氧化-生物双降解地膜对棉花生长影响及降解效果

吴博，练文明，邰红中，卢金宝，周龙，赵静，蔡利华

（新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所,新疆阿拉尔843300）

新疆是我国最大的棉花生产基地，形成了成熟的“矮、密、早、膜”栽培模式，棉田铺膜率达到100%；然而，地膜在实现棉花高产增收的同时，带来的地膜污染问题也日益加重， 严重破坏生态环境。针对地膜污染严重、残膜治理难度大的现状，应用可降解材质的地膜成为治理地膜污染问题的理想途径。氧化-生物双降解地膜作为添加剂型降解地膜，综合利用了氧化降解和生物降解技术，具有降解时间可控、力学性能良好、增温保墒效果与普通地膜相同的优势，使其在棉花生产中具有代替普通地膜使用的可行性[1-5]。本研究采用山东省天壮环保科技有限公司提供的2 种不同配方的氧化- 生物双降解地膜，开展氧化- 生物双降解地膜在棉花生产上应用的试验研究，通过棉花生长情况、增温保墒效果和降解性能对氧化- 生物双降解地膜的降解效果进行探讨，为氧化- 生物双降解地膜的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验在新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所2# 试验田（东经81°18′49，北纬40°33′14″）进行，暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年均降水量为40.1～82.5 mm。试验地前茬作物为棉花，土壤中水解性氮含量为70.5 mg·kg－1， 有效磷29.7 mg·kg－1，速效钾171 mg·kg－1，有机质13.6 g·kg－1。

试验采用由山东天壮环保科技有限公司提供的氧化- 生物双降解地膜的两种型号：棉花采收前降解的2018 新疆阿拉尔棉花1 号（简称：棉花1 号，规格：2 050 mm×0.008 mm）， 棉花采收后降解的2018 新疆阿拉尔棉花2 号（简称：棉花2 号，规格：2 050 mm×0.008 mm），对照采用普通膜聚乙烯地膜（规格：2 050 mm×0.01 mm）。 供试棉花品种为新陆中82 号，由新疆塔里木河种业股份有限公司提供。

1.2 试验设计

2018 年进行田间小区试验， 采用棉花1 号和棉花2 号两种类型， 以普通聚乙烯地膜为对照，采取随机排列设计，每个处理设置3 次重复，共计9个试验小区，每个小区面积为69 m2。

2019 年根据2018 年的试验结果，为研究降解地膜在土壤中的降解效果进行填埋试验。设置4 个处理，处理1 和处理2 分别是：2019 年拆封的降解地膜棉花1 号（处理1）和棉花2 号（处理2），处理3 和处理4 分别是：2018 年田间使用1 年后的边行种床及种床侧面覆土部位完整形态的降解地膜棉花1 号（处理3）、棉花2 号（处理4）。各处理分别取一片降解地膜平铺展开装入20 目网袋，于2019 年4 月10 日埋入15～20 cm 耕层， 2020 年3 月25日取出，超声波清洗后30 ℃烘干，并计算地膜降解率，每个处理3 次重复。

1.3 栽培管理措施

试验田进行冬春2 次漫灌。播前基施磷酸二铵300 kg·hm－2（含N 18 %、含P2O546 %），尿素225 kg·hm－2（含N 46%），氯化钾75 kg·hm－2（含K2O 50%）。4 月10 日采用人工点播方式进行1 穴1 粒播种， 播种密度为2.52 万株·hm－2， 种植模式为（66＋10）cm。生育期间滴水10 次，单次滴水350～520 m3·hm－2。 生育期追肥采用随水滴施，生育期追肥总量850 kg·hm－2。 打顶、化控、植保措施同当地机采棉栽培模式相同。

1.4 调查项目与方法

1.4.1生育期及出苗率。调查记录棉花各个生育时期及出苗率。

1.4.2农艺性状。 每个小区连续选10 株， 调查株高、单株果枝数、果枝始节位、果枝始节位高度、叶片数。

1.4.3产量性状。 9 月20 日前后每个小区连续调查10 株的单株成铃数；10 月15 日，每个小区采收整株吐絮铃90 个，用于计算铃重和检测纤维品质；11 月10 日，每个小区实收籽棉，测定每个小区的籽棉产量，并称取1 kg 籽棉检测衣分。

1.4.4温度及土壤含水量。采用温度记录器测量膜下10 cm 地温；土壤含水量采用烘干称重法，每间隔10 d 取膜下20 cm 深度土壤进行测定。

1.4.5地膜降解性能观测及地膜降解率。观测地膜降解性能，将地膜降解分为5 个时期，即为诱导期（出现多处自然裂缝或孔洞直径≤2 cm）、 开裂期（出现2 cm＜孔洞直径或裂缝长度＜20 cm）、大裂期（出现自然裂缝≥20 cm）、碎裂期（地膜柔韧性尽失，出现碎裂，可收集的最大地膜残片面积≤16cm2）、无膜期（见不到地膜残片存在）。 每间隔5 d 进行肉眼观测，并记录地膜变化情况。地膜降解率＝（降解前质量－降解后质量）/降解前质量×100%。 2018年试验中：降解前质量取播种前面积为（2.9×2.05）m2（可铺土地面积6.67 m2）的地膜，降解后质量为11月15 日取棉田土地面积为 （2.9×2.3）m2的地膜。2019 年填埋试验：降解前质量为填埋前地膜质量，降解后质量为填埋结束后地膜质量。

1.4.6纤维品质测定。取10 月15 日前后采收的棉样30 g，由新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所检验测试中心进行纤维品质检测 （HVICC 校准），测定棉花纤维上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度、成熟度、短纤维共计6 项指标。

1.4.7数据处理。 采用DPS 数据处理系统（7.05 专业版）和MS Excel 2003 进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 氧化-生物双降解地膜对棉花生长的影响

2.1.1棉花生育期。 棉花1 号、2 号与普通地膜处理的出苗、 现蕾等生育时期相差1 d 或无差别；出苗率表现较为一致，各处理的生育期没有明显差异（表1）。 表明氧化-生物双降解地膜对棉花生育期基本未造成显著影响。

2.1.2棉花农艺性状。棉花1 号处理的果枝始节位和果枝始节位高度显著低于棉花2 号和普通地膜，这可能是由于棉花1 号降解地膜开裂较早，导致地表温度下降，降低营养生长速度，始果枝节位较低，但是这种变化并未对株高、果枝数、叶片数造成显著影响（表2）。

2.1.3棉花产量及其性状。 通过表3 表明，3 个处理在密度、成铃数、铃重、单株铃数并未表现显著差异； 普通地膜处理的实收籽棉产量略高于其他处理，但是各处理间无显著差异，表明棉花1 号、2 号与普通地膜处理的产量性状表现较为一致。

2.1.4棉花纤维品质。从表4 可以看出，棉花1 号、2 号和普通地膜处理没有对棉花纤维品质造成显著影响，上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值3个纤维品质的重要指标均无显著差异， 整齐度、成熟度和短纤维虽然略有差别， 但没有达到显著水平，表明2 种降解地膜处理没有对纤维品质造成显著影响。

表2 不同处理的农艺性状表现

表3 不同处理的产量性状

表4 不同处理的棉花纤维品质

2.2 氧化- 生物双降解地膜对土壤温度和含水量的影响

2.2.1土壤温度。4 月17 日至8 月31 日（137 d）膜下10 cm 地温收集结果（表5）表明，棉花1 号、2 号和普通地膜处理≥10 ℃有效积温没有显著差异，同一月份的不同处理间≥10 ℃有效积温均未达到显著差异水平。 2 种降解地膜对10 cm 地温未造成显著影响。

表5 4 月17 日－8 月31 日各处理膜下10 cm ≥10 ℃有效积温 ℃

2.2.2土壤含水量。 覆盖棉花1 号、2 号和普通地膜的土壤含水量（表6）均表现出随时间推移含水量呈下降趋势，对比3 个处理同一日期的含水率，3个处理间含水量没有显著差异，表明2 种降解地膜对20 cm 深度土壤含水量未造成影响。

表6 不同时期各处理的土壤含水量 %

2.3 氧化-生物双降解地膜降解性能

2.3.1地膜降解性能观测。 从表7 可以看出：棉花1 号降解时间早，播种后39 d 进入诱导期，地表裸露部分的地膜出现多处裂缝和小孔洞；播种后57 d后进入开裂期，播种后72 d 后进入大裂期，出现大裂缝；播种后103 d 后进入碎裂期，地表裸露、阳光直射部位的膜面呈片状， 紧贴地表， 拉力消失，变脆。 至2019 年4 月，棉花1 号在地表裸露、阳光直射部位的膜面破碎呈近粉状，个别呈碎片状紧贴地表，难以捡拾；在种床茎基部的地膜形态完整，手扯拉力较对照相同部位的地膜略有下降，可完整揭起而不断裂；种床侧面覆土部分形态完整，手扯拉力较对照覆土部位地膜略微下降，可将地膜从覆土部位较为完整地捡出。棉花2 号于11 月25 日进入诱导期，历时204 d，至2019 年4 月没有进入开裂期，膜面形态较为完整，拉力下降，较对照地膜略微变脆，可以完整揭起。 普通地膜膜面及覆土部分均未表现任何破碎现象，形态完整，拉力良好。

表7 2018 年不同处理的地膜降解时期及降解率

2.3.2地膜降解率。 2018 年11 月15 日分别对各处理的每个小区取面积为6.67 m2地膜， 计算各处理降解率。从表7 中可以看出降解率最高的为棉花1 号，降解率达47.3%。 由于人为误差，在回收取样过程中可能存在样品损耗（损耗同等面积的地膜，厚度较大的普通地膜质量损失较大）， 导致普通地膜的降解率略高于棉花2 号， 但未达到显著水平。然而在实际取样过程中，普通地膜和棉花2 号的地膜形态完整，拉力良好，均未观测到降解现象。

2.3.32019 年填埋试验。2020 年3 月25 日取出填埋试验的降解地膜，试验结果表明各处理降解率均较低，且不存在显著差异（表8）。 处理1 和处理2膜面完整，较普通地膜拉力略差，拉扯中会出现2～3 个低于3 mm 孔洞，未出现脆状；处理3 和处理4膜面完整，其中种床部位拉力较普通地膜差，拉扯易撕裂，质地松脆，种床侧面覆土部位较普通地膜拉力略差， 拉扯中会出现2～3 个低于3 mm 孔洞，未出现脆状。结果表明在埋土试验中，各处理地膜表现出拉力变差的现象，但未表现出明显的降解现象。

表8 2019 年填埋试验不同处理的降解率

3 讨论与结论

降解地膜在棉花生产中的应用，要注意3 个重要问题：力学性能、增温保墒效果和降解性能。在力学性能方面， 本研究采用常规播种机械进行铺膜，氧化- 生物双降解地膜棉花1 号和2 号与普通地膜使用效果相同，均能满足机械铺膜、播种的要求。

降解性能直接影响增温保墒效果。降解地膜过快进入诱导期会缩短降解时间，影响地膜的增温保墒效果，导致减产[6-8]；诱导期过长，可能在棉花收获时出现地膜碎片或无法降解， 从而影响降解效果。在棉花生产中应用降解地膜，其诱导期需要根据当地气候环境条件和栽培管理技术进行选择[4]。 南殿杰等[9]认为，可降解地膜诱导期控制在60 d 左右为宜；赵彩霞等[10]的研究表明诱导期为45 d 对棉花产量影响不显著， 而低于30 d 的降解地膜表现出明显减产现象；朱友娟等[4]等对诱导期30～120 d 的不同降解地膜进行试验，表明降解地膜与普通聚乙烯膜的棉花产量无显著差异；袁海涛等[11]对诱导期31～64 d 的4 种氧化- 生物双降解地膜进行研究，表明4 种降解地膜对棉花生长发育及产量构成没有造成显著影响；袁海涛等[12]在随后的示范试验中表明诱导期为40 d 的降解地膜表现出一定的增产效果。 本研究中诱导期为39 d 的棉花1 号和204 d的棉花2 号均未对产量造成显著影响， 表明39 d的诱导期可以满足当地棉花生产的需要。

降解性能是衡量降解地膜应用价值的关键指标。试验中降解速率快的棉花1 号在收获时未进入消失期，降解地膜呈碎片状，使用机械采收可能会造成地膜污染， 还需要提高诱导期之后的降解速率，使降解地膜在机械采收前进入消失期。 降解速率较慢的棉花2 号在翌年播前并未进入开裂期，其在土壤中的降解效果决定其降解性能， 但是2018年的使用结果表明棉花1 号和棉花2 号的种床侧面覆土部位的降解地膜仅表现轻微的拉力变化，未发生明显降解；2019 年的填埋试验结果表明各处理仅表现出拉力变差，未发生明显降解，表明氧化-生物双降解地膜在土壤中的降解效果还有待于进一步试验。 建议可对氧化-生物双降解地膜在土壤中降解性能、土壤微生物群落、土壤理化性状及降解后的形态进行进一步研究，以便于完善配方，提高降解性能，加快降解地膜的推广应用，解决残膜污染问题。

从本试验的棉花生育期、农艺性状、产量性状和纤维品质4 个方面来看，对比普通地膜，使用棉花1 号和棉花2 号对棉花生长均未造成显著影响；结合土壤10 cm 地温和20 cm 含水量的试验结果，综合表明供试的降解地膜对棉花生长、产量和土壤增温保墒效果与普通地膜基本相同， 其中诱导期较短的棉花1 号降解性能较好， 具有较高的应用价值。