地膜類型對棉花生長的影響及自身降解和回收特性分析

陳茂光,林 濤 ,張 昊,劉海軍,王一帆,湯秋香

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,烏魯木齊 830052;2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】地膜覆蓋能夠有效地保持土壤水分[1],增加土壤地溫[2],使作物增產(chǎn)[3]。然而,聚乙烯(PE)地膜韌性、強(qiáng)度較低,耐老化能力差,使用后回收較困難[4-5]。棉花地膜覆蓋量較大,相對的殘膜量也會較大[6-7]。評價(jià)不同類型地膜對棉花長勢的影響,對分析地膜自身降解和回收有重要意義。【前人研究進(jìn)展】生產(chǎn)中不斷加大新型功能地膜的研發(fā)力度,其中以高強(qiáng)度全回收[8]和可生物降解地膜[9-10]產(chǎn)品最具代表性。高強(qiáng)度全回收地膜,是一種在聚乙烯材料基礎(chǔ)上,增強(qiáng)地膜的拉伸強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)同等厚度情況下不破碎,回收率高達(dá)到95.48%,較PE地膜回收率增加15%～30%[11]。生物降解地膜主要成分為聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)、聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)和聚甲基乙撐碳酸酯(PPC),通過添加降解母料的種類和比例控制降解速率,實(shí)現(xiàn)作物對地膜增溫保墑功能的需求和作物收獲后徹底降解[12-13]。李鵬輝等[8]發(fā)現(xiàn)與PE地膜相比,高強(qiáng)度地膜可以提高土壤溫度和含水量,并對棉花株高、果枝臺數(shù)具有增益效果,增產(chǎn)率為2.96%～3.42%。生物降解地膜最終分解產(chǎn)物為二氧化碳和水,分解徹底,但可控性較差,無法較好滿足作物生育期對溫度和水分的需求,作物產(chǎn)量不穩(wěn)定。楊振興等[14]研究發(fā)現(xiàn),PLA/PBAT復(fù)合型降解地膜和PBAT全生物降解地膜較PE地膜處理的谷子產(chǎn)量低,但三者之間無顯著差異。王龍等[15]研究發(fā)現(xiàn),3種不同PBAT含量的生物降解地膜與PE地膜相比籽棉產(chǎn)量降低-0.89%～23.06%。【本研究切入點(diǎn)】曾曉萍等[16]研究表明,全生物降解地膜不僅增產(chǎn),且降解率高達(dá)80%以上,較PE地膜殘留量降低83.8%～93.0%。前人研究主要集中于不同地膜對作物產(chǎn)量的影響,關(guān)于高強(qiáng)度地膜和降解地膜對棉花長勢及自身降解和回收特性分析的綜合性評價(jià)研究鮮有報(bào)道。需評價(jià)不同類型地膜對棉花長勢的影響及自身降解和回收特性的分析。【擬解決的關(guān)鍵問題】選取聚乙烯地膜、全回收高強(qiáng)度地膜和4種生物降解地膜,對比分析不同類型地膜對作物長勢的影響及自身降解和回收特性,為棉田地膜的篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2021年4～10月在沙雅縣海樓鎮(zhèn)(41°17′2″ N,82°42′59″ E,海拔986 m)進(jìn)行。該區(qū)位于塔里木盆地北部,渭干河綠洲平原南端屬溫帶大陸性氣候,年平均日照3 031 h,無霜期214 d,≥10℃年積溫4 105℃,年均降雨量不足48 mm。供試品種為J206-5號,供試地膜為4種降解地膜。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在普通農(nóng)田進(jìn)行,采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),材料為全回收高強(qiáng)度地膜(G)、4種降解地膜分別標(biāo)記為J1、J2、J3(耐候期100 d)和J4(耐候期80 d),以聚乙烯地膜(CK)為對照。于4月15日播種,采用1膜6行3管種植模式,株行配置[(10+66+10+66)+10] cm×11.5 cm,理論密度22.5×104株/hm2,每個處理重復(fù)4次,每個重復(fù)設(shè)3個試驗(yàn)小區(qū),小區(qū)長10 m,寬6.9 m。表1

表1 地膜狀況

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 10 cm深地積溫及溫差

覆膜后于每個處理中間小區(qū)寬行中間處,采用自動溫度記錄儀(Micro Lite 5032PU,Israel),埋入膜下10 cm處,采樣間隔為1 h,時(shí)間為棉花出苗后至收獲期,用每日溫度變化整理成日平均溫度,計(jì)算10 cm深地積溫及與CK處理間溫差(℃)。

1.2.2.2 株高和莖粗

每個小區(qū)隨機(jī)挑選長勢均勻的邊、中行棉花各10株,定點(diǎn)觀測,于主要生育時(shí)期,測量子葉節(jié)到生長點(diǎn)的高度,并使用電子游標(biāo)卡尺測量該株棉花莖粗(cm)。

1.2.2.3 地上部生物量

于主要生育時(shí)期,每個小區(qū)隨機(jī)挑選長勢均勻的邊、中行棉花各3株,從子葉節(jié)取地上部,并105℃殺青30 min,再80℃烘至恒重,稱其干物質(zhì)量(g/株)。

1.2.2.4 籽棉產(chǎn)量

于收獲時(shí)期,每個小區(qū)選取6.67 m2樣方,調(diào)查有效株數(shù)(株/hm2)和單株成鈴數(shù)(個/株)。選取棉花冠層下部(1～3果枝)、中部(4～6果枝)和上部(7及以上果枝)各取30朵棉鈴,自然風(fēng)干后稱重,計(jì)算單鈴重(g/個)。籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)=有效株數(shù)×單株成鈴數(shù)×單鈴重。

1.2.2.5 降解地膜降解率

播種時(shí)稱量各類地膜初始質(zhì)量,于主要生育時(shí)期和收獲時(shí)期,每個小區(qū)采用對角線取樣法,沿對角線拾取3個2.3 m×2.3 m樣方表層降解地膜,清洗晾干后稱重(kg/hm2),降解地膜降解率=(初始質(zhì)量-殘留量)/初始質(zhì)量×100%。

1.2.2.6 地膜回收率

棉花收獲后,對PE和G處理進(jìn)行機(jī)械回收作業(yè),回收率=(初始質(zhì)量-殘留量)/初始質(zhì)量×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用IBM公司的數(shù)據(jù)分析軟件SPSS Statistics 25對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并采用微軟公司開發(fā)的辦公軟件Microsoft Office中Excel進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜類型對10 cm深地積溫及溫差的影響

研究表明,CK處理10 cm深地積溫為3 412.24℃,G處理地積溫顯著高于CK,且均顯著高于3種降解地膜J2、J3和J4處理。G處理10 cm深地積溫較CK處理顯著提高了34.27℃,達(dá)3 446.51℃;4種降解地膜處理間溫差不顯著,較CK處理地積溫降低了17.91～52.10℃。圖1

圖1 不同類型地膜下10 cm深地積溫(左)及溫差(右)變化

2.2 地膜類型對棉花株高和莖粗的影響

研究表明,各生育時(shí)期G處理較CK處理無顯著差異,降解地膜處理的株高顯著低于CK。蕾期各降解地膜中,J1處理株高與CK差異不顯著,J2、J3和J4處理株高顯著低于CK處理9.36%～10.58%。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),降解地膜處理對棉花株高的影響逐漸增大,在花期各降解地膜處理間均存在顯著差異。各生育時(shí)期G處理較CK莖粗無顯著差異。蕾期降解地膜處理較CK處理莖粗差異不顯著;花期降解地膜處理的莖粗顯著低于CK處理2.61%～5.19%。圖2

圖2 不同類型地膜下各生育時(shí)期棉花株高(左)和莖粗(右)變化

2.3 地膜類型對棉花地上部生物量的影響

研究表明,各生育時(shí)期G處理地上部生物量顯著高于CK處理,降解地膜處理顯著低于CK處理。蕾期G處理地上部生物量為20.12 g/株,較CK處理顯著提高16.26%;降解地膜處理較CK處理顯著降低9.66%～19.70%。花期G處理地上部生物量顯著高于CK處理;降解地膜處理顯著低于CK處理4.91%～16.95%,降解地膜處理間無顯著差異。鈴期G處理地上部生物量顯著高于CK處理7.45%;降解地膜處理顯著低于CK處理4.91%～16.95%,且降解地膜處理間差異顯著,呈現(xiàn)出J1>J2>J3>J4。整個棉花生長階段G處理地上部生物量顯著高于CK,且均顯著高于降解地膜處理,降解地膜處理間差異逐漸變大。圖3

圖3 不同類型地膜下各生育時(shí)期棉花地上部生物量變化

2.4 地膜類型對棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

研究表明,地膜類型對有效株數(shù)無顯著差異,對棉花單株成鈴數(shù)、單鈴重及籽棉產(chǎn)量的影響差異顯著。G處理棉花單株成鈴數(shù)顯著高于CK處理0.94個/株,但單鈴重顯著低于CK處理0.23 g/個;J1和J2處理單株成鈴數(shù)較CK無顯著差異;J3和J4處理單株成鈴數(shù)較CK處理分別顯著降低0.47和0.37個/株;4種降解地膜處理單鈴重均顯著低于CK處理0.15～0.30 g/個,但處理間無顯著差異;G處理籽棉產(chǎn)量較CK處理顯著提高11.00%,增產(chǎn)620.91 kg/hm2,且均顯著高于降解地膜,降解地膜處理較CK籽棉產(chǎn)量降低8.75%～15.22%。全回收高強(qiáng)度地膜處理產(chǎn)量顯著高于普通聚乙烯地膜,且均顯著高于降解地膜。表2

表2 不同類型地膜下棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素變化

2.5 地膜降解及回收情況

研究表明,各降解地膜降解率隨生育時(shí)期的推進(jìn)逐漸增加。蕾期J1、J2和J3處理間降解率無顯著差異,J4處理較其他降解地膜顯著提高約6%;花期降解地膜處理間降解率差異變大,均表現(xiàn)出顯著性水平;鈴期和吐絮期J4處理降解率顯著高于其他降解地膜約10%,J1處理顯著低于其他降解地膜,J2和J3處理無顯著差異。隨覆膜時(shí)間的增長,J2處理由花期顯著低于J3處理,到吐絮期高于J3處理約5%。收獲時(shí)期J2處理在降解地膜中降解率最高為89.49%,較J1處理降解率顯著提高14.46%,較CK處理回收率提高6.67%,但較J3和J4處理無顯著差異,且均顯著高于J1處理;收獲期時(shí)CK和G經(jīng)機(jī)械回收作業(yè)后,G處理回收率高達(dá)92.16%,較CK處理回收率顯著提高9.35%。圖4

圖4 各生育時(shí)期降解地膜降解(左)和收獲時(shí)期地膜降解及回收變化(右)

3 討 論

3.1土壤溫度作為影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素[17]。降解地膜處理較普通聚乙烯地膜處理土壤溫度更低[18],與研究結(jié)果相似。研究結(jié)果表明在一定程度上降解地膜降解率與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[19]。地膜保溫性能會受到降解地膜降解情況的影響。但研究表明J2處理10 cm深地積溫較其他降解地膜偏低,但并未影響產(chǎn)量形成,可能是黑色地膜除草效果好,減小了種群競爭力[20]。

3.2株高、莖粗、地上部生物量等是反映作物長勢的重要農(nóng)藝指標(biāo)[21]。研究表明,降解地膜處理下各生育時(shí)期棉花株高、莖粗和地上部生物量較CK處理顯著降低,G處理地上部生物量較CK顯著提高7.45%～19.90%。前期棉花生長受土壤溫度影響較大,影響后期棉花生長發(fā)育,并影響棉花干物質(zhì)積累量。對照處理籽棉產(chǎn)量為5 642.14 kg/hm2,但G處理產(chǎn)量較CK處理更高,產(chǎn)量提高620.91 kg/hm2,增幅11.00%,與施光美等[22]研究結(jié)果相似。研究表明,雖然G處理的單鈴重低于CK處理0.23 g/個,但單株成鈴數(shù)顯著高于CK處理0.94個/株。研究結(jié)果表明,降解地膜處理產(chǎn)量顯著低于CK處理8.75%～15.22%,且單株成鈴數(shù)和單鈴重較CK處理分別顯著降低0.22～0.47個/株和0.15～0.30 g/個,與鄔強(qiáng)等[23]研究結(jié)果相似。可能是降解地膜處理棉花主要長勢和產(chǎn)量指標(biāo)均低于普通聚乙烯地膜處理,產(chǎn)量顯著下降主要?dú)w因于產(chǎn)量構(gòu)成因子下降帶來的加性效應(yīng)所致。

3.3降解地膜主要成分不同,降解時(shí)間和降解速率也不同[24]。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),降解地膜在各生育時(shí)期中降解率差異較大,收獲時(shí)期降解地膜均能達(dá)到75%以上,降解率較高,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)有少量殘留,但剩余的生物降解地膜可被土壤微生物降解[25]。收獲期降解地膜中J2黑色地膜處理降解率最高為89.49%,較CK處理回收率提高6.67%。與王書勤等[26]研究黑色降解膜開裂遲,后期降解時(shí)間短和降解較徹底結(jié)果基本一致。不同類型降解地膜降解速率不同,不同類型高強(qiáng)度地膜也會影響其回收效果[27]。經(jīng)機(jī)械回收作業(yè)后,全回收高強(qiáng)度地膜回收率高達(dá)92.16%,較對照PE處理顯著提高9.65%。戚瑞敏等[28]研究也表明,高強(qiáng)度地膜處理回收率顯著高于PE地膜。

4 結(jié) 論

不同地膜類型覆蓋棉田地積溫差異顯著,全回收高強(qiáng)度地膜10 cm深地積溫較對照顯著提高34.27℃,降解地膜較對照降低17.91～52.10℃。地膜覆蓋通過調(diào)節(jié)地積溫,進(jìn)而調(diào)控棉花生長發(fā)育和干物質(zhì)積累,降解地膜株高和莖粗較對照顯著降低4.66%～13.21%和1%～4.70%,各生育時(shí)期地上部生物量全回收高強(qiáng)度地膜較對照顯著增加7.45%～19.90%,降解地膜顯著降低4.91%～23.11%。不同類型地膜覆蓋棉田調(diào)控棉花生長發(fā)育,最終影響產(chǎn)量。全回收高強(qiáng)度地膜較對照單株成鈴數(shù)顯著提高0.94個/株,產(chǎn)量高達(dá)6 263.06 kg/hm2,增幅11.00%。降解地膜較對照單株成鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量分別顯著降低0.22～0.47個/株、0.15～0.30 g/個和8.75%～15.22%。全回收高強(qiáng)度地膜較普通聚乙烯地膜增產(chǎn)效果顯著,且殘膜回收率高達(dá)92.16%,較對照顯著提高9.35%。