降解地膜在春植甘蔗上的應(yīng)用效果研究

唐國(guó)磊，代光偉，馮璐，陳國(guó)偉，李曉富，浦明，李如丹

（1云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn) 661699；2臨滄南華糖業(yè)有限公司，云南臨滄 677000；3耿馬南華糖業(yè)有限公司，云南耿馬 677500）

0 引言

甘蔗是全球最為重要的糖料作物，中國(guó)是全球主要甘蔗種植國(guó)和產(chǎn)糖國(guó)[1-2]。廣西、云南、廣東等南方熱帶亞熱帶地區(qū)是中國(guó)糖料蔗主產(chǎn)區(qū)。國(guó)內(nèi)甘蔗85%分布在保水較差的旱地[3-4]。地膜覆蓋具有明顯的保水保溫效果，能有效提高作物產(chǎn)量和水分利用率[5-6]，甘蔗全膜覆蓋栽培技術(shù)保水保溫效果良好，甘蔗出苗率和單位面積產(chǎn)量顯著提高[7]，地膜覆蓋栽培成為蔗區(qū)大面積推廣的抗旱高產(chǎn)栽培技術(shù)。國(guó)內(nèi)蔗區(qū)推廣的全膜覆蓋栽培技術(shù)地膜使用量105～150 kg/hm2，由于勞動(dòng)力短缺，殘留地膜不能得到及時(shí)回收，地膜殘留對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成的破壞日趨嚴(yán)重，并影響作物根系發(fā)育[8-9]，同時(shí)殘留地膜纏繞甘蔗收割機(jī)刀片降低甘蔗機(jī)械收獲效率，因此甘蔗種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到殘留地膜的嚴(yán)重威脅。通過地膜新材料的應(yīng)用降低塑料地膜的殘留污染[10]，關(guān)系到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[11]，降解地膜具備塑料地膜的使用效果[12]，使用后分解為CO2和H2O[13-14]，能有效降低地膜使用后對(duì)土壤的污染。降解地膜主要分為生物降解地膜、光降解地膜、混合型的光-生降解地膜。以PBAT 為原料的生物降解地膜降解徹底，但水蒸氣透過率高導(dǎo)致保水保溫效果差，且使用成本較高；光降解地膜成本較低，但地膜降解容易受光照強(qiáng)度、土壤類型的影響，穩(wěn)定性較差[15]；光-生降解地膜性能介于兩者之間。甘蔗種植主要分為秋植、冬植和春植。其中秋、冬植要求地膜覆蓋時(shí)間達(dá)150 d左右，春植甘蔗有效覆蓋時(shí)間50～70 d即可。現(xiàn)有降解地膜難以滿足秋、冬植甘蔗的覆蓋時(shí)間要求，但有可能滿足春植甘蔗栽培的覆蓋時(shí)間要求。本研究采用國(guó)內(nèi)技術(shù)較為成熟的4 種降解地膜在春植甘蔗上進(jìn)行覆蓋試驗(yàn)，旨在篩選滿足春植甘蔗出苗要求、不影響甘蔗后期產(chǎn)量和糖分、降解徹底的降解地膜，降低甘蔗地膜覆蓋栽培對(duì)土壤造成的污染。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南省臨滄市耿馬縣耿馬鎮(zhèn)弄巴村（東經(jīng)99°46′、北緯23°55′，海拔1096 m），年平均氣溫19.2℃，年降雨量1303.6 mm。試驗(yàn)地土壤類型為紅壤，土壤容重1.16 g/cm3、pH 5.11、有機(jī)質(zhì)21.09 g/kg、全氮0.133%、全磷2.11%、全鉀0.071%、堿解氮114.91 mg/kg、有效磷35.41 mg/kg、速效鉀158.19 mg/kg。

1.2 供試材料

甘蔗品種為‘粵糖93-159’(‘YT93-159’)。

試驗(yàn)地膜包括降解1號(hào)、降解2號(hào)、降解3號(hào)、降解4 號(hào)、聚乙烯地膜。降解1 號(hào)為全生物降解地膜，主要成分PBAT，由廣東金發(fā)科技有限公司生產(chǎn)；降解2號(hào)、降解3 號(hào)為雙氧生物降解膜，由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所研發(fā)（配方有差異）；降解4號(hào)為光降解膜，主要成分聚乙烯和光敏劑，由山東濟(jì)寧中藝橡塑公司生產(chǎn)；普通聚乙烯塑料地膜由云南玉溪旭日塑料有限公司生產(chǎn)。5種試驗(yàn)用地膜寬度150 cm，厚度0.012 mm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，5 個(gè)處理（5 種試驗(yàn)地膜），每個(gè)處理4次重復(fù)，共20個(gè)試驗(yàn)小區(qū)；每個(gè)小區(qū)4行，行距120 cm，行長(zhǎng)10 m，小區(qū)面積48 m2。

2021 年3 月5 日下種。采用甘蔗種植機(jī)實(shí)施開溝、下種、施肥、施藥和蓋土一體化作業(yè)。種植溝行距120 cm，溝深30～35 cm，溝底寬20～25 cm。以甘蔗配方復(fù)合肥(N:P2O5:K2O=26:12:7)為底肥施用量1200 kg/km2，殺丹·噻蟲嗪45 kg/km2，甘蔗下芽量97500 芽/km2，下種后蓋土厚度8～10 cm，蓋土后每公頃將自來(lái)水150 t與黃腐酸鉀干粉600 kg 混合成液態(tài)肥后進(jìn)行溝灌（2021年3月7日）。2021年3月8日將5種試驗(yàn)地膜對(duì)新植甘蔗進(jìn)行全膜覆蓋。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 甘蔗苗期及成熟期田間調(diào)查在甘蔗地膜覆蓋后40、120 d 選每個(gè)小區(qū)具有代表性的1 行，對(duì)甘蔗出苗量進(jìn)行調(diào)查，小區(qū)調(diào)查面積12 m2。

在甘蔗成熟期（2021 年12 月26 日），每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選具有代表性的1 行(12 m2)，調(diào)查甘蔗株高、莖徑、有效莖、錘度、蔗莖實(shí)產(chǎn)。錘度取5 株觀測(cè)值的平均值，株高、莖徑調(diào)查小區(qū)內(nèi)具有代表性的10 株甘蔗取平均值，有效莖為小區(qū)具有代表性1行(12 m2)的數(shù)量，蔗莖產(chǎn)量為小區(qū)內(nèi)具代表性1行(12 m2)的實(shí)產(chǎn)。

1.4.2 地膜降解特性調(diào)查在甘蔗地膜覆蓋后40、60、80、100、120 d 對(duì)地膜的降解特性進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)小區(qū)調(diào)查1 m2。降解分為4 個(gè)階段：（1）誘導(dǎo)期，壟面地膜出現(xiàn)≤5 cm 裂縫或破口的時(shí)間；（2）破裂期，地表地膜出現(xiàn)＞5 cm、≤20 cm裂縫或破口的時(shí)間；（3）崩裂期，地表地膜出現(xiàn)＞20 cm自然裂縫的時(shí)間；（4）無(wú)膜期，地膜失去覆蓋作用，碎裂成大小不一的片狀[16]。

1.4.3 土壤水分和溫度測(cè)定分別在甘蔗種植覆膜后40、60、80、100、120 d 檢測(cè)土壤水分、溫度。取種植溝0～20 cm土層約20 g新鮮土樣裝入已知質(zhì)量鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室，用精度為0.01 g的分析天平稱重。揭開盒蓋，在(105±2)℃烘箱內(nèi)將土樣烘烤12 h 后測(cè)定土壤水分[17]；將彎曲溫度計(jì)插入20 cm 土層，于上午10:00—11:00進(jìn)行土壤溫度測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用IBM SPSS Statistic 26軟件進(jìn)行方差分析，采用Excel制作表格。

2 結(jié)果與分析

2.1 降解地膜田間降解比較

由表1可知，地膜覆蓋40 d，降解地膜和聚乙烯塑料地膜均保持完好的覆蓋。覆蓋60 d，以PBAT 為原料的降解1 號(hào)地膜進(jìn)入降解誘導(dǎo)期，而其余處理地膜均保持有效覆蓋。覆蓋80 d，降解1號(hào)發(fā)生破口，并逐步脆化，抗拉力強(qiáng)度明顯變?nèi)酰M(jìn)入破裂期；降解地膜2 號(hào)、3 號(hào)出現(xiàn)破口進(jìn)入誘導(dǎo)期，但保持了相對(duì)完好的覆蓋。覆蓋100 d，降解地膜1 號(hào)發(fā)生大面積破損，進(jìn)入崩裂期，完全失去了保水保溫效果；降解2號(hào)、3號(hào)進(jìn)入破裂期；而降解4 號(hào)開始進(jìn)入誘導(dǎo)期。覆蓋120 d，降解1號(hào)進(jìn)入無(wú)膜期；降解2號(hào)、3號(hào)降解速度加快，地膜明顯脆化，抗拉力變?nèi)?；降? 號(hào)處理進(jìn)入破裂期。聚乙烯塑料地膜覆蓋120 d內(nèi)始終保持完好的覆蓋。

表1 降解地膜田間降解情況

2.2 土壤水分含量變化分析

由表2可知，地膜覆蓋40 d，由于地膜均處于有效覆蓋期，各處理之間土壤水分含量差異不顯著(P＜0.05)。地膜覆蓋60 d，降解1 號(hào)處理土壤水分含量顯著低于其他4個(gè)處理。地膜覆蓋80 d，5個(gè)處理土壤水分含量均高于覆蓋60 d。地膜覆蓋100 d，降解1號(hào)、降解2號(hào)、降解3號(hào)土壤水分含量高于降解4號(hào)和聚乙烯膜覆蓋處理(P＜0.05)。地膜覆蓋120 d，降解1號(hào)、降解2 號(hào)土壤水分含量與降解3 號(hào)、降解4 號(hào)、聚乙烯膜差異顯著(P＜0.05)。

表2 土壤水分含量比較%

2.3 土壤溫度變化分析

由表3可知，降解1號(hào)覆蓋40 d處理地溫低于其他處理。地膜覆蓋60 d，各處理地溫均高于覆蓋40 d 處理，各處理間差異不顯著(P＜0.05)。地膜覆蓋80 d，降解1號(hào)覆蓋處理地溫最低，地溫表現(xiàn)為降解4號(hào)＞聚乙烯膜＞降解3號(hào)＞降解2號(hào)＞降解1號(hào)。地膜覆蓋100 d，聚乙烯膜覆蓋地溫高于其他處理(P＜0.05)。地膜覆蓋120 d，聚乙烯地膜覆蓋處理的地溫顯著高于其他處理(P＜0.05)。

表3 土壤溫度變化比較℃

2.4 覆蓋降解地膜對(duì)甘蔗出苗的影響

由表4 可知，地膜覆蓋40 d，降解1 號(hào)處理甘蔗出苗量最少；降解2號(hào)覆蓋甘蔗出苗量最多，各處理差異顯著(P＜0.05)。地膜覆蓋120 d，各處理的出苗量差異變小，甘蔗出苗量降解3號(hào)＞降解2號(hào)＞降解1號(hào)＞聚乙烯膜＞降解4號(hào)，但各處理間差異不顯著(P＜0.05)，表明4種降解地膜覆蓋不影響甘蔗的出苗。

表4 甘蔗出苗量比較株/hm2

2.5 覆蓋降解地膜對(duì)甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)影響比較

由表5可知，降解1號(hào)覆蓋甘蔗株高值最小，但各處理差異不顯著(P＜0.05)。降解4 號(hào)處理的甘蔗莖徑值最大，覆蓋聚乙烯塑料膜的處理甘蔗莖徑最小，且各處理差異顯著。降解2 號(hào)處理的甘蔗有效莖最多，降解1號(hào)覆蓋處理有效莖最少，但各處理差異不顯著(P＜0.05)。錘度(Brix)是甘蔗含糖量的重要指標(biāo)，錘度越高，糖分越高，降解2號(hào)、3號(hào)覆蓋甘蔗錘度高于其他處理(P＜0.05)，降解2 號(hào)、降解3 號(hào)錘度高于其他處理。降解2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)處理的甘蔗產(chǎn)量均高于聚乙烯地膜處理，僅有降解1 號(hào)覆蓋的處理甘蔗產(chǎn)量低于聚乙烯地膜覆蓋的處理，但各處理差異不顯著(P＜0.05)。

表5 甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)比較

3 結(jié)論

（1）以PBAT 為主原料的降解膜覆蓋60 d 進(jìn)入降解誘導(dǎo)期。雙氧生物降解膜覆蓋80 d進(jìn)入誘導(dǎo)期，降解時(shí)間更符合甘蔗生長(zhǎng)要求。光降解地膜覆蓋100 d進(jìn)入誘導(dǎo)期，降解效果較差。

（2）降解2號(hào)、降解3號(hào)覆蓋誘導(dǎo)為期80 d，不影響春植甘蔗出苗，在誘導(dǎo)期內(nèi)保水性能與聚乙烯膜無(wú)差異，甘蔗出苗量?jī)?yōu)于其他處理；但降解2號(hào)覆蓋后甘蔗糖分和產(chǎn)量綜合效果最優(yōu)。因此降解2號(hào)可以擴(kuò)大應(yīng)用面積。

4 討論

國(guó)內(nèi)蔗區(qū)春植甘蔗容易受到干旱的脅迫，降解地膜覆蓋栽培既可起到聚乙烯地膜的保水功能，同時(shí)具備環(huán)保和節(jié)約勞動(dòng)力成本的作用。甘蔗生長(zhǎng)周期為8個(gè)月以上，地膜有效覆蓋時(shí)間需要70 d以上才能滿足甘蔗出苗的要求。本研究中生物降解地膜降解1 號(hào)(PBAT)有效覆蓋時(shí)間為40 d，有大量研究表明PBAT降解誘導(dǎo)期最短[16,18]，目前PBAT降解地膜還難以滿足甘蔗出苗的時(shí)間要求。本研究中的降解2號(hào)、降解3號(hào)地膜有效覆蓋時(shí)間60～80 d，能有效滿足甘蔗生產(chǎn)實(shí)際需求。

降解2號(hào)、降解3號(hào)覆蓋后，隨著地膜的逐步降解，降解地膜逐漸喪失保水功能，但土壤水分并沒有明顯低于聚乙烯塑料地膜覆蓋的處理。其主要原因是在蔗區(qū)最缺水的季節(jié)（3—4 月）地膜能形成有效的覆蓋，5—6 月云南蔗區(qū)進(jìn)入雨季[19-20]，地膜降解反而有利于雨水滲入到土壤，維持了土壤較高的含水量。

有研究發(fā)現(xiàn)，在降解地膜的降解誘導(dǎo)期，土壤水分會(huì)略低于聚乙烯地膜覆蓋[21-22]，其主要原因?yàn)镻BAT降解材料對(duì)水蒸氣阻隔性能弱于聚乙烯地膜[23]。降解1號(hào)由于使用的材料PBAT 孔隙較多，影響了自身的保水功能[24]，地膜覆蓋后，由于生物降解孔隙多、透氣性強(qiáng)導(dǎo)致土壤溫度低于聚乙烯地膜[25-27]。對(duì)甘蔗前期的出苗造成一定的影響。地膜覆蓋保水增溫效果明顯，聚乙烯膜覆蓋處理的地溫最高[28]，在水分適宜條件下，地溫在10～30℃范圍，甘蔗出苗速度隨地溫升高而加快。降解1號(hào)誘導(dǎo)期短，導(dǎo)致前期甘蔗出苗遲緩。地膜覆蓋120 d后各處理出苗量差異縮小，降解2號(hào)、降解3號(hào)出苗量?jī)?yōu)于其他處理，表明只要降解地膜有效覆蓋時(shí)間滿足甘蔗出苗時(shí)間的要求就不影響甘蔗出苗。

甘蔗成熟期，降解2號(hào)、降解3號(hào)覆蓋栽培的處理甘蔗糖分（錘度）高于其他處理，降解地膜覆蓋并沒有影響甘蔗的糖分品質(zhì)，與楊友軍[29]在廣東湛江的研究結(jié)果一致。覆蓋降解地膜后甘蔗株高低于聚乙烯膜覆蓋的處理，但甘蔗莖徑高于聚乙烯膜覆蓋的處理，其原因還需要進(jìn)一步研究分析。從甘蔗產(chǎn)量分析，覆蓋降解膜1 號(hào)的處理甘蔗產(chǎn)量最低，但各處理間差異并不顯著。