可降解地膜在黃瓜生產中的應用研究

王靜波吳思穎施林林鄧金花高翠霞祖若川

(1.蘇州高新區(虎丘區)農業技術服務中心，江蘇 蘇州 215163；2.蘇州市農業科學院，江蘇 蘇州 215155；3.蘇州市相城區農業技術綜合服務中心，江蘇 蘇州 215000)

前言

農用地膜具有保溫、保濕和抑草等功能[1]，在蔬菜生產中大量使用。中國是全球最大的農膜使用國，據估計，我國年均農用塑料薄膜使用量1.4百萬t[2]。傳統地膜常采用聚乙烯(PE)塑料作為地膜的主要原料，由于PE材料極其難以降解，在土壤中可存在200～400年[3]。有研究表明，我國農田中每年農膜殘留量大約達到18.6%[4]。回收地膜是一種減少殘留的方法，但人工拾取殘膜耗時費力，即使采用機械回收，也存在回收不徹底等問題[5，6]。大量農膜殘留在農田，對土壤和周圍環境均造成了嚴重污染，不僅影響田間機械化耕作，而且會破壞土壤結構，影響作物水肥吸收，阻礙根系生長，導致作物減產[7]。同時，現有研究表明，地膜殘留極易導致土壤微塑料生成，嚴重危害土壤微生態、作物生長和人體健康[8]。因此，推動可降解農膜替代傳統地膜的應用具有重要意義。

本研究通過田間試驗應用并比較不同可降解地膜與傳統地膜對土壤生境、黃瓜生長、產量及土壤理化等的影響，提出適宜本區域黃瓜生產的可降解地膜產品。

1 材料與方法

1.1 研究概況

田間試驗于2022年4—9月在江蘇省蘇州市高新區福家農莊有限公司基地進行，基地地處屬于北亞熱帶南部濕潤氣候區，日照充足，四季分明，常年平均溫度17.5°C，常年降雨量1100mm，常年日照時數2100h。種植土壤pH為7.32，有機質含量為27.24g·kg-1，全氮含量為0.19%，堿解氮含量為435.40mg·kg-1，全磷含量為1.29g·kg-1，有效磷含量為48.86mg·kg-1，全鉀含量為22.5g·kg-1，速效鉀含量為1317.8mg·kg-1。

1.2 試驗材料

地膜分別選用目前市場中常見的聚乙烯(PE)地膜和可降解地膜，包括聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚乳酸(PLA)，規格與參數詳見表1。種植作物選用黃瓜，品種為“南水2號”，種子購于南京裕盛種子有限公司。生物有機肥總養分≥8%(N∶P2O5∶K2O=4.54%∶2.13%∶1.2%)，復合肥為45%三元復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)。

表1 不同處理農膜規格與材質

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，處理包括常規PE地膜、PBAT地膜、PBS地膜和PLA地膜。每個處理小區面積為20m2，每個處理重復3次。

黃瓜育苗后于3月14日覆膜并在設施大棚內定植。有機肥和復合肥在定植前一次性施入，且不同處理間均保持一致，施肥量為施用有機肥500kg·667m-2，復合肥4kg·667m-2。灌溉采用滴灌方式。在試驗周期內(3—9月)定期監測地膜降解情況并進行記錄，監測土壤溫濕度和EC值(0～20cm)，并在收獲期測定黃瓜莖粗、株高、產量和土壤理化性狀。用直尺測量子葉節到主莖頂端(即生長點)的距離為株高，用游標卡尺測定植株莖粗。土壤理化指標參考《土壤農業化學分析》[9]。

2 統計與分析

數據收集采用Excel 2010，統計分析繪圖分別采用Minitab 19和SigmaPlot 14.0。處理間差異比較采用單因素方差分析，在獲得顯著性后采用Tukey法進行多重比較，顯著性水平取0.05。

3 結果與分析

3.1 不同地膜降解情況

本研究中誘導期，從覆膜到壟(畦)面地膜出現多處(每延長1m有3處以上)≤2cm自然裂縫或孔洞(直徑)的時間(天數)；開裂期指出現≥2cm且<20cm自然裂縫或孔洞(直徑)的時間(天數)；大裂期指出現≥20cm自然裂縫或孔洞(直徑)的時間(天數)。PE處理在實驗周期內均無任何降解跡象；PBAT和PBS處理誘導期和開裂期降解時間相同，均為80d和122d，且PBAT處理大裂期出現時間為169d；PLA處理誘導期和開裂期降解時間長于PBAT和PBS處理，且觀察周期內未出現大裂期，見表2。

表2 不同處理間生物降解膜降解天數

3.2 不同地膜覆蓋土壤溫度

覆膜處理可有效提高土壤溫度，本研究中土壤溫度總體伴隨種植時間的延長而提高，這也與環境溫度緊密相關，且在整個生育周期內4種覆膜處理土壤溫度無顯著差異。值得注意的是，5月20日后，PE處理土壤溫度顯著高于其余處理，但PBAT、PBS和PLA 3個可降解地膜處理間無顯著差異，見圖1。

注：星號表示在0.05水平上處理間有顯著差異。

3.3 不同地膜覆蓋土壤水分

土壤覆膜具有保濕效果，本研究中土壤水分變異較大，平均變幅在20.2%～68.8%。4月8日—5月20日間不同處理土壤水分無顯著差異，在6月2日，PE處理土壤水分顯著高于可降解地膜處理，其中PE處理土壤含水率達68.8%，可降解地膜處理土壤含水率平均為53.54%。6月27日和7月14日，PE處理土壤含水率也略高于可降解地膜處理，PE處理土壤含水率平均為33.6%，可降解地膜處理土壤含水率平均為32.1%，見圖2。

注：星號表示在0.05水平上處理間含水率有顯著差異。

3.4 不同地膜覆蓋土壤EC的變化

隨著種植時間的延長，土壤EC值整體呈現先增加后降低的趨勢，其中6月2日達到高峰期，土壤EC值變化范圍在775.2～2368.0μS·cm-1。處理間土壤EC值含量并無顯著差異，但6月2日—7月14日PE處理EC值含量略高于可降解地膜處理，PE處理土壤EC值平均為1636.9μS·cm-1，可降解地膜處理土壤EC值平均為1338.6μS·cm-1，見圖3。

圖3 不同處理下土壤表面EC的變化

3.5 不同地膜覆蓋黃瓜生長

不同覆膜條件下，黃瓜整體莖粗在不同處理下有顯著差異，多重比較表明PBAT、PBS和PLA處理黃瓜莖粗均顯著高于PE處理，見圖4a，其中PBAT、PBS和PLA處理黃瓜莖稈粗度比PE處理分別增加8.3%、5.2%和4.4%。黃瓜植株高度在不同覆膜處理下無顯著差異，見圖4b，但PBAT、PBS和PLA處理黃瓜莖稈高度比PE處理仍分別增加1.9%、1.1%和0.6%。

3.6 不同地膜覆蓋黃瓜產量

不同覆膜處理下黃瓜產量并無顯著差異，見圖5，其中PBAT處理黃瓜產量最高，達2197.7kg·667m-2，PE處理黃瓜產量為2045.9kg·667m-2，PBAT處理黃瓜產量較PE處理產量平均提高7.4%。PBS和PLA處理黃瓜產量分別為2096.4kg·667m-2和2096.8kg·667m-2，與PE處理相比產量平均降低2.3%和2.4%。

圖5 不同處理下對黃瓜產量

3.7 不同地膜覆蓋田土壤理化性質

不同覆膜種植條件下土壤養分均無顯著影響(p>0.05)，但可降解膜處理(PBAT、PBS和PLA)條件下土壤全氮、堿解氮、全磷和有效磷均有一定的增加趨勢，而土壤pH和有機質含量有降低趨勢，見表3。

表3 不同處理土壤理化性質

4 討論

本研究結果表明，PBAT地膜在土壤中降解效果最好。PBAT作為石油基生物可降解塑料的代表，具有較好的延展性、斷裂伸長率，且在黃瓜生長周期內能達大裂期，為后續完全降解奠定了基礎。而PBS和PLA材料在黃瓜生長期內僅達開裂期，降解速度較慢，可能影響后續作物定植和栽種。周天美等在豇豆的研究中也發現，采用PBAT為基礎的可降解地膜降解速度快，在蔬菜生產中效果較好[10]。

可降解地膜處理土壤溫度在前期(4月8—28日)與常規地膜一致，但后期土壤溫度顯著低于常規地膜處理。這與可降解地膜開始降解有關，地膜出現裂紋后，膜下空氣與外界空氣交流增加，土壤溫度呈現降低趨勢。6月2日以后PE處理土壤水分含量高于可降解地膜處理，主要原因是本研究中采用滴灌方式，PE地膜無降解導致保水性能優于可降解地膜，因此土壤水分略高于可降解地膜處理。土壤EC值含量與土壤含水率相關[11]，土壤含水率增加后常產生泛鹽現象[12]，本研究中可降解地膜在6月2日以后明顯降解，土壤高含水率促進了土壤EC提升。

植物養分和光合物質轉運主要通過韌皮部和木質部[13]，植物莖稈較粗表明其運輸能力較強，植物株高較高反映其營養器官較好。因此，黃瓜莖粗與株高數據支持了可降解地膜條件下黃瓜產量優于PE地膜處理的這一結果。陳琦和王東升等的研究結果也表明，黃瓜株高、莖粗與其產量正相關[14，15]。同時，土壤養分數據表明在可降解地膜處理下，有機質加速礦化，同時土壤氮磷等養分含量增加，上述結果也支持了在可降解地膜條件下黃瓜對礦質養分吸收能力增加。

5 結論

總體而言，采用可降解地膜處理后黃瓜產量較傳統地膜提升2.3%～7.4%，其機制在于可降解地膜處理通過地膜的生物降解正向調控土壤溫濕度和EC值，促進了黃瓜生長和養分吸收。PBAT地膜較PBS和PLA地膜具有更快的生物降解效率，值得進一步推廣。