全生物降解地膜对南疆甜菜产量及土壤理化性质的影响

王斌，万艳芳，王金鑫，孙九胜，槐国龙，崔磊，孙晨

新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所

地膜覆盖有利于作物生长发育和提高作物产量，能有效抑制土壤水分蒸发，提高地温[1- 2]。然而，普通农用地膜主要成分为分子结构非常稳定的聚乙烯(PE)材料，在自然条件下很难降解，作物收获后难以回收利用，在农田大量残留积累，其残留期可达200～400年[3]。由于地膜难降解，使田间残膜量持续增加，长此以往必然会严重影响农业生产的可持续发展。因此，研究使用降解可控、生态环保的可降解地膜成为解决“白色污染”问题的重要手段之一[4- 6]。目前，有关降解膜的研究主要集中在成分、性能及不同类型降解膜对比等方面[7- 10]，降解膜对作物生长及土壤理化性质影响等方面的系统研究较少。南疆地区属典型的大陆性气候，自然资源丰富，生态类型多样，农业生产地域相对独立，该区域降水量少且时空分布不均匀，作物产量受温度等因素影响较大，地膜覆盖是该区域作物增产的重要栽培技术之一。因此，研究降解膜对该区域作物产量及农田土壤环境的影响具有重要意义。基于此，笔者以南疆大田露地栽培甜菜为基础，以普通PE地膜为对照，研究降解膜覆盖对甜菜地土壤温度、含水率、养分及甜菜产量等因子的影响，以期为在南疆地区推广应用降解膜提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区在南疆阿克苏地区拜城县拜城农业试验站，位于天山中段南麓、却勒塔格山北缘的山间盆地、渭干河上游流域，属温带大陆性干旱型气候，冬季寒冷，夏季凉爽，年均气温为7.6 ℃，极端最高气温为38.3 ℃，极端最低气温为-28 ℃，无霜期为133～163 d，年均日照时数为2 789.7 h，年均降水量为171.13 mm。试验区基础土壤性状如表1所示。

表1 试验区基础土壤性状

注：土样为播种前基础土壤。

1.2 试验设计

试验作物为甜菜。试验处理为产自新疆康润洁环保科技股份有限公司的PBAT型全生物降解地膜(简称降解膜)，以普通PE地膜为对照，共2个处理，每个处理重复3次。试验区面积为0.133 hm2，地膜宽为80 cm，厚为0.01 mm；垄宽为70 cm，垄高为20 cm，沟宽为50 cm；按一垄一膜一管两行设置，膜下设置滴灌。试验播种方式、肥料用量、种植与管理等同当地大田一致。2017年4月26日播种，10月10日收获。分别于4月27日、5月10日、5月25日、6月10日、6月20日、7月1日、7月10日、7月20日、8月10日、8月20日、9月1日进行灌溉，每次灌溉量为600 m3/hm2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1地膜破损率

甜菜生育期(6—10月)，每半个月定点采集地膜照片，用地膜孔洞面积提取软件V2.0对采集的照片进行图像处理，得到地膜自然降解破损率。

1.3.2甜菜产量

每个处理随机选取5个点，每个点按照70 cm(一垄)宽、5 m长测定所有甜菜质量。

1.3.3土壤温度与含水率

采用土壤温度水分记录仪(L99- TWS- 3，上海)对膜下5、15和25 cm土壤的温度和含水率进行连续测定，监测时间间隔为2 h，测定时间为6月2日—10月10日。

1.3.4土壤理化性质

在甜菜播种前及生育期，分别于2017年3月24日(播种前)、6月8日(地膜破损时)和10月12日(收获期)以S形取样法在每个试验地取0～20和20～40 cm土壤样品，每个处理重复3次，测定土壤样品中有机质、速效氮、速效磷、速效钾和总盐浓度及土壤pH。

土壤pH采用土壤pH计测定，有机质浓度采用重铬酸钾外加热法测定，速效氮浓度采用碱解扩散法测定，速效磷浓度采用钼锑抗比色法测定，速效钾浓度采用火焰光度法测定，总盐浓度采用烘干质量法测定[11]。

1.3.5数据处理与计算

采用SPSS 16.0和Excel 2016软件对数据进行处理和分析，数据间比较采用独立样本T检验方法。

2 结果与分析

2.1 生育期降解膜破损特征

甜菜生育期降解膜破损率变化如图1所示。由图1可知，降解膜的破损率随甜菜生育进程基本呈增大趋势，但增幅有所不同：甜菜生长期(6—8月)降解膜破损率均较小(4.5%～12.8%)，且随时间变化增幅较小；收获期(10月)降解膜破损率显著增大(45.8%)。甜菜生育期PE地膜没有发生降解破损。

图1 甜菜生育期降解膜破损率变化Fig.1 Degradation rate variation of degradation film in the growth period of sugarbeet

2.2 降解膜覆盖对甜菜产量的影响

降解膜处理与PE地膜的甜菜产量见表2。由表2可知，与PE地膜相比，降解膜处理甜菜产量略有降低，减产率为2.32%，2个处理间差异不显著(P>0.05)。

表2 2个处理甜菜产量

注：相同字母表示处理间差异不显著(P>0.05)，全文同。

2.3 降解膜覆盖对甜菜糖分的影响

降解膜处理与PE地膜的甜菜糖分含量见表3。由表3可知，与PE地膜相比，降解膜处理的甜菜糖分含量低1.24%，2个处理间差异不显著(P>0.05)。

表3 2个处理甜菜糖分含量Table 3 Sugar concentration in sugarbeet under two treatments %

2.4 降解膜覆盖对甜菜生长发育的影响

2.4.1对出苗率的影响

降解膜处理与PE地膜的甜菜出苗率见表4。由表4可知，与PE地膜相比，降解膜处理的甜菜出苗率较大(增加率达18.75%)，但2个处理间差异不显著(P>0.05)。

表4 2个处理甜菜出苗率

2.4.2对生育进程的影响

降解膜处理与PE地膜甜菜生育进程见表5。由表5可知，甜菜生育进程为播种后12 d出苗，49 d进入叶丛快速生长期，74 d进入块根增长期，171 d到达收获期。降解膜处理和PE地膜间甜菜的生育进程无差异。

表5 2个处理甜菜生育进程Table 5 Growth process of sugarbeet under two treatments d

2.4.3对生物量的影响

2个处理甜菜生物量如表6所示。由表6可知，降解膜处理的甜菜地上部分生物量较PE地膜大，而地下部分生物量较PE地膜小；就整株生物量而言，降解膜处理略小于PE地膜。不论整株还是地上、地下部分，2个处理间差异均不显著。

表6 2个处理甜菜生物量

注：生物量均为鲜质量，测定日期为2017年10月12日。

2.5 降解膜覆盖对土壤温度与含水率的影响

2.5.1甜菜生育期土壤温度变化

2个处理甜菜生育期不同深度土壤温度变化如图2所示。由图2可知，2个处理甜菜膜下0～30 cm土壤平均温度变化趋势基本一致，即随甜菜生育进程均呈逐渐减小趋势。从膜下5、15和25 cm深度土壤来看，2个处理基本保持一致的变化趋势，且整体上降解膜处理的土壤平均温度略高于PE地膜。

2.5.2土壤温度垂向变化

2个处理甜菜生育期不同深度土壤平均温度变化如图3所示。由图3可知，随土壤深度(5、15和25 cm)的增加，2个处理土壤平均温度均无较大变化，且均无显著差异(P>0.05)。

图2 2个处理甜菜生育期不同深度土壤温度变化Fig.2 Temperature variation in different soil layers in the whole growth period of sugarbeet under two treatments

注：相同字母表示处理间差异不显著(P>0.05)。图3 2个处理甜菜生育期不同深度土壤平均温度变化Fig.3 The average temperature variation of the different soil layers in the whole growth period of sugarbeet

2.6 降解膜覆盖对土壤含水率的影响

2.6.1甜菜生育期土壤含水率变化

2个处理甜菜生育期不同深度土壤的平均含水率变化如图4所示。由图4可知，甜菜生育期膜下0～30 cm土壤平均含水率表现为降解膜处理小于PE地膜，其主要原因是降解膜在甜菜生育期裂解破损导致水分蒸发损失。甜菜生育期膜下5、15和25 cm土壤平均含水率均为降解膜处理小于PE地膜；随着土壤深度的增加，降解膜处理的土壤平均含水率与PE地膜间差距逐渐减小，表明随着土壤深度增加，降解膜与PE地膜覆盖对土壤含水率的影响逐渐减小。

图4 2个处理甜菜生育期不同深度土壤平均含水率变化Fig.4 Average soil moisture rate variation in different soil layers in the whole growth period of sugarbeet under two treatments

2.6.2土壤含水率垂向变化

2个处理甜菜生育期不同深度土壤平均含水率变化如图5所示。由图5可知，甜菜生育期，膜下5、15和25 cm土壤平均含水率均为降解膜处理小于PE地膜，其中15 cm处降解膜处理土壤平均含水率显著小于PE地膜(P<0.05)。

注：相同字母表示处理间差异不显著(P>0.05)；不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图5 2个处理甜菜生育期不同深度土壤平均含水率变化Fig.5 Average soil moisture rate variation of the different soil layers in the whole growth period of sugarbeet under two treatments

2.7 降解膜覆盖对土壤理化性质的影响

甜菜生育期不同深度土壤(0～20和20～40 cm)养分和盐分浓度、pH变化见表7。由表7可看出，降解膜处理与PE地膜的0～20和20～40 cm深度土壤的pH、养分(速效氮、速效磷、速效钾)和总盐浓度均无显著差异(P>0.05)。表明甜菜生育期降解膜处理对土壤中养分、盐分浓度及pH等均无显著影响。

3 讨论

3.1 降解膜覆盖对甜菜生长发育及产量的影响

降解膜覆盖时，作物种类、植株高度、耕作方式、降解膜材料、气候因子等均对作物产量产生影响。周明冬等[12]使用8种全生物可降解膜和1种常规PE地膜研究降解膜对大田棉花产量的影响，结果表明，PE地膜棉花产量显著高于降解膜。薛源清等[13]在渭北旱塬地区，研究0.008 mm厚降解膜、0.006 mm厚降解膜、普通地膜、裸地对照4个处理对玉米田土壤温度、含水率及玉米产量的影响，结果表明，2种厚度降解膜处理均能使玉米增产，且0.006 mm厚降解膜增产幅度达到16.18%。上述研究结论与本研究均有所不同，本研究中降解膜处理与普通PE地膜在甜菜生长发育及产量等指标上均无显著差异。

表7 2个处理0～20和20～40 cm深度土壤性状变化

注：相同字母表示处理间差异不显著(P>0.05)；不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

3.2 降解膜覆盖对土壤温度、含水率的影响

降解膜覆盖对土壤温度与含水率影响方面，薛源清等[13]研究显示，0.006 mm厚降解膜增温保墒及增产效果与普通地膜相当，可在实践中应用。乔海军等[9]研究显示，生物降解膜可有效提高播种至拔节期玉米田土壤温度和含水率，但抽雄期后覆膜与裸地处理的土壤温度基本相同。王星等[14]研究表明，在玉米生育中期，降解膜覆盖有明显的增温效果，但保水效果不明显。孙涛等[15]研究显示，在花生生长前期，生物降解膜在保温、保水方面与普通地膜无显著差异，均能提高0～20 cm土壤的温度和0～40 cm 土壤的含水率。本研究结果表明，由于试验前期降解膜保存完好，故其与普通PE地膜的保水、保温效果相当；而试验中后期，由于降解膜破损，使其保温尤其是保水效果下降。

3.3 降解膜覆盖对土壤养分的影响

降解膜覆盖对土壤养分影响方面，周昌明等[16]研究表明，平地全覆盖、垄沟半覆盖、连垄全覆盖3种降解膜覆盖种植处理的0～50 cm土壤养分含量均高于不覆膜对照，其中碱解氮、速效磷和速效钾浓度与对照差异显著(P<0.05)；3种降解膜覆盖种植处理2年，平均土壤碱解氮、速效磷和速效钾浓度分别较对照增加6.43%、5.49%和18.73%，且不同覆盖种植处理对土壤中全氮、全磷、全钾浓度的影响无显著差异。刘苹等[17]研究了3种降解膜对土壤养分和棉花产量的影响，结果表明，与普通地膜对比，降解膜在棉花蕾期显著提高了表层土壤中碱解氮、有效磷和速效钾的浓度，但对土壤表层有机质浓度无显著影响。本研究表明，甜菜生育期，降解膜处理的0～20和20～40 cm深度土壤中有机质、速效氮、速效磷、速效钾和总盐浓度与土壤pH均与普通PE地膜无显著差异。

4 结论

(1)在南疆甜菜生产中，降解膜的破损率在甜菜生育期(6—10月)表现为6—8月较小(4.5%～12.8%)，10月显著增大(45.8%)。

(2)降解膜处理的出苗率、生育进程、生物量(包括地下部分、地上部分以及整株)、糖分含量和产量均与PE地膜无显著差异。

(3)甜菜生育期，降解膜处理与PE地膜在膜下5、15和25 cm土壤的平均温度与平均含水率变化趋势基本一致；降解膜处理与PE地膜在膜下5、15和25 cm土壤的平均温度差异不显著，而平均含水率均为降解膜处理小于PE地膜，其中15 cm处降解膜处理土壤平均含水率显著小于PE地膜。

(4)甜菜生育期，0～20和20～40cm深度土壤，降解膜处理和PE地膜间的土壤养分(速效氮、速效磷、速效钾浓度)、总盐浓度、土壤pH差异均不显著。