不同降解地膜降解性能及棉花应用效果研究

张占琴，闫紫薇，杨相昆*，桑志勤

(新疆农垦科学院作物所，新疆 石河子 832000；2.谷物品质与遗传改良兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；3.河北农业大学，河北 保定 071000)

【研究意义】我国从上世纪70年代开始使用农田地膜，推广和发展速度非常快，目前地膜覆盖面积已经居世界第一位。使用地膜带来巨大经济效益，同时也引起严重的“白色污染”。新疆地区残膜污染尤为严重，据统计新疆生产建设兵团残膜污染的面积超过耕地面积60 %，且随着地膜持续使用污染面积逐年增加，解决残膜污染问题已刻不容缓。应用和推广可降解地膜是解决残膜污染的重要途径之一，诱导期是地膜降解可控性的关键因素，对降解地膜的推广应用具有参考价值。【前人研究进展】我国农业生产中使用的农用薄膜的主要成份是线性低密度聚乙烯(LLDPE)或低密度聚乙烯(LDPE)，分子结构非常稳定，导致大量的地膜残留，土壤结构遭到破坏，农田肥力水平下降，影响作物生长发育，引起土壤次生盐碱化的发生[1-5]。目前国内外已经开始推广应用可降解地膜。降解地膜在玉米[6-7]、棉花[3]、马铃薯[8]、大豆[9]等农作物应用后不仅增产作用良好，在环境保护和促进干旱、半干旱作区农业持续发展方面成果显著。康虎等[10]、赵爱琴等[11]、沈宏等[12]、战勇等[5]等学者研究了不同类型降解地膜的降解过程、探讨影响可降解地膜降解的控制因素。【本研究的切入点】本文研究不同诱导期降解地膜在棉花上的应用效果，阐明可降解地膜的田间降解过程。【拟解决的关键问题】寻找既能在前期起到保温保墒作用满足棉花生长需求，后期又能达到降解要求的可降解地膜品种，为可降解地膜的推广和应用提供相关理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤与气候条件

新疆农垦科学院作物所1～2号试验地位于北纬44°19′，东经86°03′,海拔442.9 m。试验地为壤土，土壤有机质含量28.0 g·kg-1、全氮含量1.76 g·kg-1、水解氮含量179 mg·kg-1、速效磷含量93.6 mg·kg-1、速效钾含量670 mg· kg-1，土壤pH 8.08。当地棉花生育期5-8月份平均气温23.6 ℃，降雨总量94.2 mm。

为消除土壤残膜对试验的影响，试验田每年均开展秋季残膜机械回收和春季的人工拾捡工作，同时对土壤的残膜量进行多点检测，每年本实验区的残膜量均在50 kg/hm2以下，地膜残片面积小于10 cm2，根据已有研究基础和相关文献报告，基本上不会对棉花的生长造成影响。

1.2 栽培技术措施

试验于4月21日播种，4月22日滴水，5月6日放苗，7月12日棉花打顶尖。5月12日中耕第1次，耕深12～15 cm，6月3日中耕第2次，耕深14～17 cm。全生育期共灌水9次，灌水量4000 m3·hm-2。5月19日喷施缩节胺1.8 g/667m2，5月至8月用啶虫脒、阿维菌素、甲维盐等防治蚜虫、红蜘蛛、棉铃虫等，试验田间管理和大田一致。

1.3 供试材料及试验设计

供试地膜4种： CK(普通PE膜)，3种不同诱导期可降解地膜有BXS60、BXS90和BXS120，诱导期分别为60、90和120 d，幅宽为1.45 m。以普通PE膜为对照，对供试的3种诱导期可降解地膜进行了3次重复比较试验。每个播幅3膜共5.1 m，1条膜(1.7 m)为一个小区，小区行长20 m，每个小区面积34 m2，试验区总小区面积408 m2。

1.4 项目测定方法及统计分析

主要观测不同地膜达到诱导期、A阶段、B阶段、C阶段、D阶段的时间，以及地膜破裂情况。诱导期指的是刚出现横向小裂缝的时间；A阶段是指诱导期之后，地膜开始出现自然1～2 cm微小裂口；B阶段是指地膜出现2～20 cm裂缝；C阶段是指地膜出现20～50 cm较大裂缝，且数量快速增多；D阶段指地膜均匀碎裂，无大块地膜存在。

降解地膜失重率(%)测定：取30 cm×40 cm大小不同诱导期的新膜各10块，称重后取平均值，基准值(G0)；试验区内在每个处理棉花中间大行，取同样面积的地膜样品3块，室内漂洗晾干。用万分之一天平称重(Gi)；失重率=(G0-Gi)/G0×100。

生理参数、干物质等的测定：采用定点观测记载棉花的生育期。取样采用“相似株”法，从棉花出苗后17 d第1次取样，之后每隔两周取1次样；每次取3株，用打孔法测量叶面积；然后将不同器官分开，风干后称重，计算各时期生物产量；计算叶面积指数。

式中，Al为测点内植株的总叶面积，As为测点所占土地面积。

式中，L1和L2分别为先后2次测定的叶面积，T2和T1分别为后1次和前1次测定的时间。LAD的单位为m2·d。

2 结果与分析

2.1 不同诱导期可降解地膜的降解性能

2.1.1 不同诱导期可降解地膜的外观降解过程 BXS60开始破裂的最早，播后50 d进入诱导期，50～55 d内滴灌带上方的地膜出现垂直方向较长的裂缝，A和B阶段连接非常紧，在 A阶段之后的10～15 d内破裂很快，进入C阶段，播种后 60～70 d左右，部分地方的膜已达D阶段，破裂为块状，降解较为彻底。BXS90播后82 d达到诱导期，82～87 d在滴灌带上方的膜出现破裂垂直纹达到A阶段，87～98 d内到达B阶段，在此后的15 d内逐渐加速破裂达C阶段，在播后的95～107 d内破裂的较为完全，基本达到D阶段。BXS120破裂时间更晚，与正常膜差别不大，未达到C阶段。

表1 可降解地膜破损情况(铺膜后100 d)

表2 可降解膜的单位面积失重率

2.1.2 不同诱导期可降解地膜单位面积的破损率 由表1可知，破裂首先在滴灌带上方开始，当破损到一定程度后滴灌带间的膜开始破裂，至铺膜后100 d，不同处理的破损情况出现较大差异。CK在滴灌带上方和滴灌带间没有明显的破裂；BXS60破损率最高，滴灌带上与滴灌带间分别为49.1 %和58.3 %，BX90次之，滴灌带上破损率34 %，滴灌带间破损率36.8 %。

2.1.3 不同诱导期可降解地膜的单位面积失重率 不同处理播种后162 d和192 d的失重率调查结果表明(见表2)，BXS60降解性最好，可达46.5 %； BX90次之为38.19 %；BX120为18.2 %。

图1 不同诱导期降解地膜对棉花株高的影响Fig.1 Effects of degradable plastic films in different induction period on cotton’s plant height

2.2 不同诱导期可降解地膜对棉花生长及产量的影响

2.2.1 不同诱导期可降解地膜对株高的影响 由图1可见，棉花生长发育前期(出苗后59 d)不同处理棉花株高基本一致，之后覆盖可降解地膜棉花株高略高于CK，不同诱导期降解地膜株高差异不显著。成熟时BXS60株高与CK接近，BXS90和BXS120分别比CK高4.44和4.77 cm。

2.2.2 不同诱导期可降解地膜对叶面积指数的影响 由图2可见，降解地膜对棉花LAI影响显著，棉花生长发育前期不同处理LAI较为接近，出苗73 d后降解地膜的LAI略高于普通地膜，BXS90、BXS60、BXS120和CK的LAImax分别为3.71、3.72、3.87和3.71，基本接近，出苗后101 d之后BXS90、BXS60的LAI略高于CK和BXS120，可见地膜的降解对于延缓棉花的衰老有缓解作用，促使棉花保持高LAI持续时间加长。

2.2.3 不同诱导期可降解地膜对群体光合势的影响 由图3可知，不同处理棉花群体光合势变化均呈单峰曲线，BXS60在出苗后101 d达到峰值，其它3个处理均在出苗后115 d，BXS90的峰值最高，其次为CK，BXS120的峰值最低，棉花全生育期群体总光合势从大到小依次为BXS90(1.34×106m2d·hm-2)>CK(1.29×106m2d·hm-2)>BXS60(1.27×106m2d·hm-2)>BXS120(1.20×106m2d·hm-2)。由此可见地膜的适时降解，可缓解7、8月气温较高造成的膜下温度偏高对棉花生长造成不利的影响，同时增加土壤的通透性，促进棉花生长发育，表现在棉花株高、光合势等指标有增大的趋势。

图2 不同诱导期降解地膜棉花LAI的变化动态Fig.2 Change dynamics of LAI of degradable plastic films in different induction period

图3 不同诱导期降解地膜棉花群体光合势的变化动态Fig.3 Change dynamics of total photosynthetic potential ofdegradable plastic film in different induction period

2.2.4 不同诱导期可降解地膜对干物质积累的影响 由图4可知不同处理干物质积累呈S形，出苗59d之内积累较慢，59～101 d积累较快，出苗后115 d干物质积累趋于平缓。棉花全生育期BXS90和CK的积累曲线基本一致，BXS90干物质积累出苗后59d开始略高于CK，出苗后115 d差距较为明显，成熟时CK和BXS90的干物质积累量分别为1301.90和1382.93 g·m-2。BXS60和BXS120在出苗后87d干物质积累和CK有差异，BXS60高于CK，而BXS120低于CK，但二者在成熟时干物质积累量都低于CK，分别为1191.47和1267.15 g·m-2。

成熟时BXS60干物质积累较CK低，BXS90干物质积累高于CK，由此可见，地膜适时降解能够促进棉花干物质积累，降解太早会影响棉花干物质积累。

2.2.5 不同诱导期可降解地膜对棉花产量及产量构成的影响 由表3可知，不同处理棉花产量差异显著，BXS90产量为5644.1 kg· hm-2高于CK的5334.1 kg· hm-2，BXS60产量为5099.46 kg· hm-2，显著低于CK，而BXS120产量为5321.1 kg·hm-2，与CK接近。

图4 不同诱导期降解地膜棉花干物质的变化动态Fig.4 Change dynamics of dry matter accumulation of degradable plastic film in different induction period

不同处理产量差异主要表现在单株结铃数上，单铃重和株数各个处理之间差异不明显，可见，地膜适时降解能够促进棉花生长，增加单株结铃数，而从提高棉花产量。BXS60在棉花出苗50 d后开降解，对棉花生长造成一定影响，从而产量低于CK，BXS120开始降解较晚，且地膜降解并未达到C阶段，与覆盖常规地膜效果基本一致。

3 讨 论

影响地膜降解性能的因素很多，不同的生产厂家、原材料配方及诱导期设计等导致其降解性能不同。赵爱琴等[11]研究表明，作物苗期(覆膜20 d)膜边缘出现2～3 cm的裂纹；33 d之后地膜裂成块、逐渐变薄；作物收获期，暴露在地表的地膜降解较完全，观察不到明显大块地膜存在。何文清等[12]研究了的3种淀粉基全生物降解地膜的降解过程，在新疆试验点地膜诱导期较晚，30～45 d左右可以达到，埋在土里180 d在降解率最高仅为31.2 %。沈宏等[13]研究表明不同降解地膜类型，诱导期不同，地膜降解受到作物生长发育进程影响，一般来说，9月中旬可达到C阶段，收获后完成光解阶段。战勇等[5]研究表明，诱导期早的可降解地膜在覆膜后25～30 d达到出现破裂垂直纹，降解比较彻底。诱导期晚的地膜品种在播种后35 d出现裂纹，65～80 d破裂较多，达到D阶段后降解缓慢。申丽霞[14]研究了光降解地膜和生物降解地膜，分别在覆膜后30、40 d开始出现裂纹，70 d出现网状裂纹，90 d无大块地膜存在，地膜质量损失率分别为55.48 %、39.99 %。目前降解地膜的大田表现判断定性的居多，通过传统计空洞大小、数量等确定，对于地膜降解物理指标和定性的研究较少。温善菊等[15]研究了4种可降解地膜在紫外光条件下的降解过程。张雪梅等[16]分析了PE-3和PE-4 2种降解膜在石河子、博乐地区降解过程和力学性能的变化。王星等[17]研究了普通地膜和3种可降解地膜的热解过程及热动力学特性。本研究中降解地膜的降解与上述学者的报道相似，降解地膜首先变薄变脆、然后出现孔洞，滴灌带间的膜先开始降解。本研究通过单位面积破损率和单位面积失重率对地膜的降解性能进行评价，较科学系统的确定了降解地膜的降解过程。

表3 不同降解地膜膜棉花产量及产量构成的差异

降解地膜对于作物生长的影响，国内有部分学者进行了研究，大部分结果表明降解地膜具有增温保湿的功效，对作物生长发育影响较小或有促进作物生长发育的作用。康虎等[10]等研究表明生物质可降解地膜在玉米生长的前50天具有较好保温作用，保墒作用可维持70 d左右，覆盖降解地膜能促进玉米生长，提高产量8 %左右。赵爱琴[11]的研究表明，覆盖降解膜使玉米生育期提前，植株较高，叶面积指数较大，产量和普通膜差异不显著。毛任钊等[l8]研究也表明，棉田覆盖光降解地膜能显著的改善土壤生态条件，且降解性能良好。本研究与上述研究结果一致。BXS90在棉花出苗后82 d开始降解，其LAI、干物质积累、产量均高于CK。

目前降解地膜的大面积推广应用仍存在一定问题，其中地膜降解的不可控性是关键难题。地膜降解性受光照、温度等其它环境因素的影响较大，降解太早，地膜的保温作用尚未完成，影响作物生长发育，造成田间杂草较多，增加人工成本。地膜开始降解时间太晚，地膜降解很难达进入C阶段，当年的降解率太低。地膜降解成小块，又不能完全降解时，给地膜的回收工作也带了更大的难度。

4 结 论

可降解地膜诱导期在80 d左右，既能够达到降解要求，又能促进棉花生长，提高棉花产量。表现在BXS90在棉花出苗后82 d开始降解，其LAI、干物质积累、产量均高于CK。BXS60在棉花出苗后50 d开始降解，60～70 d达到D阶段，单位面积破损率和失重率最高，其影响棉花生长发育，棉花有减产趋势。BXS120干物质积累量和产量与CK接近，但其降解性能较差，未能达到降解地膜的应用效果。

新疆干旱半干旱气候决定了新疆的节水农业必须依靠膜下滴灌，必须借助地膜覆盖的增温保墒作用保证棉花等作物的正常成熟，但地膜大面积应用后造成的“白色污染”越来越引起关注，因此本研究选择降解地膜对棉花生长发育的影响、地膜降解性能方面开展科学研究，对于新疆农田生态治理有重要意义。