可降解地膜对土壤保温保湿及棉花生长的影响
2018-03-21韩冬梅虎胆吐马尔白王振华
韩冬梅，虎胆·吐马尔白，王振华
(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)
新疆深处欧亚大陆腹地[1]，属于典型的温带大陆性气候，干旱少雨[2]。地膜覆盖栽培技术因其具有显著的增温、保墒、减蒸、抑盐[3]、抑制杂草[4]及提高光效[5]等诸多优点,已成为目前中国棉花生产的主要种植模式。20世纪末新疆生产建设兵团(以下简称“兵团”)引进了国外的滴灌技术，与兵团原有的覆膜技术相结合，通过实验研究形成了适用于新疆农业生产的膜下滴灌技术，并在兵团乃至新疆逐步推广起来[6]，截止到2014年，新疆膜下滴灌总面积已达到250 万hm2以上[1]；同时许多研究也表明，覆盖地膜显著地降低出苗至幼苗期耕层土壤盐分含量，改善根区土壤水热状况，提高成苗率[7]，促进棉花由营养生长向生殖生长转化[8]，提高棉花产量[9]。但由于经济性与技术条件的限制，新疆普遍采用具有较高稳定性和降解速度非常缓慢的聚乙烯[(C2H4)n]或聚氯乙烯[-(CH2-CHCl)n-]地膜，该地膜据相关研究表明降解时间需要100 a的时间[10]，随着膜下滴灌年限的增长，残膜不能完全回收所造成的成土壤“白色污染”，严重破坏着农田生态环境与土壤环境[11-15]，同时也影响和制约着新疆农业和农村经济的可持续发展[16]。
降解地膜是为适应社会对于环境保护的需要而产生的一种新型地膜，相关研究在国内外引起极大的关注，其具有与普通膜相似的增温、保墒、减蒸、抑盐的效果[17]，既可减少残膜回收工序，还可自然降解，从源头上减少残膜在农田的用量[18]，解决农田残膜污染问题。降解地膜覆盖对于滴灌棉花土壤保温保湿及棉花生长影响的研究成果相对较少，本试验研究根据新疆特殊气候条件，用降解地膜代替塑料地膜应用到膜下滴灌棉花上，寻求减少白色污染、保护棉田生态环境的有效途径，以期为新疆膜下滴灌棉花可持续发展提供一定的理论指导和技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
本次灌溉试验于2015年4-10月在石河子大学节水灌溉试验站暨现代节水灌溉兵团重点实验室(86°03′27″E，44°18′25″N)开展，该试验站位于新疆维吾尔自治区第八师石河子市郊区，属于典型的温带大陆性气候，海拔451.25 m，平均地面坡度0.56%，根据试验站TRM-ZS1气象生态环境监测仪的气象数据，计算出试验站年均日照时长2 863 h，其中大于10 ℃积温为3 472.3 ℃，大于15 ℃积温为2 958.4 ℃，年均蒸发量1 660 mm，年均降雨量215 mm，无霜期170 d，根据试验站地下水观测井长期监测地下水位，多年地下水平均埋深大于10 m。通过土壤剖面环刀法测得该区土壤为中壤土，各深度土层的土壤容重及田间持水率(体积含水率，下同)见表1。
表1 实验地土壤容重及田间持水率统计表
1.2 实验材料
裸地对照组(CK)，覆盖普通塑料地膜(MF，膜厚0.010 mm)，采用新疆天业公司生产的聚乙烯普通塑料地膜；3种完全生物可降解地膜(BMF1～BMF3，膜厚均为0.010 mm)，由广州金发科技股份有限公司生产，主要成分为共聚酯(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)，是一种新型可降解共聚酯，兼具PBT和PET的性能，其主要区别在于共聚酯的比例，其主要影响可降解地膜的稳定性。以上可降解地膜均可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，实验材料特性见表2。膜下滴灌所用单翼迷宫式滴灌带由新疆天业(集团)有限责任公司生产，滴孔间距30 cm，滴头设计流量2.6 L/h。
表2 实验材料特性表
1.3 实验设计与过程
采用大田试验，每个试验小区规格40 m×4.5 m=180 m2(长×宽)，设置裸地种植(CK),覆盖普通塑料地膜(MF)作为对照组,以及3种完全生物降解地膜(BMF1～BMF3)处理，共5个处理，每个处理3次重复，小区之间设置保护区，供试棉花品种采用“新陆早48号”；2015年4月27日采用“干播湿出”方式播种棉花种植模式是一膜两管四行，种植方式30 cm+60 cm+30 cm，见图1。
图1 滴灌棉花布置形式(单位：m)
试验区面积总约0.108 hm2，由一条支管控制，上接施肥罐随水施肥，灌溉抽取试验站深层地下水于蓄水池中，再由水泵从蓄水池种抽水灌溉，其矿化度约1.3 g/L，所有处理均采用干播湿出，各小区施肥均按照磷酸钾铵和尿素质量比为1∶2的比例进行施肥，灌溉小区通过小型施肥罐进行滴灌随水施肥，施肥量均为832 kg/hm2，常规灌溉小区共灌水13次，其中苗期灌水2次，灌水定额18.5 mm，花铃期灌水9次，灌水定额为38 mm，盛铃期后，灌水2次，灌水定额18 mm，全生育期灌溉定额415 mm。所有处理的园艺与化控等措施保持一致。
1.4 测定方法
通过卷尺测量各处理正常生长的棉花5株，从子叶节量至顶叶的高度，取其平均值作为株高；通过叶面积仪在各生育期内测定选取有代表性的样株5株，求平均值即单株叶面积；通过土钻分别在各处理滴头正下方取出20、40、60 cm深度土样，采用烘干法测定土壤含水率w(质量含水率)；采用曲管地温表测量每天10∶00-20∶00时，每隔2 h读取5、10、15、20、25 cm土层温度。使用DDS-307电导率仪测定0～160 cm土层土壤电导率并转换为土壤含盐量；各处理单独计算实际产量；气象数据由灌溉试验站TRM-ZS1气象生态环境监测仪对试验区域的气象数据进行自动化监测与记录，如图2所示。
图2 试验区气温与降雨量动态变化(2015年)
2 试验结果分析
2.1 滴灌条件下可降解地膜覆盖土壤保温保湿效果
2.1.1 土壤保湿效果
滴灌条件下不同可降解地膜覆盖处理盖对0～25 cm土层土壤平均水分的影响见图3。通过图3可以看出，不同可降解地膜覆盖处理后每隔10 d测定一次土壤含水率，结果表明，不同可降解地膜覆盖处理BMF1～BMF3土壤含水率较CK处理平均增加了0.6%～0.13%，MF处理土壤含水率较CK处理平均也增加了0.13%，其中，可降解地膜BMF1～BMF3处理0～25 cm平均土壤含水率较普通塑料地膜MF处理仅减少0.03%～0.6%。由此可见，滴灌条件下可降解地膜覆盖BMF1～BMF3处理土壤保湿效应虽然率低于普通塑料地膜MF处理，但要明显高于裸地CK处理,且差异性显著。通过图3还可以看出，在播种后60 d前，可降解地膜覆盖与普通塑料地膜对土壤水分的影响差异性较小，分析其原因为可降解地膜还未到达其诱导期，之后可降解地膜分别到达其诱导期出现不同程度的降解，土壤水分的差异性逐渐增大。
图3 滴灌条件下可降解地膜覆盖对0～25 cm土层土壤平均水分的影响
2.1.2 土壤保温效果
不同可降解地膜覆盖处理后每隔7 d测定一次土壤不同土层温度，由此得出滴灌条件下可降解地膜处理随时间变化对不同土层地温的影响见图4，滴灌条件下可降解地膜覆盖对不同深度地温的影响见图5。由图4可以看出，各处理不同土层间地温差异显著，可降解覆盖处理均不同程度提高土壤温度，且其保温幅度随着土层的加深而减弱，随着时间的延长而变小。可降解地膜处理BMF1～BMF3平均较CK处理5、10、15、20 cm增温5.2%～9.9%、4.8%～9.6%、4.0%～8.5%、3.2%～7.2%，普通塑料地膜处理MF平均较CK处理5、10、15、20 cm增温9.9%、9.3%、8.6%、7.5%，由此可见可降解地膜的增温效果在棉花生育前期与普通塑料地膜的增温效果相近，但由于可降解地膜随着时间的增长出现不同程度的降解，以及各处理棉花叶面积指数逐渐增大，遮挡了太阳辐射，这些因素使得各处理对土壤温度的影响效果逐渐减弱。结果表明滴灌条件下可降解地膜与普通塑料地膜在棉花生育前期具有相同的保温效应。其原因与普通塑料地膜相同，即土壤与外界的水分交换被薄膜阻隔。由于土壤微生物的活动以及养分的变化会受到土壤升温的直接影响，达到促进作物根系生长发育以及养分吸收的效果。
图4 滴灌条件下可降解地膜处理随时间变化对不同土层地温的影响
图5 滴灌条件下可降解地膜覆盖对不同深度地温的影响
2.2 滴灌条件下可降解地膜覆盖对棉花生长的影响
2.2.1 棉花发育进程的影响
滴灌条件下不同可降解地膜覆盖处理对棉花发育进程的影响见表3。由表3可以看出，可降解地膜覆盖处理与普通地膜覆盖处理棉花发育进程较裸地处理均有不同程度的提前，BMF1～BMF3处理的出苗时间分别为9、11、12 d，分别比裸地处理提前7、5、4 d；而MF处理与BMF处理的出苗时间仅差±1～2 d。由于裸地出苗时间相对较晚，加之没有地膜覆盖保温保湿，现蕾期、初花期、吐絮期也随着推后；现蕾期，可降解地膜处理比裸地处理提早4～6 d，MF处理与BMF3处理同时进入现蕾期，较BMF1与BMF2处理也仅提前1～2 d现蕾。MF处理与BMF处理进入初花期的时间无明显差异，同苗期与现蕾期相似，地膜覆盖处理同样要比裸地处理提早4～7 d。各处理进入吐絮期时间较CK处理的提前程度与前期相同。由此可见滴灌条件下可降解地膜覆盖影响棉花的生育期进程，虽然可降解地膜随着时间的增长出现不同程度的降解，以及各处理棉花叶面积指数逐渐增大，遮挡了太阳辐射，这些因素使得各处理对土壤温度与湿度的影响效果逐渐减弱，但是由于棉花进入花期以后土壤湿度与温度对棉花的影响减弱，所以即使可降解地膜出现不同程度降解，也并不影响其与普通地膜覆盖棉花同时进入吐絮期，其结果表明，可降解地膜与普通塑料地膜对棉花生育进程影响效果基本相同。
表3 滴灌条件下不同可降解地膜覆盖处理对棉花发育进程的影响
2.2.2 棉花株高的影响
棉花株高是棉花株型的一个重要指标，其生长情况直接影响着棉花密度及光能利用，同时也是反映各生育期内棉株生长发育情况的重要指标之一[19]。滴灌条件下可降解地膜处理对棉花株高的影响见图6。在棉花各生育期内，可降解地膜处理与裸地处理的株高相互之间差异性显著(P<0.05)。通过分析播种后的6个观测期内的不同处理棉花株高，可降解地膜覆盖处理(BMF1～BMF3)的株高较裸地处理(CK)分别增加1.90～3.57、2.22～6.14、3.76～7.76、1.83～6.83、1.42～5.83和1.53～4.89 cm，可降解地膜处理(BMF2)的株高较普通塑料地膜处理(BM)6个观测期内分别提高了1.2、1.6、3.0、0.8、0.7、0.5 cm，而BMF1与BMF3处理的株高均要略小于普通塑料地膜处理(BM)。表明滴灌条件下可降解地膜处理在棉花生长前期可加快棉花株高的增长速度，在一定程度上有着与普通塑料地膜同样的效果，由于可降解地膜随着时间的增长出现不同程度的降解，以及各处理随生育进程的推进棉花叶面积指数逐渐增大，遮挡了太阳辐射，这些因素共同作用使得各处理对棉花株高的影响效果逐渐减弱。
图6 滴灌条件下可降解地膜处理对棉花株高的影响
2.2.3 棉花叶面积的影响
棉花的早发、早熟一直是育种的目标和栽培技术攻克的重点，而叶面积增长的速度就是衡量棉花早发的重要指标之一[20]。滴灌条件下可降解地膜处理对棉花叶面积的影响见图7。通过图7可以看出，苗期(出苗56 d前)各处理棉花叶面积生长缓慢，蕾期(出苗56 d后)～花铃期(出苗70 d)各处理棉叶面积高快速生长，达到峰值，花铃期后(出苗98 d)～吐絮期(出苗112 d)由于棉花进入生殖生长阶段，各处理底层叶片逐渐枯黄衰老，单株叶面积逐渐降低。在棉花各生育期内，可降解地膜处理与裸地处理的叶面积相互之间差异性显著(P<0.05)。通过分析播种后的6个观测期内的不同处理棉花叶面积，可降解地膜覆盖处理(BMF1～BMF3)分别比裸地处理(CK)增加165.89～173.63、215.64～395.56、255.68～456.84、296.86～593.12、275.45～406.27、235.64～416.83 cm2；可降解地膜处理(BMF1～BMF3)较普通塑料地膜处理(BM)，其中播种后84 d的叶面积增加量最大，如BMF3处理，单株叶面积比裸地处理增加593.12 cm2。上述现象表明滴灌条件下可降解地膜处理明显促进棉花前期叶面积生长，在一定程度上有着与普通塑料地膜同样的效果，为棉花早发、早熟与丰产打下良好的基础。
图7 滴灌条件下可降解地膜处理对棉花叶面积的影响
2.3 滴灌条件下可降解地膜覆盖对棉花产量的影响
通过表4滴灌条件下不同可降解地膜覆盖处理对棉花产量结构的影响，可以发现可降解地膜覆盖处理的棉花产量较CK处理显著增加(P<0.05)，整个实验处理平均籽棉产量依次为CK
表4 滴灌条件下不同可降解地膜覆盖处理对棉花产量的影响
3 讨 论
在农业生产中使用降解地膜代替原有的普通塑料地膜，其主要原因是可降解地膜的保墒增温特点与普通地膜效果相似[21]，张永明[22]等通过研究可降解地膜覆盖对5～15 cm处的地温的影响，结果表明地膜在未出现降解时与普通地膜相比具有相似的保温效果；兰印超、申丽霞[23]等的研究地下5～20 cm的土壤温度以及地表至40 cm处的土壤水分受可降解地膜覆盖的影响显著提高。
孙九胜等[24]、Wang Yuzhong等[25]、赵彩霞等[16]研究成果表明，可降解地膜与CK无膜处理相比，有促进棉花的生长发育、提高籽棉产量的作用；但与普通塑料地膜相比，其促进棉花的生长和增产效果并无显著的优势。该结论与本文研究结果一致。引入可降解地膜覆盖滴灌棉花，为作物生长发育提供最佳的环境条件，进而提高农业的生产效率，减少农田“白色污染”[26,27]。本文主要研究基于可降解地膜覆盖滴灌棉花，在试验过程中，由于实验条件限制和作物生理生长影响因素的复杂性，难以准确全面的观测，只对土壤温度与湿度以及棉花产量以及水分利用效率进行监测，要全方位了解可降解地膜覆盖滴灌棉花，还需对可降解地膜保护作物与降解时机的关键性指标[28]—诱导期进行探讨研究。
4 结 语
(1) 滴灌条件下可降解地膜覆盖棉花较无膜处理增产效果显著。其机理在于提高土壤温度，0～20 cm较CK处理平均增温5.6%，；保持土壤水分，减少蒸发，可降解地膜覆盖处理土壤含水率较CK处理平均增加了0.6%～0.13%，对棉花前期的株高、叶面积都有促进作用。
(2)可降解地膜处理的保温保湿效果在生育前期显著低于普通塑料地膜，但由于可降解地膜随着时间的增长出现不同程度的降解，以及各处理棉花叶面积指数逐渐增大，遮挡了太阳辐射，这些因素使得各处理对土壤温度与湿度的影响效果逐渐减弱，在生育后期无显著性差异。
(3) 与普通塑料地膜覆盖相比，可降解地膜覆盖棉花产量有所减少(P<0.05)，平均减产2.52%，水分利用效率也降低2.59%左右。就本研究中的可降解地膜而言，BMF2处理的籽棉产量最高，到达5 262 kg/hm2，较CK处理增产13.21%，其水分利用效率也仅次于MF处理，仅减小0.93(P<0.05)。
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