完全生物降解地膜覆盖对膜下滴灌棉花土壤温度及水分的影响

邬 强，郑旭荣，王振华，张金珠，李文昊

(1. 石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2. 现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

新疆位于西北干旱区，地膜覆盖对土壤具有明显的保湿保温的作用，并且可以有效地治理杂草，从而促进农作物增产[1,2]。自从20世纪90年代新疆引入膜下滴灌技术，地膜带来“白色革命”，极大提高新疆农业经济发展。目前膜下滴灌广泛应用于棉花、番茄、玉米等种植，极大提高了当地居民收入[3]。由于普通塑料地膜更好的经济性，使得新疆普遍采用不可降解的普通塑料地膜，这种地膜主要成分为聚乙烯或聚氯乙烯，都具有极高的稳定性，降解速度非常缓慢，据估计降解需要100年的时间[4]。长期膜下滴灌使大量地膜碎片残存在土壤中，形成不同程度不同层次的隔层，影响土壤的透气性，阻碍根对养分和水分的吸收。新疆未采取有效的残膜回收技术，尤其是超薄地膜的使用，这种地膜相对容易破碎，薄膜碎片残存于地下30 cm以内并逐年递增，使土壤容重减小，破坏土壤团粒结构。若任其发展势必会造成农作物减产并且导致严重土壤污染[5]。因此，发展适应于新疆特殊气候条件下的可降解地膜已经成为解决土壤残膜污染的重要方法[6]。

20世纪70年代，欧美科学家首先提出降解塑料的概念，1973年英国科学家格里芬提出生物降解的概念，Otey 等将其进一步发展，提出“双降解”的概念，随之产生了光生物双降解地膜[7,8]。中国在20世纪90年代降解塑料成为研究热点，不断有新型可降解地膜产生。随着可降解地膜生产技术日渐成熟，降解地膜的研究也进入田间试验示范阶段[9]。李仙岳[10]等研究了不同厚度生物降解膜在葵花方面的应用，得出生物降解膜覆盖与普通塑料地膜具有相似的应用效果，刘群[11]等研究了生物降解膜在玉米种植的应用，前期效果与普通塑料地膜相似，由于后期降解膜的降解，保温保墒效果降低。申丽霞[12]等研究了生物降解地膜在玉米上的应用，也得出生物降解膜和普通塑料地膜具有类似的应用效果。前人的研究主要集中在研究降解膜在玉米、葵花等上的应用，多数位于内地，然而很少研究完全生物降解膜在新疆地区膜下滴灌的应用。笔者针对新疆特殊气候条件，研究两种不同厚度生物降解地膜在膜下滴灌棉花上的大田应用，针对完全生物降解地膜对土壤温度和水分的影响进行研究，为生产中使用完全生物降解膜代替普通塑料地膜提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年4月至11月在石河子大学节水灌溉试验站(85°59′47″E，44°19′28″N海拔412 m)进行，试验站位于新疆石河子市西郊石河子大学农试场二连，平均地面坡度6‰，年平均日照时数达2 865 h，≥10 ℃积温为3 463.5 ℃，无霜期170 d，多年平均降雨量207 mm，平均蒸发量1 660 mm，地下水埋深大于10 m，土壤质地为中壤土，0～100 cm层的平均体积质量及田间持水率(质量含水率)分别为1.60 g/cm3和18.65%。

1.2 试验设计

采用小区试验，设置普通塑料地膜(PE)、A型完全生物降解地膜厚0.010 mm(BD1)、B型完全生物降解地膜厚0.012 mm(BD2)以及无膜(CK)4个处理，各处理3次重复，随机排列组合，每个小区面积为108 m2(18 m×6 m)。膜下滴灌棉田棉花种植模式为1膜2带4行，平均株距11 cm，理论留苗密度250 000株/hm2。4月21日播种(干播湿出)，5月5日出全苗，5月16日定苗，9月10日开始采摘。全生育期共施肥量832 kg/hm2(尿素和磷酸钾铵按照2∶1的比例进行滴灌随水追施)，喷缩节安化控4次。灌溉水源为当地深层地下水，矿化度低于0.3 g/L，所有处理灌水量相同，为4 500 m3/hm2，灌溉方式为膜下有压滴灌。其他种植管理方式与大田生产相同。

试验用完全生物降解地膜为金发科技股份有限公司生产，膜宽都是80 cm，膜厚分别为0.010和0.012 mm；主要成分是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)这种地膜由自然界存在的微生物如细菌、霉菌(真菌)和藻类的作用而引起降解(无需人工添加剂)，降解后产生天然物质，如水、二氧化碳和生物质。供试验棉花品种为新陆早21号，适合新疆自然生态特点和“矮密早”栽培模式要求，具有良好的稳定性和适应性；聚乙烯普通塑料地膜由新疆天业股份有限公司生产，膜厚0.008 mm；单翼迷宫式滴灌带由新疆天业股份有限公司生产，滴头间距30 cm，滴头设计流量2.6 L/h。

1.3 测定项目和方法

1.3.1土壤温度

采用曲管地温计对不同处理的土壤温度进行观测，分别观测地下5、10、15、20 cm处的温度，第一个月测定时间为08∶00至20∶00每隔两个小时观测一次，从覆盖当天起每隔5d测定一次，之后测定时间为08∶00，14∶00，20∶00三个时间点，每隔7 d测定一次。

1.3.2土壤水分

采用取土烘干法测定质量含水率，水平方向分别在滴灌带下、窄行和宽行中间测定，垂直方向则每隔10 cm取一个样取至1 m。测定时间为棉花播种第2天，然后每个10 d测定一次，含水量采用申孝军方法进行加权平均计算，根据不同深度土壤容重换算成土壤储水量。

1.3.3气象数据

在距试验地300 m处设自动气象站，每隔30 s测量一次，记录降水、气温、湿度、太阳辐射、大气压等气象指标。

1.4 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel 2007进行处理及绘图。使用Microsoft Excel 2007在P<0.05下进行方差分析。

图1 棉花生育期气温和降雨

2 试验结果分析

2.1 不同覆盖处理对土壤温度的影响

2.1.1土壤温度的日变化

图1表示棉花生育期内的气温和降雨，气温为每十日平均值。图 2 表示5月7(播种后15天)日不同覆膜处理不同深度土壤地温的日变化。从图2中可以看出土壤温度随着时间推移逐渐升高，其中5到10 cm处温度达到最大值后又逐渐降低。地下5 cm处16∶00(北京时间，下同)温度较8∶00时刻地温提高平均108.3%，但在20∶00时刻地温又出现降低，降幅达到33.6%，并且在地下10 cm处出现了相似的规律，但温度的增幅和降幅分别为76.7% 和15%，地下10 cm处温度的波动幅度明显与地下5 cm较小。地下15和20 cm处土壤温度的变化较上层土壤明显趋于平稳。地下15 cm和地下20 cm处的地温增幅(8∶00与16∶00相比)分别为39.2%和17.7%，并且在16∶00至20∶00的这个时段内，并未出现降低反而出现了增长。可以看出5和10 cm处地温最高值出现在16∶00，15 cm深度地温最高值出现在18∶00，20 cm深度地温极值出现在20∶00，总体上地温极值随着深度的增加出现了滞后现象。两种完全生物降解地膜和普通地膜的地温高于裸地，地下5 cm处BD1、BD2、普通塑料地膜覆盖(厚度分别为0.010、0.012和0.008 mm)较无覆盖地温提升8.1%、6.9%和14.8%。普通塑料地膜对于地温的提高作用最强，BD1增温作用强于BD2但之间没有显著性差异(P<0.05)。地下10和15 cm处地温与地下5 cm处地温具有相似的规律，但在地下20 cm处覆膜处里与不覆膜没有显著性差异(P<0.05)。由此可以看出地膜覆盖的增温效应主要集中在地表至地下15 cm深度内。完全生物降解地膜与普通塑料地膜具有相似的增温作用，从地膜的增温方面看可以代替普通塑料地膜使用。

2.1.2土壤温度的周变化

图3表示不同覆膜处理5和10 cm 深度土壤温度的周变化，分别为一天中不同时刻5和10 cm处土壤温度的平均值。地膜覆盖主要对地表至地下15 cm内土壤温度产生影响(图2)。因此主要研究地下5和10 cm处地温的周变化。从图3可以看出土壤温度在播种后35天内波动较大，最高与最低土壤温度相差15.1 ℃，这主要是由于较大的气象变化引起地温的波动(图1)，并且棉花植被覆盖较小气象因素是主要的影响因素。之后气温稳中有升，地温则相应升高则得以印证。在播种后65 d内，地下5 cm处覆盖BD1、BD2和LPE与无覆盖(CK)相比温度提高了2.3、2.1和3.5 ℃。覆盖完全生物降解地膜可以显著地提高土壤温度，与之相比普通塑料地膜的增温效应更加明显(增长57.1%)。地下10 cm具有相似的作用，与对照相比BD1、BD2和LPE提高0.9、0.8和2.1 ℃，但增温作用与地下5 cm相比明显降低。播种65 d后3种覆膜处理5和10 cm深度土壤温度都较为接近但比无覆盖高，这是由于随棉花生长，植被覆盖成为影响土壤温度的主要因素，地膜的保温作用逐渐消失；而在前期气象因素是影响地温的主要因素，地膜的保温作用影响显著。本试验所采用完全生物降解地膜在播种后65 d内均未出现破坏性降解，具有和普通塑料地膜相似的保温作用，从地膜的降解性能来说，在棉花前期未出现大面积降解，完全满足棉花生长对温度的要求，可以代替普通塑料地膜的使用。

图2 不同覆膜处理下5～20 cm 深度处的土壤温度日变化

图3 不同覆膜处理下5和10 cm 深度处的土壤温度周变化

2.2 不同覆盖处理对土壤水分的影响

图4表示的是不同覆盖处理下土壤水分随时间的变化。土壤水分在播种后第2 d不同地下深度的土壤水分基本一致。在地下0～10 cm处，土壤水分波动较大，完全生物降解地膜和普通塑料地膜的土壤水分没有明显差异(P<0.05)，但均高于裸地。说明完全生物地膜与普通塑料地膜具有相同的保墒效果。土壤水分在播种后45 d内一直降低是由于，新疆膜下滴灌棉花在苗期和吐絮期内不进行灌溉。地下10～50 cm处，完全生物降解地膜和普通塑料地膜土壤水分无显著差异(P<0.05)，但均多于无覆盖土壤水分，这是由于植物根系较短以及覆膜阻碍深层土壤水分的蒸发，使得地下10～50 cm处土壤水分波动较小，覆膜的保墒效果得以体现。但是，在地下50～100 cm处，土壤水分随时间增长波动较小，4种处理的土壤水分互有高低，差异性不明显，这是由于蒸发作用主要影响地表至地下50 cm处土壤水分，覆膜并不能对这一范围内的土壤水分产生影响。由此说明完全生物降解膜和普通塑料地膜在保持水分上具有相似的作用，并且能在土壤0～50 cm处产生影响，因此从保墒的方面来说，完全生物降解膜可以取代普通塑料地膜。

图4 不同覆盖处理下0～10,10～50,50～100 cm深度处土壤水分变化

3 讨 论

使用生物降解地膜代替普通塑料地膜可应用与农业生产中，因为二者在保持土壤水分和提高土壤温度具有相似的作用[12]。兰印超[13]等的研究表明可降解地膜覆盖能够提高地下5～20 cm的土壤温度以及地表至40 cm处的土壤水分。张永明[14]等研究表明，地膜覆盖可以明显提高地下5～15 cm处的地温，在没有降解时与普通地膜相比具有相近的保温作用。王星[15]等的研究表明，可降解地膜与普通塑料地膜具有相近的作用。王鑫[16]等研究表明，在玉米生长前期，可降解地膜的保水保墒作用显著。在本研究中，完全生物可降解地膜为保证足够的韧性和强度，满足新疆地区大面积机械作业要求，使用的地膜厚度较厚，与上述专家使用的降解地膜相比较厚。在地温的日变化以及周变化中，完全生物可降解地膜均较普通塑料地膜的保温效果差，这是由于特殊的材料和膜厚造成，但作用仅仅在地下5 cm处较为明显。膜厚度的增加使得降解速度减慢，因此完全生物降解地膜前期的保水效果与普通塑料地膜相近，在棉花灌水阶段内(蕾期和花铃期)地膜对对土壤水分的影响很小，这是由于高频率灌水造成的，而此时也是完全生物降解地膜快速降解阶段。因此从对于棉花生长至关重要的水和温两方面来说，完全生物降解地膜完全可以代替普通塑料地膜进行推广应用。

4 结 语

2015年分别对膜下滴灌棉花，设置覆盖不同厚度完全生物降解地膜、普通塑料地膜和不覆膜处理，观测棉田土壤温度和土壤水分，通过试验得出如下结论：在棉花生育前期，覆盖生物降解地膜与普通塑料地膜可明显提高0～15 cm内土壤温度和0～50 cm内水分，普通塑料地膜和生物降解地膜有相似的保温保墒效果。随着棉花的生长以及降解膜的 降解作用，生物降解地膜的保温保墒效果会越来越差，但此时处于棉花生育后期地膜的影响越来越小。综合考虑，生物可降解膜可替代普通塑料地膜，本研究对于生物可降解地膜的推广提供理论支持。

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[1] 张德奇,廖允成,贾志宽．旱区地膜覆盖技术的研究进展及发展前景[J]．干旱地区农业研究， 2005,23(1):208-213.

[2] 张江辉.对新疆节水农业发展的几点认识[J].中国农村水利水电，2001，(S).

[3] 毕继业，王秀芬，朱道林．地膜覆盖对农作物产量的影响[J]．农业工程学报，2008，24(11)： 172-175.

[4] 杨惠娣.塑料农膜与环境保护[M].北京:化学工业出版社,2000:120-121.

[5] 严昌荣，梅旭荣，何文清，等．农用地膜残留污染的现状与防治[J]．农业工程学报，2006，22(11):269-272.

[6] 黎先发.可降解地膜材料研究现状与发展[J].塑料,2004,33(1):76-81.

[7] Otey F H, Westhoff R P, Doane W M. Starch-based biown films[J].Industrial and Engineering Chemistry Product Research and Development, 1980(19):592-595.

[8] Lamers J, Bruentrup M, Buerkert A. The profitability of traditional and innovative mulching techniques using millet crop residues in the West African Sahal[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment,1998,67(1):23.

[9] 陈和生,孙振亚.生物降解塑料的研究进展[J].塑料科技,2000,138(4):36-39.

[10] 李仙岳,彭遵原,史海滨,等.不同类型可降解地膜覆盖对土壤水热与葵花生长影响[J]. 农业机械学报, 2015,(2).

[11] 刘 群,穆兴民,袁子成,等.生物降解地膜自然降解过程及其对玉米生长发育和产量的影响[J].水土保持通报,2011,31(6):126-129.

[12] 申丽霞,王 璞,王丽丽.可降解地膜对土壤温度水分及玉米生长发育的影响[J].农业工程学报,2011,27(6):25-30.

[13] 兰印超,申丽霞,李若帆. 不同地膜覆盖对土壤温度及水分的影响[J]. 中国农学通报,2013,(12):120-126.

[14] 张永明.可降解地膜覆盖玉米试验[J].甘肃农业,2006,(1):207-208.

[15] 王 星,吕家珑,孙本华,等.覆盖可降解地膜对玉米生长和土壤环境的影响[J].农业环境科学学报,2003,22(4):397-401.

[16] 王 鑫,胥国宾,任志刚,等.无公害可降解地膜对玉米生长及土壤环境的影响[J].中国农学生态学报,2007,(1):78-81.