可降解地膜对新疆南疆棉花生长和产量的影响

朱友娟，伍维模，温善菊，魏建军，战　勇，陈康谓，杨仁碧

(1.阿克苏职业技术学院， 新疆 阿克苏 843000； 2.塔里木大学植物科学学院， 新疆 阿拉尔 843300；3.新疆农垦科学院作物研究所， 新疆 石河子 832000； 4.新疆生产建设兵团农一师南口农场， 新疆 阿拉尔 843300)



可降解地膜对新疆南疆棉花生长和产量的影响

朱友娟1，伍维模2，温善菊2，魏建军3，战勇3，陈康谓4，杨仁碧4

(1.阿克苏职业技术学院， 新疆 阿克苏 843000； 2.塔里木大学植物科学学院， 新疆 阿拉尔 843300；3.新疆农垦科学院作物研究所， 新疆 石河子 832000； 4.新疆生产建设兵团农一师南口农场， 新疆 阿拉尔 843300)

以诱导期为30～120 d的15种可降解地膜为供试材料，无膜及普通聚乙烯膜(Polyethylene, PE膜)为对照，于2008—2009年在新疆南疆地区的阿拉尔市开展了可降解地膜覆盖棉花的田间试验，研究可降解地膜的降解及其对棉花生长及产量的影响。结果表明：可降解地膜比普通PE膜先表现出破裂降解的现象，其中，诱导期为90 d的北京1#可降解地膜在棉田覆盖45 d后最早出现破裂；扫描电子显微镜(SEM)观察表明，与普通PE膜相比较，诱导期为80 d的北京1#可降解地膜在棉田覆盖145 d后，表面有明显的条状裂缝。覆盖可降解地膜的棉花在苗期、蕾期、开花期和花铃期的生长发育指标(株高、真叶数、单株铃数、果枝数、地上部干物质重)以及单株铃数和果枝数总体上要高于无膜处理，但是与普通PE膜处理无显著差异；覆盖可降解地膜对棉花的衣分和单铃重无显著影响；与无膜处理相比较，覆盖可降解地膜能显著增加籽棉产量，但覆盖可降解地膜与普通PE膜处理之间的籽棉产量无显著差异。

可降解地膜；棉花；生长；籽棉产量； 新疆南疆地区

新疆是中国三大棉区之一，至1980年以来，中国棉花生产不断地向新疆集中[1]。南疆是新疆棉区的重要组成部分。近三十年来，地膜覆盖已发展成为南疆棉区一项常规的必不可少的栽培技术，但是，由此而带来的残留地膜对棉田土壤环境的负面影响也逐渐加剧。农用地膜的成份是人工合成的高分子聚合物聚乙烯(Polyethylene，简写为PE)，以低密度聚乙烯为最常见[2-3]，其分子结构比较稳定，不易通过细菌和酶等生物方式降解，会在土壤中残留几十年之久[1,4]。目前，南疆棉区的地膜用量约为60 kg·hm-2。棉花收获之后，部分地膜因回收不完全而残留在棉田之中，长期积累从而产生“白色污染”。据笔者2007年的调查，南疆的阿拉尔垦区棉田土壤0～40 cm残膜量最低为36.7 kg·hm-2，最高为124.1 kg·hm-2，平均为69.5 kg·hm-2。针对棉田残膜，当地采取的应对措施主要是人工捡拾残膜、棉田停止灌溉后人工揭膜回收。生产中常用的地膜厚度为0.006～0.008 mm，这类地膜在棉田覆盖一定时间后，一般易破碎、难回收，且回收过程费时、费力、成本高，不易完全回收。

可降解地膜的出现为解决农业的“白色污染”问题，提供了一条新的途径。可降解地膜在农田中覆盖一定天数后能够发生外观、机械和物理性能、化学结构等变化，并最终在土壤中降解[3]。可降解地膜的种类有多种，如生物可降解地膜，光/热可降解地膜等[3,5]。可降解地膜在土壤中的降解分为两个阶段：第一阶段是氧化降解过程，由空气中的O2与聚合物反应，碳骨架被氧化为小分子片段。在这一阶段紫外线和高温可加速其过程。第二阶段是生物降解过程，由微生物(如细菌、真菌和藻类)将第一阶段的氧化产物经生物代谢分解为CO2、H2O和生物量[4]。目前，制造可降解地膜时，常用的技术是在普通PE膜原材料中加入1%～20%的降解剂[4]，从而控制聚乙烯的降解过程[6-8]。降解剂的作用是加速聚烯烃链与空气中O2的反应[4]，其成份主要是不饱和化合物、过渡金属离子及其配合物[6]。

可降解地膜具有与普通PE膜相似的增温、保墒效果[9-10]，对棉花的生长发育[11]、成铃及产量[9,12]也有一定促进作用。在新疆的北疆棉区，已有研究报道可降解地膜对棉花的生长、产量及生理的影响[13-15]。在南疆棉区的农一师16团、农二师29团、33团、库尔勒市、尉犁县等地也已相继开展了一些可降解地膜应用试验研究，并有不断扩大推广应用面积的趋势，但相关试验结果的报道还比较少[16-18]。本研究的目的是通过田间试验，探讨可降解地膜对南疆膜下滴灌棉花的生长发育和产量的影响，为在南疆棉区进一步推广应用可降解地膜提供科学依据。

1　试验区概况与试验方法

1.1试验区概况

试验区位于新疆南疆的农一师阿拉尔市南口农场。处于欧亚大陆腹地的塔里木河上游南岸，南临塔克拉玛干沙漠，西与胜利水库相邻，东与十三团接壤。地理坐标为北纬40°20′～40°37′，东经81°04′～81°29′。海拔高度为1 017～1 007 m，坡降为1/2800。地形由西南向东北倾斜，地势较为平坦。属典型大陆性气候，全年干旱少雨，蒸发强烈，日照充足，热量丰富，降水稀少，温差大，适应多种植物生长发育。年平均日照时数2 915.1 h，年平均气温10.8℃，7月份平均气温25.3℃，1月份平均气温-8.3℃，年际温差36℃，全年无霜期204 d，年均降水量42.7 mm，年蒸发量2 110.5 mm。

1.2试验方法

试验于2008、2009年连续两年在南口农场农业技术推广中心56号试验田进行。试验处理见表1，其中以无膜(CK)及普通PE膜(PE)处理为对照。2008、2009年分别设置了6种和9种可降解地膜处理，各处理重复3次。小区长、宽分别为20 m和2.28 m，小区随机排列。15种可降解地膜由北京、四川和陕西的3个厂家提供，宽度均为2 m，其力学性能均符合机械覆膜作业的技术要求。北京1#、2#是加入了TDPATM氧化添加剂的氧化-生物双降解膜[6]，陕西及四川的产品未标明可降解地膜种类及添加剂名称。

2008、2009年供试棉花品种(系)分别是98-6和K-7，播种期分别4月29日和4月18日。采用膜下滴灌栽培方式，一膜种植6行棉花，行距为10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距为10.5 cm。无膜处理在播种时覆盖了普通PE膜，待棉花出苗两周后揭去地膜，露出土壤。棉田管理工作与当地大田生产一致。

一膜6行的膜下滴灌棉花，中行与边行的生长有一些差异。尽管各小区的边行存在着一定的边际效应，为了全面地评价试验处理对棉花生长发育的影响，在每个小区中行、边行各标记10株作为观察株，记载生育期(出苗期、现蕾期、开花期和吐絮期)和生长发育指标如株高、真叶数、果枝数和铃数。每个生育期在每个小区随机采10株棉花植株样(苗期采样20株)；植株样品按叶片、茎、蕾、花、铃分开，放入烘箱中，在80℃下烘干48 h后称重。地上部总干重是上述器官干重的总和。对各处理拍照，观察可降解膜处理降解时的田间表现。采集覆盖一定天数后的地膜样本，将其放在蒸馏水中，用超声波清洗器清洗1 h，然后用叔丁醇脱水，再用扫描电子(Scanning electron microscopy，SEM)显微镜(日本电子株式会社，JSM-6390LA扫描电子显微镜)观察其微观结构(在新疆医科大学电镜室测定)。棉花收获前，调查各小区的收获株数、单株铃数，并在每个小区随机采摘20～40株棉花植株作为测定单铃重和衣分的样品。于10月份分两次采摘霜前花，每个小区单独拾花，称籽棉重量。

表1　试验处理

注：诱导期指的是可降解地膜从在田间覆盖至出现降解破裂现象的天数,一般是几周至两年[4，19]。

Note: The induction time/period, which is the time interval that degradation begins, had a range from a few weeks to 2 years[4，19].

1.3统计分析

采用开源统计学软件R进行数据统计分析[20]。单方向方差分析及处理间平均数的多重比较(Tukey法)采用R语言的Rcmdr程序包来完成[21]。

2　结果与分析

2.1可降解地膜降解时的宏观与微现表现

农用地膜在自然条件下，受到阳光、氧气、大气的作用，会发生光/热氧化降解反应，出现老化、变色、龟裂、变脆，物理力学性能降低[3]。在大田条件下，明显的直观反映是地膜出现龟裂。扫描电镜图像是一种常用的比较不同地膜的微观结构变化的工具[22-23]。图1是2008年普通PE膜和可降解地膜在大田覆盖45 d后的外观表现。此时，棉花还未完全封垄，普通PE膜完好无损，而北京产的可降解地膜已经出现了明显的破裂，尤其是在滴灌带附近，破裂严重。新的可降解地膜的扫描电镜图像(图2)显示其表面平整、光滑，无裂纹和孔洞；可降解地膜而在大田覆盖60 d之后，就有明显的孔洞出现(图3)。2009年各处理的扫描电镜图像显示，普通PE膜在大田覆盖145 d之后，表面不再光滑、平整，出现一些突起(图4)，而可降解地膜北京1#在大田覆盖145 d之后，表面有明显条状的裂缝出现(图5)，表明可降地膜已经开始降解。

2.2可降解地膜对棉花株高、真叶片数、单株铃数和果枝数的影响

由图6可知，2008年可降解地膜与普通PE膜在苗期对棉花株高无显著影响；蕾期时，可降解地膜处理与普通PE膜相比则表现出差异显著性，北京2#、陕西1#和陕西13#与对照相比则表现出差异显著性，说明覆膜在蕾期对棉花株高有显著促进作用，可降解膜则因诱导期不同而表现不同；开花期与花铃期，可降解地膜与普通PE膜相比差异不显著，与对照相比也无差异，其余处理间差异也不明显，说明可降解膜在这两个生育期因裂解而对棉花株高影响不大。

图1　2008年6月12日8个处理的田间照片

图2　2008年B1处理北京1#新膜的扫描电镜图像(×9500)

图3　2008年B1处理北京1#大田覆盖60天后的扫描电镜图像(×10000)

图4　2009年普通PE膜在大田覆盖145天后的扫描电镜图像(×15000)

图52009年B1处理北京1#在大田覆盖145天后的扫描电镜图像(×15000)

Fig.5SEM micrograph of the film of treatment B1 Beijing 1# in field after 145 days in 2009

由图6可知，与CK相比，2009年在苗期，可降解地膜和普通PE膜相比无差异，但与CK处理相比则能显著提高棉花株高；蕾期时，可降解地膜和普通PE膜同样可显著提高棉花的株高，不同可降解地膜和普通PE膜差异不显著；开花期与花铃期时，可降解地膜处理与普通PE膜相比差异显著，说明可降解地膜对棉花株高的促进作用可持续到生长中后期，促进作用因地膜品种和棉花生育期而异。

注：柱状图上的不同小写字母表示不同处理之间在P<0.05水平差异显著。下同。

Note: Different lowercase letters above the columns represent statistically significant differences(P<0.05). The same below.

图6不同可降解地膜处理对棉花株高的影响

Fig.6Effects of different degradable plastic film on plant height of cotton

由图7可知，2008年可降解膜与普通PE膜在苗期对真叶数无显著影响，各可降解膜处理之间无显著差异；蕾期时，可降解地膜与普通PE膜差异也不显著，但是对真叶数都有促进作用，说明覆膜在蕾期能促进真叶生长；开花期与花铃期时，可降解地膜处理与对照之间差异不显著，说明可降解膜在这两个生育期因裂解而对棉花真叶数影响不大。

由图7可知，2009年在苗期铺可降解地膜与普通PE膜的真叶数无差异，与CK处理相比，除北京1#诱导期60 d外均表现出差异显著性，说明覆膜对棉花叶片生长有明显的促进作用，但可降解地膜与普通PE膜无显著差异，CK叶片数最低；蕾期时，可降解地膜处理与CK相比较差异显著，且CK叶片数最低，说明可降解地膜能明显促进棉花真叶的生长；可降解地膜与PE处理相比，除北京1#诱导期30 d、四川1.3#诱导期80 d、四川2#诱导期90 d外，其余差异表现均是显著的，说明可降解膜则因地膜种类不同而表现出差异；开花期与花铃期时，可降解地膜处理与CK、PE处理之间的差异显著，CK、PE处理的叶片数最低，说明可降解地膜处理对棉花真叶的生长在棉花生长的中后期依然有明显的促进作用。

图7不同可降解地膜处理对棉花真叶数的影响

Fig.7Effects of different degradable plastic film on leaves number of cotton

从图8可知，2008年6种可降解地膜与普通PE膜处理的单株铃数均显著高于无膜处理，其中可降解膜北京2#诱导期120 d与陕西13#诱导期120 d这两个可降解膜处理的单株铃数最高，显著地高于普通PE膜，覆膜处理均高于无膜处理。

由图8可知，2009年9种可降解地膜与普通PE膜处理的单株铃数显著高于无膜处理，其中北京1#诱导期60 d和四川1.3#诱导期30 d这两个可降解膜处理的单株铃数最高，显著地高于普通PE膜，覆膜处理均高于无膜处理。

由图9可知，2008年6种可降解地膜与普通PE膜处理的果枝数均显著地高于无膜处理，其中四川1.3#诱导期120 d的果枝数最高，达到了9.3 个·株-1，显著地高于普通PE膜，可降解地膜处理中除陕西7#诱导期120 d比PE处理略低外，其余处理与PE处理之间差异不显著。

图9表明，2009年9种可降解地膜与普通PE膜处理的果枝数均显著地高于无膜处理，其中四川1.3#诱导期90 d，达到10 个·株-1，是最高的。可降解地膜处理中除北京2#诱导期120 d和四川1.3#诱导期60 d与普通PE膜处理无差异外，其余可降解地膜与普通PE膜处理均表现出显著差异。

图8不同可降解地膜处理对棉花单株铃数的影响

Fig.8 Effects of different degradable plastic film on number of bolls per plant of cotton

图9不同可降解地膜处理对棉花果枝数的影响

Fig.9Effects of different degradable plastic film on number of fruiting branch per plant of cotton

由图10可知，2008年在苗期6种可降解地膜与普通PE膜处理的地上部干重相比差异不显著，但均显著高于无膜处理，其中可降解地膜处理中除北京2#诱导期120 d比普通PE膜处理略低外，其余可降解地膜处理均比普通PE膜处理高；蕾期时，6种可降解地膜与普通PE膜处理之间差异不显著，可降解膜处理之间差异也不显著；开花期和花铃期，6种可降解地膜与普通PE膜处理之间差异不显著，可降解膜处理之间差异也不显著，但6种可降解地膜与普通PE膜处理的地上部干重均高于无膜处理，且可降解地膜处理的地上部干重均高于普通PE膜处理。陕西13#诱导期120 d的地上部干重在这两个生育期均是最大的，分别是23.8、66.5 g·株-1。

由图10可知，2009年在苗期9种可降解地膜和普通PE膜处理相比差异不显著，与CK处理相比差异也不显著，但它们的地上部干重均高于无膜处理，可降解膜处理中除了北京1#诱导期80 d处理比普通PE膜处理的地上部干重略低外，其余可降解地膜处理均等于或高于普通PE膜处理；蕾期时，可降解地膜和普通PE膜处理之间差异也不显著，其地上部干重也均显著高于无膜处理，9种可降解膜处理中以北京1#诱导期60 d和四川2#诱导期90 d最高；开花期，9种可降解地膜与普通PE膜处理之间差异不显著，可降解膜处理之间差异也不显著，但9种可降解地膜和普通PE膜处理与CK相比差异是显著的，它们的地上部干重均高于无膜处理；花铃期时，9种可降解地膜和普通PE膜处理的地上部干重均显著高于无膜处理，差异也是显著的，9种可降解膜处理中以四川1.3#诱导期30 d地上部干重最高，显著高于普通PE膜处理，9种可降解膜处理之间差异也是显著的。

图10不同可降解地膜处理对棉花地上部干重的影响

Fig.10Effects of different degradable plastic film on dry matter weight of cotton

2.3可降解地膜对棉花籽棉产量、单铃重、衣分及收获株数的影响

由图11可知，2008年可降解地膜和普通PE膜处理棉花籽棉产量均显著高于无膜处理，其中以陕西13#诱导期120 d处理的籽棉产量最高，6种可降解地膜处理在统计学上无显著差异。可降解地膜与普通PE膜处理相比差异不显著。

由图11可知，2009年可降解地膜和普通PE膜处理棉花籽棉产量均显著高于无膜处理，其中北京1#诱导期80 d，产量最高，达到6 574 kg·hm-2。可降解地膜中除北京1#诱导期80 d外其余处理与普通PE膜相比差异不显著。

图12表明，2008与2009年可降解地膜和普通PE膜处理对单铃重无显著影响。

图11　不同可降解地膜处理对棉花籽棉产量的影响

图12不同可降解地膜处理对棉花单铃重的影响

Fig.12Effects of different degradable plastic film on single boll weight of cotton

图13表明，2008年可降解地膜和普通PE膜处理对棉花衣分无显著影响，衣分的平均值均在40%左右。

图13不同可降解地膜处理对棉花衣分的影响(2008年)

Fig.13Effects of different degradable plastic film on lint percent of cotton in 2008

由图14可知，2008年可降解地膜和普通PE膜处理中除北京2#诱导期120 d处理外，均在棉花收获株数上高于无膜处理，其中陕西1#诱导期90 d、北京1#诱导期90 d和陕西7#诱导期120 d 3个处理的棉花收获株数最多，显著高于普通PE膜；6种可降解膜处理与普通PE膜在统计学上差异也是显著的。

图14不同可降解地膜处理对棉花收获株数的影响(2008年)

Fig.14Effects of different degradable plastic film on number of harvested plants of cotton in 2008

3　结论与讨论

1) 供试可降解地膜在南疆棉田能明显出现降解现象。某些可降解地膜的实际诱导期比标注的诱导期短，降解时间过早。如2008年北京1#和2#标注的诱导期是90 d和120 d，在棉田覆盖45 d之后就已破裂降解。降解偏早不利于棉田土壤保墒[10]。可降解地膜的诱导期是保护作物与降解时机的关键性指标[24]。因农业地域不同及种植农作物不同，对于可降解膜诱导期的时间长短有不同的要求，这需要生产厂家根据需求调整降解剂的成份、用量来设置[4，9，19]。南殿杰等认为，可降解地膜在棉花上应用时，其诱导期控制在60 d左右为宜[25]。本研究中，可降解地膜诱导期最短的为30 d，最长的为120 d。对棉花的生长和产量的影响，不同诱导期的可降解膜之间并没有显著的差异。笔者认为，应根据当地的光照、土壤温度、土壤类型以及膜下滴灌棉花的栽培技术要求进行深入研究，才能确定适合于南疆棉区的可降解地膜的诱导期。

2) 与无膜处理相比，可降解地膜能促进棉花的生长发育，提高籽棉产量；与普通PE膜相比，可降解地膜对棉花的生长和产量并无显著的优势。这一结果与李文[26]、赵彩霞等[15]、孙九胜等[17]和Wang Yuzhong等[9]的研究结果一致。但是，也有研究表明，降解膜的降解性能对棉株生长发育及产量的影响较大，主要体现在降解膜的不同裂解时段[27]。据北疆棉区的试验结果，可降解地膜对北疆棉花苗期株高增长率、叶片数增长无明显影响, 对蕾期株高、叶片数、第一果枝节位及第1果枝高度也无明显影响，对产量无显著影响，但对蕾数有明显促进作用[13]。覆盖可降解地膜的棉花最大叶面积指数和全生育期群体光合势能达到较好的水平，从而具有较高的产量[14]。孙九胜等在南疆库尔勒的研究表明，可降解地膜与普通PE 地膜相比，对棉花生育期和产量无明显影响。可降解地膜与普通地膜在始果节、单株铃数、单铃重等方面差距不明显，在产量上两者相比差距甚小[17]。

3) 覆盖可降解地膜对棉花单铃重和衣分无显著影响。不同可降解地膜对棉花衣分无影响，这与李成奇等[28]和王祥金等[16]的研究结果相符。衣分主要受遗传控制，不管是普通广义遗传率还是普通狭义遗传率，在棉花性状遗传率中均是较高的[28]，与栽培条件及环境关系不大，这可能是可降解地膜对棉花衣分无显著影响的主要原因。

总体上，本试验供试的可降解地膜与普通PE膜一样具有促进新疆南疆地区棉花生长发育和提高籽棉产量的作用，但是，在大面积推广应用之前尚需进一步研究可降解地膜的诱导期以适宜南疆棉区的环境条件与栽培需求。

致谢：塔里木大学植物科学学院支金虎、高山、范君华、彭杰和牛建龙老师对试验的开展提供了帮助。塔里木大学资环班蔡松、裴晓仙、党占林、惠图江和谢芳丽，农学班茹先古丽·亚森、努尔克买尔·达木拉和阿力木·依合亚等同学参加本实验研究，在此表示感谢！

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The effect of degradable agricultural mulch films on the growth and yield of cotton in Southern Xinjiang

ZHU You-juan1, WU Wei-mo2, WEN Shan-ju2, WEI Jian-jun3,ZHAN Yong3, CHEN Kang-wei4, Yang Ren-bi4

(1.AKSVocationalandTechnicalCollege,Akesu,Xinjiang84300China;2.CollgeofPlantScience,TarimUniversity,Alar,Xinjiang843000,China;3.InstituteofCropsofXinjiangAcademyofAgriculturalReclamation,Shihezi,Xinjiang832000,China;4.NANKOUFarmofTheFirstDivisionofXinjiangProductionandConstructionCorps,Alar,Xinjiang843000,China)

Field experiments with 15 kinds of degradable agricultural plastic films mulching cotton were carried out on the Southern Xinjiang, China during the period of 2008—2009. The 15 degradable agricultural plastic films with induction time of 30～120 days were manufactured by three factories in Beijing, Sichuan and Shanxi Province, China. The polyethylene (PE) and non-mulching film treatments were used as the black treatments. This paper studied on degradation characteristics of degradable agricultural plastic films, and the effects of them on the growth and yield of cotton. The results showed that the degradable agricultural plastic films degraded with breaks and holes, while the PE plastic films did not. The degradable agricultural plastic film of Beijing 1# with induction time of 90 days broke easily as compared to other films after mulching cotton 45 days. In comparison with the PE film, the degradable agricultural plastic film of Beijing 1# with induction time of 80 days was observed with some significant strip cracks in the scanning electron microscopy (SEM) graph after mulching cotton 145 days. Compared with non-mulching film treatment, degradable plastic films covering had a significant influence on cotton plant height, leaf number, boll number per plant, the number of branch and aboveground dry matter weights during different growth stages, as well as bolls/plant and number of fruiting branch/plant. However, there were no significant differences in these characteristics between mulching degradable agricultural plastic films and PE film. There were also no significant differences in lint percent, single boll weight and seed cotton yield between degradable agricultural plastic films and conventional PE film. Mulching of degradable agricultural plastic films can significantly increase the yield of cotton than non-mulching film treatment.

degradable agricultural mulch film; cotton; growth; seed cotton yield; Southern Xinjiang

1000-7601(2016)04-0189-08

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.29

2015-09-10

国家科技支撑计划项目(2007BAC20B01)

朱友娟(1979—)，女，新疆昌吉人，硕士，讲师，主要从事作物栽培学及园艺方面研究工作。 E-mail：xjzyj2004@126.com。

伍维模(1971—)，男，四川广汉人，副教授，主要从事农业资源利用研究工作。 E-mail：wwmxjtlm@taru.edu.cn。

S562；S504.8

A