全生物降解膜覆蓋對玉米生長、產量及氮素利用的影響

翟勇全，魏 雪，付江鵬，馬 琨，賈 彪*

（1 寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021；2 平涼市農業科學院，甘肅平涼 744000；3 寧夏大學西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地，寧夏銀川 750021）

覆膜種植技術于20世紀70年代廣泛應用于全球旱作農業生產中[1]，其在保溫保墑、增產等方面效果顯著，同時促進作物根系生長發育和氮素吸收利用，提高氮肥利用率，減少農田氮素揮發與流失，已成為旱區農業的主要農藝措施之一[2–3]。然而連續多年的覆膜栽培，地膜殘留物會造成土壤環境惡化、作物養分吸收受阻、產量和品質降低等農業污染問題[4]。因此，以聚乳酸和淀粉為主要原料的全生物降解膜逐漸應用到旱區農業生產中，其在自然條件下可降解為CO2、H2O和無機化合物等，改善土壤物理性狀、提高耕層土壤養分和水分利用效率，是替代塑料地膜、解決殘膜污染及保護生態環境的理想材料[5–6]。

對全生物降解膜的效果國內外學者已做了相關研究[7–9]。如Wang等[10]研究表明生物降解膜覆蓋使得棉花產量提升12.1%～21.3%，且與普通地膜覆蓋無顯著差異。李仙岳等[11]研究表明生物膜可以提高氮肥利用率和作物產量。周昌明等[4]探究了不同降解膜覆蓋種植方式對玉米氮素吸收利用的影響，結果發現，連壟全生物降解膜覆蓋可促進玉米對養分的吸收利用。王澤林等[12]研究表明，全生物降解膜覆蓋下，增施氮肥可以顯著促進玉米干物質累積和生長發育，促進玉米養分吸收與利用，進而提高玉米產量與品質。但施氮量并非越高越好，過量施氮會導致葉片早衰，玉米生產能力下降，影響籽粒干物質累積過程，進而影響產量形成[13–15]。然而，自然氣候條件、覆膜方式、種植制度、作物類型以及管理方式等都影響著膜的降解速率、作物生長發育和養分吸收利用[10,15–16]。由于全生物降解膜較普通地膜厚，在西北滴灌條件下，全生物降解地膜的降解效果如何？夏季是否會出現土壤溫度過高或降解過快導致前期積溫不足等情況？在促進作物生長發育、氮素吸收利用、增產增收等方面是否能達到普通地膜效果？目前還缺乏充分的理論依據。為此，本研究比較了普通地膜和全生物降解膜的使用效果，并研究了適宜的施氮量，為提高中國西北旱作農業區膜下滴灌玉米生產的經濟和社會、環境效益提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗在寧夏銀川市平吉堡農場 (38°25′30″N，106°1′47″E)進行。該地區平均海拔為 1100 m，年均降水量為272.6 mm，年平均氣溫為8.6℃，試驗地土壤為淡灰鈣土，耕層0—20 cm土壤有機質含量為 12.11 g/kg，全氮 0.76 g/kg，全磷 0.52 g/kg，堿解氮 37.85 mg/kg，速效磷 17.1 mg/kg，速效鉀 101 mg/kg，pH 7.75，土壤容重 1.35 g/cm3，陽離子交換量0.057 mol/kg。種植制度為玉米一年一熟連作。2019—2020年試驗期間日平均氣溫和日降水量如圖1所示。

圖1 2019和2020年玉米生長季氣象條件Fig.1 Meteorological conditions during maize growing season in 2019 and 2020

1.2 試驗設計

供試地膜包括普通地膜和全生物降解地膜。普通地膜的主要成分是聚乙烯 (polyethylene)，寬80 cm，厚0.008 mm，寧夏中原塑業科技有限公司生產，在自然情況下不降解。新型全生物降解地膜 (簡稱生物膜，以下同)主要成分為玉米提取的聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯 (PBAT)和可降解聚乳酸 (PLA)，寬100 cm，厚0.014 mm，由四川開元創億生物科技有限責任公司生產。生物膜在覆膜后35天左右進入降解期，在作物收獲期基本降解為小碎片，不用進行殘膜回收。供試玉米品種為寧吉198。

試驗采用雙因素裂區設計，主區為地膜類型，分別設為不覆膜 (CK)、覆普通地膜覆蓋、覆生物降解膜；副區為4個施氮量，分別為N 0、120、240、360 kg/hm2，依次記為 N0、N120、N240 和 N360，共計 12個處理，3次重復，小區面積為 44 m2(4.4 m×10 m)。玉米采用寬窄行栽培，寬行行距70 cm，窄行行距 40 cm，株距 20 cm，種植密度 9×104株/hm2。供試化肥為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀，磷鉀施用量均為 P2O5138 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。采用滴灌水肥一體化技術，整個生育期共灌水9次，其中苗期1 次 (20 mm)、拔節期 3 次 (20 mm/次)、抽雄期 2 次(50 mm/次)、灌漿期 3 次 (30 mm/次)。施肥量分配比例為苗期10%、拔節期45%、抽雄期20%、灌漿期25%[17]。2019和2020年播種日期分別為4月28日、4月19日，收獲日期分別為9月18日、9月19日，其它田間管理措施同當地常規管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 地上部植株干物質量的測定 分別于玉米苗期 (V4)、拔節期 (V6)、大喇叭口期 (V12)、吐絲期(R1)、乳熟期 (R3)、蠟熟期 (R6) (分別對應出苗后35、45、65、85、95、115天)進行破壞性取樣，每個小區選取有代表性玉米植株3株，并在105℃下殺青30 min，80℃恒溫烘干至恒重，用電子天平稱重。

1.3.2 植株氮含量和產量的測定 于玉米收獲期在每個小區選取3株有代表性植株，按器官分為莖、葉、苞葉、穗軸、籽粒5部分，烘干后稱重、粉碎、研磨和過篩，采用H2SO4–H2O2消化，利用凱氏定氮儀測定植株各器官全氮含量，最后計算植株氮含量[17]。同時每個小區選取1.1 m×7 m樣方，統計穗數，并從中選取20個果穗，脫粒風干，進行測產。氮素吸收利用率計算公式如下：

器官吸氮量 (kg/hm2)=[器官含氮量(g/kg)×器官生物量(kg/hm2)]/1000，地上部植株吸氮量為地上部各器官吸氮量之和。

氮肥表觀回收利用率 (REN)=(施氮處理吸氮量?對照吸氮量)/施氮量×100%。

氮肥農學效率 (AEN，kg/kg)= (施氮處理產量–對照產量)/施氮量。

1.3.3 地膜降解率的測定 分別剪取3個0.5 m×0.5 m的膜片，用萬分之一天平稱重，取其平均值作為基準值 (m1)。在每個小區選擇 5 個 0.5 m×0.5 m 的小樣方，并用木框圍住，分別在覆膜后的35、55、75、95、115天取不同處理下樣方內的地膜，在實驗室內清洗干凈并自然風干。用萬分之一天平稱重(m2)，然后計算地膜的降解率 (degradation rate,DR)[18]，公式如下：

1.4 干物質累積量動態模型構建

參照Ali等[19]方法，利用Logistic模型對玉米地上部干物質累積量和出苗后天數進行擬合，Logistic方程為：

式 (2)中：W為某一時刻的地上部干物質累積量(t/hm2)；a、b、k為參數，其中a為作物干物質累積量上限[20]；b為阻滯系數[20]；k為相對增長率[20]；x為出苗后天數；e為自然常數。

對上述得到的Logistic方程進行兩次求導，令所得二階導數等于零，可得到干物質累積最大速率(Vmax)及到達該速率所需的生育天數 (Tmax，出苗后天數)，其中Vmax=ak/4，Tmax=lnb/k。

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2010進行實驗數據的整理與分析，利用 SPSS 23進行方差分析，處理間多重比較采用LSD法，利用Origin 2019b繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理下玉米干物質積累量動態變化

由圖2可知，隨著生育進程的推進，玉米地上部干物質累積量逐漸增加。同類地膜覆蓋下，不同氮處理間在玉米苗期 (V4)干物質累積量無顯著差異，從拔節期 (V6)起，氮處理間玉米干物質積累量出現顯著差異，直至生育期結束，干物質積累量N240、N360處理間均無顯著差異，二者均顯著高于N120處理，N120處理又顯著高于N0處理。

圖2 不同地膜覆蓋和施氮量下玉米干物質累積量隨生育期的變化Fig.2 Dynamics of dry matter accumulation of maize with growth stages under different film mulching and N application rates

由表1可知，較不覆膜相比，在玉米蠟熟期，2年間生物降解膜覆蓋下的干物質累積量平均提升10.82%，普通地膜覆蓋下2年平均提升11.93%，與普通地膜相比，兩年蠟熟期干物質累積量平均降低1.51%。較不覆膜相比，生物膜和普通地膜覆蓋可以顯著提升玉米各生育期地上部干物質累積量，且生物膜和普通地膜覆蓋下各生育期干物質累積量無顯著性差異，表明全生物膜在促進玉米干物質累積方面與普通地膜相當。

表1 不同地膜覆蓋下玉米干物質累積量隨生育期的變化Table 1 Dynamics of dry matter accumulation of maize with growth stages under different film mulching

2.2 不同地膜覆蓋和施氮量下玉米干物質積累特征

由表2可知，基于玉米出苗后天數建立的干物質累積Logistic生長模型的R2均在0.95以上，達到極顯著水平，表明基于玉米出苗后天數建立的Logistic方程模型，可以較好地模擬地膜覆蓋和施氮下玉米的干物質累積過程。玉米干物質累積量上限表現為OFN240處理下的值最高，CKN0處理下值最低。與不覆膜相比，生物降解膜覆蓋下干物質最大累積速率平均提高了0.034 t/(hm2·d)，最大累積速率出現時間平均提前了6.86天。生物膜覆蓋在對玉米干物質累積量上限值的提升、最大累積速率提升等方面與普通地膜無顯著差異性，但二者均高于不覆膜處理。這表明生物膜和普通地膜覆蓋均可提升玉米干物質累積最大速率 (Vmax)，同時使得干物質累積最大速率提前，進而提高不同氮素處理玉米干物質累積量上限。

表2 不同地膜覆蓋和施氮量下玉米干物質累積量Logistic方程參數Table 2 Parameters of logistic equation for dry matter accumulation of maize under different film mulching and N application rates

2.3 不同地膜覆蓋和施氮量對玉米產量及氮素吸收利用的影響

地膜覆蓋和施氮對玉米產量和氮素吸收利用影響顯著，且兩因素之間表現出顯著的交互作用，兩年變化規律表現一致 (表3)。同類型地膜覆蓋下，玉米產量和吸氮量隨施氮量增加表現出先上升后趨于穩定的趨勢，氮肥回收利用率和氮肥農學效率隨施氮量增加呈現下降的趨勢，其中N240處理下玉米產量最高，N360處理下吸氮量最高，N0下產量和吸氮量值最低，且N240和N360處理下玉米產量無顯著差異，吸氮量差異顯著。相同施氮水平下，生物膜和普通地膜處理玉米產量、吸氮量、氮肥回收利用率和氮肥農學效率相近，但均與不覆膜處理差異顯著 (P<0.05)。生物膜處理下的吸氮量、氮肥回收利用率和氮肥農學效率較普通地膜分別平均提升3.10%、6.14%和8.09%，較不覆膜分別提升11.97%、31.47%和26.20%。氮肥回收利用率2年間差異較大，且2019年低于2020年，這可能由于2019年各試驗處理間土壤理化性質相似所致。生物膜和普通地膜均在N240處理下產量最大，2年平均產量分別為13939.99和13970.42 kg/hm2，無顯著差異，說明施氮和覆膜均可提升滴灌玉米產量和氮素利用效率，施氮是影響作物產量和氮素吸收利用的主要因素，生物膜覆蓋下配施適量氮肥可以獲得較高產量。

表3 不同地膜覆蓋和施氮下的玉米產量及氮肥吸收利用率Table 3 Maize yield and N use efficiency under different film mulching and N application rates

2.4 滿足玉米產量和環境效益的施氮量評價

圖3結果表明，覆生物膜、覆普通地膜、不覆膜處理下的玉米最大產量和對應施氮量分別為1.42×104、1.43×104、1.28×104kg/hm2和 285.613、284.438、298.690 kg/hm2。最大產量時，覆生物膜、覆普通地膜和不覆膜處理下的吸氮量較N360處理分別降低1.36%、2.35%和2.16%，氮肥回收利用率分別提升18.35%、28.46%和27.49%，氮肥農學效率分別提升25.68%、42.36%和38.65%。N240處理下，覆生物膜、覆普通地膜和不覆膜處理下的產量較最大產量分別降低1.21%、2.07%和2.44%，但是氮肥回收利用率較N360處理分別提升27.36%、36.87%和38.03%，氮肥農學效率較N360處理分別提升40.23%、60.03%和58.61%。

圖3 玉米產量、吸氮量、氮肥回收率和氮肥農學效率與施氮量的回歸分析Fig.3 Regression analysis of maize yield, nitrogen uptake, nitrogen recovery efficiency, nitrogen agronomic efficiency and nitrogen appliation rate

2.5 不同處理下的地膜降解率及經濟效益分析

由表4和表5可知，生物膜的降解率隨覆膜后天數增加逐漸增加，且各取樣時期生物膜的降解率均顯著高于普通地膜 (P<0.05)。作物生育期內普通地膜基本不降解，兩年的降解率分別為2.36%和1.98%，兩年平均為2.17%，產生的損失可能基本屬于自然損耗，生物膜兩年降解率分別為42.36%和38.94%，兩年平均為40.65%。在N240處理下，生物膜和普通地膜覆蓋下的經濟效益無顯著差異，生物膜覆蓋下濟效益僅比普通地膜低55.99元/hm2，但均明顯高于不覆膜處理，這表明生物膜可代替普通地膜投入到農業生產中。

表4 不同地膜的降解率 (%)Table 4 Degradation rate of different types of plastic film

表5 施氮240 kg/hm2條件下不同覆膜處理的經濟效益分析(yuan/hm2)Table 5 Economic benefit analysis of different mulching film treatments under 240 kg/hm2 nitrogen application

3 討論

低溫和干旱是影響玉米干物質累積的兩個重要因素，玉米作為喜溫和需水作物，春季前期低溫和水分虧缺是限制中國西北旱作農業區玉米前期干物質累積和生長發育的重要因素[21–22]。地膜覆蓋有很好的增溫保溫和減少土壤水分蒸發的作用，適宜的土壤溫度和水分則會促進玉米根系向土層深處生長，使得土壤深層水分得到有效利用，有利于促進作物前期生長發育和干物質的累積，為作物高產奠定基礎[23–26]。胡敏等[27]研究表明，地膜覆蓋下苗期干物質累積量較不覆膜增加35.09%。本研究結果中，與不覆膜相比，不同地膜覆蓋下玉米苗期干物質累積量達到極顯著差異水平，不同施氮處理間無顯著性差異，表明前期玉米生長發育和干物質累積主要與覆膜類型相關，施氮處理對之影響較小 (圖2和表1)，這與張馨月等[28]研究結果有所不同，其原因可能是本研究是在滴灌條件下進行的，氮肥分批次隨滴灌水施入，前期各處理施肥均較少，故施氮處理間苗期差異不顯著。玉米干物質累積量的增加是促進籽粒形成的基礎，干物質累積量與產量密切相關[15,29]。前人研究表明，玉米干物質累積量上限值 (a)受到當地環境條件、種植制度和自身遺傳特性等因素的影響，這些影響因子體現在Logistic方程參數上[30]。Zhu等[31]研究表明，與不覆膜不施氮相比，覆膜施氮下玉米干物質最大增長速率和到達時間分別提高0.031 t/(hm2·d)和提早10天。本研究表明，全生物降解膜覆蓋與施氮提高了玉米最大干物質累積速率(Vmax)和相對增長率 (k)，提前了最大干物質累積速率的到達時間 (Tmax) (表2)，減小玉米生長發育阻滯系數 (b)，進而使得玉米干物質累積量上限值a得到提升。這是因為適宜的施氮量能更好得促進玉米生長發育，保證了玉米各個生育時期對養分的需求[32–33]，提高了玉米植株的光合生理活性，從而促進了玉米干物質的轉運與吸收[34–35]。同時地膜覆蓋改善了土壤環境，提高了土壤含水量和土壤溫度[12,34]，減輕環境因素對玉米生長發育的阻滯，增快玉米營養生長期冠層的生長發育[36–38]，提高玉米冠層覆蓋度和截獲有效光合輻射能力，促使玉米提前進入生長旺盛期，使得到達最大干物質累積速率時間提前[39]。

作物對氮素的吸收利用與產量密切相關，同一品種對氮素的吸收利用受生長環境、施氮量和地膜覆蓋等因素的影響[4,32]。本研究結果表明，地膜覆蓋和施氮水平均對玉米產量、吸氮量、氮肥回收利用率和氮肥農學效率影響顯著，且兩因素之間表現出顯著的交互作用 (表3)。同時BFN360處理下的玉米產量與BFN240處理無顯著差異，吸氮量二者差異顯著，同時氮肥回收利用率和氮肥農學效率均顯著低于BFN240處理 (圖3和表3)，這表明玉米對氮素的吸收利用并非是無限制的。施氮量過高導致玉米早衰進而造成產量下降[40]，同時大量氮素殘留在土壤中，加劇了農業生態環境污染，這與付江鵬等[17]和李仙岳等[11]研究結果相一致。地膜覆蓋可以提升滴灌玉米對氮素的吸收利用，且全生物降解膜和普通地膜覆蓋下無顯著差異[4,11]，因為在玉米生長前期，全生物降解膜起到了與普通地膜相同的作用，具有保溫保墑性，在玉米生長后期，全生物降解膜自然降解產物被土壤微生物吸收利用，增強土壤微生物活性[2]，同時緩解了普通地膜難以降解帶來的在玉米生育后期土壤溫度過高而導致的根系腐爛、土壤物理性質破壞、透氣性差等問題[4,11–12]，為玉米生長發育提供了有利的條件，加快了滴灌水肥一體化條件下玉米對氮素的吸收利用。Yin等[41]和賈彪等[13]研究表明，玉米產量隨施氮量變化符合二次函數關系，氮肥回收利用率和氮肥農學效率隨施氮量的增加而減小，本研究結果與其相一致。同時，本研究綜合考慮覆膜和施氮下玉米產量效益、施氮效益和環境效益，進行了多曲線回歸分析，結果表明，在寧夏灌區，全生物降解膜覆蓋下的滴灌玉米，整個生育期施氮量為240 kg/hm2時，可以滿足該地區現有種植模式下產量效益和生態效益。

全生物降解膜在解決農田地膜污染、促進玉米生長發育和提高肥料利用率等方面效果明顯，可替代普通地膜[15,42]。吳梅等[43]研究表明，生物降解地膜在促進作物生長發育、氮素吸收利用和產量方面與普通地膜功效相當。向午燕等[44]研究表明，與普通地膜相比，PBAT全生物降解膜可實現降解，減少地膜殘留，緩解“白色污染”。本研究結果表明，在蠟熟期，全生物降解膜覆蓋和普通地膜覆蓋下的玉米，地上部干物質累積量、累積量上限值和最大累積速率基本一致；兩年間全生物降解膜覆蓋下，玉米平均干物質累積量與普通地膜相比僅下降1.51%，與不覆膜相比提升了10.82% (P<0.05)。在收獲期，全生物降解膜的兩年平均降解率為40.65%，普通地膜僅為2.17% (表4)，兩者均在N240處理下有最大產值和經濟效益，且全生物降解膜覆蓋下經濟效益僅比普通地膜低55.99元/hm2(表5)。這表明全生物降解膜可代替普通地膜投入到農業生產中，與申麗霞等[23]、王澤林等[12]研究結果一致。

4 結論

全生物降解膜在促進玉米生長發育、氮素吸收利用、提升玉米干物質累積和產量形成方面與普通地膜功效相當，雖然成本略高于普通地膜，但減少了收集殘膜的費用，直接的經濟效益與普通地膜相當。兩種膜覆蓋的玉米產量和經濟效益均在施氮量為240 kg/hm2時達到最大，考慮生物降解膜在環境方面的間接效益，建議在西北玉米生產中用全生物降解膜替代普通塑料地膜。