全生物降解地膜對渭北臺塬土壤水熱和作物經(jīng)濟(jì)效益的影響

索 龍，張俊麗，王 蕊，拜翊莎，董曉梅，趙 慧，李明明，陳 強(qiáng)

（1渭南市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西渭南 714000；2合陽縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西渭南 714000）

0 引言

渭北黃土臺塬地區(qū)是陜西省重要的糧棉油生產(chǎn)基地，位于陜西省關(guān)中地區(qū)，屬于典型的半干旱、半濕潤氣候帶，是水資源短缺地區(qū)，因其土壤本身特性，蓄水能力相對較弱、熱容量相對較小，嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。地膜覆蓋栽培技術(shù)因其在提高土壤溫度、保持土壤墑情[2-4]、抑制行間雜草、增加作物產(chǎn)量、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[5-7]等方面的顯著優(yōu)點(diǎn)，自引進(jìn)以來，在中國廣泛應(yīng)用，成為推動農(nóng)業(yè)發(fā)展、保障糧食安全的重要措施，被譽(yù)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“白色革命”。隨著農(nóng)膜的不斷投入使用，殘膜碎片進(jìn)入土壤環(huán)境，自然狀態(tài)下降解緩慢，其生態(tài)環(huán)保負(fù)效應(yīng)不斷凸顯[8-9]，同時(shí)，長期積累的殘膜嚴(yán)重影響耕層土壤的通透性[6]、農(nóng)業(yè)機(jī)械的耕作質(zhì)量，阻礙土壤水分和養(yǎng)分的運(yùn)移[10]、干擾農(nóng)作物根系發(fā)育、引起作物生長緩滯，最終導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[11-12]。全生物降解地膜因其自身性質(zhì)，在土壤、氣候等外界環(huán)境條件作用下，隨著農(nóng)作物生長逐漸裂解，最終分解成二氧化碳、水等無機(jī)物[13]，有效解決了農(nóng)膜殘留問題。全生物降解地膜相對于普通聚乙烯地膜，既減少對耕地土壤污染，又降低對作物生長的不利影響，對農(nóng)田土壤的可持續(xù)利用具有優(yōu)勢[14]。因此，開展全生物降解地膜栽培技術(shù)研究，探索生態(tài)環(huán)保的聚乙烯地膜替代覆蓋栽培技術(shù)是改善耕地土壤環(huán)境質(zhì)量、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效途徑之一。2010年以來，有關(guān)地膜覆蓋對農(nóng)作物生長和產(chǎn)量方面的研究集中在普通聚乙烯地膜方面，對于降解地膜，主要研究不同類型地膜降解性能、同種地膜不同厚度裂解過程對比[15-16]等方面，全生物降解地膜在甘薯整個(gè)生長周期對土壤水熱條件和產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)效益方面的研究鮮見報(bào)道。本研究結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)特色，以渭北黃土臺塬東北區(qū)域的合陽縣為試驗(yàn)區(qū)，研究全生物降解黑色地膜、透明地膜和普通聚乙烯透明地膜在甘薯生育期對土壤溫度、濕度和產(chǎn)量等指標(biāo)的影響，探討應(yīng)用降解地膜及膜色差異田間效果及其產(chǎn)后經(jīng)濟(jì)效益，旨在為進(jìn)一步推廣應(yīng)用全生物降解地膜提供技術(shù)支撐和科學(xué)理論，以期在源頭有效解決耕地土壤殘膜問題，減少農(nóng)業(yè)面源污染，推動農(nóng)業(yè)綠色生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)位于陜西省渭南市合陽縣甘薯種植基地，地處渭北黃土臺塬東北部，屬暖溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候，光熱資源豐富，降水偏少。年均日照時(shí)間2468.9 h，年均氣溫11.4℃，年均降雨量553.2 mm，主要集中在每年的7—9月，年均無霜期207天。試驗(yàn)地地勢平坦，土壤肥力水平中等。前茬作物為甘薯。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

地膜厚度均為0.010 mm、寬1000 mm，設(shè)全生物降解黑色地膜(M1)、全生物降解透明地膜(M2)、普通聚乙烯透明地膜(M3)3 個(gè)處理，每處理3 個(gè)重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積4.25 m×20 m=85 m2，小區(qū)間設(shè)保護(hù)行。全生物降解地膜為山東天野生物降解新材料科技有限公司產(chǎn)品，材質(zhì)為PLA/PBAT，聚乙烯地膜為山西開拓塑料有限公司產(chǎn)品。選取‘濟(jì)薯26’作為甘薯試驗(yàn)品種。

1.3 田間管理

采用壟上單行栽植。4月29日，整地施肥，4月30日起壟并鋪設(shè)滴灌帶，5月3日人工栽植，5月4日劃區(qū)覆膜，覆膜方式均為全壟覆蓋，壟溝壓土固定。5 月7日人工劃膜培土，10 月30 日收獲。根據(jù)當(dāng)?shù)厥┓式?jīng)驗(yàn)，底肥施商品有機(jī)肥4800 kg/hm2，微生物菌肥450 kg/hm2，硫酸鉀鎂(16-24-6) 300 kg/hm2，磷酸二銨(16-44-0)750 kg/hm2。試驗(yàn)各處理栽培、施肥、灌溉、病蟲害防治等田間農(nóng)藝管理措施與當(dāng)?shù)胤N植模式一致。

1.4 測定項(xiàng)目

1.4.1 土壤溫度 采用曲管水銀地溫計(jì)測定。分別于甘薯不同生育期，生長前期（結(jié)薯期06-03）、生長中期（薯蔓并長期07-21）、生長后期（塊根生長期09-02）測定5、10、15、20、25 cm深度的土壤溫度，溫度計(jì)置于甘薯壟行中間（避開滴灌帶），取觀測日8:00、12:00和16:00土壤溫度均值作為土壤溫度值，每處理重復(fù)測定3次。

1.4.2 土壤含水量 采用烘干法測定[17]。甘薯生長前期、中期、后期分別在壟行中間取土，測定土層為0～20 cm和20～40 cm，每處理重復(fù)測定3次。計(jì)算公式如式(1)所示。

式中：w為土壤重量含水量(%)；w1為濕土重(g)；w2為干土重(g)。

1.4.3 甘薯產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益 收獲時(shí)，分別測定甘薯總量和商品量，計(jì)算各處理商品率。根據(jù)市場行情，核算總收入（甘薯產(chǎn)量×市場價(jià)格）、總支出（包括種苗、地膜、滴灌帶、肥料、農(nóng)藥、灌溉、機(jī)械以及人工費(fèi)等）、純收益（總收入-總支出）和投入產(chǎn)出比（總支出/總收入）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007 和SPSS19.0 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，方差分析多重比較用Duncan法(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜處理對土壤溫度的影響

將5、10、15、20、25 cm 處土壤溫度平均值作為甘薯表層土壤溫度值。由圖1a 可知，整個(gè)生育期，覆膜各處理土壤溫度總體呈現(xiàn)降低的趨勢，甘薯結(jié)薯期至薯蔓并長期土壤溫度降幅大于薯蔓并長期至塊根生長期。主要是由于隨著甘薯生長，進(jìn)入薯蔓并長期后，地上部分的生長，削弱了太陽輻射的影響，地膜覆蓋對表層土壤溫度的影響作用減小。M1、M2 處理膜下表層土壤溫度分別較M3 處理膜下表層土壤溫度低0.19、0.51℃。甘薯結(jié)薯期，M1處理土壤溫度顯著低于M2、M3 處理，M2、M3 處理間無差異。這與覆蓋地膜不同膜色對太陽的熱輻射選擇有關(guān)，黑色地膜吸收了較多的熱輻射，對熱量向地下傳導(dǎo)有一定的阻止作用，土壤溫度增加相對緩慢。薯蔓并長期、塊根生長期，M2處理土壤溫度顯著低于M1、M3處理，隨著甘薯生長，M2處理與M1、M3 處理之間土壤溫度差增大，溫差分別由0.39、0.50℃增加為1.00、1.07℃，M1、M3處理間無差異且溫差變化較小，M3 處理土壤溫度略高于M1 處理。

圖1b-f 中，膜下5、10、15、20、25 cm 處，甘薯全生育期覆膜各處理土壤溫度變化一致，均呈降低的趨勢。從不同土層來看，膜下5、10、15、20、25 cm處甘薯全生育期土壤溫度變化分別為10.57～11.57、7.07～9.50、4.90～6.50、4.20～5.87、2.90～4.60℃，由此可知，隨著土壤深度的增加，地膜對不同土層的溫度影響作用逐漸降低。從不同處理來看，甘薯整個(gè)生育期，M1處理膜下5 cm處土壤溫度較M3處理高0.44℃，膜下10、15、20、25 cm處土壤溫度較M3處理低0.27～0.56℃，而M2 處理膜下5、10、15、20、25 cm 處較M3 處理土壤溫度低0.28～0.74℃。從甘薯不同生育期來看，結(jié)薯期，5、25 cm 處M1 處理土壤溫度顯著高于M2 和M3 處理，其余土層M1處理土壤溫度最低，而在薯蔓并長期和塊根生長期，M2 處理土壤溫度總體表現(xiàn)為較低水平。

圖1 甘薯全生育期不同處理膜下0～25 cm土壤溫度

2.2 不同覆膜處理對土壤水分的影響

地膜覆蓋后，阻止土壤水分縱向蒸發(fā)，有效保蓄了土壤水分[2,18]。由圖2a 可知，甘薯整個(gè)生育期，不同覆膜處理0～40 cm土壤水分變化不同，M1處理土壤含水量為10.93%～18.21%，M2 處理土壤含水量為10.26%～16.92%，M1、M2土壤含水量表現(xiàn)為先升高后降低，M1處理較M2處理土壤含水量變化大，M3處理土壤含水量為12.43%～17.38%，表現(xiàn)為一直降低的趨勢，3 個(gè)覆膜處理土壤含水量變化幅度依次為M2＞M1＞M3。甘薯結(jié)薯期，全生物降解地膜土壤含水量顯著低于聚乙烯透明地膜處理，至薯蔓并長期，全生物降解地膜土壤含水量顯著高于聚乙烯透明地膜處理。主要是由于隨著甘薯生長，降解地膜誘導(dǎo)期結(jié)束，開始破裂，降雨隨之進(jìn)入土壤，補(bǔ)充土壤水分，提高土壤含水量，聚乙烯透明地膜覆蓋處理隨著甘薯生長不斷消耗土壤水分，壟間滲水量較少，膜下土壤含水量一直降低。甘薯塊根生長期，全生物降解地膜土壤含水量明顯低于聚乙烯透明地膜，這與聚乙烯透明地膜的保墑能力有關(guān)。甘薯全生育期M1處理土壤含水量始終顯著高于M2 處理，平均土壤含水量較M2 處理高0.77%，M1、M2 處理平均土壤含水量分別較M3 處理低0.26%、1.03%。

圖2b、c中，針對于不同土層，甘薯全生育期，膜下0～20 cm 處M1、M2 處理土壤含水量高于M3 處理，且二者之間平均土壤含水量基本一致。而膜下20～40 cm 處M1、M2 處 理 土 壤 含 水 量 分 別 較M3 處 理 低0.67%、2.23%。從不同處理來看，0～20 cm 土層，甘薯生育期各階段，各處理土壤含水量表現(xiàn)不同，處理間差異顯著，覆膜各處理土壤含水量在甘薯結(jié)薯期、薯蔓并長期變化幅度小，塊根生長期各處理土壤含水量明顯減少。甘薯結(jié)薯期、薯蔓并長期，M1、M2 處理土壤含水量分別較M3 處理高6.02%～9.70%、3.25%～8.16%，塊根膨大期，M1、M2 處理土壤含水量分別顯著低于M3 處理18.92%、12.04%。膜下20～40 cm 土層處，僅在薯蔓并長期，M1處理土壤含水量顯著高于M3處理6.64%，M2處理土壤含水量在甘薯全生育期始終顯著低于M3處理2.21%～22.28%，且變化幅度大。

圖2 甘薯全生育期不同處理膜下0～40 cm土壤含水量變化

2.3 不同覆膜對甘薯經(jīng)濟(jì)效益的影響

由圖3可知，不同覆膜處理對甘薯產(chǎn)量、商品率影響不同，但3個(gè)處理之間無差異。3個(gè)處理中，M2處理甘薯產(chǎn)量、商品率均最高，其余依次為M3、M1。相對于M3處理，M1處理甘薯減產(chǎn)2034.2 kg/hm2，而M2處理增產(chǎn)4657.1 kg/hm2，增幅8.82%，商品率提高0.61%。圖4 中，對應(yīng)甘薯產(chǎn)量、商品率，M2 處理甘薯總收入最高，依次為M3 處理、M1 處理，M1 處理總收入較M3 處理降低4.12%，而M2 處理增加9.37%。對于甘薯純收入，表現(xiàn)為M1處理總收入較M3處理降低6.75%，M2處理增加10.47%。M1、M2、M3這3個(gè)處理投入產(chǎn)出比依次為27.2%、24.4%和25.2%，因此，M2處理甘薯經(jīng)濟(jì)效益最佳。

圖3 不同覆膜處理甘薯產(chǎn)量

圖4 不同覆膜處理甘薯經(jīng)濟(jì)效益分析

3 結(jié)論

甘薯生長前期，透明地膜處理土壤溫度高于黑色地膜，隨著甘薯生長，聚乙烯地膜覆蓋處理土壤溫度高于全生物降解地膜。整個(gè)甘薯生育期，聚乙烯透明地膜土壤溫度均值最高，依次為全生物降解黑色地膜、透明地膜處理，不同處理間土壤溫度差異不大。隨著土壤深度增加，覆膜處理對膜下土壤溫度、水分影響作用逐漸減弱。甘薯整個(gè)生育期全生物降解地膜處理土壤水分低于聚乙烯地膜覆蓋，以全生物降解透明地膜處理膜下土壤含水量最低。不同覆膜處理中，全生物降解透明地膜甘薯產(chǎn)量、商品率最高，總支出以聚乙烯透明地膜處理最低，綜合甘薯整個(gè)生產(chǎn)收入與支出，全生物降解透明地膜處理甘薯投入產(chǎn)出比最低，經(jīng)濟(jì)效益最佳。

4 討論

土壤熱通量由于地膜的覆蓋而發(fā)生改變，不同地膜材料以及膜色差異對土壤溫度的影響存在變化[19]。甘薯全生育期，膜下5 cm處全生物降解黑色地膜處理土壤溫度較聚乙烯透明地膜處理高0.44℃，膜下10、15、20、25 cm 處均低于聚乙烯透明地膜處理，全生物降解透明地膜處理膜下土壤溫度均低于聚乙烯透明地膜處理。主要是由于甘薯整個(gè)生育期，聚乙烯透明地膜膜面基本完整，地膜的保溫作用一直存在，而降解地膜隨著甘薯生長，膜面逐漸破裂直至最終完全破碎，對土壤的保溫作用降低。王斌等[20]、鄔強(qiáng)等[21]、趙彩霞等[22]分別在馬鈴薯、棉花等作物栽培試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，聚乙烯地膜處理土壤耕層溫度在作物全生育期高于降解地膜。耕層土壤溫度由于膜色差異表現(xiàn)不同，在甘薯生長前期，透明地膜處理土壤溫度均顯著高于黑色地膜，全生物降解透明地膜與聚乙烯透明地膜之間差異不明顯。王東明等[23]的研究表明，作物生長前期，白色地膜覆蓋處理土壤溫度高，這與本試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)一致。分析其原因，主要是因?yàn)橥该鞯啬嵬看?，而黑色地膜由于透光率低，其增溫效果低于透明地膜[24]。甘薯進(jìn)入薯蔓并長期后，土壤溫度變化趨勢減緩，這與葉片對地面的遮蔽作用逐漸增強(qiáng)有關(guān)，地膜覆蓋對土壤溫度的影響作用降低，土壤溫度隨甘薯生長整體下降。膜下5 cm 處，土壤溫度在甘薯生育期變化最大，隨著土層深度增加，變化趨勢減小，地膜覆蓋的增溫效應(yīng)對土壤深度的增加而逐漸減弱。

地膜覆蓋栽培技術(shù)能有效減少土壤水分蒸發(fā)，保持耕層土壤墑情，改善土壤的水熱狀況，降低水分因子對旱區(qū)農(nóng)業(yè)的影響，進(jìn)而推動雨養(yǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展[25-26]。本研究發(fā)展，膜下耕層土壤含水量在甘薯結(jié)薯期和薯蔓并長期變化不大，甘薯塊根膨大期土壤含水量大幅度降低，主要是因?yàn)椋阂皇窃诟适砩L期6月至8月初，降水量大，通過壟間的滲透作用提高了土壤水分含量；二是隨著甘薯生長后期生物量增大，對土壤水分的消耗量增加，導(dǎo)致土壤含水量顯著降低。甘薯全生育期，全生物降解黑色地膜、透明地膜土壤含水量較聚乙烯透明地膜分別低0.26%、1.03%。這主要是由于全生物降解地膜在誘導(dǎo)期結(jié)束后，地膜開始裂解，并逐漸破碎，降低了其對土壤水分散失的阻礙作用。同時(shí)，由于全生物降解黑色地膜的誘導(dǎo)期長于全生物降解透明地膜，土壤含水量由于地膜誘導(dǎo)期的差異而不同，全生物降解黑色地膜處理土壤含水量高于全生物降解透明地膜。李強(qiáng)等[27]研究發(fā)現(xiàn)玉米地膜覆蓋處理，普通地膜覆蓋較生物可降解地膜覆蓋處理土壤貯水量高6 mm。本研究中，甘薯整個(gè)生育期，聚乙烯透明地膜處理土壤含水量高于全生物降解地膜。

高旭華等[28]研究表明，生物降解地膜較普通塑料膜商品馬鈴薯增產(chǎn)2335.5～2056.5 kg/hm2，但是差異不顯著。本研究中，以全生物降解透明地膜覆蓋甘薯產(chǎn)量、商品率最高。究其原因，一方面透明地膜覆蓋在甘薯生育期前期顯著提高土壤溫度，增加有效積溫，利于甘薯薯蔓生長，另一方面，進(jìn)入甘薯薯蔓并長期后，全生物降解地膜開始破裂，同期降雨量增大，水分進(jìn)入土壤，提高了土壤含水量，有效補(bǔ)充甘薯迅速生長對水分的需求，同時(shí)帶動養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移吸收，增加甘薯地上、地下生物量，促進(jìn)了甘薯塊根的生長。本試驗(yàn)中，全生物降解地膜成本高于聚乙烯地膜，但全生物降解透明地膜的投入產(chǎn)出比最低，經(jīng)濟(jì)效益高于其余2 種地膜覆蓋處理。