藝性狀調(diào)查：在果蔗各生長期，調(diào)查不同地膜處理的果蔗有效莖數(shù)、株高、莖徑、單莖重等性狀。

果蔗產(chǎn)量調(diào)查：在果蔗收獲時，通過田間定點5 m畦面實收果蔗，并按南沙地區(qū)果蔗銷售的外觀質(zhì)量標準砍去葉梢，實測果蔗蔗徑產(chǎn)量，并折算每公頃產(chǎn)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物降解地膜力學性能與透水蒸氣性

生物降解地膜的初始力學性能如表1所示，在同樣厚度下，生物降解地膜橫向拉伸負荷、直角撕裂負荷及斷裂標稱應變等指標均優(yōu)于普通地膜；在縱向指標，生物降解地膜的拉伸負荷優(yōu)于普通地膜，但直角撕裂負荷、斷裂標稱應變等指標稍差于普通地膜。從力學性能的綜合評價上，生物降解地膜優(yōu)于普通地膜。生物降解地膜滿足于GB/T 35795-2017《全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜》[14]中的力學性能要求。

生物降解地膜的透水性能如表1所示。生物降解地膜滿足于GB/T 35795-2017《全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜》[14]中的水蒸氣透過量＜800g/(m2·24 h)的要求。

表1 地膜初始力學性能與透水性

在同樣厚度下，生物降解地膜的水蒸氣透過量、透過系數(shù)均明顯高于普通地膜，生物降解地膜的保水性比普通地膜差。在南沙地區(qū)3～4月降雨多，地膜覆蓋后約20天，果蔗齊苗后農(nóng)民就揭膜培土，地膜主要在完成果蔗齊苗前增溫保水作用后被揭除，在果蔗生長中后期地膜并沒有起作用。與普通地膜揭膜培土比較，生物降解地膜的保水性能稍差，只要保證果蔗前期保證出苗作用，影響果蔗中后期生長的程度不大。

2.2 生物降解地膜的降解情況

2.2.1 生物降解地膜的降解期

在果蔗整個生育期，對生物降解地膜的降解效果進行目測。蓋膜后30天內(nèi)甘蔗齊苗培土前，生物降解地膜已開始出現(xiàn)降解小裂口，此時生物降解地膜已進入降解誘導期；蓋膜后30～90天（約膜上培土后60天），地膜繼續(xù)降解，小裂口增加，同時出現(xiàn)大裂口，部分大裂口長度超過5 cm，地膜較脆，地膜已進行降解破裂期；蓋膜后100～150天（約膜上培土后120天），降解大裂口持續(xù)增多且脆性增強，地膜已基本裂解成大碎塊，沒有完整的膜，此地膜已進行崩裂期；蓋膜后180～270天（約膜上培土后150天），大裂口碎片繼續(xù)降解成小碎片，此地膜無大塊殘膜存在，仍有小碎片，地膜已進行碎裂期；蓋膜后270～350天（果蔗收獲時），生物降解地膜在地表基本降解，已看不到殘膜小碎片，地膜已全降解。

從表2中可以看出，2019年田間試驗中的生物降解地膜降解比2020年快，降解速度約快30天左右，這可能與2020年甘蔗生育期的降水量比2019年減少，氣溫也降低相關(guān)。據(jù)廣州市氣候公報顯示，2019年南沙區(qū)平均降雨量2077.3 mm，平均氣溫24.4℃；2020年南沙區(qū)平均降雨量1357.2 mm，平均氣溫24.2℃；而土壤含水量和溫度增加會加速生 物降解地膜的降解速度[15]。

表2 生物降解地膜的降解階段記錄(蓋膜后天數(shù)) 單位：天

從果蔗生長特點對地膜的要求看，2年的應用試驗結(jié)果表明，生物降解地膜的降解速度與果蔗生育期較為吻合，其配方適宜在廣州南沙區(qū)果蔗使用，可將該配方作為大面積推廣的生物降解地膜配方。

2.2.2 生物降解地膜的降解失重率

從表3可知，生物降解地膜表現(xiàn)出隨著埋土后蓋膜時間的增加，生物降解地膜的生物降解效果越明顯，失重率也逐漸增大。蓋膜后60～70天，2019、2020年的降解失重率分別為26.74%、11.62%；蓋膜后90～100天，2019年、2020年的降解失重率達到66.37%、64.37%；到果蔗收獲時，生物降解地膜已全降解，看不到殘膜，降解失重率100%。在果蔗的生長前中期，2020年的生物降解地膜降解失重率比2019年稍有減少，但在果蔗生長后期也達到全降解效果，與生物降解地膜的降解階段基本相吻合。從2年的生物降解地膜田間降解表現(xiàn)，生物降解地膜在果蔗田間應用具有明顯的降解效果，在果蔗收獲時能夠?qū)崿F(xiàn)全降解。

表3 2年田間試驗的生物降解地膜降解失重率

2.3 生物降解地膜對果蔗農(nóng)藝性狀的影響

覆膜后不同時期果蔗株高的調(diào)查結(jié)果見表4，2個地膜覆蓋處理的果蔗株高整體變化趨勢一致，均隨著時間的增加，株高均逐漸增加。不同年份果蔗株高變化趨勢基本相同。其中在蓋膜后90～200天左右，果蔗生長處于伸長期，植株速度較快。到200天后，果蔗生長速度變緩，最后株高保持在一定高度，果蔗已進入糖分積累階段，直到砍收收獲。在同一試驗年份整個果蔗生長期來看，生物降解地膜處理的株高均稍高于普通地膜，但2個處理間差異 未達到顯著水平。

表4 覆膜后不同時期果蔗株高調(diào)查結(jié)果

分別于覆膜后160、190、250和280天調(diào)查2個蓋膜處理的莖徑，調(diào)查結(jié)果見表5。不同年份的2個地膜處理各時期莖徑差異不大，且在160～280天期間莖徑無明顯變化，均維持在37～42 mm之間。同一年份從果蔗生長中后期，生物降解地膜處理的莖徑均稍高于普通地膜，但差異未達到顯著水平。

表5 覆膜后不同時期果蔗莖徑調(diào)查結(jié)果

覆膜后不同時期果蔗單莖重的調(diào)查結(jié)果見表6。2個地膜覆蓋處理的果蔗單莖重整體變化趨勢一致，均隨著時間的增加，單莖重均逐漸增加。同一年份從果蔗生長中后期看，生物降解地膜處理的單莖重均稍高于普通地膜，但差異未達到顯著水平。

表6 覆膜后不同時期果蔗單莖重調(diào)查結(jié)果

2.4 生物降解地膜對果蔗產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

從表7結(jié)果可見，生物降解地膜處理與普通地膜處理比較，在株高、莖徑、單莖重等性狀差異不明顯，稍高于或等于普通地膜處理。在2019年田間試驗中，生物降解地膜在產(chǎn)量構(gòu)成因子指標均高于普通地膜，因此產(chǎn)量表現(xiàn)增產(chǎn)，增產(chǎn)率為13.47%；2020年田間試驗中，生物降解地膜在有效株數(shù)指標上低于普通地膜處理，因此產(chǎn)量稍低于普通地膜，但減產(chǎn)率僅為1.90%。2種地膜處理間在同一年份的產(chǎn)量差異均未達到顯著水平，說明覆蓋生物降解地膜對果蔗生長及產(chǎn)量的促進作用與普通地膜相同。2019年南沙區(qū)降雨量較大，生物降解地膜的降解有利于保持土壤的通氣性，有利于保持果蔗中后期的根系活力，促進果蔗產(chǎn)量的提高；而2020年降雨量偏少，地膜的降解和水蒸氣性透過率大，可能促進土壤水分的蒸發(fā)流失，影響果蔗生長，導致產(chǎn)量稍有減產(chǎn)。

表7 生物降解地膜對果蔗產(chǎn)量影響

以2年田間試驗平均果蔗產(chǎn)量計算，生物降解地膜處理的果蔗平均產(chǎn)量為138.58 t/hm2，普通地膜處理的果蔗平均產(chǎn)量為131.67 t/hm2。與普通地膜比較的平均產(chǎn)量比較，生物降解地膜處理的增產(chǎn)達到5.25%。

2.5 生物降解地膜輕簡栽培技術(shù)對果蔗產(chǎn)量及構(gòu)成因素影響

從表8結(jié)果可見，覆蓋生物降解地膜下的果蔗采取揭膜措施，其株高、莖徑及單莖重稍高于不揭膜，因此產(chǎn)量也稍有增產(chǎn)，但增產(chǎn)率僅為6.78%，2種管理措施下的果蔗產(chǎn)量構(gòu)成因子及產(chǎn)量指標之間的差異未達到顯著水平，因此果蔗采用生物降解地膜覆蓋栽培技術(shù)，減少齊苗揭膜工序，直接進行膜上覆蓋，也不會對果蔗生長及產(chǎn)量造成不良影響，達到果蔗輕簡栽培管理效果。

表8 生物降解地膜輕簡栽培技術(shù)對果蔗產(chǎn)量影響

覆蓋普通地膜的果蔗采用揭膜管理措施，其有效株數(shù)、株高、莖徑及單莖重等指標均高于不揭膜處理，其產(chǎn)量增加。株高、莖徑及單莖重等指標兩措施間的差異未達到顯著水平，但有效株數(shù)及產(chǎn)量兩措施間差異達到顯著水平，其中揭膜措施的產(chǎn)量較不揭膜增產(chǎn)23.66%。普通地膜在齊苗后不揭膜導致減產(chǎn)，原因可能是大量地膜殘留于土壤，導致土壤酶活性和微生物多樣性顯著下降[16]，土壤肥力下降[17]和水分運輸受阻[18]，從而影響作物根系[19]，導致減產(chǎn)。因此，在覆蓋普通地膜下，揭膜措施能夠通過促進果蔗有效株數(shù)的增加，從而達到顯著的增產(chǎn)效果。特別在降雨量大的年份，揭膜更有利于產(chǎn)量的提高。因此，在南沙果蔗種植上，如采用普通地膜覆蓋，則需要在果蔗齊苗進行揭膜培土，否則可能會影響果蔗生長及產(chǎn)量提高。

3 結(jié)論

連續(xù)2年生物降解地膜應用于南沙果蔗種植，果蔗萌芽時均能夠穿透地膜出苗，免除人工破膜出苗的費用，且在果蔗齊苗時直接膜上追肥培土，對果蔗生長及產(chǎn)量基本沒有影響。覆膜后30天，生物降解地膜已開始進入降解誘導期，到甘蔗收獲時，地膜已基本全降解，降解率達到100%，其降解速度基本與果蔗的生長發(fā)育相吻合，配方比較適宜南沙果蔗使用，說明使用生物降解地膜覆蓋技術(shù)不僅可以達到防除殘膜白色污染的目標，還可以有助于果蔗實現(xiàn)輕簡栽培管理效果。

生物降解地膜的降解受到外界環(huán)境的強烈影響，具有很強的區(qū)域性，需要根據(jù)區(qū)域環(huán)境和作物需求研發(fā)專用生物降解地膜。綜合評價生物降解地膜在田間應用的可行性，則要從幾方面進行：產(chǎn)品上機性能、農(nóng)藝性能（增溫保墑、雜草防除等）、降解性能（降解時間、降解方式和程度等）、經(jīng)濟性（與PE地膜比較，獲取降解地膜在投入、農(nóng)作物產(chǎn)量增產(chǎn)、回收等參數(shù)）的綜合評價[4]。2年的應用試驗表明，生物降解地膜具有良好穩(wěn)定的降解效果，地膜降解時間與果蔗不同時期的生長特點基本相吻合，可以滿足果蔗前期增溫保水的要求，在果蔗生長中后期地膜的降解提高了土壤透氣性，有助于果蔗生長；到果蔗收獲時，地膜基本全降解，其降解徹底，不影響果蔗產(chǎn)量的提高。在南沙地區(qū)，果蔗普通地膜的使用量較少，一般為37.5～45.0 kg/hm2，生物降解地膜的使用量約為普通地膜的2～3倍，如使用生物降解地膜，則在果蔗齊苗期免除揭膜及殘膜處理費用，平均節(jié)省750元/hm2，且產(chǎn)量增加。

從果蔗生物降解地膜的多指標體系綜合評價，生物降解地膜可以替代普通地膜應用于果蔗種植上，綜合經(jīng)濟效益較為明顯，經(jīng)濟可行性較高。在目前農(nóng)業(yè)殘膜面源污染日益突出的嚴峻情況下，通過采用生物降解地膜在源頭上替代減量化技術(shù)，能較好地解決因長期連續(xù)使用普通地膜導致的面源污染問題，是一種符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的產(chǎn)品及技術(shù)，建議在廣東省其他果蔗主產(chǎn)區(qū)進行應用，進而解決農(nóng)業(yè)殘膜面源污染，促進廣東省果蔗產(chǎn)業(yè)綠色生態(tài)發(fā)展。