不同類型全生物降解地膜對芋頭產量和土壤環境的影響

曾曉萍 王 立 馬金駿 殷劍美 郭文琦 韓曉勇 李春宏 蔣 璐 張培通*

（1 江蘇省農業技術推廣總站，江蘇南京 210036；2 江蘇省農業科學院經濟作物研究所，江蘇南京 210014）

芋頭是江蘇省傳統特色經濟作物，其營養豐富、質地糯粘、香味獨特，深受消費者喜愛，市場需求量極大。江蘇作為我國芋頭主產區之一，種植區域集中分布在沿江地區，常年種植面積13 333 hm（20 萬畝）左右（張培通 等，2017）。目前，江蘇省芋頭規?；a已普遍采用起壟覆黑膜機械化栽培方式，為芋頭規?；a的高產穩產提供了技術保障。但是芋頭是大根茬類作物，地膜回收困難，且普通地膜無法自然降解，導致耕地土壤污染加重，不利于芋頭生產基地持續發展（Liu et al.，2017；馬明生 等，2020）。

為了有效治理芋頭生產基地的地膜污染，滿足芋頭綠色、規?；?、可持續性生產要求，本試驗以全生物降解地膜為試材，連續兩年開展芋頭地膜減量替代技術試驗，分析驗證了全生物降解地膜對芋頭生長發育、產量品質及土壤性質的影響，以及在芋頭種植中的保溫、保墑、降濕及防控草害效果，以期為全生物降解地膜在芋頭規?；a中的推廣應用提供理論支持，同時為地膜減量替代措施提供技術參數、成本核算和技術指導方案。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試芋頭品種為太倉新毛芋，由江蘇省農業科學院經濟作物研究所提供；試驗地膜包括聚對苯二甲酸己二酸丁二醇酯（PBAT）全生物降解地膜（南通華盛新材料股份有限公司生產）、聚乳酸（PLA）全生物降解地膜（上海弘睿生物科技有限公司生產）和聚乙烯（PE）普通地膜（宿遷三馬電子商務有限公司生產）3 種，均為黑色，標稱厚度0.01 mm，幅寬1.2 m。

1.2 試驗設計

試驗于2019—2020 年在江蘇省農業科學院六合動植物試驗基地進行，設置覆蓋PBAT 全生物降解地膜（M1）、PLA 全生物降解地膜（M2）、PE地膜（CK1）和不覆蓋地膜（CK2）4 個處理。采用隨機區組設計，小區面積15 m，3 次重復。

播種時間為2019 年3 月26 日和2020 年3 月22 日，播種深度10 cm，種植密度約3 000 株 ·（667 m）；覆蓋地膜時間為2019 年4 月13 日和2020年4 月3 日。各處理田間管理水平一致。

1.3 測定項目

1.3.1 植株生長指標測定 每個小區選取長勢一致且連續的植株3～6 株，記錄出苗期，統計出苗率。在生長旺盛期（7 月初）測定株高、葉鞘長度、葉片長度和寬度。

1.3.2 地膜降解程度 對各處理地膜裂解起始期、開裂期、大裂期、碎裂期的時間進行調查。起始期，即從覆膜到壟面地膜出現多處（每米3 處以上）＜2 cm 自然裂縫或孔洞的時間；開裂期，即壟面地膜出現≥2 cm、＜20 cm 自然裂縫或孔洞的時間；大裂期，即壟面地膜出現≥20 cm 自然裂縫或孔洞的時間；碎裂期，即壟面地膜出現碎裂，最大地膜殘片面積≤16 cm的時間。

1.3.3 地膜殘膜調查 在2019 年芋頭收獲后，對各處理土壤耕作層中的殘膜進行取樣，洗凈、晾干后，測定單位面積的殘膜質量；1 年后，測定同一地塊單位面積的殘膜質量。

1.3.4 膜下土壤溫度測定 采用精創RC-4 型自動溫度記錄儀，間隔10 d 記錄芋頭膜下地表和10 cm土層的土壤溫度，記錄時間固定為凌晨1：00 和下午13：00，每個處理重復3 次。

1.3.5 芋頭產量測定和成本核算 收獲期，按小區測定芋頭產量，分別計算單株子孫芋產量、單株子孫芋數、單個子孫芋質量。統計芋頭生產各環節的用工人次，核算勞動成本。

1.4 數據處理

使用Microsoft Excel 2010 軟件和SPSS 17.0 軟件進行試驗數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同類型黑地膜覆蓋對芋頭產量的影響

由表1 可知，兩年各處理芋頭產量結果基本一致，覆膜處理的產量顯著高于不覆膜處理。在覆膜處理中，覆蓋PLA 全生物降解地膜處理（M2）的產量均為最高，較覆蓋PE 地膜（CK1）分別增產27.3%（2019 年）和18.1%（2020 年）；其次為覆蓋PBAT 全生物降解地膜處理（M1），較CK1分別增產18.0%（2019 年）和14.1%（2020 年）。分析產量構成可知，覆蓋全生物降解地膜的2 個處理實收密度均較高，單個子孫芋質量也較高。表明覆蓋全生物降解地膜有利于芋頭成苗，可以保證較高密度，提高單株生產能力，具有顯著的增產效果。

表1 不同類型黑地膜覆蓋對芋頭產量的影響

2.2 不同類型黑地膜覆蓋對植株生長的影響

從表2 可以看出，兩年覆膜處理芋頭各項植株生長指標均高于不覆膜處理。在兩年覆膜處理中，出苗期M1、M2 分別比CK1 晚1～2 d 和4 d。出苗率2019 年M2 和2020 年M1 最高，分別為87.5%、96.8%，比CK1 分 別 高12.04、10.75百分點。從營養生長情況看，株高、葉長、葉寬M1 和M2 與CK1 差異均不顯著，葉鞘長2019 年M1 顯著高于CK1，2020 年M2 明顯低于CK1。由此可見，覆蓋全生物降解地膜與PE 地膜對芋頭出苗和營養體生長的效應類似，均具有顯著促進作用。

表2 不同類型黑地膜覆蓋對芋頭植株生長的影響

2.3 不同類型黑地膜覆蓋對芋頭生長環境的影響

2.3.1 對土溫的影響 兩年土壤溫度測定結果顯示（圖1），CK2 的變化幅度最大。3 個覆膜處理的地表溫度變化幅度相對較小，其中M1 和M2 膜下地表溫度日變化幅度較小，分別為1.3～10.7 ℃（2019年）和0.2～10.4 ℃（2020 年）；10 cm 土層深度，3 個覆膜處理的溫度日變化幅度差距較小，分別為0.3～3.7 ℃（2019 年）和0.1～3.0 ℃（2020 年）。這表明，覆蓋全生物降解地膜與PE 地膜具有相同的穩定地溫效果，尤其是可以保證田間表層土壤溫度的相對穩定。

圖1 不同類型黑地膜覆蓋對土壤溫度分影響

2.3.2 對田間雜草的控制效果 田間雜草調查結果顯示（表3），2019 年試驗地塊雜草主要為打碗花（旋花科）、心葉黃花稔（錦葵科）和馬唐（禾本科）等，以馬唐為主。3 個覆膜處理雜草發生數量均明顯低于CK2，其中CK1 雜草最少，M1 和M2 稍多。2020 年田間雜草主要為馬唐（禾本科）、矮牽牛（茄科）和蓮子草（莧科）等，以蓮子草為主。覆膜處理表現出與2019 年類似的控草效果，但普遍弱于2019 年試驗。表明覆蓋黑色PE 地膜在芋頭整個生長期具有很好的控草效果，而覆蓋全生物降解地膜對闊葉雜草的防控效果與PE 地膜相當，但對于蓮子草等后發雜草控制效果相對較差。

表3 不同類型黑地膜覆蓋對雜草發生的影響

2.3.3 土壤殘膜量分析 分別在收獲期，2019 年11 月18 日和2020 年10 月28 日對田間殘膜進行定點調查。結果表明（表4），第1 年CK1 的殘膜量較多、碎片較大，而M1 和M2 的殘膜少、碎片小，當年殘膜質量較CK1 分別減少83.8%和89.1%；第2 年（未覆蓋地膜種植）各處理的殘膜質量均較2019 年同期明顯降低，CK1 殘膜降解率為85.4%，M1 和M2 殘膜降解率分別為93.0%和91.1%。這表明，PE 地膜在收獲清除后，仍有一定量的地膜殘留污染，而全生物降解地膜當年清除率可達80%以上，再經過進一步降解和自然清除，殘膜量對下茬作物生長發育基本無影響，具有很好的降低土壤殘膜污染效果。

表4 不同類型黑地膜覆蓋對土壤殘膜量的影響

2.4 不同類型黑地膜田間裂解進度比較

田間不同類型黑地膜裂解進度如表5 所示，M1 和M2 均出現裂解現象，而CK1 不裂解。其中M2 最先裂解，2019 年在覆膜后22 d 出現裂縫，開裂期、大裂期、碎裂期分別為覆膜后34、39、59 d，較M1 分別提前25、26、10 d，最終無膜期為覆膜后76 d；2020 年覆膜后37 d 出現裂縫，開裂期、大裂期、碎裂期分別為覆膜后55、63、94 d，最終無膜期為覆膜后107 d。芋頭生產中一般在苗期和發棵期需要覆蓋地膜，膨大期則需破膜追肥，全生物降解黑地膜的大裂期基本從球莖膨大初期（5 月下旬至6月初）開始，雖然M1較M2的大裂期稍晚，但均可以滿足芋頭生產農藝措施要求。

表5 不同類型黑地膜的田間裂解情況

2.5 不同類型黑地膜覆蓋成本與效益

由表6 可知，CK2 的用工數最高，分別為2.5人次（2019 年）和3.0 人次（2020 年），全部用于除草。在覆膜處理中，M1 的用工數最少，較CK1分別節省38.5%（2019 年）和46.7%（2020 年）；其次為M2，主要是除草用工較M1 處理略有增加；CK1 主要增加了放苗和地膜回收的用工。表明覆蓋PE 地膜具有較好的控草效果，而覆蓋黑色全生物降解地膜可明顯降低生產管理用工。

表6 不同類型黑地膜覆蓋處理的成本與效益情況

按照5 元 · kg銷售價格計算，M2 的產值最高，其次為M1 和CK1，CK2 的產值最低。覆膜處理中，M2 效益最高，每667 m效益分別為7 319.58 元（2019 年）和4 664.29 元（2020 年），較CK1 分別增收39.9%（2019 年）和42.1%（2020年），而每667 m地膜成本僅增加150 元，表明覆蓋黑色全生物降解地膜增收效果顯著。

3 討論與結論

3.1 覆蓋全生物降解黑地膜的經濟效益分析

地膜覆蓋是我國普遍應用的農業生產技術，覆膜技術具有增溫防寒、保持土壤濕度、促進種子發芽和幼苗快速增長的作用，可大幅提高農作物產量（李雪松 等，2020）。但長期對PE 地膜“重使用、輕回收”也帶來了土壤殘膜污染問題，地膜破裂分解產生的微塑料會影響土壤中的養分含量，限制后茬作物根系生長和品質形成（Liu et al.，2017），嚴重阻礙了農業產業的可持續發展。土壤中的微塑料還是有毒有害化學污染物載體，可隨遷移擴散，對動物及人體健康存在潛在影響（楊婧婧 等，2018；康愷 等，2020）。因此開展地膜減量替代技術研究勢在必行。

5 月是芋頭出苗、植株發棵的關鍵時期，土壤溫度變幅小有利于種芋的提早萌發和地下根系生長（殷劍美 等，2015）。本試驗結果表明，覆蓋不同類型黑地膜，芋頭發棵期土壤溫度相對穩定。與不覆膜處理相比，3 個覆膜處理的出苗時間至少提前了10 d，出苗率增加10～25 百分點。6 月進入膨大期后，芋頭地下球莖開始膨大，需要維持相對穩定的土壤溫度（殷劍美 等，2015）。與覆蓋PE 地膜相比，覆蓋全生物降解地膜的土壤環境更加穩定，夜間土壤溫度（10 cm 土層）較不覆膜處理至少提高了4.5 ℃，而土壤溫度日均變化幅度最小，保持在0.3～2.5 ℃之間，這樣一方面減少了地表水分蒸發，加快芋頭地上部植株生長；另一方面減少了高溫對芋頭地下根系和球莖發育的脅迫，有利于芋頭產量快速形成。因此，覆蓋PLA 和PBAT全生物降解地膜處理的出苗率、實收密度、單個子孫芋質量和單位產量均高于PE 覆膜處理，說明覆蓋全生物降解地膜有利于芋頭群體密度和產量結構形成，實現單位產量提高，達到增產穩產的效果。

芋頭喜水耐陰，田間極易滋生雜草，但除草用工成本高、根除效果差、容易反復。本試驗結果表明，覆蓋全生物降解地膜具有較好的控草效果，可以有效抑制芋頭生長前期的田間雜草，但對于后期雜草控制效果相對較差。與PE 地膜相比，全生物降解地膜在放苗、地膜回收等環節優勢明顯，一方面大部分芋頭發芽時可以自行鉆破降解地膜、直接出苗，節省了人工破膜放苗成本；另一方面全生物降解地膜可以在田間自然裂解，節省了地膜回收的用工成本。綜合計算，覆蓋全生物降解地膜處理每667 m用工較不覆膜處理節省22.2～32.6 個，較覆蓋PE 黑地膜節省4.5～10.4個，覆膜成本較不覆膜處理增加280～310 元，較覆蓋PE 黑地膜增加150～180 元；而產量較不覆膜處理增加410.4～654.1 kg，較覆蓋PE 黑地膜增加146.0～376.2 kg。按照5 元 · kg售價計算，覆蓋全生物降解黑地膜處理每667 m的經濟效益較PE 黑地膜增加1 380.2～2 086.9 元，較不覆膜處理增加4 334.0～4 769.0 元。因此在芋頭上應用全生物降解黑地膜可以顯著提高經濟效益，經濟上是可行的。

3.2 覆蓋全生物降解黑地膜的生態效應分析

全生物降解地膜的降解速率是其應用性的重要指標（張曉海 等，2013；高維常 等，2017）。降解速率過快，不能發揮地膜覆蓋保溫、保墑、控草的作用，無法實現促進作物生長發育的效果；降解速率過慢，導致大量殘膜留存于土壤中，又會影響后茬作物生長。只有地膜降解期適中，才能較好地控溫、控水，維持良好土壤微環境，同時不會造成土壤殘膜積累污染。本試驗結果顯示，2 種全生物降解地膜的自然降解率較高，一般在覆膜后30 d 左右開始開裂，碎裂期一般在60 d 后，基本可以滿足芋頭苗期和發棵期覆膜要求；覆膜后75～105 d田間基本沒有較大碎片，當年地膜降解率達到80%以上，不需要人工回收清除。而PE 地膜需要人工清除，而且在芋頭收獲后仍有一定量的地膜殘留污染。調查結果顯示，經過1 年的自然降解后，各類黑地膜在土壤中的絕大部分殘膜可以清除出田，但非降解地膜的殘留量相對較高，而全生物降解地膜的田間殘留量明顯降低，殘膜量對下茬作物生長發育基本無影響。有關全生物降解黑地膜對土壤環境污染的評估有待進一步深入研究。

3.3 結論

全生物降解地膜在芋頭生產中表現較好，其中聚乳酸（PLA）全生物降解地膜可提高出苗率、促進營養生長和產量形成，開裂時期較為適宜，控制雜草效果較好，能夠有效降低人工成本，經濟上可行；殘膜經1 年左右自然降解和清除后，基本對后茬作物生產無影響，可以作為江蘇芋頭生產中普通PE 地膜的替代產品，具有較好的推廣價值和應用前景。