完全生物降解地膜覆蓋對膜下滴灌棉花土壤溫度及水分的影響

鄔 強，鄭旭榮，王振華，張金珠，李文昊

(1. 石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2. 現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

新疆位于西北干旱區，地膜覆蓋對土壤具有明顯的保濕保溫的作用，并且可以有效地治理雜草，從而促進農作物增產[1,2]。自從20世紀90年代新疆引入膜下滴灌技術，地膜帶來“白色革命”，極大提高新疆農業經濟發展。目前膜下滴灌廣泛應用于棉花、番茄、玉米等種植，極大提高了當地居民收入[3]。由于普通塑料地膜更好的經濟性，使得新疆普遍采用不可降解的普通塑料地膜，這種地膜主要成分為聚乙烯或聚氯乙烯，都具有極高的穩定性，降解速度非常緩慢，據估計降解需要100年的時間[4]。長期膜下滴灌使大量地膜碎片殘存在土壤中，形成不同程度不同層次的隔層，影響土壤的透氣性，阻礙根對養分和水分的吸收。新疆未采取有效的殘膜回收技術，尤其是超薄地膜的使用，這種地膜相對容易破碎，薄膜碎片殘存于地下30 cm以內并逐年遞增，使土壤容重減小，破壞土壤團粒結構。若任其發展勢必會造成農作物減產并且導致嚴重土壤污染[5]。因此，發展適應于新疆特殊氣候條件下的可降解地膜已經成為解決土壤殘膜污染的重要方法[6]。

20世紀70年代，歐美科學家首先提出降解塑料的概念，1973年英國科學家格里芬提出生物降解的概念，Otey 等將其進一步發展，提出“雙降解”的概念，隨之產生了光生物雙降解地膜[7,8]。中國在20世紀90年代降解塑料成為研究熱點，不斷有新型可降解地膜產生。隨著可降解地膜生產技術日漸成熟，降解地膜的研究也進入田間試驗示范階段[9]。李仙岳[10]等研究了不同厚度生物降解膜在葵花方面的應用，得出生物降解膜覆蓋與普通塑料地膜具有相似的應用效果，劉群[11]等研究了生物降解膜在玉米種植的應用，前期效果與普通塑料地膜相似，由于后期降解膜的降解，保溫保墑效果降低。申麗霞[12]等研究了生物降解地膜在玉米上的應用，也得出生物降解膜和普通塑料地膜具有類似的應用效果。前人的研究主要集中在研究降解膜在玉米、葵花等上的應用，多數位于內地，然而很少研究完全生物降解膜在新疆地區膜下滴灌的應用。筆者針對新疆特殊氣候條件，研究兩種不同厚度生物降解地膜在膜下滴灌棉花上的大田應用，針對完全生物降解地膜對土壤溫度和水分的影響進行研究，為生產中使用完全生物降解膜代替普通塑料地膜提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年4月至11月在石河子大學節水灌溉試驗站(85°59′47″E，44°19′28″N海拔412 m)進行，試驗站位于新疆石河子市西郊石河子大學農試場二連，平均地面坡度6‰，年平均日照時數達2 865 h，≥10 ℃積溫為3 463.5 ℃，無霜期170 d，多年平均降雨量207 mm，平均蒸發量1 660 mm，地下水埋深大于10 m，土壤質地為中壤土，0～100 cm層的平均體積質量及田間持水率(質量含水率)分別為1.60 g/cm3和18.65%。

1.2 試驗設計

采用小區試驗，設置普通塑料地膜(PE)、A型完全生物降解地膜厚0.010 mm(BD1)、B型完全生物降解地膜厚0.012 mm(BD2)以及無膜(CK)4個處理，各處理3次重復，隨機排列組合，每個小區面積為108 m2(18 m×6 m)。膜下滴灌棉田棉花種植模式為1膜2帶4行，平均株距11 cm，理論留苗密度250 000株/hm2。4月21日播種(干播濕出)，5月5日出全苗，5月16日定苗，9月10日開始采摘。全生育期共施肥量832 kg/hm2(尿素和磷酸鉀銨按照2∶1的比例進行滴灌隨水追施)，噴縮節安化控4次。灌溉水源為當地深層地下水，礦化度低于0.3 g/L，所有處理灌水量相同，為4 500 m3/hm2，灌溉方式為膜下有壓滴灌。其他種植管理方式與大田生產相同。

試驗用完全生物降解地膜為金發科技股份有限公司生產，膜寬都是80 cm，膜厚分別為0.010和0.012 mm；主要成分是己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)這種地膜由自然界存在的微生物如細菌、霉菌(真菌)和藻類的作用而引起降解(無需人工添加劑)，降解后產生天然物質，如水、二氧化碳和生物質。供試驗棉花品種為新陸早21號，適合新疆自然生態特點和“矮密早”栽培模式要求，具有良好的穩定性和適應性；聚乙烯普通塑料地膜由新疆天業股份有限公司生產，膜厚0.008 mm；單翼迷宮式滴灌帶由新疆天業股份有限公司生產，滴頭間距30 cm，滴頭設計流量2.6 L/h。

1.3 測定項目和方法

1.3.1土壤溫度

采用曲管地溫計對不同處理的土壤溫度進行觀測，分別觀測地下5、10、15、20 cm處的溫度，第一個月測定時間為08∶00至20∶00每隔兩個小時觀測一次，從覆蓋當天起每隔5d測定一次，之后測定時間為08∶00，14∶00，20∶00三個時間點，每隔7 d測定一次。

1.3.2土壤水分

采用取土烘干法測定質量含水率，水平方向分別在滴灌帶下、窄行和寬行中間測定，垂直方向則每隔10 cm取一個樣取至1 m。測定時間為棉花播種第2天，然后每個10 d測定一次，含水量采用申孝軍方法進行加權平均計算，根據不同深度土壤容重換算成土壤儲水量。

1.3.3氣象數據

在距試驗地300 m處設自動氣象站，每隔30 s測量一次，記錄降水、氣溫、濕度、太陽輻射、大氣壓等氣象指標。

1.4 數據分析

所有數據采用Microsoft Excel 2007進行處理及繪圖。使用Microsoft Excel 2007在P<0.05下進行方差分析。

圖1 棉花生育期氣溫和降雨

2 試驗結果分析

2.1 不同覆蓋處理對土壤溫度的影響

2.1.1土壤溫度的日變化

圖1表示棉花生育期內的氣溫和降雨，氣溫為每十日平均值。圖 2 表示5月7(播種后15天)日不同覆膜處理不同深度土壤地溫的日變化。從圖2中可以看出土壤溫度隨著時間推移逐漸升高，其中5到10 cm處溫度達到最大值后又逐漸降低。地下5 cm處16∶00(北京時間，下同)溫度較8∶00時刻地溫提高平均108.3%，但在20∶00時刻地溫又出現降低，降幅達到33.6%，并且在地下10 cm處出現了相似的規律，但溫度的增幅和降幅分別為76.7% 和15%，地下10 cm處溫度的波動幅度明顯與地下5 cm較小。地下15和20 cm處土壤溫度的變化較上層土壤明顯趨于平穩。地下15 cm和地下20 cm處的地溫增幅(8∶00與16∶00相比)分別為39.2%和17.7%，并且在16∶00至20∶00的這個時段內，并未出現降低反而出現了增長。可以看出5和10 cm處地溫最高值出現在16∶00，15 cm深度地溫最高值出現在18∶00，20 cm深度地溫極值出現在20∶00，總體上地溫極值隨著深度的增加出現了滯后現象。兩種完全生物降解地膜和普通地膜的地溫高于裸地，地下5 cm處BD1、BD2、普通塑料地膜覆蓋(厚度分別為0.010、0.012和0.008 mm)較無覆蓋地溫提升8.1%、6.9%和14.8%。普通塑料地膜對于地溫的提高作用最強，BD1增溫作用強于BD2但之間沒有顯著性差異(P<0.05)。地下10和15 cm處地溫與地下5 cm處地溫具有相似的規律，但在地下20 cm處覆膜處里與不覆膜沒有顯著性差異(P<0.05)。由此可以看出地膜覆蓋的增溫效應主要集中在地表至地下15 cm深度內。完全生物降解地膜與普通塑料地膜具有相似的增溫作用，從地膜的增溫方面看可以代替普通塑料地膜使用。

2.1.2土壤溫度的周變化

圖3表示不同覆膜處理5和10 cm 深度土壤溫度的周變化，分別為一天中不同時刻5和10 cm處土壤溫度的平均值。地膜覆蓋主要對地表至地下15 cm內土壤溫度產生影響(圖2)。因此主要研究地下5和10 cm處地溫的周變化。從圖3可以看出土壤溫度在播種后35天內波動較大，最高與最低土壤溫度相差15.1 ℃，這主要是由于較大的氣象變化引起地溫的波動(圖1)，并且棉花植被覆蓋較小氣象因素是主要的影響因素。之后氣溫穩中有升，地溫則相應升高則得以印證。在播種后65 d內，地下5 cm處覆蓋BD1、BD2和LPE與無覆蓋(CK)相比溫度提高了2.3、2.1和3.5 ℃。覆蓋完全生物降解地膜可以顯著地提高土壤溫度，與之相比普通塑料地膜的增溫效應更加明顯(增長57.1%)。地下10 cm具有相似的作用，與對照相比BD1、BD2和LPE提高0.9、0.8和2.1 ℃，但增溫作用與地下5 cm相比明顯降低。播種65 d后3種覆膜處理5和10 cm深度土壤溫度都較為接近但比無覆蓋高，這是由于隨棉花生長，植被覆蓋成為影響土壤溫度的主要因素，地膜的保溫作用逐漸消失；而在前期氣象因素是影響地溫的主要因素，地膜的保溫作用影響顯著。本試驗所采用完全生物降解地膜在播種后65 d內均未出現破壞性降解，具有和普通塑料地膜相似的保溫作用，從地膜的降解性能來說，在棉花前期未出現大面積降解，完全滿足棉花生長對溫度的要求，可以代替普通塑料地膜的使用。

圖2 不同覆膜處理下5～20 cm 深度處的土壤溫度日變化

圖3 不同覆膜處理下5和10 cm 深度處的土壤溫度周變化

2.2 不同覆蓋處理對土壤水分的影響

圖4表示的是不同覆蓋處理下土壤水分隨時間的變化。土壤水分在播種后第2 d不同地下深度的土壤水分基本一致。在地下0～10 cm處，土壤水分波動較大，完全生物降解地膜和普通塑料地膜的土壤水分沒有明顯差異(P<0.05)，但均高于裸地。說明完全生物地膜與普通塑料地膜具有相同的保墑效果。土壤水分在播種后45 d內一直降低是由于，新疆膜下滴灌棉花在苗期和吐絮期內不進行灌溉。地下10～50 cm處，完全生物降解地膜和普通塑料地膜土壤水分無顯著差異(P<0.05)，但均多于無覆蓋土壤水分，這是由于植物根系較短以及覆膜阻礙深層土壤水分的蒸發，使得地下10～50 cm處土壤水分波動較小，覆膜的保墑效果得以體現。但是，在地下50～100 cm處，土壤水分隨時間增長波動較小，4種處理的土壤水分互有高低，差異性不明顯，這是由于蒸發作用主要影響地表至地下50 cm處土壤水分，覆膜并不能對這一范圍內的土壤水分產生影響。由此說明完全生物降解膜和普通塑料地膜在保持水分上具有相似的作用，并且能在土壤0～50 cm處產生影響，因此從保墑的方面來說，完全生物降解膜可以取代普通塑料地膜。

圖4 不同覆蓋處理下0～10,10～50,50～100 cm深度處土壤水分變化

3 討 論

使用生物降解地膜代替普通塑料地膜可應用與農業生產中，因為二者在保持土壤水分和提高土壤溫度具有相似的作用[12]。蘭印超[13]等的研究表明可降解地膜覆蓋能夠提高地下5～20 cm的土壤溫度以及地表至40 cm處的土壤水分。張永明[14]等研究表明，地膜覆蓋可以明顯提高地下5～15 cm處的地溫，在沒有降解時與普通地膜相比具有相近的保溫作用。王星[15]等的研究表明，可降解地膜與普通塑料地膜具有相近的作用。王鑫[16]等研究表明，在玉米生長前期，可降解地膜的保水保墑作用顯著。在本研究中，完全生物可降解地膜為保證足夠的韌性和強度，滿足新疆地區大面積機械作業要求，使用的地膜厚度較厚，與上述專家使用的降解地膜相比較厚。在地溫的日變化以及周變化中，完全生物可降解地膜均較普通塑料地膜的保溫效果差，這是由于特殊的材料和膜厚造成，但作用僅僅在地下5 cm處較為明顯。膜厚度的增加使得降解速度減慢，因此完全生物降解地膜前期的保水效果與普通塑料地膜相近，在棉花灌水階段內(蕾期和花鈴期)地膜對對土壤水分的影響很小，這是由于高頻率灌水造成的，而此時也是完全生物降解地膜快速降解階段。因此從對于棉花生長至關重要的水和溫兩方面來說，完全生物降解地膜完全可以代替普通塑料地膜進行推廣應用。

4 結 語

2015年分別對膜下滴灌棉花，設置覆蓋不同厚度完全生物降解地膜、普通塑料地膜和不覆膜處理，觀測棉田土壤溫度和土壤水分，通過試驗得出如下結論：在棉花生育前期，覆蓋生物降解地膜與普通塑料地膜可明顯提高0～15 cm內土壤溫度和0～50 cm內水分，普通塑料地膜和生物降解地膜有相似的保溫保墑效果。隨著棉花的生長以及降解膜的 降解作用，生物降解地膜的保溫保墑效果會越來越差，但此時處于棉花生育后期地膜的影響越來越小。綜合考慮，生物可降解膜可替代普通塑料地膜，本研究對于生物可降解地膜的推廣提供理論支持。

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