可降解地膜對石河子墾區棉花農藝性狀及產量的影響

劉曉偉，何文清，李志強，李生太，呂 軍

（1石河子農業科學研究院，新疆石河子832000；2中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081；3農業農村部旱作農業重點實驗室，北京100081）

0 引言

石河子墾區屬于典型的溫帶大陸性氣候，該區棉花生長季（4—10月）熱量充足，日照時間長，降水稀少，有利于棉花生產[1]。為解決水資源不足對棉花生長的限制，20世紀80年代新疆已經開始推廣棉花覆膜種植，該技術既可促進棉花早熟也可提高棉花的產量[2]。多年來，石河子墾區棉花覆膜種植面積不斷增加，截至2017年該墾區覆膜面積2.2×105hm2，地膜使用量達1.66×107kg，其中棉花種植面積達2.01×105hm2，位居全兵團首位[3]。然而，現如今廣泛使用的普通地膜主要成分為聚乙烯烴類化合物，自然條件下長期存在且很難降解，即使在降解過程中仍會溶出有毒物質。隨著覆膜量和覆膜年限的增加，土壤中殘留量也隨之加大，最終影響土壤的物理結構，使得土壤水分、養分向下運移受阻，影響作物對水分、養分的充分利用，造成作物減產，農田環境和農業生產受到威脅[4-5]。可降解地膜的出現能夠替代傳統地膜，具有與傳統地膜相似的效果[6]，是地膜污染防控的重要途徑之一，亦可有效改善土壤環境，降低作物減產風險[7]。目前，可降解的地膜材料可分為3類，即PE/PP光-氧降解類，淀粉基PE材料類和PLA、PBS(A)、PBAT、PCL降解聚酯類，前2類降解剩余碎片會長期存在，最后一類的產物最終會變為水和二氧化碳[8-12]。本研究在新疆生產建設兵團地膜應用最廣泛的石河子墾區開展了不同來源及不同配方可降解地膜的降解特點及其對棉花產量的影響，以期為可降解地膜的推廣應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于新疆石河子市，地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，地理坐標位于東經84°58′—86°24′、北緯43°26′—45°20′，屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫約7℃，年平均降水量約為125.0～220.7 mm，雨量多集中在4—7月，該地區日照充沛，無霜期160天左右。供試土壤類型為灰漠土，土壤質地為中壤。

1.2 試驗設計及材料

試驗設5個處理，（1）CK，不覆膜對照；（2）PE，地膜主要成分為聚乙烯；（3）PPF，地膜主要成分為PE/PP-光氧型；（4）PBAT，地膜主要成分為二元酸二元醇共聚酯；（5）PLA，地膜主要成分為聚乳酸。每個處理3個重復，隨機區組排列，共15個小區。試驗中棉花種植采用膜下滴灌技術，機械平鋪(10 cm+66 cm+10 cm)，地膜寬度為2.05 m，株距為9 cm，小區面積為61.56 m2(9 m×6.84 m)。供試棉花品種為‘新陸早61號’。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 地膜降解情況 在每小區內固定3個觀測點，采用目測法觀測每個觀測點的地膜降解情況，即每條地膜寬行處相同位置放置40 cm×40 cm相框，于4月20日覆膜后每隔10天進行定點拍照，記錄地膜表面變化程度。降解地膜降解分級按照4個不同階段進行觀測，并記錄各階段出現的時間[13]。（1）誘導階段，從覆膜開始至出現無規則孔洞，直至出現小的裂縫；（2）破裂階段，地膜由小裂縫向大裂縫轉變；（3）崩裂階段，地膜碎裂成大的塊狀、片狀；（4）完全降解階段，地膜碎裂程度加劇，大塊、片狀碎裂成不規則小塊狀、片狀且不對土壤和作物造成影響。

1.3.2 棉花農藝性狀及產量的測定 棉花出苗期調查出苗數，并計算出苗率；收獲期采取全區實收計產、考種方式，測定折合每公頃籽棉產量和單鈴重；每小區隨機取樣連續20株，測定株高、莖粗、果枝臺數和單株結鈴數。

1.4 數據處理

數據分析采用Microsoft Excel 2007和SPSS 21.0對數據進行整理和方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同降解地膜田間降解情況評價

可降解地膜田間降解過程觀察結果（表1）表明，光降解地膜面透明，誘導階段發生在覆膜后70天，開始出現降解現象，膜面出現不規則孔洞和微小裂縫，但膜面基本完整，仍具有良好的保墑效果；覆膜后80～90天膜面已由小裂縫向大裂縫轉變，降解現象很明顯；覆膜后100～120天膜面碎裂成大的塊狀和片狀，已經沒有完整的膜面，喪失地膜基本作用。對比PBAT和PLA，前者膜面不透明（泛白），后者膜面透明，兩者在覆膜后60天開始出現降解現象，比光降解地膜提前10天進入誘導階段；覆膜90天后，PBAT在各處理中最先進入崩裂階段，且至覆膜120天時，大塊和片狀膜面持續加劇降解成小的碎片，基本與地表相貼，不易分離。結合各處理降解情況，PBAT效果優于其他處理；PLA雖然比PPF提早進入誘導階段和破裂階段，但兩者后期降解情況基本一致，無明顯差異。

表1 2019年可降解地膜膜面降解情況

2.2 不同降解地膜對棉花生長的影響

與不覆膜對照相比，覆膜顯著增加了棉花的出苗率和株高(P＜0.05)，且PE和PPF對莖粗有影響（表2）。不同覆膜處理相比，PBAT和PE的出苗率顯著高于光降解地膜(P＜0.05)，可能是因為PBAT膜面泛白，在前期土壤墑情高的情況下，由于透氣性好，促進種子萌發且根系伸展受到影響小[14]。收獲期測定的株高結果表明，PE的棉花植株最高，且與其他處理差異顯著(P＜0.05)，其次是PPF，顯著高于 PBAT和 PLA(P＜0.05)。可見，地膜的覆蓋對棉花的出苗率和株高有明顯的影響，不同降解地膜對棉花生長影響各不相同，分析認為地膜降解越早越不利于土壤保溫保墑和棉花生長發育。

表2 不同覆膜處理棉花生長情況

2.3 不同降解地膜對棉花產量的影響

從不同處理下的棉花產量及產量構成因素看，與CK相比，覆膜顯著增加了棉花的單鈴重(P＜0.05)，從而增加了棉花的籽棉產量，增產幅度為6.6%～21.3%（表3）。不同降解地膜與PE相比，PPF、PLA和PE處理的果枝臺數、單株結鈴數和籽棉產量均無顯著性差異(P＞0.05)，PBAT處理的單鈴重顯著低于其他覆膜處理(P＜0.05)，且籽棉產量顯著低于PE(P＜0.05)。由此可見，PPF、PLA替代PE風險較小，可保證棉花的正常生長。

表3 不同覆膜處理棉花產量及產量構成因素

3 討論

降解地膜的降解過程受材料構成影響[15]。由于配方不同，降解地膜的功能性和降解特性對棉花產量的影響存在差異[16]，本研究中，不同材料降解地膜的田間降解速度有明顯差異，其中PBAT和PLA降解速度最快，比PPF提早10天進入誘導階段，特別是PBAT覆膜90天時加劇降解，進入崩裂階段，待覆膜120天時完全降解成小的塊狀和片狀，緊貼于地表，地膜的功能性喪失。隨著覆膜時間增加PLA降解速度逐漸降低，覆膜120天時PLA和PPF仍處于崩裂階段，沒有顯著性變化。總體來看，降解速度是限制棉花生長的重要因素，增溫保墑是地膜覆蓋的主要功效，在作物封壟前要保證地膜的功效不能喪失，而PBAT在覆膜后90天進入崩裂階段，地膜的功效急劇下降甚至喪失，不利于棉花的正常生長和產量形成，與前人研究結果相同[17]。

大量研究結果表明[16,18-20]，不同材料、不同配方降解地膜降解過程會使得作物生長和產量結果存在顯著性差異。本研究中，PBAT的出苗率顯著(P＜0.05)高于PLA和PPF，與PE無顯著性差異。收獲期前測定的株高結果顯示PPF顯著高于PBAT和PLA，分析認為降解快慢直接影響作物的生長狀況，最終影響產量形成。總體上，由于PBAT降解過快且功效過早喪失，產量最低，相比CK增產幅度僅為6.6%，而PPF降解速度相對慢一些，增產幅度為19.0%，與PE增產幅度相近，與前人研究結果相似[21]。不同覆膜處理相比，PBAT的籽棉產量顯著低于PE，而PLA、PPF的籽棉產量與PE無顯著性差異，所以除PBAT外，PLA和PPF與當地氣候條件和作物生長匹配。但PLA降解地膜對棉田其他土壤性質及環境的影響，對PLA在新疆地區棉田生產體系中的應用及可持續性具有重要影響。因此，進一步的研究要圍繞PLA對農田土壤性質及環境的影響展開。

4 結論

本研究從不同可降解地膜的降解情況及其對棉花的農藝性狀和產量影響的角度進行了探討，為可降解地膜在新疆地區棉花生產體系中的應用及推廣提供了科學理論依據，研究證明可降解地膜的應用是解決“白色污染”的有效途徑之一，基本具備了聚乙烯地膜的功能和較好的降解性能[22]，但是降解過快會影響作物的正常生長，直接影響產量形成[23]，而降解過慢或降解不徹底不能根本解決土壤中地膜殘留問題[24]。本研究中PBAT覆膜120天后基本完全降解，降解性能較好，但由于降解過早，最終影響了作物的產量，配方還需進一步改進，以延長誘導階段、降低減產風險。PPF降解速度慢，各方面性能與常規PE地膜無異，但無法徹底降解。綜合考慮，PLA在石河子墾區覆蓋與其區域氣候條件和棉花生長匹配較好，棉花籽棉產量與常規PE地膜無顯著性差異，相比CK增產幅度為16.4%，雖然降解過早僅覆膜60天就進入誘導階段，但后期降解速度平穩，地膜功效并未完全喪失，有望替代PE地膜在新疆石河子墾區棉花生產體系中推廣應用。