旱作區環保型材料覆蓋對馬鈴薯生長的 影響及其降解特性

王興文，侯賢清，李文蕓，虎孝海，李向貴，楊 喆，李 榮

(寧夏大學農學院， 寧夏 銀川 750021)

馬鈴薯糧、菜、飼兼用，抗逆性強而高產，使得馬鈴薯產業成為寧夏乃至西北干旱地區農民收入的主要來源[1]。近年來，寧夏馬鈴薯種植面積以年均26.4%的速度遞增，種植總面積達27.4萬hm2，已經成為寧夏第一大農作物，馬鈴薯的生產對穩定寧夏糧食安全起到了極其重要的作用[2]。寧夏南部山區土地肥力瘠薄，氣候干旱少雨，年降雨量為450 mm左右，水分和溫度不足嚴重限制了作物生長[3]，加之馬鈴薯對水分虧缺非常敏感[4]，導致該地區馬鈴薯單產水平很低。因此，農田覆蓋已成為提高寧南馬鈴薯產量和發展馬鈴薯產業的重要技術措施。

覆蓋技術具有顯著的增溫保墑、增產增收的作用[5]，在中國北方干旱半干旱地區廣泛應用[6]。研究表明，地膜覆蓋可增加土壤貯水量30%、降低蒸散量50%、減少水分虧缺15%以上[7]。目前應用于農業生產的環保型覆蓋材料主要有生物降解膜、液體地膜和麻地膜等，在一定程度上可降低塑料地膜的用量，減小塑料地膜帶來的污染，自然降解的同時還具有保濕、保溫、增加產量的效應，經濟效益可觀。與覆蓋普通膜相比，使用降解膜作物或者減產[8]，或者與之相差不大[9]，或者增產[10]。液態地膜是采用一種可成膜的特制溶液，通過稀釋后直接噴灑于地表，能形成一層液膜的新型材料，可廣泛應用于干旱、寒冷、丘陵地區農作物的早期覆蓋[11]。中國農業科學院麻類研究所以麻類纖維為主要材料研制出的新型可降解麻地膜，具有可降解、保溫、增產等多方面優點[12-13]。關于各種降解地膜的降解情況，主要和降解膜的主要成份有關，同時其降解快慢也與周圍的生態環境關系密切。作物秸稈作為傳統的覆蓋材料，可抑制土壤蒸發，低溫時有“增溫效應”，高溫時有“降溫效應”的雙重效應對作物生長十分有利[14]，且其成本較低，一直在覆蓋材料中占有特殊重要的地位。本研究選用5種不同覆蓋材料(普通地膜、生物降解膜、液體地膜、麻地膜及作物秸稈)，在寧夏南部山區進行溝壟覆蓋模式下不同覆蓋材料對比試驗，研究不同覆蓋材料的降解特性及其土壤水溫效應對馬鈴薯生長的影響，以期為環保型覆蓋材料的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年4—10月在寧夏彭陽縣城陽鄉長城村旱農試驗站進行。試驗區位于寧夏回族自治區南部邊緣、六盤山東麓，介于東經106°32′～106°58′、北緯 35°41′～36°17′之間，海拔1 800 m左右，年蒸發量達1 000～1 100 mm，多年平均降水量450 mm，年均氣溫6.8℃，年日照時數2 518 h，≥10℃年積溫2 690.4℃，全年無霜期145 d，60%以上的降雨主要集中在7—9月，同時，降雨的年際變化很大。試驗期間馬鈴薯生育期降雨量為331.7 mm。試驗地土壤類型為黃綿土，供試耕層(0～40 cm)土壤有機質含量12.8 g·kg-1，土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為58.3 mg·kg-1、7.5 mg·kg-1和99.5 mg·kg-1，pH值8.4。

1.2 試驗設計

A.田間覆蓋試驗：試驗采用溝壟種植方式(溝寬60 cm，壟寬40 cm，壟高20 cm)，壟上覆蓋普通地膜，設溝內覆蓋普通地膜(DD)、生物降解膜(DS)，麻地膜(DM)、液體地膜(DY)、玉米秸稈(DJ)5種不同材料，以溝不覆蓋為對照(CK)，共設6個處理。每處理3次重復，小區長8 m，寬4 m，隨機排列。

B.填埋試驗：將普通地膜、生物降解膜和麻地膜剪成100 cm×80 cm的片狀，稱重后展平埋入農田土壤中，埋土深度10 cm，埋土后30、60、90、120、150、180 d分別取樣，觀察其表面降解情況，然后利用超聲波洗凈，真空干燥，利用萬分之一天平稱重計算其失重率。每個處理各設置3個重復，隨機排列。

播種前30天，在試驗地修筑溝壟，溝寬60 cm，壟寬40 cm，壟高20 cm，馬鈴薯種于溝內膜壟兩側，起壟時要求壟面細綿平整、覆膜壟面呈拱型。溝壟覆蓋與平作處理均按處理區總面積將農家肥(牛糞)30 t·hm-2，化肥純N 150 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2整地后一次性施入，溝壟覆蓋處理的肥料集中施入到種植溝中，翻入土壤，然后進行覆蓋。壟上均覆蓋塑料地膜(PE地膜80 cm寬，0.008 mm厚)，溝內分別覆蓋不同材料，其中麻地膜80 cm寬，0.22～0.31 mm厚，液體地膜按產品∶水為1∶5稀釋，以公司推薦的450 L·hm-2的總量，用手動噴霧器噴施于溝內土壤表面；玉米秸稈被切成15 cm長，以9 000 kg·hm-2的覆蓋量，覆蓋厚度為5～8 cm，均勻覆于溝內。

供試馬鈴薯品種為隴薯3號，按照溝壟寬度寬窄行種植，寬行距60 cm，窄行距40 cm，株距40 cm，種植密度為5萬株·hm-2，播種深度10 cm，種薯點播后立即覆土。馬鈴薯分別于2015年5月2日播種，2015年10月3日進行收獲。試驗期間無灌水，定期進行人工除草。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤水溫指標 土壤水分：在馬鈴薯播種后，每隔20天采用烘干法分別測定0～200 cm 土壤質量含水量，用土鉆(直徑0.08 m)每20 cm 取1個土樣，3次重復。土壤貯水量(W)：W=h×a×b×10,其中W為土壤貯水量(mm)，h為土層深度(cm)，a是土壤容重(g·cm-3)，b是土壤質量含水量(%)，10為cm轉化為mm的換算系數。

土壤溫度：馬鈴薯苗期、現蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期、成熟期在作物種植溝內利用曲管水銀溫度計分別測定08∶00、14∶00和20∶00土壤5、10、15、20 cm和25 cm處的溫度，3次讀數的平均值作為土壤日均溫，每次連續測定5d。

1.3.2 馬鈴薯生長指標 在馬鈴薯不同生育時期，每重復區隨機選取10株測定株高、莖粗及地上部生物量。株高采用生理株高衡量，為地上莖基部到生長點的距離；主莖粗為近基部最粗處的直徑。

1.3.3 馬鈴薯產量 在馬鈴薯收獲期，每重復區以實產進行測產，分別記錄大(單薯質量>150 g)、中(單薯質量150～75 g)、小薯(單薯質量<75 g)個數及重量，并計算馬鈴薯商品薯率。商品薯率(%)=單薯75 g以上的產量/馬鈴薯總產×100%。并結合投入與產出，分析不同覆蓋材料下的經濟效益。

1.3.4 降解膜降解強度 通過田間覆蓋試驗和土壤填埋試驗來對降解地膜降解性能進行評價。田間覆蓋試驗評價采用目測法，將地膜降解過程分為4個階段，第一階段：開始覆膜到出現小裂縫的時間階段為誘導期階段；第二階段：肉眼清楚看到大裂縫的時間為破裂期；第三階段：地膜已經裂解成大碎塊，沒有完整的膜面，出現膜崩裂的時間，即為崩裂期；第四階段：地面無大塊殘膜存在，雖仍有微小的碎片的時間階段，但對土壤和作物已無影響，即為完全降解階段。通過定期的人為肉眼觀測，記錄地膜顏色、形態以及表面完整情況的變化情況。填埋試驗采用計算膜失重率法來評價：在試驗布設覆膜前分別量取可降解地膜、普通地膜和麻地膜各1 m長、0.8 m寬稱重，在馬鈴薯收獲期收集地膜，洗凈、晾干后稱重，計算地膜質量損失率。失重率(%)=(填埋前膜重-填埋后膜重)/填埋前膜重×100%。

1.4 數據處理

Excel 2003作圖，采用SAS 8.0分析軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋材料對土壤溫度的影響

圖1表明，隨馬鈴薯生育期的推進，各處理不同土層土壤溫度呈降低的趨勢；因受氣溫及太陽輻射等狀況的影響，不同處理下土壤溫度隨土層的加深而降低。在同一土層地膜覆蓋處理的土壤溫度最高；隨土層深度的增加，秸稈覆蓋處理下土壤溫度變化較小。在馬鈴薯生育前期(苗期～現蕾期)，由于馬鈴薯植株較小，太陽輻射使溝內不同覆蓋的土壤溫度差異較大。5～10 cm土層，DD和DS處理的平均土壤溫度較CK分別高2.8℃和0.7℃，DJ、DM和DY處理平均土壤溫度較CK處理分別低1.9℃、0.3℃和1.2℃；15～20 cm土層，DD和DS處理的平均土壤溫度較CK分別高1.1℃和0.2℃，DJ、DM和DY處理平均土壤溫度較CK處理分別低1.4℃、0.5℃和0.6℃；25 cm土層，覆蓋處理的土壤溫度均低于CK，DD、DJ、DS、DM和DY處理的平均土壤溫度較CK處理分別低3.5℃、3.5℃、3.7℃、1.0℃和1.2℃。

圖1不同覆蓋材料下馬鈴薯生育期0～25 cm土層土壤溫度

Fig.1 Soil temperature (0～25 cm) under different mulch material during the growing season of potato

馬鈴薯生育中期(塊莖形成～膨大期)，馬鈴薯植株較大，同時受不同覆蓋材料的影響，不同處理下土壤溫度均較苗期降低。5～10 cm土層，DD和DS處理的平均土壤溫度分別較CK處理高1.9℃、1.1℃，DJ、DM和DY處理平均土壤溫度分別較CK處理低3.3℃、1.1℃、0.3℃；15～20 cm土層，DD、DJ、DM和DY處理的平均土壤溫度分別較CK處理低0.5℃、2.5℃、0.5℃、0.7℃，DS處理平均土壤溫度較CK處理高0.1℃；25 cm土層，DD、DJ、DS、DM和DY處理的平均土壤溫度分別較CK處理低1.7℃、2.6℃、1.4℃、0.4℃、0.7℃。

在馬鈴薯成熟期，氣溫較低，受氣溫的影響，不同處理下土壤溫度降至最低。5～10 cm土層，DD、DS和DY處理的平均土壤溫度分別較CK處理高1.5℃、0.2℃、0.1℃，DJ和DM處理平均土壤溫度分別較CK處理低1.0℃、0.4℃；15～20 cm土層，DD和DS處理平均土壤溫度分別較CK處理高0.8℃、0.3℃，DJ、DM和DY處理平均土壤溫度分別較CK處理低0.6℃、0.6℃、1.2℃；25 cm土層，溝壟覆蓋處理土壤溫度均低于對照，DD、DJ、DS、DM和DY處理的平均土壤溫度分別較CK處理低1.9℃、1.1℃、1.1℃、0.6℃、2.3℃。

可見，不同覆蓋材料對馬鈴薯生長期土壤水溫狀況具有調節作用，地膜、生物降解膜覆蓋處理0～25 cm土層平均土壤溫度較對照明顯提高1.4℃和0.2℃，而在整個生育期秸稈和液態地膜覆蓋處理低于對照1.5℃和0.7℃，覆蓋麻地膜的土壤溫度與對照相比無明顯變化。

2.2 不同覆蓋材料對土壤水分的影響

表1為不同處理下馬鈴薯生長期土壤水分的動態變化特征，在馬鈴薯生長前期(苗期～現蕾期)，不同覆蓋材料下土壤貯水量與對照相比均明顯增加，且DD土壤貯水量相對較高，DJ處理下土壤貯水量次之。DD、DJ、DS、DM和DY處理0～200 cm土層平均土壤貯水量分別較CK處理提高5.4%、5.2%、2.4%、2.6%、1.7%。在馬鈴薯生長中期(塊莖形成～塊莖膨大期)，作物需水量較大，生長速度較快，由于氣溫升高，土壤水分蒸發強烈，降水偏少，各處理土壤貯水量均明顯下降，不同覆蓋材料下土壤貯水量降幅存在差異，其中DD處理降幅最大，其次為CK處理，DY處理下土壤貯水量降低幅度最小。DD、DJ、DS、DM和DY處理下平均土壤貯水量分別較CK處理分別增加4.6%、6.2%、3.6%、3.1%、4.2%。馬鈴薯進入生育后期(成熟期)，降雨量增加，補充了土壤水分使土壤貯水量明顯增加。其中，DJ和DS處理土壤貯水量最高。DD、DJ、DS、DM和DY處理下的平均土壤貯水量分別較CK處理增加5.0%、8.4%、7.2%、4.2%、2.2%。可見，秸稈覆蓋在馬鈴薯整個生長期0～200 cm土層土壤貯水量較高，其次為地膜覆蓋處理，這有利于促進馬鈴薯的生長發育和產量的形成。

2.3 不同覆蓋材料對馬鈴薯生育期生長指標的影響

在馬鈴薯關鍵生育期，不同覆蓋材料能顯著改善土壤的水溫狀況，從而促進馬鈴薯的生長發育。如圖2，在馬鈴薯生長前期(苗期～現蕾期)，DJ和DS處理下馬鈴薯株高均高于CK處理1.3%、1.2%，其它覆蓋處理與對照無明顯差異；在馬鈴薯生長中期(塊莖形成期到膨大期)，以DJ處理最高，DD、DS和DM處理次之，DY處理最低。DJ與DS處理分別顯著較CK處理高11.0%、6.2%；在成熟期，不同覆蓋模式下植株株高與對照處理存在差異，DJ處理顯著高于CK處理13.7%，而其它處理與對照無差異。隨生育期的推移馬鈴薯的生長發育從營養生長轉化為生殖生長，不同處理下植株莖粗呈先升高后下降的趨勢(圖2)。在苗期，DD處理植株莖粗明顯高于CK處理，而在現蕾期DJ和DM處理莖粗均高于CK，DJ與DM處理分別較CK處理高8.5%、7.6%。在馬鈴薯生長中期(塊莖形成期到膨大期)，以DJ處理最高，其次是DD和DS，而其它覆蓋處理與對照無明顯差異；DJ與DD處理分別顯著高于CK處理26.8%和23.1%。在成熟期，DJ和DS處理明顯高于CK處理，其它覆蓋處理植株莖粗與對照差異不大。DJ與DS處理分別顯著較CK處理高15.7%、12.7%。

表1 不同覆蓋材料下馬鈴薯生育期0～200 cm土層土壤貯水量/mm

注：同列不同小寫字母表示不同處理下差異達顯著水平(P<0.05)。下同。

Note: Different letters indicate significant differences (P<0.05) in same line. The same as below.

圖2不同覆蓋材料對馬鈴薯生長的影響

Fig.2 Effect of different mulch material on potato growth

2.4 不同覆蓋材料對馬鈴薯產量及經濟效益的影響

不同覆蓋材料均能不同程度地提高馬鈴薯產量和商品薯率(表2)。除液態地膜覆蓋外，不同覆蓋材料下馬鈴薯產量均顯著高于對照，而馬鈴薯商品薯率不同處理間無顯著差異。馬鈴薯增產效果以DD、DJ、DS和DM處理最為顯著，分別較CK處理增產34.3%、56.1%、8.6%、11.3%。馬鈴薯商品薯率DJ、DD和DY處理較CK處理分別提高4.7%、3.4%、3.0%。可見，地膜和秸稈覆蓋下馬鈴薯增產效果較好，商品薯率較高。各處理下馬鈴薯純收益高低順序依次為DJ>DD>DM>CK>DY(表3)。由于DJ處理秸稈減少了地膜的使用量，使其投入低于DD、DM和DS處理；DS與DM處理在馬鈴薯收獲后無需人工撿拾殘膜，與DD處理相比減少了勞動力投入；各處理總投入成本依次為DS>DY>DM>DD>DJ=CK。DJ處理的凈收入最高(19 676.1 元·hm-2)，DD處理次之(14 820.5 元·hm-2)。

2.5 不同覆蓋材料的降解性能

在填埋試驗中，不同覆蓋材料經過馬鈴薯整個生育時期后其降解強度有所不同(表3)。液態地膜在馬鈴薯收獲期已完全降解，秸稈覆蓋處理有部分莖葉發生腐解。生物降解地膜較原始質量減少19.9 g，質量損失率35.6%；麻地膜較原始質量減少111.9 g，質量損失率73.5%。可見，可降解地膜的降解速度與材料類型密切相關，其中，麻地膜的質量損失率最高，這與其降解速度表現較高有關。而普通地膜僅較原始質量減少7.8 g，其質量損失率11.9%。

表2 不同處理下馬鈴薯產量及經濟效益分析

注：投入包括種子、化肥、覆蓋材料、耕作及人工費等；試驗當年塑料地膜、生物降解膜、麻地膜及液態地膜的價格分別為13、14、8、10 元·kg-1，馬鈴薯市場價格為0.85 元·kg-1。

Note: Input includes the costs of seed, fertilizer, mulch material, tillage and labour, etc. The costs of plastic film, biodegradable film, bast fiber, and liquid film were 13, 14, 8, 10 yuan·kg-1, and the potato price was 0.85 yuan·kg-1during the study.

表3 不同地膜的降解強度

3 討 論

3.1 不同覆蓋材料對土壤水溫環境的影響

農田覆蓋可有效阻止土壤水分的蒸發，有助于土壤蓄水保墑，從而改善土壤的水分狀況，不同覆蓋措施對土壤溫度的影響效果隨覆蓋材料的不同而不同[15]。王鑫等[16]研究表明，可降解膜能顯著提高土壤水分和溫度，李榮等[17]研究也表明，在玉米各生育期，普通地膜、生物降解膜和液態膜處理與不覆蓋相較能改善土壤的水溫效應，以覆蓋普通地膜和生物降解膜的效果尤為明顯。張杰等[18]在渭北旱塬區的研究發現，在玉米生育前期，覆蓋普通地膜和生物降解膜能有效提高壟側0～25 cm土壤溫度。覆蓋秸稈有利于充分利用天然降水增加水分的入滲，且秸稈覆蓋后阻礙了光照直接到達地面，使覆蓋后的土壤溫度比不覆蓋低[19]。本研究結果表明，在馬鈴薯生育前期，普通地膜和生物降解膜處理土壤水分和溫度均較對照有顯著提高，而秸稈和麻地膜處理則略低于對照。液體地膜對農田土壤水溫狀況略有改善，但與對照無差異，這與喬海軍[20]研究結論一致，可能跟液體地膜噴施后成膜效果較差，且易受外界環境條件影響使其受損有關[21]。

3.2 不同覆蓋材料對馬鈴薯生長及產量的影響

不同覆蓋材料引起土壤水溫環境的變化必然會影響作物的生長發育[22]。有研究表明，地膜和生物降解膜覆蓋的蓄水保墑效果使作物的干物質積累量和株高較對照均有很大提高[23-24]；生物降解膜覆蓋下的玉米生物性狀均高于對照，且與普通地膜沒有顯著差異[18,24]。本研究也表明，在馬鈴薯生育前期，地膜、生物降解膜和秸稈覆蓋處理植株株高及莖粗高于對照，生育中后期麻地膜和秸稈覆蓋處理高于對照。壟覆地膜溝內覆蓋不同材料的增溫保墑效果不同，對作物產量的影響亦不同[15,17]。相關研究[25]表明，地膜具有顯著的增溫保水和增產作用，生物降解膜雖在早期有一定程度的降解但作物產量與普通地膜無差異，這與本研究結果相似。易永健等[26]研究結果表明，麻地膜覆蓋可改善土壤環境條件，提高作物的產量。本研究發現，麻地膜覆蓋可不同程度提高馬鈴薯產量，但增產效果不及地膜覆蓋。秸稈覆蓋對作物產量的影響受不同氣候條件的限制，覆蓋過早使土壤溫度低于作物生長最適溫度，造成作物減產[27]，而本試驗發現，秸稈覆蓋下土壤溫度較對照降低，但并未影響其產量的提高。其原因一方面，秸稈覆蓋處理下土壤水分較好[28]；另一方面，作物種于壟兩側，壟上覆蓋地膜的增溫效果可彌補低溫效應對作物生長的影響[15]。有研究[29]表明，覆蓋液體地膜比不覆蓋顯著增產。而在本研究中液體地膜覆蓋處理下與不覆蓋作物產量并未表現出明顯差異。

3.3 不同覆蓋材料降解情況

趙愛琴等[30]研究表明，生物降解地膜在成熟期地面無明顯膜片存在。戰勇等[31]研究表明，誘導期短的可降解地膜在覆膜至60～70 d達到4級；地膜質量損失率達46.5%。胡宏亮等[32]研究表明，可降解地膜可在覆膜后20 d開始出現裂縫，在覆膜60～80 d后開始達到3級降解程度，其完整性受到較大影響。本研究結果表明，經歷馬鈴薯生長期后，生物降解地膜與麻地膜比原始質量均有不同程度的減少，麻地膜的質量損失率最高，普通地膜質量的減少僅屬于正常損耗。申麗霞等[33]研究表明，0.005 mm厚可降解地膜的降解速度及強度均優于0.008 mm厚膜，二者在覆膜后90 d分別達降解5級、4級水平，地膜質量損失率達55.48%、39.99%。這與本研究結果相似，可降解地膜的降解速度和降解強度因原材料組成、生產廠家、誘導期設計等的差異而表現不同，各種可降解地膜的降解速度和降解強度有一定差異，但其降解過程基本相似[32-33]。

4 結 論

不同覆蓋材料對馬鈴薯生育期土壤水溫狀況的調節作用差異表現為：地膜和生物降解膜處理土壤溫度較對照顯著提高，而在整個生育期秸稈覆蓋處理低于對照；地膜和秸稈覆蓋處理在馬鈴薯生育期具有較強保墑作用，生物降解膜和麻地膜覆蓋處理次之。在馬鈴薯生育前期，地膜、生物降解膜和秸稈覆蓋處理植株株高及莖粗高于對照，生育中后期麻地膜和秸稈覆蓋處理高于對照，而在整個生育期覆蓋液體地膜處理與對照無差異。

不同覆蓋材料均能不同程度地提高馬鈴薯的產量和商品薯率。地膜和秸稈覆蓋處理下馬鈴薯增產效果較好，商品薯率較高，其中秸稈覆蓋處理馬鈴薯純收益最高。液態地膜可在馬鈴薯收獲期完全降解，70%以上麻地膜可發生降解，生物降解膜次之。可見，覆蓋秸稈能調節土壤水溫狀況，且可實現增產增收，是在寧南半干旱區馬鈴薯覆蓋栽培的有效技術措施。

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