PBAT型全生物降解地膜對棉花產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響

趙 軍， 李金海

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院， 貴州 畢節(jié) 551700)

目前塑料薄膜已成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的工具之一，應(yīng)用地膜可改變土壤溫度、含水量等條件，減少病蟲害對作物的影響，從根本上提高植物生長速度，促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展[1]。但由于目前農(nóng)業(yè)常用的塑料箔材多為聚乙烯或氯乙烯等人工合成的高密度材料，在非人工條件下具有較強的穩(wěn)定性，且廢棄地膜不便回收，又很難自然分解，極易在土壤耕作層中殘留碎薄膜片，進(jìn)而降低土壤滲透性和土壤肥力，使農(nóng)作物減產(chǎn)，影響農(nóng)業(yè)從業(yè)者經(jīng)濟收入[2-4]。

塑料薄膜穩(wěn)定性極強，很難在自然環(huán)境下被降解，若不及時清理也只會在土壤中越積越多，所以為保持地膜對植物積極作用,杜絕消極作用，相關(guān)研究者提出可降解地膜概念，通過改變材料加工方式，降低地膜穩(wěn)定性，使之可被自然環(huán)境影響分解[6-7]?，F(xiàn)如今，可降解的地膜還屬于新興產(chǎn)品，不知曉是否會對環(huán)境產(chǎn)生其他不良后果，基于此，李開宇[8]等人進(jìn)行生物降解地膜、液體地膜和普通地膜膜下滴灌種植試驗，探討不同地膜覆蓋降解情況及對土壤水熱變化及玉米產(chǎn)量的影響；王斌[9]等以全生物降解地膜和普通聚乙烯塑料(PE)地膜為樣本，在南疆四地州主要棉區(qū)和玉米種植區(qū)，開展降解地膜大面積應(yīng)用試驗與示范，系統(tǒng)分析降解地膜的降解性能以及對作物產(chǎn)量、土壤溫濕度和養(yǎng)分的影響。上述兩種方法在試驗中沒有考慮植物發(fā)育期間的灌溉影響，導(dǎo)致最后分析結(jié)果不精準(zhǔn)[10-11]。PBAT型全生物降解地膜的主要材料就是熱塑性生物降解塑料，具有較好的延展性和斷裂生長性，并且還具有較好的生物降解性能，是目前市場應(yīng)用最好的生物降解材料之一。該種材料在應(yīng)用過程中可被化學(xué)或生物降解為小分子化合物，最終被微生物所吞噬，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用。因此，為研究PBAT型全生物降解地膜對植物產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響，分析不同灌溉條件、覆膜年限特征等影響因素分析。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

為綜合分析阿克蘇地區(qū)棉區(qū)地膜分布特征，通過人工設(shè)置殘膜密度，考察殘膜對棉花產(chǎn)量的影響以及殘膜對土壤理化性質(zhì)影響的差異[12-15]。采集阿克蘇地區(qū)庫車縣試驗區(qū)土壤作為供試土壤，其理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗棉種植及膜鋪設(shè)方法

試驗過程中，采用機采棉花栽培技術(shù)，播種方式為10 cm+66 cm，寬2.25 m，三膜18行，株距9 cm。種植密度約16000株·667 m-2。在試驗區(qū)，鋪設(shè)PBAT生物降解膜和普通聚乙烯膜(小區(qū)試驗)，隨機分組，每組重復(fù)3次[16-18]。

試驗采用寬膜機采棉配置：2膜12行，10 cm+66 cm等行距配置，膜上精密播種，一膜兩管。

每次覆膜重復(fù)3次，隨機分組。試驗地塊長9 m，平均行距41.25 cm，地塊面積60 m2。

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

土壤樣品：播種前在每個試驗區(qū)取樣1次，取樣深度為0～30 cm(分為0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm 3層)，自然條件下空氣中留樣2 kg。

土壤溫度測量：耕層土壤溫度由自動溫度傳感器或地溫裝置測量。探測器的埋深為10 cm，從播種日期一直到收獲結(jié)束。

萃取膜保水性能觀察：向容器內(nèi)注入一定量的蒸餾水，保證在相同條件下不同時間測量水分蒸發(fā)量，并計算出各萃取膜的保水性能。

采用干燥法(105°)測定農(nóng)田土壤水分。測定時間為芽期、開花期和鈴期，深度分別為0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm。采用自動測溫探頭測量土壤溫度。探頭埋深20 cm，每半小時記錄一次[19-20]。

采用殘渣干燥質(zhì)量法測定土壤含鹽量。土壤深度分別取0～10 cm和10～20 cm，與水分測定法和干燥法測定結(jié)果一致。

1.4 植物產(chǎn)量測定

為能更好分析土壤區(qū)域存在殘膜的實際情況，分別選取覆膜間隔時間為5天的土壤采樣，直至第25天為止，每塊區(qū)域采取五種采樣方法進(jìn)行取樣，采取的樣本土壤深度為40 cm以內(nèi)，以10 cm為例，挑出土壤中殘膜后，根據(jù)殘膜尺寸進(jìn)行分類，并在此基礎(chǔ)上劃分出每個采樣土壤層中殘膜數(shù)量以及質(zhì)量。試驗過程中，每個梯度都重復(fù)3次，試驗總面積為360 m2，分為3次采摘，每個梯度仍重復(fù)3次，進(jìn)行產(chǎn)量測定分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜韌性及其殘留特性

2.1.1 地膜韌性

兩種地膜均在4月22日覆膜，分別在覆膜后的30天、37天、44天、51天、58天、65天、85天、106天、130天對試驗區(qū)降解膜進(jìn)行整體觀察。在每次觀察中，每個試驗場重復(fù)進(jìn)行。在定點觀察時，考察試驗區(qū)降解膜“表面膜”的整體降解情況，結(jié)果如圖1所示。

圖1 降解過程中地膜拉伸特性對比

從圖1可以看出，兩種地膜橫向/縱向拉伸負(fù)荷隨著覆蓋時間的增加而減小，即不同類型的可拆卸薄膜被破壞時均具有一定韌性。在可降解薄膜和普通薄膜破裂的情況下，橫向/縱向裂痕伸長率均減小，于固定點觀察有關(guān)薄膜表面可確定，降解地膜強度和韌性高于普通地膜。

2.1.2 降解地膜殘留特性

各不同年限地膜在土壤中的殘留特性(數(shù)量及密度)如圖2和圖3所示。

圖2 全生物降解膜在土壤中的殘留數(shù)量

由圖2、圖3可知，當(dāng)土壤區(qū)域覆膜年限為1時，0～10 cm土壤中殘膜數(shù)量以及密度明顯高于10 cm以下的土壤層，而覆膜年限為5時，即可看出在40 cm以上的土壤層中，殘膜的密度與數(shù)量都不顯著，這一情況間接說明40 cm以上的土壤層中，殘膜的密度和數(shù)量分布普遍均勻。由圖4、圖5可知，普通塑料膜殘膜主要分布在0～10 cm與10～20 cm的土地層中，隨著覆膜年限的變化，殘膜數(shù)量的快速增長，殘膜密度也逐漸增大。

圖3 全生物降解膜在土壤中的殘留密度

圖4 普通塑料膜在土壤中的殘留數(shù)量

圖5 普通塑料膜在土壤中的殘留密度

2.1.3 不同灌溉條件對地膜降解速率的影響

降解膜的降解過程一般分為4個階段。誘導(dǎo)期是衡量降解膜性能的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。從鋪膜開始到出現(xiàn)小裂縫的時間段，肉眼可見大裂紋是破裂期，膜破裂成大塊，沒有完整的膜面。雖然地表有小碎屑，但對土壤和農(nóng)作物沒有影響，這是完全退化階段。不同灌溉條件對地膜降解速率的影響結(jié)果見圖6。

圖6 地膜降解速率

根據(jù)圖6的結(jié)果可知，降解膜的降解速率與作物種類和覆蓋方式密切相關(guān)。膜下常壓滴灌棉田退化速率相對較慢。誘導(dǎo)期比其它植物長6 d，破裂期延長13 d，崩解期延長67 d，10月底降解率達(dá)65%，膜的降解率高于兩側(cè)土壤。膜的降解速率在膜的早期以光降解為主，但在作物關(guān)閉后降解速率明顯下降。

然而，普通膜的表面除幾處被強風(fēng)吹出的縱向裂縫外，其余都是完整的。與棉花相比，其他植株的開裂期比設(shè)計時間提前13天，滴灌棉比設(shè)計時間晚54天。由此得知，不同的作物和地膜覆蓋方式降低了地膜的降解率。

2.2 地膜對植物產(chǎn)量的影響

2.2.1 植物基本生長發(fā)育參數(shù)

選取棉花種子的植物發(fā)芽率、生育期以及植物產(chǎn)量特性如圖7所示。

圖7 植物發(fā)芽率和折合產(chǎn)量

根據(jù)圖7所示，該種棉花平均生育期為150天，對棉花進(jìn)行發(fā)芽率的測試，平均發(fā)芽率可達(dá)97.75%，且每次發(fā)芽率均在95%以上。多次實驗平均折合產(chǎn)量達(dá)到8283.3 kg·hm-2。

2.2.2 降解地膜對植物產(chǎn)量影響

分析考察不同灌溉水量時地膜種類差異對植物保苗率及產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 不同灌水量對植物生長及產(chǎn)量的影響

由圖8可知，降解膜的降解時間隨灌水量的增加而延長，崩解期由128天增加到167天，平均為144天。兩個處理之間的最大差異為39天。結(jié)果表明，降解膜處理的平均保苗率為77.8%，比普通膜處理高2.2個單位。同時，平均每株鈴數(shù)為4.2株，比普通地膜高0.175個·株-1。在相同灌水條件下，各處理降解膜的平均產(chǎn)量比普通膜分別提高4.29%、12.41%、1.65%和7.95%，平均增產(chǎn)6.29%?？梢姡谠缡烀迏^(qū)，降解膜有利于棉花的生長發(fā)育。

2.3 地膜對土壤理化性質(zhì)的影響

2.3.1 地膜對土壤水分的影響

分別于芽期、開花期和球莖開放期3個時期對不同試驗區(qū)域進(jìn)行定點取樣，(選擇取樣點的時候，遠(yuǎn)離滴管接頭，盡量減少誤差)，分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm三層，在試驗室采用烘干法測定其土壤的含水量，其結(jié)果見圖9～圖11。

圖9 覆膜后第30天處理土壤含水量(芽期)

圖10 覆膜后第51天處理土壤含水量(開花期)

圖11 覆膜后第65天處理土壤含水量(球莖開放期)

從圖9～圖11可以看出，在芽期、開花期，無論是全生物降解地膜、普通塑料地膜還是無覆蓋地膜的土壤，20～30 cm的土壤含水量都是最多的，0～10 cm的土壤含水量均為最少；在球莖開放期，沒有覆蓋地膜的土壤含水量3個層次較為平均，而其余兩種覆蓋地膜的土壤含水量隨土壤深度遞增而增加。在芽期、開花期沒有覆膜的土壤含水量都是最低的，因為沒有覆膜便會令該區(qū)域土壤受太陽直射，使土壤中水分揮發(fā)快導(dǎo)致含水量低，其次是普通農(nóng)用塑料地膜，普通農(nóng)用地膜普遍為黑色地膜，雖然可以折射光照，但該地膜因降解速度慢，導(dǎo)致植物不能接受雨水等灌溉，影響水分吸收，全生物降解地膜區(qū)域土壤含水量在芽期、開花期和球莖開放期均高于其他兩種覆蓋膜，因為全生物降解地膜會隨著使用時間增長，降解速度越來越快，使土壤充分吸收自然灌溉，土壤含水充足。

2.3.2 地膜對土壤鹽分的影響

分別于第30天、51天、65天3個時期對每個處理進(jìn)行定點取樣，分別取0～10 cm、10～20 cm兩層，采用殘渣烘干質(zhì)量法測定土壤含鹽量如圖12～圖14所示，同時對比分析不同覆膜方式下土壤的含鹽量差異結(jié)果如圖15所示。

圖12 第30天時土壤含鹽量

圖13 第51天時土壤含鹽量

圖14 第65天時土壤含鹽量

圖15 不同覆膜土壤含鹽量對比分析

結(jié)合圖12～圖14，同時對比圖15可以看出，棉花含鹽量在芽期最高，然后逐漸降低。芽期(6月12日)0～10 cm土層土壤含鹽量大小順序為普通塑料薄膜>無覆蓋地膜>全生物降解地膜。在土壤垂直方向上，由于覆蓋地膜的裸露面積大，膜內(nèi)土壤水分蒸發(fā)速率遠(yuǎn)高于其他處理。隨著水分的蒸發(fā)，大量的鹽分積累到表面，因此0～10 cm第51天后，普通塑料薄膜的土壤含鹽量最高，達(dá)到3.35 g·kg-1，全生物降解地膜土壤含鹽量為2.6 g·kg-1，兩種土壤的含鹽量均高于沒有覆蓋地膜的土壤含鹽量，沒有覆蓋地膜的土壤含鹽量為2.41g·kg-1。緩慢的降解速度有利于保持水分，含鹽量相對較低。普通膜土保水性最好，蒸發(fā)速度慢，含鹽量最高。

3 結(jié)論

(1)全生物降解地膜可對土壤含水量有較大提升，在20～30 m第30天后的全生物降解地膜土壤含水量為50%，普通塑料薄膜的含水量為46%，沒有覆蓋地膜的土壤含水量為44%，則20～30 m第30天后不同類型地膜的土壤含水量順序為：全生物降解地膜>普通塑料薄膜>無覆蓋地膜；

(2)土壤含鹽量：在0～10 m第51天后的普通塑料薄膜的土壤含鹽量達(dá)到3.35 g·kg-1，全生物降解地膜的土壤含鹽量為2.6 g·kg-1，沒有覆蓋地膜的土壤含鹽量為2.41 g·kg-1，則土壤含鹽量這一條件中，0～10 m第51天后不同類型地膜土壤的含鹽量順序為：普通塑料薄膜>無覆蓋地膜>全生物降解地膜;

(3)通過對殘膜量的影響分析可知，隨著殘膜量的增加，棉花的保苗率和產(chǎn)量顯著下降，在灌水量為3000 hm2時，覆蓋全生物降解地膜的棉花保苗率為82.3%，產(chǎn)量為3950 kg·hm-2,當(dāng)灌水量增加至5500 hm2時，覆蓋全生物降解地膜的棉花保苗率僅為77.1%,產(chǎn)量僅為3170 kg·hm-2，說明長期積累膜渣對棉花出苗率和產(chǎn)量有顯著影響。

(4)一般農(nóng)膜殘留使土壤含水量和含鹽量降低，而全生物降解地膜與普通地膜相比，對土壤含水量提升效果明顯、土壤含鹽量低，對土壤物理性質(zhì)變化的影響較緩和。與普通地膜相比可改善土壤水、肥、氣、熱等肥力因子的變化和供應(yīng)，對于棉花等植物生長和產(chǎn)量較為有利。