不同降解膜覆盖对土壤水热与玉米生长的影响

2018-03-20申丽霞兰印超李若帆

干旱地区农业研究 2018年1期

申丽霞，兰印超，李若帆

(太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024)

地膜覆盖具有增温、保墒、防止土壤流失、控制土壤盐碱度等作用，在中国北方干旱半干旱地区广泛应用，是一项重要的农业增产技术措施。但随着地膜的连年使用，残膜对农田土壤环境造成严重污染，大量残膜积聚于耕层，不仅使耕层土壤透气性降低，阻碍作物根系发育和对水分、养分的吸收，还严重妨碍农田机耕作业，使机耕质量下降，耕层逐年板结。此外，残膜碎片随风乱飘，严重影响农村生态环境[1-4]。因此，解决残膜污染问题势在必行。近年来，新型可降解地膜(光降解、生物降解和光-生物双降解)和液态地膜等环保覆盖材料先后问世[5-10]。其中光-生物双降解地膜由于光和生物降解的协同效应，埋土和地面部分均可降解，可基本消除残膜危害；液态地膜喷洒后可在农田表层形成黑色环保固化膜，可减少土壤水分蒸发，具有保水保墒的效果，同时又有强效的粘附能力，可将土粒联结成理想的团聚体，改善土壤的通透性，并能自然降解，减少环境污染。但由于受制备工艺、经济成本等的限制，可降解地膜大田应用尚处于小范围试验阶段，离大面积推广还有一定距离。

目前关于可降解地膜的研究主要集中于原材料组成、降解性能以及与普通地膜在田间覆盖效果的对比，研究认为可降解地膜在提高并保持土壤温度和水分、促进作物生长发育方面与普通地膜作用相当[11-15]。李仙岳等[16]对同一生产企业不同厚度生物地膜(0.012 mm、0.008 mm)覆盖葵花的田间效果进行了研究，结果表明0.012 mm膜在提高土壤温度方面优于0.008 mm膜，但0.008 mm膜覆盖葵花的产量与前者差异不显著，综合经济效益，在生产中选用0.008 mm膜更为适宜。申丽霞等[17]对同一生产企业不同厚度光-生物双降解地膜(0.008 mm、0.005 mm)覆盖玉米的田间效果进行了研究，结果表明，0.008 mm膜覆盖玉米的生育进程、出苗率、生长及产量性状等均优于0.005 mm膜。这些研究都针对同一生产企业的不同厚度可降解地膜产品，但对不同生产企业的同一厚度可降解地膜产品的田间应用效果尚缺乏系统研究。

本研究针对同一膜厚、膜宽但由不同企业生产的两种光-生物双降解地膜，在华北半干旱区进行地膜覆盖玉米栽培试验，对可降解地膜覆盖后的土壤水分及温度、玉米生长发育及农艺性状等进行系统研究，以期为生产中可降解地膜的选用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年5—10月在山西省阳曲县河村旱作农业技术研究中心进行。试验区位于北纬38.0°，东经112.9°，海拔1 248.5 m，是典型的半干旱地区。年平均气温6.5℃，年平均降雨量437.4 mm，年平均蒸发量328.9 mm，无霜期120 d。2014年年平均气温6.7℃，比历年平均值偏高0.2℃；2014年年平均降雨量392.0 mm，比历年平均值偏少45.4 mm。试验田为旱田，肥力中等。

1.2 试验材料

试验用两种可降解地膜来自不同生产企业，均为光-生物双降解地膜，降解周期约为120 d。可降解地膜H由江苏淮安坤元环保塑料有限公司生产，可降解地膜T由台湾天和生态科技有限公司生产，普通地膜P由山东省济南市第三塑料厂生产。地膜膜宽均为80 cm，膜厚均为0.005 mm。供试玉米品种为先玉335，生育期127 d，在山西省内广泛种植。

1.3 试验设计

试验设可降解地膜H、可降解地膜T、普通地膜和露地对照4个处理，3次重复，随机区组排列。平作栽培。小区面积42 m2(7 m×6 m)。地膜覆盖小区先覆膜后人工点播。行距60 cm，株距25 cm，理论留苗密度63 888 株·hm-2。5月1日播种，10月1日收获。田间管理同一般大田。

1.4 测定项目与方法

土壤水分：采用取土烘干法对不同处理的土壤水分含量进行测定，测定层次为0～20、20～40、40～60 cm，测定时间为玉米播种后7 d、28 d(三叶期)、49 d(拔节期)和77 d(大喇叭口期)。生育期以普通地膜处理为参照。

土壤温度：采用曲管地温计对不同处理的土壤温度进行测定，测定时间为08∶00、14∶00、18∶00，测定层次为地下10 cm、20 cm。从覆盖当天起每隔7 d测定一次，连续测定9周。

玉米生育进程、农艺性状及产量：观察记载不同处理玉米生长发育进程，统计出苗率；在生育进程中选取各小区有代表性的植株测量株高、茎粗和叶面积，用烘干法测定地上部干物质重；成熟期每小区收获内侧4行测产，根据重量均值法取有代表性的样穗20穗进行室内考种，考察穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、穗粒数、千粒重，计算产量。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理、分析并制作图表；采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，方差分析使用最小显著差异LSD法进行。

2 结果与分析

2.1 不同地膜覆盖对土壤水分的影响

从图1可以看出，在播种后7 d、28 d和49 d，地膜覆盖后0～20、20～40 cm和40～60 cm层次土壤水分含量均明显高于露地对照，且差异显著；不同地膜之间土壤水分含量不同，但差异不显著；说明在播种至拔节期，地膜覆盖可以明显提高土壤水分含量，且两种可降解地膜和普通地膜的保水作用相当。在播种后77 d，普通地膜和可降解地膜H覆盖，0～20、20～40 cm和40～60 cm层次土壤水分含量明显高于可降解地膜T覆盖和露地对照，且差异显著；可降解地膜T覆盖土壤水分含量略高于露地对照，但差异不显著；这说明在玉米营养生长与生殖生长并进的关键时期即大喇叭口期，普通地膜和可降解地膜H覆盖具有较好的保持土壤水分的作用，而可降解地膜T覆盖的保水作用减弱。

2.2 不同地膜覆盖对土壤温度的影响

在播种后7～28 d，地膜覆盖使地下10、20 cm土壤温度在08∶00、14∶00、18∶00时均明显高于露地对照，并达到差异显著水平(P<0.05)；在播种后35～63 d，可降解地膜H和普通地膜覆盖使地下10、20 cm土壤温度明显高于可降解地膜T覆盖和露地对照，可降解地膜H和普通地膜之间，以及可降解地膜T和露地对照之间差异不显著，这说明可降解地膜H和普通地膜对土壤的增温、保温作用相当，而可降解地膜T在生育前期具有较好的土壤增温、保温效应，但在生育中期其作用减弱(图2)。

注：小写字母表示0.05差异显著水平；P-普通地膜，H-江苏产可降解地膜，T-台湾产可降解地膜，L-露地；下同。

Note： lowercase letters indicate a significant difference atP<0.05； P was conventional plastic film, H was degradable film made in Jiangsu, T was degradable film made in Taiwan, L was no film mulching; the same below.

图1 不同地膜覆盖下的土壤含水率 Fig.1 Soil moisture content under different films mulching

图2 不同地膜覆盖下的土壤温度

Fig.2 Soil temperature under different films mulching

2.3 不同地膜覆盖对玉米生长发育进程的影响

地膜覆盖玉米的生育进程较露地对照明显加快，普通地膜玉米的生育期最短，比对照缩短13 d；其次是可降解地膜H，比对照缩短12 d；再次是可降解地膜T，比对照缩短8 d。不同地膜之间，玉米出苗期、拔节期相同，比对照提前3、4 d；从大喇叭口期开始各地膜之间出现差别，生育进程表现为普通地膜>可降解地膜H>可降解地膜T，可降解地膜H和普通地膜之间仅相差1 d，可降解地膜T和普通地膜大喇叭口期、抽雄期、灌浆期、成熟期分别相差2、3、4、5 d(表1)。

表1 不同地膜覆盖对玉米生育期的影响/d Table 1 Growth stage of maize under different filmsmulching

2.4 不同地膜覆盖对玉米出苗和干物质积累的影响

不同地膜覆盖下玉米的出苗率见图3。其中普通地膜、可降解地膜H和T覆盖玉米的出苗率分别为96.2%、95.8%、95.3%，差异不显著；露地对照玉米的出苗率为93.6%，显著低于地膜覆盖玉米。这说明普通地膜和两种可降解地膜覆盖均能明显促进玉米的出苗，两种可降解地膜对出苗的影响相近。

图3 不同地膜覆盖下玉米的出苗率

Fig.3 Seedling emergence rate of maize under different films mulching

不同地膜覆盖下玉米地上部干物质重见图4。在播种后28～42 d，地膜覆盖玉米的地上部干物质重与露地对照无显著差异；随着生育进程的推进，在播种后56～126 d，可降解地膜H和普通地膜覆盖玉米的干物质重明显高于可降解地膜T和露地对照，在播种后84～126 d差异显著；可降解地膜H和普通地膜之间差异不显著，可降解地膜T和露地对照之间差异不显著。这说明可降解地膜H覆盖能明显促进玉米中后期地上部干物质的积累，其覆盖效果与普通地膜相当，而可降解地膜T的覆盖效果较差。

2.5 不同地膜覆盖对玉米株高、茎粗和叶面积的影响

从表2可知，在播种后28～126 d不同处理玉米的株高、茎粗和单株叶面积依次为普通地膜>可降解地膜H>可降解地膜T>露地对照，可降解地膜H和普通地膜之间差异不显著，但二者与露地对照之间差异显著；说明可降解地膜H覆盖能够明显促进玉米的生长，其作用与普通地膜相当。可降解地膜T在播种后28～56 d与可降解地膜H和普通地膜之间差异不显著，但在播种后70～126 d与这两种地膜之间差异显著；其与露地对照之间，在播种后28～98 d差异显著，但在播种后112～126 d差异不显著；说明可降解地膜T在玉米生育前期能够明显促进玉米的生长，其作用与可降解地膜H和普通地膜相当，但随着生育进程的推进，其促进作用逐渐减弱。

图4 不同地膜覆盖下玉米地上部的干物质重

Fig.4 Dry matter accumulation of maize under different films mulching

2.6 不同地膜覆盖对玉米穗部性状及产量的影响

由表3可知，地膜覆盖玉米的穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数、千粒重和产量，均明显高于露地对照，秃尖长均明显低于露地对照；可降解地膜H和普通地膜之间各指标差异均不显著。穗长、行粒数和千粒重依次为普通地膜>可降解地膜H>可降解地膜T>露地对照，穗粗、穗行数、穗粒数和产量依次为可降解地膜H>普通地膜>可降解地膜T>露地对照，秃尖长依次为露地对照>可降解地膜T>可降解地膜H>普通地膜。秃尖长、穗粒数、千粒重和产量的差异性表现类似，均为可降解地膜H和普通地膜间差异不显著，二者与可降解地膜T之间、以及可降解地膜T与露地对照之间差异均显著。普通地膜、可降解地膜H和T覆盖分别比露地对照增产39.5%、40.7%、14.3%。这说明可降解地膜H的覆盖效果与普通地膜相当，其能明显促进玉米穗的生长发育，改善玉米穗部性状，使秃尖缩短，穗粒数和千粒重增加，最终产量提高，而可降解地膜T的覆盖效果要差于H和普通地膜。

表2 不同地膜覆盖下玉米的株高、茎粗和叶面积 Table 2 Plant height, stem diameter and leaf area of maize under different films mulching

表3 不同地膜覆盖下玉米的穗部性状和产量 Table 3 Ear characters and yield of maize under different films plastic

3 讨论

可降解地膜覆盖能够明显改善土壤耕作层的水热状况，其作用与普通地膜相当[18-22]。胡宏亮等[23]对同一生产厂家的5种生物可降解地膜的研究表明，5种地膜覆盖都能显著提高土壤不同深度的温度，其中有两种地膜的整体保温效果最为突出，达到普通地膜的水平。康虎等[24]对实验室自制生物降解地膜研究表明，降解膜在玉米生长的前期和中期，具有良好的保温和保墒作用，保温效果可维持50 d，保墒作用可维持70 d，均能满足农作物生长期的需要。王淑英等[25]研究认为生物降解膜的保墒性能达普通地膜的90.4%～95.4%，降解膜覆盖作物生育前期0～25 cm土层平均温度比普通地膜低0.85℃，比露地高1.91℃。笔者前期研究[17,26]表明，可降解地膜覆盖能明显提高玉米播种后2个月的地表和地下10 cm的土壤温度，增加玉米播种至大喇叭口期0～40 cm的土壤水分含量。

前述研究对可降解地膜的保温、保墒性能基本达成一致认识，但由于材料配比、制备工艺等原因，不同厂家生产的可降解地膜的田间效应可能有所差别。本研究针对产地不同的两种可降解地膜H和T的研究表明，在播种后7～49 d，两种降解膜覆盖后0～60 cm土壤水分含量显著高于露地对照；在播种后77 d，可降解地膜H覆盖后土壤水分含量显著高于可降解地膜T和露地对照；可降解地膜H与普通地膜之间差异不显著。说明可降解地膜H在玉米生育前中期(播种至大喇叭口期)具有较好的保墒作用，其效应与普通地膜相当，而可降解地膜T在玉米生育前期(播种至拔节期)的保墒作用较好，到玉米生育中期(大喇叭口期)其作用已经减弱。两种降解膜覆盖后的土壤温度变化表明，在播种后7～28 d，地下10、20 cm土壤温度在08∶00、14∶00、18∶00时均显著高于露地对照；在播种后35～63 d，可降解地膜H覆盖后土壤温度显著高于可降解地膜T和露地对照；可降解地膜H和普通地膜之间差异不显著。说明可降解地膜H在玉米生育前中期具有较好的土壤增温、保温作用，其作用与普通地膜相当，而可降解地膜T在玉米生育前期有增温、保温作用，在生育中期作用较弱。

可降解地膜覆盖后土壤水热状况改善，水分与温度协同作用使玉米出苗期提前，出苗率提高，生育进程加快[22,26]。研究报道，在西北半干旱区采用生物降解膜覆盖双垄沟播，玉米出苗期比露地平作提前5～9 d，拔节期提前11～12 d，大喇叭口期提前15～16 d，抽雄期提前13～14 d，成熟期提前11～12 d[25]；在渭北旱塬区采用生物降解膜平作覆盖，玉米全生育期比露地平作提前11 d，大喇叭口期至抽雄期延长，即营养生长期延长，生殖生长期相对缩短[27]；笔者前期在山西中部旱作区采用可降解地膜平作覆盖，玉米出苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期分别比露地平作提前4、6、7、8 d，成熟期提前9 d，玉米出苗率97.8%，比露地平作提高1.9%[26]；不同厚度可降解地膜对比，0.005、0.008 mm厚膜覆盖玉米生育期分别比露地平作提前8、10 d，出苗率96.5%、96.9%，比露地平作提高1.1%、0.7%[17]。

前述研究涉及不同年度、生态区域、覆盖模式以及不同厚度降解膜试验，本研究针对产地不同的两种降解膜的试验表明，可降解地膜H和T覆盖后玉米生育进程加快，生育期分别比露地对照缩短12、8 d；两种降解膜覆盖玉米的出苗期、拔节期相同，从大喇叭口期开始出现差异，可降解地膜H覆盖玉米的生育进程逐渐快于可降解地膜T。可降解地膜H和T覆盖玉米的出苗率分别为95.8%、95.3%，基本相当。播种后7～14 d是玉米种子发芽出苗的关键时期，此期适宜的土壤温度和水分含量是保证出苗率的关键，结合两种降解膜覆盖后的土壤水热状况，可降解地膜H和T在玉米生育前期都有较好的保水、保温作用，故两种膜覆盖后的玉米出苗率相近、出苗和拔节时间一致；而可降解地膜T在玉米生育中期对土壤水热的影响作用下降，其覆盖玉米的生育进程逐渐落后于可降解膜H覆盖。

可降解地膜覆盖能够提高作物产量，已在不同区域、不同作物上得以验证。在内蒙古河套灌区覆盖生物地膜，葵花株高、叶面积指数以及收获后的叶、茎、花盘质量和产量与普通地膜覆盖均无显著差异，但都显著优于露地对照[16]。在渭北旱塬区生物降解膜与普通地膜覆盖均显著增加玉米穗长、穗粗、行粒数、地上部干重及产量，两种膜差异不显著[27]。在南疆棉田覆盖可降解地膜，棉花苗期、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高于露地对照，籽棉产量显著增加，与普通地膜覆盖差异不显著[28]。在渭北旱塬区覆盖生物降解膜，冬小麦株高、干物质积累量、成穗数、产量及水分利用效率均显著高于露地对照，与普通地膜覆盖差异不显著[29]。这些研究认为可降解地膜与普通地膜覆盖作用相当，但也有不同报道，在陕西榆林地区覆盖两种生物降解膜，马铃薯块茎产量比普通地膜覆盖和露地对照都显著增加，降解膜的覆盖效果优于普通地膜[30]。

本研究中，可降解地膜H的覆盖效果与普通地膜类似，在播种后84～126 d二者覆盖玉米的干物质重显著高于可降解地膜T和露地对照，在播种后28～126 d二者覆盖玉米的株高、茎粗和单株叶面积显著高于露地对照，成熟期二者覆盖玉米的穗粒数、千粒重和产量显著高于可降解地膜T和露地对照，秃尖长显著降低，普通地膜、可降解地膜H和T覆盖分别比露地对照增产39.5%、40.7%、14.3%。说明可降解地膜H覆盖能明显促进玉米中后期地上部干物质的积累，促进玉米穗的生长发育，改善穗部性状，使秃尖缩短，穗粒数和千粒重增加，最终产量提高，而可降解地膜T的覆盖效果要差于H和普通地膜。本研究中可降解地膜H的覆盖效果与大多数的研究结论一致，但可降解地膜T的表现却有所不同。

目前可降解地膜的平均价格约为27 元·kg-1，普通地膜约为14 元·kg-1，按地膜平均用量5 kg·667 m-2计算，使用前者成本是135 元·667 m-2，使用后者成本是70 元·667 m-2，单纯从地膜成本角度考虑，使用可降解地膜成本较高，但如果考虑环保效应，并加上后期普通地膜的清理费用(100 元·667 m-2)，则使用可降解地膜更为经济。

4 结论

可降解地膜H在玉米生育前中期(播种至大喇叭口期)具有较好的保墒、增温和保温作用，其效应与普通地膜相当，而可降解地膜T在玉米生育前期(播种至拔节期)作用较好，到玉米生育中期(大喇叭口期)其作用已经减弱。

可降解地膜H和T覆盖使玉米生育进程加快，生育期缩短12、8 d；两种降解膜覆盖玉米的出苗和拔节时间一致，出苗率相近，但随着时间的推进，可降解地膜T覆盖玉米的生育进程逐渐落后于可降解地膜H覆盖。

可降解地膜H覆盖能明显促进玉米中后期地上部干物质的积累，株高、茎粗及叶面积增加，穗部性状改善，秃尖缩短，穗粒数和千粒重增加，增产40.7%，而可降解地膜T的覆盖效果(增产14.3%)虽然优于露地对照，但要差于H和普通地膜(增产39.5%)。

可降解地膜的降解受温度、光照、水分等环境条件的影响，其田间降解和覆盖效果既与使用地的环境条件有关，还因产地、来源、材料配比、制备工艺等不同而有所差别。本研究在山西中部半干旱区的单年度试验表明可降解地膜H的覆盖效果与普通地膜相当，而可降解地膜T的覆盖效果较差。在生产中推广应用可降解地膜，应根据当地环境条件进行多年度试验，从而选择适宜的可降解地膜。

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