PBAT生物降解膜覆蓋對綠洲滴灌棉花土壤水熱及產量的影響

鄔 強，王振華，鄭旭榮，張金珠，李文昊（1. 石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832000；2. 石河子大學現代節水灌溉兵團重點實驗室，石河子 832000）

PBAT生物降解膜覆蓋對綠洲滴灌棉花土壤水熱及產量的影響

鄔 強，王振華※，鄭旭榮，張金珠，李文昊
（1. 石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832000；2. 石河子大學現代節水灌溉兵團重點實驗室，石河子 832000）

為應對農田殘膜污染，探明基于聚己二酸丁二醇酯-對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）材料的完全生物降解地膜代替普通塑料地膜與滴灌結合在棉花滴灌上應用效果，于2015—2016年在新疆石河子大學節水灌溉試驗站，分別設置4種不同厚度和降解誘導期生物降解地膜和普通塑料地膜共5種不同處理，研究不同覆蓋對滴灌棉花土壤溫度、水分及產量的影響，并對可降解膜降解性能和經濟效益對比分析。2 a試驗結果表明，覆膜60～80 d開始出現降解，至覆蓋180 d后出現均勻細紋并未完全降解，0.012 mm可降解地膜覆膜180 d僅僅出現裂紋，降解速度較慢。0.010 mm和0.012 mm厚完全生物可降解地膜處理棉花苗期土壤0～25 cm平均溫度較對照分別低0.94 ℃和1.34 ℃（P＜0.05)，但隨著作物生長兩者差異逐漸減小。4種類型可降解膜覆蓋在棉花生長前期均能提高土壤土壤水分，但隨地膜降解和棉花生長后期則顯著降低，與普通塑料地膜相比土壤水分顯著降低1%～3%。總體而言，覆蓋完全生物可降解地膜處理2 a平均產量較CK減少2%～3%，水分利用效率減少4%左右（P＜0.05），凈收入少1 858.5元/hm2（10.2%），4種類型可降解地膜產投比相比，厚度較薄0.010 mm處理應用經濟效果較好。可見，目前全生物降解地膜若要代替普通地膜，解決殘膜污染，仍需進行較大的改善。

土壤水分；溫度；棉花；產量；水分利用效率；完全生物降解地膜；膜下滴灌；綠洲灌區

0 引 言

覆膜種植可以改善土壤水熱效應、抑鹽控草和增加經濟效益[1-2]。截止2016年全國覆膜種植面積超過2 000萬hm2，其中新疆地區膜下滴灌棉花面積超過200萬hm2，棉花產量居全國第一[3-4]。目前廣泛使用地膜為厚度在0.006～0.008 mm超薄聚乙烯地膜，作物收獲后地膜不易回收而聚乙烯地膜降解周期超過200 a，土壤耕作層殘膜不斷累積。嚴昌榮等[5]指出連續10 a膜下滴灌棉田殘膜為（259±36.78）kg/hm2；殘膜影響根對水肥吸收、改變土壤結構、降低出苗率和作物產量[6-8]。畢繼業等[9]研究指出覆膜36 a后殘膜造成作物減產率將大于地膜覆蓋技術引起的農作物增產率，殘膜負效應再持續16 a則完全抵消地膜覆蓋的增產效應，在現有地膜回收技術下，覆膜種植是不經濟的并且可對生態環境造成不可逆影響[10]。

可降解地膜的出現成為解決殘膜問題的一條有效途徑[11]。趙巖等[4]認為可降解地膜最終會代替普通不可降解地膜，但目前可降解地膜和普通塑料地膜會長期共存。目前研究應用的可降解地膜主要有光解膜、生物/光降解地膜和生物降解地膜3種類型，光降解地膜最早進行研究應用[12-13]，由于覆土后光降解便停止，并且不能夠完全降解；之后光/生物可降解膜研究較多[14]，但是這種類型無論生產成本還是應用性能均較差；生物降解地膜成為替代普通塑料地膜的理想選擇[15]。生物可降解地膜分為完全生物降解膜和添加型可生物降解膜[16]，由于淀粉較為廉價和可再生性，淀粉基可生物降解地膜目前研究較多[17-18]，雖然淀粉具有很好降解性但親水性強，吸水后力學性能顯著下降，降解時間不易控制。而聚酯類完全生物可降解膜能夠被完全分解成為CO2和H2O，且生產工藝簡單，地膜穩定性強，具有廣闊研究和應用價值[19-20]。但是對這種類型降解地膜的研究多集中在試驗開發與研制，雖然柴建軍[21]進行了田間應用，但并未深入研究這種聚酯類完全生物降解地膜應用后的水熱效應、降解特性、產量和經濟效益。另外，目前很多研究表明可降解地膜與塑料地膜具有類似的增溫保濕和增產作用能夠代替普通塑料地膜[22]，并且對不同厚度和不同材料可降解地膜也進行詳細研究[23]，但是可降解地膜在強烈蒸發、稀缺降雨和強紫外線環境的新疆地區應用研究很少。袁海濤等[24-25]研究了添加氧化劑的氧化-生物雙降解膜在新疆區對滴灌棉花生長和產量的影響，但并未指出可降解覆蓋下水分利用效率和經濟效益。并且現有可降解地膜研究多數并非針對膜下滴灌棉花應用且所研究地膜材料不論從厚度和降解誘導期來說均不能在新疆應用。2014年新疆推廣應用可降解地膜3 720 hm2，未來其應用面積會持續增加，但在并未深入揭示新疆地區可降解地膜應用對土壤水熱效應及覆膜經濟效益和生態效益影響下，僅是依靠行政推廣和政府補貼并不能有效推廣可降解地膜代替普通塑料地膜在新疆地區的應用，反而會造成社會資源的浪費。因此，亟需選擇適宜于新疆膜下滴灌應用可降解地膜，并深入揭示膜的土壤水熱效應、降解特征及其對作物產量和經濟效益的影響。

目前對于可降解地膜研究雖多，但是所研究材料類型繁雜，可降解地膜的開發與應用研究脫節，應用研究滯后于研發，導致可降解膜類型多但能夠生產應用很少，其生產應用相關行業規范及生產工藝更無從制定，影響可降解地膜推廣，并且從農業水土方向對可降解地膜的應用研究又模糊所選材料的類型，不利于為研發提供一手資料。本研究基于不同厚度和降解誘導期的第3代可降解地膜（PBAT材料）（前2代分別為光降解和光/生物雙降解，多數類型地膜不能完全降解），研究覆膜后地膜的降解性能、水熱效應和經濟效應。根據已有研究，結合新疆特殊氣候條件和膜下滴灌棉花特點，通過連續2 a定位試驗對不同厚度和不同降解誘導期完全生物降解覆蓋下水溫效應、降解特征、棉花產量及經濟效益進行研究，評估聚酯類完全生物可降解地膜代替普通塑料地膜在新疆綠洲灌區應用前景，篩選適合綠洲灌區應用完全生物降解類型，為進一步推廣應用可降解地膜提供科學理論指導，以期解決殘膜污染問題，保障綠洲區農業生態和經濟可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年4月—2016年10月在新疆石河子大學現代節水灌溉兵團重點實驗室（85°59′E、44°19′N）進行。該區海拔451 m，年均日照數2865 h，＞10 ℃ 積溫3 463.5 ℃，＞15 ℃積溫2 960.1 ℃，無霜期170 d左右，試驗地2015—2016年棉花生育期內降雨量分別為31.7、157.4 mm，平均氣溫分別為20.3、21.2 ℃（圖1）。供試驗土壤質地為輕壤土，黏粒質量分數（粒徑＜0.01為22%），0～100 cm土壤平均容重為1.60 g/cm3，地下水埋深大于8 m, 試驗區土壤理化性狀如表1所示，試驗地從2008年開始膜下滴灌種植，前茬作物為棉花。

1.2 試驗設計

供試完全生物降解地膜由廣州金發科技股份有限公司提供，供試棉花品種為新陸早23號；聚乙烯普通塑料地膜由新疆天業公司生產；單翼迷宮式滴灌帶由新疆天業公司生產，滴頭間距30 cm，滴頭設計流量2.6 L/h。參照北疆地區種植方式，采用1膜2管4行種植模式（圖2），棉花株距10 cm，棉花種植密度25萬株/hm2。各處理地膜材料為：普通聚乙烯塑料地膜（CK，厚0.008 mm）；A型完全生物降解地膜（BD1，厚0.010 mm）主要成分PBAT設計降解誘導期45 d；覆蓋B型完全生物降解地膜（BD2，厚0.010 mm）主要成分PBAT設計降解誘導期60 d；覆蓋C型完全生物降解地膜（BD3 厚0.012 mm）主要成分PBAT降解誘導期60 d，覆蓋D型完全生物降解地膜（BD4 厚0.010 mm）主要成分PBAT設計降解誘導期45 d，A、B、C和D型完全生物可降解膜配方不同，以控制可降解膜降解速度，但均能在1～2 a內完全降解。試驗小區隨機排列，小區面積54 m2（18 m×3 m），每個處理3次重復。

圖1 2015年和2016年膜下滴灌棉花生育期間降雨和氣溫分布Fig.1 Distribution of precipitation and air temperature in growth period of cotton with mulched drip irrigation in 2015—2016

表1 試驗區土壤理化特性Table 1 Physical and chemical properties of soil in experimental plot

圖2 棉花膜下滴灌種植模式Fig.2 Planting layout of cotton with mulched drip irrigation

1.3 田間管理目

采用深層地下水灌溉，灌溉水礦化度約1.3 g/L，各個小區通過水表和球閥控制灌水量，參考當地生產實踐灌溉經驗，2015年和2016年棉花灌溉制度如表2所示，磷酸鉀銨和尿素按照1∶2的比例通過施肥罐隨水施肥，2 a施肥量均為832 kg/hm2，其中吐絮期不施肥，所有處理的化控等農藝措施與普通棉田一致。棉花播種日期2015年和2016年分別為4月27日和4月21日。

表2 棉花生育期灌溉制度Table 2 Irrigation scheduling for cotton growth stages

1.4 采樣與測定

1.4.1 地膜降解程度：覆膜后每隔10 d觀察記錄地膜降解程度。地膜降解分級指標參照楊惠娣等[26]方法，使用0～5級代表地膜降解程度，0級表示地膜完整未出現裂紋，5級則表示地膜裂解為4×4 cm2以下碎片，地表無地膜存在。

1.4.2 土壤溫度：使用曲管水銀地溫計測定棉花苗期、蕾期、花期、鈴期、吐絮期5、10、15、20及25 cm深土壤溫度，溫度計均置于棉花寬行中間（滴灌帶之間），分別記錄8:00—20:00土壤溫度，每隔2 h觀測1次，連續動態監測5 d，取其平均值作為該生育期的代表值。

1.4.3 產量及經濟效益：棉花成熟后在小區中間4行、長度5 m區域內測定棉花籽棉產量，實收計產，2015和2016年收獲日期分別為10月12和10月28日。收入為籽棉產量乘以市場價格，純收益為產量收入減去總投入，其中總投入包括化學肥料、種子、農藥、水電費、地膜、滴灌帶、拾棉費及耕作人工費 (計算價格均參照石河子地區平均水平)。

1.4.4 土壤含水率：采用取土烘干法分別測定棉花播種前、苗期、蕾期、花期、鈴期、吐絮期和收獲期滴灌帶下、寬行間和膜間0～100 cm土壤質量含水率，每10 cm取1土樣。

式中W為土壤貯水量，mm；ρ 為實測土壤容重，g/cm3； h為土層厚度，cm；ω為土壤含水率，%；根據觀測田間地下水埋深在8 m以下，地下水供給可忽略不計。

式中ET為作物耗水量，mm；Pr為作物生育期降雨量，mm；I為生育期灌水量mm；Wp和Wh分別為播前和收獲時的土壤貯水量，mm。

水分利用率（water use efficiency，WUE）為單位面積籽棉產量（Y，kg/hm2）除以作物耗水量，kg/(hm2·mm)。

1.5 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2016和SAS 8.01統計軟件處理和分析，對測定結果進行方差分析并用LSD法（least significant difference）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 棉花生育內不同處理地膜降解程度

表3表示覆蓋不同可降解地膜后隨棉花生長地膜降解程度變化。

表3 不同完全生物可降解膜處理降解程度分級Table 3 Degradation classification of different biodegradable film mulching treatments

表3表明，2015年和2016年均是覆膜60 d后出現降解，受不同年份應用環境影響，BD2處理2015年較2016年推遲20 d開始降解，但BD1、BD3和BD4處理2 a降解過程基本一致。BD1和BD4覆膜60 d出現裂縫，80 d時25%地膜出現細小裂紋，覆膜180 d后出現均勻裂紋，但地膜未完全消失，仍有大塊殘留。BD2和BD3降解過程類似，但與BD1和BD2相比無論降解速度還是降解強度均較低，BD3處理在覆膜80 d后開始出現裂縫，覆膜100 d田間25% 出現細小裂縫，覆膜140 d出現2～2.5 cm長裂縫，較厚的BD3處理降解速度慢，但同同種厚度相比，改變可降解膜配方可以增加或是減緩降解速度，BD2與同種厚度可降解地膜相比降解速度減慢。總體上可降解地膜在應用過程中實際降解誘導期大于設計誘導期。CK處理在覆膜100～180 d后出現細小裂縫，這主要由于太陽輻射、機械外力造成，屬于正常損耗，這也說明棉花生育期結束，CK地膜破損增加回收難度，4種類型可降解地膜在覆膜后60 d均能保持良好形態，之后出現不同程度降解，生育期結束繼續降解可直接耕作不必回收。

2.2 不同覆蓋處理耕層土壤溫度變化

2.2.1 不同覆蓋對棉花苗期不同深度土壤溫度影響

2015—2016年棉花苗期不同處理覆蓋土壤5～25 cm層溫度變化見表4。

表4 2015和2016年棉花苗期不同處理對不同土層土壤溫度的影響Table 4 Effect of different treatments on soil temperature in different depth at cotton seeding in 2015—2016

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05），下同。

Notes: Significant differences among treatments are indicated by lower case letters at P＜0.05, the same as below.

苗期棉花葉面積較小且苗期不灌溉，土壤溫度主要受大氣溫度和太陽輻射等狀況影響，2016年苗期土壤溫度明顯低于2015年，這是由于2016年苗期降雨多，氣溫低（圖1），苗期不同處理完全生物降解地膜保持完整形態（表3），年際內苗期地溫不同主要是由于不同處理覆蓋對太陽輻射的影響不同造成。總體而言（表4），2 a試驗結果表明CK處理覆蓋土壤＜20 cm層溫度比4種類型完全生物可降解地膜覆蓋高，具有相同厚度處理BD1、BD2和BD4覆蓋在2015年對土壤溫度影響相似，但在2016年相同厚度可降解膜則無明顯規律，這可能是由于2016年平均氣溫低于2015年，完全生物可降解地膜對低溫影響弱造成。綜合2 a 處理BD1、BD2和BD4苗期土壤5～25 cm平均溫度較CK低0.9、0.95和0.96 ℃（P＜0.05)，較厚BD3處理則較CK低1.34 ℃（P＜0.05）。其中厚度為0.010 mm和0.012 mm可降解膜平局分別降低0.94和1.34 ℃另外，不同地膜覆蓋對土壤溫度影響效果隨土壤深度增加逐漸減弱，其中BD1、BD2和BD4處理土層0～15 cm溫度高于BD3處理但低于CK處理（P＜0.05），在土層20～25 cm各處理土壤溫度無明顯規律，基本一致（變異系數＜3%）。因此，不同材料覆蓋在苗期可以改變＜15 cm土層溫度，較厚地膜覆蓋土壤溫度低于較薄地膜，完全生物可降解地膜與普通塑料地膜增溫過程相似，但溫度弱于較薄普通塑料地膜。

2.2.2 不同覆蓋對棉花不同生育期土壤溫度的影響

隨棉花生長和覆膜后完全生物可降解地膜土壤溫度動態變化如圖3。在棉花苗期至蕾期（10～45 d），棉花葉面積指數小，不同處理地膜覆蓋成為影響土壤溫度主要因素，這階段CK較完全生物降解膜保溫能力更強，其中2015年BD1、BD2、BD3和BD4較CK分別低0.4、0.42、0.82和0.41℃（P＜0.05＝，2016年則分別低1.08、1.12、1.41和1.09 ℃（P＜0.05＝。在棉花蕾期至花鈴期（45～90 d），葉面積指數迅速增加，由于灌溉土壤含水率增加，雖然完全生物可降解地膜開始出現降解，但隨棉花葉面對太陽輻射阻隔及土壤耕層含水率增加，地膜降解作用并未顯著改變土壤溫度，其中BD1、BD2、BD3和BD4處理2 a土層0～25 cm平均溫度與CK差異不顯著（P＞0.05），不同覆膜對地溫影響作用均減弱。在棉花花鈴期至吐絮期（120～180 d），這個階段由于灌溉停止和棉花葉子逐漸脫落，地膜開始出現較長裂縫但未完全消失，BD1、BD2、BD3和BD4處理2 a平均地溫 較CK并未顯著降低（P＞0.05）。因此，雖然棉花生育期較長，但覆蓋完全生物可降解地膜處理在棉花生長中后期并未因地膜降解顯著降低土壤溫度，并且不同類型完全生物可降解地膜僅在棉花苗期對土壤溫度具有顯著影響。

圖3 2015和2016年不同處理覆蓋下0～25 cm土層平均溫度隨棉花生長變化Fig.3 Change in mean soil temperature of 0-25 cm depths with cotton growing under different mulching treatments in 2015—2016

2.3 不同覆蓋下不同土層土壤水分動態變化

不同覆蓋處理不同土層土壤水分隨棉花生長而變化（圖4），棉花根系主要分布在土壤0～100 cm深度內，而覆膜后改變土壤與空氣界面，形成隔水層阻礙土壤水分無效蒸發，新疆綠洲灌區降水多以陣雨形式，加之強烈蒸發不能有效補充土壤水，因此棉花生育期內土壤水變化主要受棉花根系吸水和灌溉影響，但覆蓋不同類型可降解地膜后地膜降解改變土壤-氣邊界，與普通塑料地膜相比土壤水隨棉花生長出現差異，2015年和2016年土壤水分變化不同主要受灌溉和當年氣象影響，但總體規律基本一致。

0～20 cm土壤水分變化表明（圖4a～圖4b），由于棉花苗期不灌溉，蕾期至花鈴期少量但密集灌溉，土壤表層水分起伏主要受灌溉影響，在棉花苗期至蕾期4種可降解處理地膜形態完整與CK相比土壤水分差異不明顯（P＞0.05）。棉花鈴期后可降解地膜降解保水作用減弱但頻繁灌溉影響較大，0～20 cm平均土壤貯水量BD1、BD2、BD3和BD4處理分別較CK相比并不顯著（P＞0.05），可見雖然完全生物可降解地膜降解但對土壤水并未產生顯著影響。＞20～40 cm土壤水分動態變化表明（圖4c～圖4d），與0～20 cm層相比土壤水分干擾小更主要受根系吸水和蒸發影響，2 a平均土壤貯水量在吐絮期BD1、BD2、BD3和BD4處理覆蓋下較CK低4.53%、2.81%、1.72%和3.46%（P＜0.05），BD2和BD3處理降解程度較低，保水效果更好，可降解地膜的降解作用對這一層土壤水分產生顯著影響。＞40～100 cm土壤貯水量動態變化表明，由于各次灌溉量小，地下40 cm土層受灌溉影響小。各個覆蓋處理之間并無明顯規律，BD1、BD2、BD3、BD4處理在＞40～100 cm層2 a平均土壤貯水量與CK相比差異不顯著（P＞0.05）。可降解地膜的降解作用對于40 cm深度以下土壤水分影響弱，完全生物可降解地膜降解并未顯著影響深層土壤水分狀況。

2 a結果表明，覆蓋可降解地膜與普通塑料地膜能夠改善土壤0～40 cm土壤水分狀況，但在棉花生長后期與CK相比，可降解地膜降低土壤水分1%～3%（P＜0.05），而降解速度較慢各處理能夠增加土壤含水率，但在土壤40 cm深度以下土壤水分并不受影響。

圖4 2015和2016年棉花生育期各處理土壤水分動態變化Fig.4 Dynamic changes of soil water storage in different treatments during cotton growth stages in 2015—2016

2.4 不同覆蓋處理棉花產量、水分利用效率和經濟效益

不同覆蓋處理棉花產量和水分利用效率見表5。2016年棉花WUE高于2015年，這主要是由于2016年氣象條件不同于2015年，并且棉花產量2016年大于2015年。由于可降解地膜覆蓋一方面降低土壤溫度，另一方面降解造成土層0～40 cm水分含量不同程度下降，BD1～BD4處理2 a產量均較CK顯著降低（P＜0.05）。另外，BD3處理產量顯著低于其他覆蓋處理，這是由于苗期土壤溫度高低對棉花產量形成具有很大影響并且地溫效應不斷累積，而地膜較厚BD3處理地溫較低。各個覆蓋處理水分利用效率與2015年棉花產量規律類似，但在2016年BD1、BD2處理與CK相比無顯著性差異（P＞0.05）。總體行覆蓋完全生物可降解地膜處理2 a平均產量較CK減少2%～3%，水分利用效率減少4%左右（P＜0.05），凈收入少1 858.5元/hm2（10.2%），4種類型可降解地膜產投比相比，厚度較薄BD1、BD2和BD4處理應用經濟效果較好。

表5 2015和2016年不同處理棉花產量和水分利用效率（WUE）Table 5 Cotton yield and water use efficiency (WUE) for different treatments in 2015—2016

2 a不同覆蓋處理經濟效益見表6。可降解地膜與普通塑料地膜相比投入平均增加843元/hm2，其中主要是地膜成本高于廣泛應用普通塑料地膜，其中BD3處理高于其他處理是由于較厚地膜用量增加，投入增多，隨厚度的增加使得投入成本較對照增加4.1%左右，產投比降低5%～7%。綜合考慮不同覆膜處理投入與產出，平均覆蓋可降解地膜處理凈收入減少1 858.5元/hm2（10.2%），但完全生物可降解地膜覆蓋后可降解，不需額外人工清理及回收殘膜，雖然目前覆蓋可降解地膜使得凈收益減少，但隨著普通塑料地膜覆蓋殘膜累積造成的減產效應和人工費用增加效應顯現，加之可降解地膜規模化生產后成本顯著降低，完全生物降解地膜覆蓋棉花經濟效益會提升，可降解地膜的推廣具有廣闊的前景。4種類型可降解地膜產投比相比，厚度較薄BD1、BD2和BD4處理應用經濟效果較好。

表6 2015和2016年不同處理經濟效益分析Table 6 Economic benefit analysis for different treatments in 2015—2016

3 討 論

可降解地膜組成材料多樣，應用條件廣泛，造成降解速度出現很大差異。申麗霞等[14]應用玉米可降解地膜在覆膜30～40 d出現裂紋，至90 d后基本完全降解，趙愛琴等[23]應用可降解地膜則覆膜20 d后出現裂紋，作物成熟后無明顯膜片存在。但本試驗中完全生物可降解地膜覆膜60～80 d后出現裂紋，至180 d后地面仍有大片地膜存在，無論降解速度還是降解程度均較低，這是由于本試驗生物可降解膜地膜主要成分為聚己二酸丁二醇酯-對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT），苯二甲酸丁二醇（PET）具穩定性但可降低降解速率，Witt等[27]對PBAT生物降解性能研究發現在一定環境下其可被微生物完全降解，不會危害環境。考慮新疆棉花較長生育期和機械化作業要求，尤其春季大風、冰雹等氣象災害，可降解地膜在棉花生長前期需有較好完整性，趙巖等[4]提出棉花異纖問題，認為機采棉要求可降解地膜在收獲時不應大面積降解，而本試驗中可降解地膜在棉花收獲時降解程度僅達3～4級，適宜于新疆應用。

地膜覆蓋改變了土壤熱通量，但由于覆蓋材料的不同使得土壤溫度出現差異[28]。趙彩霞等[29]研究表明應用生物降解膜平均較普通地膜土壤溫度低2～3 ℃，李榮等[30]則發現覆蓋生物降解地膜在玉米苗期地溫較普通塑料地膜低0.4 ℃。這些本試驗研究結果相似，完全生物可降解地膜覆蓋后土壤0～15 cm土壤溫度降低，但在申麗霞等[14,31]研究中發現覆蓋可降解地膜相比于普通塑料地膜土壤溫度出現增高。這一結果可能與地膜厚度、材料影響太陽輻射對土壤的作用有關[28]。另外本試驗中0.012 mm厚完全生物可降解地膜較其他地膜保溫效果減弱，這是由于地膜厚度的增加使得對太陽輻射吸收增多。喬海軍等[32]發現隨作物葉面積增加，覆膜對土壤溫度的作用不再明顯，在本試驗中也得到類似結果。因此，可降解地膜覆蓋在作物生長前期對土壤溫度影響顯著，可以通過改變材料厚度和類型，使得土壤溫度升高或降低，適宜于當地種植。

覆膜應用于干旱半干旱區，一方面提高土壤溫度，另一方面減少無效蒸發提高土壤水分含量和水分利用效率[33]。本研究發現完全生物可降解地膜覆蓋可以改變土壤0～40 cm貯水量，與CK處理相比土壤貯水量降低3%～4%，但可降解地膜仍能保持土壤水分但效果弱于普通塑料地膜。由于新疆綠洲農業特殊灌溉種植方式，與Moreno等[34]得出覆蓋可降解地膜對作物產量和品質無較大影響不同，本研究中覆蓋完全生物可降解地膜后土壤溫度和土壤含水率均低于CK，因而棉花產量顯著低于CK（P＜0.05)。但本研究中完全生物可降解地膜在棉花生育期內并未完全降解，因此，認為完全生物可降解地膜對土壤溫度的降低為作物減產主要原因。Li等[33]發現覆膜種植可以提高水分利用效率，但本研究中覆蓋完全生物可降解地膜處理2 a平均產量較CK減少2%～3%，水分利用效率減少4%左右（P＜0.05)。因此，若使用這種類型完全生物可降解地膜提高覆膜后土壤溫度在新疆綠洲區應用成為關鍵。

可降解地膜成本是大面積推廣的制約性因素。根據本研究覆蓋完全生物可降解地膜凈收入減少1 858.5元/hm2（10.2%），這是由于PBAT材料價格昂貴且地膜較厚增加使用量，隨厚度的增加使得投入成本較對照增加4.1%左右，產投比降低5%～7%。但是PBAT材料生產工藝簡單，在已有生產設備無需改造便可生產，另外這種材料田間應用型強，降解穩定，尋找降低成本的方法成為這種材料大面積推廣的關鍵。一方面將PBAT作為母料價格低廉的聚合物材料（如淀粉等）進行共混[20]；另一方面可對其進行填充改性（如添加納米碳酸鈣等）[19]，這樣既降低了生產成本，又保證了材料物理和生物降解性能，另外在生產方式上可以利用新疆當地塑料企業進行代工，降低生產成本。總之，基于PBAT型完全生物可降解地膜作為環境友好材料，從環境保護和可持續發展的戰略角度更具發展意義，適宜新疆等干旱區大面積推廣，具有廣闊應用前景。

4 結 論

與普通塑料地膜相比，完全生物可降解地膜在棉花生長前期保持良好的完整性，覆膜60～80 d開始出現降解，至覆蓋180 d后出現均勻細紋并未完全降解，其中0.012 mm厚的完全生物可降解地膜降解緩慢但改變配方也可控制降解速度。

完全生物可降解地膜處理的保溫效果在苗期顯著低于普通塑料地膜（P＜0.05），其中0.012 mm厚完全生物可降解地膜在土壤表層0～15 cm保溫效果最差，但隨著作物生長4種完全生物可降解地膜與普通塑料地膜保溫差異逐漸減小，在生育后期無顯著性差異（P＞0.05）。4種完全生物可降解地膜與普通塑料地膜覆蓋處理苗期保水效果相近，但在棉花生長中后期可降解膜的降解顯著降低土壤0～40 cm內土壤水貯量，與普通塑料地膜相比降低1%～3%（P＜0.05）。

與普通塑料地膜覆蓋相比，完全生物可降解地膜覆蓋棉花產量減產2.89%（P＜0.05），水分利用效率也降低4%左右，其中0.012 mm厚可降解膜增產效應最差，從經濟性和應用效果看，在實際應用中較薄完全生物可降解地膜推廣性更強，雖然目前完全生物可降解膜經濟效果不如普通塑料地膜但可完全降解不會對環境產生危害，從長遠來看可代替普通塑料地膜，具有廣闊利用前景。

考慮新疆特殊機械作業要求以及播種后風沙以及冰雹等惡略天氣，可降解地膜既不能過早降解又不能降解周期過長，不論是厚度還是配方來說與應用于玉米、葵花等應用可降解地膜不同，根據新疆特殊環境和種植方式，這種類型完全生物可降解地膜降解初步達到應用要求，但仍有很多需要改進，例如覆膜后土壤溫度偏低，地膜韌性較大影響機械播種等，總之對于這種材料的應用還需大量研究才能夠真正大面積推廣。

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Effects of biodegradation film mulching on soil temperature, moisture and yield of cotton under drip irrigation in typical oasis area

Wu Qiang, Wang Zhenhua※, Zheng Xurong, Zhang Jinzhu, Li Wenhao
(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2. Key Laboratory of Modern Water- Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group, Shihezi 832000, China)

Plastic film mulching is an efficient way to improve soil water efficiency and heat effects, control salt and grass, and increase economic benefits in arid and semi-arid regions. However, with the overuse of traditional refractory plastic film, the residual plastic film is constantly increasing in the field, which has led to some negative impacts such as environmental pollution and land degradation. A kind of PBAT-based biodegradable film was introduced in this study and its effect on soil moisture, temperature and cotton yield was investigated. Field experiments under mulched drip irrigation were carried out from 2015 to 2016 in Xinjiang province, a typical arid region of China. A total of 5 mulching treatments was included: 1) ordinary PE plastic film (CK), 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 45 d (BD1), 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 60 d (BD2), 0.012 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 60 d (BD3) and 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 45 d (BD4). The soil temperature at 0-25 cm was measured and soil water storage at 0-100 mm was determined. The results showed that the biodegradable films began to degrade at 60-80 d after sowing and had net-like uniform crackers or 2-2.5 cm pieces at the harvest but was not degraded totally. Overall, all the biodegradable film started degrade after the designed induction period. Soil temperature at 0-25 cm was significantly lower by 0.94 and 1.34 ℃ (P＜0.05) covering with 0.010 and 0.012 mm biodegradable films than the CK in the seedling stage of cotton, respectively. The difference of the temperature gradually reduced with the growing of cotton. All the mulching treatments could improve the soil water storage at the depth of 0-40 cm, but the water storage in the CK were higher than biodegradable film mulching in the late cotton growth stage because of degradation in biodegradable films (P＜0.05). The 0.010 mm thickness biodegradable films (BD1, BD2 and BD4) were better than 0.012 mm biodegradable film (BD3) for the cotton yield. Compared with CK, the biodegradable film decreased the cotton yield of the 2 years by 2.89% on average (P＜0.05) and reduced the water use efficiency by about 4%. For the economic benefit analysis, the cost of biodegradable film was higher and the net income of biodegradable film was 10.2% less than the CK. In sum, the biodegradable film still has big chance to improve its effect on yield and performance of improving soil temperature and moisture before it will be used to replace ordinary PE plastic film.

soil moisture; temperature; cotton; yield; water use efficiency; biodegradable film; mulched drip irrigation; oasis area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018

S275.6

A

1002-6819(2017)-16-0135-09

鄔 強，王振華，鄭旭榮，張金珠，李文昊. PBAT生物降解膜覆蓋對綠洲滴灌棉花土壤水熱及產量的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(16)：135-143.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018 http://www.tcsae.org

Wu Qiang, Wang Zhenhua, Zheng Xurong, Zhang Jinzhu, Li Wenhao. Effects of biodegradation film mulching on soil temperature, moisture and yield of cotton under drip irrigation in typical oasis area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 135-143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018 http://www.tcsae.org

2016-12-21

2017-06-10

國家科技支撐計劃項目（2015BAD20B03）；兵團中青年科技創新領軍人才計劃（2015BC001）；兵團灌溉試驗項目（兵水發[2016] 293）

鄔強，男，河南舞鋼人，主要從事節水灌溉理論與技術研究。石河子 石河子大學水利建筑工程學院，832000。Email：wuqianghlj@163.com※通信作者：王振華，男，河南扶溝人，教授，博士，主要從事節水灌溉理論與技術研究。石河子 石河子大學水利建筑工程學院，832000。

Email：wzh2002027@163.com。中國農業工程學會高級會員：王振華（E041200608S）