全生物降解地膜對渭北臺塬土壤水熱和作物經濟效益的影響

索 龍，張俊麗，王 蕊，拜翊莎，董曉梅，趙 慧，李明明，陳 強

（1渭南市農業技術推廣中心，陜西渭南 714000；2合陽縣農業技術推廣中心，陜西渭南 714000）

0 引言

渭北黃土臺塬地區是陜西省重要的糧棉油生產基地，位于陜西省關中地區，屬于典型的半干旱、半濕潤氣候帶，是水資源短缺地區，因其土壤本身特性，蓄水能力相對較弱、熱容量相對較小，嚴重制約農業的可持續發展[1]。地膜覆蓋栽培技術因其在提高土壤溫度、保持土壤墑情[2-4]、抑制行間雜草、增加作物產量、提升農產品品質[5-7]等方面的顯著優點，自引進以來，在中國廣泛應用，成為推動農業發展、保障糧食安全的重要措施，被譽為農業生產的“白色革命”。隨著農膜的不斷投入使用，殘膜碎片進入土壤環境，自然狀態下降解緩慢，其生態環保負效應不斷凸顯[8-9]，同時，長期積累的殘膜嚴重影響耕層土壤的通透性[6]、農業機械的耕作質量，阻礙土壤水分和養分的運移[10]、干擾農作物根系發育、引起作物生長緩滯，最終導致農作物減產[11-12]。全生物降解地膜因其自身性質，在土壤、氣候等外界環境條件作用下，隨著農作物生長逐漸裂解，最終分解成二氧化碳、水等無機物[13]，有效解決了農膜殘留問題。全生物降解地膜相對于普通聚乙烯地膜，既減少對耕地土壤污染，又降低對作物生長的不利影響，對農田土壤的可持續利用具有優勢[14]。因此，開展全生物降解地膜栽培技術研究，探索生態環保的聚乙烯地膜替代覆蓋栽培技術是改善耕地土壤環境質量、發展可持續農業的有效途徑之一。2010年以來，有關地膜覆蓋對農作物生長和產量方面的研究集中在普通聚乙烯地膜方面，對于降解地膜，主要研究不同類型地膜降解性能、同種地膜不同厚度裂解過程對比[15-16]等方面，全生物降解地膜在甘薯整個生長周期對土壤水熱條件和產量經濟效益方面的研究鮮見報道。本研究結合地方產業特色，以渭北黃土臺塬東北區域的合陽縣為試驗區，研究全生物降解黑色地膜、透明地膜和普通聚乙烯透明地膜在甘薯生育期對土壤溫度、濕度和產量等指標的影響，探討應用降解地膜及膜色差異田間效果及其產后經濟效益，旨在為進一步推廣應用全生物降解地膜提供技術支撐和科學理論，以期在源頭有效解決耕地土壤殘膜問題，減少農業面源污染，推動農業綠色生態可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗位于陜西省渭南市合陽縣甘薯種植基地，地處渭北黃土臺塬東北部，屬暖溫帶半干旱大陸季風氣候，光熱資源豐富，降水偏少。年均日照時間2468.9 h，年均氣溫11.4℃，年均降雨量553.2 mm，主要集中在每年的7—9月，年均無霜期207天。試驗地地勢平坦，土壤肥力水平中等。前茬作物為甘薯。

1.2 試驗設計

地膜厚度均為0.010 mm、寬1000 mm，設全生物降解黑色地膜(M1)、全生物降解透明地膜(M2)、普通聚乙烯透明地膜(M3)3 個處理，每處理3 個重復，共9個小區，隨機區組排列，小區面積4.25 m×20 m=85 m2，小區間設保護行。全生物降解地膜為山東天野生物降解新材料科技有限公司產品，材質為PLA/PBAT，聚乙烯地膜為山西開拓塑料有限公司產品。選取‘濟薯26’作為甘薯試驗品種。

1.3 田間管理

采用壟上單行栽植。4月29日，整地施肥，4月30日起壟并鋪設滴灌帶，5月3日人工栽植，5月4日劃區覆膜，覆膜方式均為全壟覆蓋，壟溝壓土固定。5 月7日人工劃膜培土，10 月30 日收獲。根據當地施肥經驗，底肥施商品有機肥4800 kg/hm2，微生物菌肥450 kg/hm2，硫酸鉀鎂(16-24-6) 300 kg/hm2，磷酸二銨(16-44-0)750 kg/hm2。試驗各處理栽培、施肥、灌溉、病蟲害防治等田間農藝管理措施與當地種植模式一致。

1.4 測定項目

1.4.1 土壤溫度 采用曲管水銀地溫計測定。分別于甘薯不同生育期，生長前期（結薯期06-03）、生長中期（薯蔓并長期07-21）、生長后期（塊根生長期09-02）測定5、10、15、20、25 cm深度的土壤溫度，溫度計置于甘薯壟行中間（避開滴灌帶），取觀測日8:00、12:00和16:00土壤溫度均值作為土壤溫度值，每處理重復測定3次。

1.4.2 土壤含水量 采用烘干法測定[17]。甘薯生長前期、中期、后期分別在壟行中間取土，測定土層為0～20 cm和20～40 cm，每處理重復測定3次。計算公式如式(1)所示。

式中：w為土壤重量含水量(%)；w1為濕土重(g)；w2為干土重(g)。

1.4.3 甘薯產量及經濟效益 收獲時，分別測定甘薯總量和商品量，計算各處理商品率。根據市場行情，核算總收入（甘薯產量×市場價格）、總支出（包括種苗、地膜、滴灌帶、肥料、農藥、灌溉、機械以及人工費等）、純收益（總收入-總支出）和投入產出比（總支出/總收入）。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2007 和SPSS19.0 軟件處理試驗數據、進行方差分析和顯著性檢驗，方差分析多重比較用Duncan法(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜處理對土壤溫度的影響

將5、10、15、20、25 cm 處土壤溫度平均值作為甘薯表層土壤溫度值。由圖1a 可知，整個生育期，覆膜各處理土壤溫度總體呈現降低的趨勢，甘薯結薯期至薯蔓并長期土壤溫度降幅大于薯蔓并長期至塊根生長期。主要是由于隨著甘薯生長，進入薯蔓并長期后，地上部分的生長，削弱了太陽輻射的影響，地膜覆蓋對表層土壤溫度的影響作用減小。M1、M2 處理膜下表層土壤溫度分別較M3 處理膜下表層土壤溫度低0.19、0.51℃。甘薯結薯期，M1處理土壤溫度顯著低于M2、M3 處理，M2、M3 處理間無差異。這與覆蓋地膜不同膜色對太陽的熱輻射選擇有關，黑色地膜吸收了較多的熱輻射，對熱量向地下傳導有一定的阻止作用，土壤溫度增加相對緩慢。薯蔓并長期、塊根生長期，M2處理土壤溫度顯著低于M1、M3處理，隨著甘薯生長，M2處理與M1、M3 處理之間土壤溫度差增大，溫差分別由0.39、0.50℃增加為1.00、1.07℃，M1、M3處理間無差異且溫差變化較小，M3 處理土壤溫度略高于M1 處理。

圖1b-f 中，膜下5、10、15、20、25 cm 處，甘薯全生育期覆膜各處理土壤溫度變化一致，均呈降低的趨勢。從不同土層來看，膜下5、10、15、20、25 cm處甘薯全生育期土壤溫度變化分別為10.57～11.57、7.07～9.50、4.90～6.50、4.20～5.87、2.90～4.60℃，由此可知，隨著土壤深度的增加，地膜對不同土層的溫度影響作用逐漸降低。從不同處理來看，甘薯整個生育期，M1處理膜下5 cm處土壤溫度較M3處理高0.44℃，膜下10、15、20、25 cm處土壤溫度較M3處理低0.27～0.56℃，而M2 處理膜下5、10、15、20、25 cm 處較M3 處理土壤溫度低0.28～0.74℃。從甘薯不同生育期來看，結薯期，5、25 cm 處M1 處理土壤溫度顯著高于M2 和M3 處理，其余土層M1處理土壤溫度最低，而在薯蔓并長期和塊根生長期，M2 處理土壤溫度總體表現為較低水平。

圖1 甘薯全生育期不同處理膜下0～25 cm土壤溫度

2.2 不同覆膜處理對土壤水分的影響

地膜覆蓋后，阻止土壤水分縱向蒸發，有效保蓄了土壤水分[2,18]。由圖2a 可知，甘薯整個生育期，不同覆膜處理0～40 cm土壤水分變化不同，M1處理土壤含水量為10.93%～18.21%，M2 處理土壤含水量為10.26%～16.92%，M1、M2土壤含水量表現為先升高后降低，M1處理較M2處理土壤含水量變化大，M3處理土壤含水量為12.43%～17.38%，表現為一直降低的趨勢，3 個覆膜處理土壤含水量變化幅度依次為M2＞M1＞M3。甘薯結薯期，全生物降解地膜土壤含水量顯著低于聚乙烯透明地膜處理，至薯蔓并長期，全生物降解地膜土壤含水量顯著高于聚乙烯透明地膜處理。主要是由于隨著甘薯生長，降解地膜誘導期結束，開始破裂，降雨隨之進入土壤，補充土壤水分，提高土壤含水量，聚乙烯透明地膜覆蓋處理隨著甘薯生長不斷消耗土壤水分，壟間滲水量較少，膜下土壤含水量一直降低。甘薯塊根生長期，全生物降解地膜土壤含水量明顯低于聚乙烯透明地膜，這與聚乙烯透明地膜的保墑能力有關。甘薯全生育期M1處理土壤含水量始終顯著高于M2 處理，平均土壤含水量較M2 處理高0.77%，M1、M2 處理平均土壤含水量分別較M3 處理低0.26%、1.03%。

圖2b、c中，針對于不同土層，甘薯全生育期，膜下0～20 cm 處M1、M2 處理土壤含水量高于M3 處理，且二者之間平均土壤含水量基本一致。而膜下20～40 cm 處M1、M2 處 理 土 壤 含 水 量 分 別 較M3 處 理 低0.67%、2.23%。從不同處理來看，0～20 cm 土層，甘薯生育期各階段，各處理土壤含水量表現不同，處理間差異顯著，覆膜各處理土壤含水量在甘薯結薯期、薯蔓并長期變化幅度小，塊根生長期各處理土壤含水量明顯減少。甘薯結薯期、薯蔓并長期，M1、M2 處理土壤含水量分別較M3 處理高6.02%～9.70%、3.25%～8.16%，塊根膨大期，M1、M2 處理土壤含水量分別顯著低于M3 處理18.92%、12.04%。膜下20～40 cm 土層處，僅在薯蔓并長期，M1處理土壤含水量顯著高于M3處理6.64%，M2處理土壤含水量在甘薯全生育期始終顯著低于M3處理2.21%～22.28%，且變化幅度大。

圖2 甘薯全生育期不同處理膜下0～40 cm土壤含水量變化

2.3 不同覆膜對甘薯經濟效益的影響

由圖3可知，不同覆膜處理對甘薯產量、商品率影響不同，但3個處理之間無差異。3個處理中，M2處理甘薯產量、商品率均最高，其余依次為M3、M1。相對于M3處理，M1處理甘薯減產2034.2 kg/hm2，而M2處理增產4657.1 kg/hm2，增幅8.82%，商品率提高0.61%。圖4 中，對應甘薯產量、商品率，M2 處理甘薯總收入最高，依次為M3 處理、M1 處理，M1 處理總收入較M3 處理降低4.12%，而M2 處理增加9.37%。對于甘薯純收入，表現為M1處理總收入較M3處理降低6.75%，M2處理增加10.47%。M1、M2、M3這3個處理投入產出比依次為27.2%、24.4%和25.2%，因此，M2處理甘薯經濟效益最佳。

圖3 不同覆膜處理甘薯產量

圖4 不同覆膜處理甘薯經濟效益分析

3 結論

甘薯生長前期，透明地膜處理土壤溫度高于黑色地膜，隨著甘薯生長，聚乙烯地膜覆蓋處理土壤溫度高于全生物降解地膜。整個甘薯生育期，聚乙烯透明地膜土壤溫度均值最高，依次為全生物降解黑色地膜、透明地膜處理，不同處理間土壤溫度差異不大。隨著土壤深度增加，覆膜處理對膜下土壤溫度、水分影響作用逐漸減弱。甘薯整個生育期全生物降解地膜處理土壤水分低于聚乙烯地膜覆蓋，以全生物降解透明地膜處理膜下土壤含水量最低。不同覆膜處理中，全生物降解透明地膜甘薯產量、商品率最高，總支出以聚乙烯透明地膜處理最低，綜合甘薯整個生產收入與支出，全生物降解透明地膜處理甘薯投入產出比最低，經濟效益最佳。

4 討論

土壤熱通量由于地膜的覆蓋而發生改變，不同地膜材料以及膜色差異對土壤溫度的影響存在變化[19]。甘薯全生育期，膜下5 cm處全生物降解黑色地膜處理土壤溫度較聚乙烯透明地膜處理高0.44℃，膜下10、15、20、25 cm 處均低于聚乙烯透明地膜處理，全生物降解透明地膜處理膜下土壤溫度均低于聚乙烯透明地膜處理。主要是由于甘薯整個生育期，聚乙烯透明地膜膜面基本完整，地膜的保溫作用一直存在，而降解地膜隨著甘薯生長，膜面逐漸破裂直至最終完全破碎，對土壤的保溫作用降低。王斌等[20]、鄔強等[21]、趙彩霞等[22]分別在馬鈴薯、棉花等作物栽培試驗中發現，聚乙烯地膜處理土壤耕層溫度在作物全生育期高于降解地膜。耕層土壤溫度由于膜色差異表現不同，在甘薯生長前期，透明地膜處理土壤溫度均顯著高于黑色地膜，全生物降解透明地膜與聚乙烯透明地膜之間差異不明顯。王東明等[23]的研究表明，作物生長前期，白色地膜覆蓋處理土壤溫度高，這與本試驗結果表現一致。分析其原因，主要是因為透明地膜熱通量大，而黑色地膜由于透光率低，其增溫效果低于透明地膜[24]。甘薯進入薯蔓并長期后，土壤溫度變化趨勢減緩，這與葉片對地面的遮蔽作用逐漸增強有關，地膜覆蓋對土壤溫度的影響作用降低，土壤溫度隨甘薯生長整體下降。膜下5 cm 處，土壤溫度在甘薯生育期變化最大，隨著土層深度增加，變化趨勢減小，地膜覆蓋的增溫效應對土壤深度的增加而逐漸減弱。

地膜覆蓋栽培技術能有效減少土壤水分蒸發，保持耕層土壤墑情，改善土壤的水熱狀況，降低水分因子對旱區農業的影響，進而推動雨養區農業發展[25-26]。本研究發展，膜下耕層土壤含水量在甘薯結薯期和薯蔓并長期變化不大，甘薯塊根膨大期土壤含水量大幅度降低，主要是因為：一是在甘薯生長期6月至8月初，降水量大，通過壟間的滲透作用提高了土壤水分含量；二是隨著甘薯生長后期生物量增大，對土壤水分的消耗量增加，導致土壤含水量顯著降低。甘薯全生育期，全生物降解黑色地膜、透明地膜土壤含水量較聚乙烯透明地膜分別低0.26%、1.03%。這主要是由于全生物降解地膜在誘導期結束后，地膜開始裂解，并逐漸破碎，降低了其對土壤水分散失的阻礙作用。同時，由于全生物降解黑色地膜的誘導期長于全生物降解透明地膜，土壤含水量由于地膜誘導期的差異而不同，全生物降解黑色地膜處理土壤含水量高于全生物降解透明地膜。李強等[27]研究發現玉米地膜覆蓋處理，普通地膜覆蓋較生物可降解地膜覆蓋處理土壤貯水量高6 mm。本研究中，甘薯整個生育期，聚乙烯透明地膜處理土壤含水量高于全生物降解地膜。

高旭華等[28]研究表明，生物降解地膜較普通塑料膜商品馬鈴薯增產2335.5～2056.5 kg/hm2，但是差異不顯著。本研究中，以全生物降解透明地膜覆蓋甘薯產量、商品率最高。究其原因，一方面透明地膜覆蓋在甘薯生育期前期顯著提高土壤溫度，增加有效積溫，利于甘薯薯蔓生長，另一方面，進入甘薯薯蔓并長期后，全生物降解地膜開始破裂，同期降雨量增大，水分進入土壤，提高了土壤含水量，有效補充甘薯迅速生長對水分的需求，同時帶動養分的轉移吸收，增加甘薯地上、地下生物量，促進了甘薯塊根的生長。本試驗中，全生物降解地膜成本高于聚乙烯地膜，但全生物降解透明地膜的投入產出比最低，經濟效益高于其余2 種地膜覆蓋處理。