麻纤维地膜还田对土壤-蔬菜系统养分和重金属含量的影响

杨 敏，龙世方，黄道友①，田应兵，朱奇宏

(1.长江大学农学院，湖北 荆州 434025；2.中国科学院亚热带农业生态研究所/ 亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125)

自20世纪50年代中期以来，地膜覆盖栽培技术因具有保温、保墒、增产等优势，已广泛应用于农业生产[1-4]。然而，农作物收获后田间的塑料薄膜不能及时去除或有效循环利用，导致了大量的塑料废弃物产生[5]。中国是世界上塑料薄膜使用最多的国家[6]，其中栽培农作物使用的塑料薄膜数量已达1.47×106t，塑料覆盖面积已达1.84×107hm2[7]，30 cm土层的塑料地膜残留量约为72～260 kg·hm-2[8]。大多数农用塑料薄膜由低密度聚乙烯制成，具有高分子量和疏水性特点，完全降解大约需要几百年的时间[9-10]。当土壤中的塑料薄膜残留量增加到一定阈值时，常常会破坏土壤结构[7]，减少土壤水分渗入，阻碍土壤水分和养分运移，限制根系生长，降低作物产量[11-15]。

生物降解地膜是可受自然界微生物和藻类等生物活动影响而降解的地膜[16]，其提供的作物生产效益与传统塑料薄膜相当[17]，可以作为传统塑料薄膜的替代品。在土壤覆盖试验中，生物降解地膜降解后提高了土壤温度和湿度，有效地改善了作物生长、土壤微生物群落结构和土壤酶活性[18]。当生产季节结束时，生物降解地膜不仅可以直接还田或堆肥，还有效解决了传统塑料薄膜的环境污染问题。可再生资源〔如淀粉[19]、纤维素[20]及其衍生物聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PHA)〕常作为生物降解地膜原材料。其中纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，棉花、苎麻、黄麻和亚麻中含有大量纤维素，其在生物降解地膜中的应用最为广泛。

麻纤维地膜作为生物降解地膜的一种，具有拉伸强度较高，保温、保墒性能较好，可完全降解[21]等特点，在农业生产中应用后能实现透气保湿、提高产量、改善品质等多方面效果，已在辣椒等多种作物栽培中得到了验证[22]。但长期使用麻纤维地膜并将其残膜还田后，对土壤理化性质以及作物生长与品质的影响研究还有待加强。该研究采取田间微区试验，通过埋入不同量的麻纤维地膜，模拟长期使用麻纤维地膜并将其残膜还田，研究土壤-蔬菜系统养分和重金属含量的变化，为农业生产中麻纤维地膜覆盖栽培技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在耕地重金属污染长期定位观测试验中心站(湖南省长沙县)进行，地理坐标为北纬112°58′～113°15′，东经28°22′～28°27′，属于典型亚热带湿润季风气候区，年平均气温为16～20 °C，年平均降水量为1 200～1 500 mm。

1.2 试验材料

供试麻纤维地膜由中国农业科学院麻类研究所提供，地膜颜色为白色，成分为100%苎麻纤维，其基本理化性质如下：单位面积质量为29 g·m-2，厚度为0.32 mm，伸长率为29.95%，透光率为49.9%，保温率为13.7%，抗拉强力为687.2 N·m-1，吸水量为0.42 kg·m-2，含水量w为3.45%，C/N比为441.67，氮、磷、钾含量分别为0.56、0.28、0.26 g·kg-1，锰、锌、镍、镉、铅含量分别为14.85、9.41、0.46、0.02、0.78 mg·kg-1[21]。

供试土壤为麻沙泥，发育于花岗岩母质，其主要理化性质如下：pH值为4.80，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为32.17、1.26、0.61、28.21 g·kg-1，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为54.46、24.32、86.19 mg·kg-1，锰、锌、镍、镉、铅含量分别为205.04、116.37、13.13、0.57、68.00 mg·kg-1。

供试作物为小白菜(金丰60，莱州市金丰种子有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1试验设计

试验采用单因素随机区组设计。共设5个处理：麻纤维地膜埋入量0(T0)、35(T1)、70(T2)、175(T3)、350 g·m-2(T4)，分别模拟麻纤维地膜使用0、1、2、5、10次，每个处理设4个重复，共20个小区，小区面积为1 m2，相邻小区之间以宽30 cm、深20 cm并覆盖塑料薄膜的隔离沟分隔。于2017年11月7日将地膜埋入各个小区，待地膜完全降解后(无肉眼可见残膜)，于2018年10月12日在每个小区移栽9株长势一致的小白菜幼苗，小白菜移栽前均按100 kg·hm-2(N、P、K质量比为15∶15∶15)复合肥的施肥水平施入基肥，各处理其他田间管理措施按照当地种植习惯进行。

1.3.2样品采集与预处理

于2018年11月23日从每个小区随机选取3株(每3株为1个重复)小白菜连根完整采集，洗净、擦干，对其株高(茎基部到生长点顶端的高度)、鲜重进行测定，105 ℃杀青30 min后，60 ℃烘干至恒重，称量干重，将烘干样品粉碎，装入聚乙烯塑料封口袋备用。

在完成小白菜样品采集的同时，采用土钻(半径2 cm、高20 cm)按照梅花五点法，在每小区采集5个样点的耕层(0～20 cm)土壤样品，混合均匀后装入聚乙烯塑料袋，迅速带回实验室。将采回的土样风干、磨碎、分别过0.15和0.83 mm孔径筛后，装入聚乙烯塑料封口袋备用。

1.3.3测定指标与方法

参照文献[23]测定土壤pH值和全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾等营养元素含量。土壤镉、铅、锰、锌、镍的有效态用0.1 mol·L-1CaCl2(pH值7.0) 提取[24]，ICP-OES(安捷伦5110，美国)测定。

小白菜鲜重和干重按照小区种植密度和样品采集量进行换算，其株高采取3株样品的均值。小白菜干样采用H2SO4-H2O2消煮法测定植株氮、磷、钾含量。小白菜镉、铅、锰、锌、镍含量采用硝酸-高氯酸消煮法[25]，ICP-OES(安捷伦5110，美国)测定。

试验数据采用SPSS 20.0和Origin Pro 9.0进行统计分析和图形制作。采用 LSD 法进行方差分析和多重比较(α=0.05)。数据为平均值±标准差。

2 结果与讨论

2.1 麻纤维地膜还田对土壤pH值和养分含量的影响

麻纤维地膜还田后，土壤pH值、有机质和养分含量的变化见图1和表1。与对照相比，土壤碱解氮、速效钾含量在麻纤维地膜还田量达175 g·m-2时显著增加(P<0.05)，增幅分别在4.29%～4.47%、16.57%～24.62%之间；土壤速效磷含量在麻纤维地膜还田量达70 g·m-2时显著升高(P<0.05)，升高幅度在16.26%～20.70%之间；土壤pH值在麻纤维地膜还田量为70和175 g·m-2时显著升高(P<0.05)，增幅均为1.57%。麻纤维地膜还田对有机质、全量氮和磷含量无显著影响(P>0.05)。

T0、T1、T2、T3、T4的地膜还田量分别为0、35、70、175和350 g·m-2。 同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。图1 麻纤维地膜还田对土壤速效养分含量的影响Fig.1 Effects of bast fiber mulching film returning on soil available nutrient contents

2.2 麻纤维地膜还田对土壤有效态重金属含量的影响

表2结果显示，麻纤维地膜还田后，土壤有效镉含量显著降低，其中还田量为35、70和350 g·m-2处理与对照之间差异达到显著水平(P<0.05)，降幅在4.64%～7.50%之间。与对照相比，土壤有效锰含量则在麻纤维地膜还田后显著降低8.95%～18.48%(P<0.05)，土壤有效锌及有效镍含量分别在1.33～1.61和0.68～0.72 mg·kg-1之间，麻纤维地膜还田对其影响较小(P>0.05)。

表1 麻纤维地膜还田对土壤pH值和养分含量的影响

表2 麻纤维地膜还田对土壤有效态重金属含量的影响

2.3 麻纤维地膜还田对小白菜生长和养分含量的影响

如图2所示，与对照相比，麻纤维地膜还田量达到175 g·m-2时，小白菜地上部鲜重、干重均显著增加(P<0.05)，增幅分别在80.92%～110.79%和46.25%～67.90%之间。麻纤维地膜还田后，小白菜株高显著增加，其中还田量为175和350 g·m-2的处理与对照之间差异达显著水平(P<0.05)，增幅在17.79%～22.42%之间。

T0、T1、T2、T3、T4的地膜还田量分别为0、35、70、175和350 g·m-2。 同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。图2 麻纤维地膜还田对小白菜生长的影响Fig.2 Effects of bast fiber mulching film returning on growth of pakchoi

麻纤维地膜还田显著促进了小白菜对养分的吸收(图 3)。与对照相比，麻纤维地膜还田后，植株氮含量显著增加(P<0.05)，增幅在5.59%～18.31%之间；当麻纤维地膜还田量达到70 g·m-2时，植株钾含量显著升高(P<0.05)，升高幅度在15.18%～39.99%之间；麻纤维地膜还田量达到175 g·m-2时，小白菜植株磷含量显著提高(P<0.05)，提高幅度在13.46%～14.76%之间。

综上所得，麻纤维地膜还田后小白菜植株氮、磷、钾含量均有所升高，表明地膜还田促进了小白菜的生长，使得小白菜生物量和株高均有不同程度的增加。

T0、T1、T2、T3、T4的地膜还田量分别为0、35、70、175和350 g·m-2。 同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。图3 麻纤维地膜还田对小白菜养分含量的影响Fig.3 Effects of bast fiber mulching film returning on nutrient contents of pakchoi

2.4 麻纤维地膜还田对小白菜重金属含量的影响

从表3可知，麻纤维地膜还田对植株铅含量有降低趋势，其中还田量为35和350 g·m-2处理与对照之间的差异达显著水平(P<0.05)，降幅在24.47%～24.95%之间。而麻纤维地膜还田后植株镉含量有升高趋势，其中还田量为35、175和350 g·m-2处理与对照之间差异达显著水平(P<0.05)，升高幅度在17.08%～18.17%之间。与对照相比，麻纤维地膜还田显著降低了小白菜植株镍含量(P<0.05)，降幅在18.77%～21.77%之间，麻纤维地膜还田对小白菜植株锰、锌含量影响较小(P>0.05)。

表3 麻纤维地膜还田对小白菜重金属含量的影响

3 讨论

麻纤维地膜还田后，尤其是地膜高量处理的土壤速效磷、钾含量显著提升，土壤碱解氮含量也呈上升趋势。这一方面可能是由于麻纤维地膜降解释放其本身所含有的养分造成的。麻纤维地膜的主要成分是纤维素，通常埋入土壤6～7个月即可降解为二氧化碳和水[26]。笔者前期针对供试麻纤维地膜的试验结果也证实，其降解过程虽然受到环境因素的影响，经过1 a左右基本达到完全降解[27-28]。供试麻纤维地膜氮、磷、钾含量分别为0.56、0.28、0.26 g·kg-1，按照地膜埋入量估算，其带入的氮量最高可达2 kg·hm-2，带入的磷和钾量最高约为1 kg·hm-2。另一方面麻纤维地膜还田可促进土壤原有有机质的周转，进而释放氮、磷等养分，这可能也是导致速效养分含量提升的原因。SHEN等[29]研究发现，纤维素添加进入土壤后会出现碳激发效应，促进土壤有机质的周转和养分的释放。笔者前期研究发现，麻纤维地膜还田并经过近70 d的降解，土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮显著升高，这也从另一角度证实麻纤维地膜还田能够促进土壤有机质的周转和养分的释放[27]。麻纤维地膜还田虽然能够在一定程度提高土壤速效养分含量，但对土壤有机质和全量养分的影响较小，这应该与其自身降解周期较短有关，虽然含有一定的养分，但与土壤总量养分库相比贡献非常有限。

从小白菜地上部生物量变化可以看出，麻纤维地膜还田后不同程度地促进了小白菜生长及其对养分的吸收。前期大多数研究证实了麻纤维地膜覆盖能够有效改善作物生长状况和提高作物产量，麻纤维地膜还田后对作物生长的促进作用也已有报道[22]。这可能与麻纤维地膜还田后土壤大量养分的供应能力提升有关。笔者试验结果显示，小白菜地上部生物量及养分含量与土壤速效养分含量呈显著正相关关系(P<0.05)。此外，前人研究结果还表明，麻纤维地膜还田后能够降低土壤容重，使土壤疏松多孔，改善土壤结构，进而促进小白菜的生长[30]。

麻纤维地膜还田后，土壤有效态重金属含量出现与速效养分相反的变化规律，总体呈降低趋势。正如前述分析，麻纤维地膜还田后会在较短的时间分解，但能促进土壤原有有机质的周转，在其转化过程中可能形成具有较强络合能力的产物，促使锰、锌、镉、铅、镍有机结合态的生产，从而降低有效态重金属元素含量[31-32]。然而，小白菜地上部锌、锰含量并未出现降低，与其土壤有效态含量的变化规律并不一致。在该试验中，土壤有效锌含量为1.33～1.61 mg·kg-1，有效锰含量为9.54～11.71 mg·kg-1，仍能够满足作物生长需求[33]。小白菜地上部铅、镍的含量变化基本与其土壤有效态含量的变化规律一致。然而，小白菜镉含量出现明显升高趋势，其原因有待进一步研究。

4 结论

麻纤维地膜还田虽对土壤有机质和全量氮、磷、钾含量无明显的影响，但可提高土壤速效氮、磷、钾含量，促进小白菜的生长和对氮、磷、钾的吸收，其效果随地膜还田量的增大而增强；麻纤维地膜还田对土壤有效态铅、镍、锌含量以及植株锌、锰含量无明显影响，但可显著降低植株铅、镍的含量。总体来说，麻纤维地膜的长期还田能够在一定程度上提高土壤氮、磷、钾的供应能力，促进作物生长，而对微量营养元素和重金属有效性的影响相对较小，是一种较安全的可降解地膜产品。