生物降解地膜降解性能对南疆土壤温湿度及棉花产量的影响

王 龙，贺小伟，胡 灿，王旭峰，刘 勤，严昌荣，丁建萍

(1.塔里木大学机械电气化工程学院，阿拉尔 新疆 843300；2．新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，阿拉尔 新疆 843300；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；4.农业农村部农膜污染防控重点实验室，北京 100081；5.新疆蓝山屯河化工股份有限公司，昌吉 新疆 831100)

塑料地膜覆盖种植技术自20世纪70年代由日本引入我国以来，因其显著的保温保墒、抑制杂草和增产增收的作用，在全国推广应用[1-2]。新疆地区因其特殊的地理位置和气候环境，自1983年就开始推广覆膜种植技术，截止至2019年新疆地区覆膜种植面积达到351万hm2，占我国农用地膜覆盖面积20%左右[3]。南疆由于日照充足、昼夜温差大，已成为我国优质棉花主产区，棉花采用地膜覆盖技术至今，覆膜率达到100%[4]。但随着大量地膜的投入使用，且每年都有部分地膜因回收不及时残留于土壤中[5]，残膜残留量逐年累积，造成了“白色污染”[6-7]。同时残留地膜改变了土壤的物理结构[8]，降低了土壤孔隙度和通透性，使土壤中水分和肥料的运移能力受阻[9]，直接影响了农作物的根长、根表面积和活力[10]，致使农作物产量减少，严重影响了我国农业的可持续性发展[11-12]。

生物降解地膜与聚乙烯(PE)地膜一样，具有保温、保水和抑制杂草等作用，将其替代普通PE地膜成为解决残膜污染的一种重要方法[13]，且生物降解地膜可以在自然环境中通过微生物降解成CO2和水，避免了PE地膜难以完全回收的问题[14-17]。生物降解地膜对棉花的生长及产量有一定的促进作用[18]，但其降解速率不一，降解过程受地域、气候和环境等因素影响较大[19]。因此，要实现生物降解地膜在南疆棉区的推广应用，需先了解其在南疆地区的降解过程及对土壤温湿度和棉花生长的影响。国内学者针对棉田覆盖降解地膜已开展了一些研究，朱友娟等[20]研究表明，与普通PE地膜相比，降解地膜覆盖处理的棉花衣分、单铃质量和籽棉质量等差异不显著。窦巧巧等[21]研究表明，覆盖降解地膜与普通PE地膜相比，棉花单株结铃数要低一些。南疆是我国棉花的主要产区，土壤温湿度是影响棉花产量的主要因素，研究生物降解地膜对南疆土壤温湿度的影响是解决残膜污染问题及生物降解地膜推广应用的关键。目前，市面上较为成熟的生物降解地膜的主要原料为聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)聚酯类物质，再掺入其他助剂，包括片层硅土、光稳定剂、开口剂、相容剂等。本研究为了探索不同类型生物降解地膜在南疆覆膜滴灌棉田的适应性，分析了国内两家企业生产的PBAT生物降解地膜，以普通PE地膜作对照，在南疆棉区开展田间试验研究，探寻覆盖生物降解地膜降解性能对土壤温湿度及棉花产量等的影响，为南疆地区生物降解地膜的选用和推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于新疆阿克苏地区新和县塔木托格拉克乡，地理位置为东经82°25′31.9″，北纬41°16′59.9″，海拔高度为970 m。试验区属温带大陆性干旱气候，光照充足、热量丰富、蒸发量大、降水稀少、无霜期长。年均气温10.5℃，年均日照2 894.6 h，年均蒸发量1 992.7 mm，年均积温4 412.3℃，年均降水63.7 mm，年均无霜期201 d。试验地土壤质地为砂壤土，土壤养分含量见表1所示。

表1 试验地土壤基本性质和养分含量

试验期间气象数据由新和县气象局提供，如表2所示，从表中可以看出，7月温度达到最高，6月雨水最多。

表2 棉花生育期气象指标

1.2 试验设计

棉花品种为新陆中67，该品种为Ⅱ式果枝，株行较松散，发芽率大于90%，霜前花率高，株高约80 cm，全生育期长势和整齐度较好，吐絮较集中，易捡拾，适宜在南疆早中熟棉区种植[22]。

供试生物降解地膜由国内两家企业提供，主要原料为PBAT和PPC(聚碳酸亚内酯)的生物降解地膜A、B1和B2，以普通PE地膜作为对照组，几种地膜的基本参数及成分如表3所示。共计4个处理，重复3次，采用单因素随机区组试验设计，试验地长200 m，宽16.8 m。试验区棉花种植采用当地机采棉66 cm+10 cm“一膜三管六行”的栽培模式，株距为12 cm，种植密度为37 500株·hm-2。由表3可知，相比普通PE地膜，生物降解地膜具有更好的机械性能。

表3 地膜基本参数

结合整地深施复合式颗粒肥40 kg·667m-2(N12、P2O518、K2O15、有机质≥8%和腐植酸≥5%)和尿素10 kg·667m-2作为基肥，水肥管理为大田普通常规管理方式，2019年6月13日浇头水，随后每7 d依据棉花长势进行滴灌直至8月底结束，生育期采用“一水一肥”方式，追施复合型水溶肥30 kg·667-2(N14、P2O535和K2O15)和尿素30 kg·667m-2。棉花人工打顶,于2019年4月14日播种并覆膜，10月5日收获。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 降解地膜降解性能 降解地膜降解性能通过观察降解地膜表面的变化来确定[23]。在每个试验小区设3个观测点，覆膜播种后，利用固定框(50 cm×50 cm)定期对观测点进行拍照，并记录地膜破损情况(裂纹、裂缝及破碎程度等)。一般分为5个阶段：诱导期，铺设地膜至地膜表面开始出现小裂缝的时期；破裂期，地膜表面开始出现肉眼可见大裂缝的时期；崩裂期，地膜表面已经裂解成大碎块、无完整膜面的时期；破碎期，地表无大块残膜，仍存在小碎块的时期[21]；完全降解期，地表几乎没有可见地膜的时期[24]。覆膜播种前取20 cm×20 cm(长×宽)地膜洗净晾干后用万分之一天平测得原始地膜样品的质量(m0)，每隔30 d取相同大小地膜洗净晾干后测得降解后质量(mi)，通过两次的差值可计算地膜的降解速率，地膜降解速率=(m0-mi)/m0×100%。

1.3.2 农田土壤温度和水分 土壤温度和水分：采用美国Onset HOBO Pro v2自动记录传感器进行耕层土壤温度测定，于棉花播种完成后在膜下土壤中埋入传感器，棉花收获时取出。传感器埋设深度为10 cm，每隔30 min记录一次数据，每个处理3次重复，作图采用月平均值。采用江苏智远Takeme土壤温度水分测定仪进行土壤水分测定，在棉花生育期内每隔15 d测量土层深度为0～10 cm的土壤水分，每个处理3次重复。

1.3.3 棉花生育期和产量 在棉花生长过程中，记录生育期(出苗、现蕾、开花和吐絮)，并在棉花吐絮期统计每株棉花的铃数。以试验小区实收的籽棉产量折算为每公顷籽棉产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2013和SPSS Statistics 20.0进行数据处理及分析，采用最小显著性差异法(LSD)进行显著性分析，方差分析均为P<0.05水平。

2 结果与分析

2.1 不同生物降解地膜田间降解情况

由图1可以看出，在第53天时，3种生物降解地膜膜面基本完好，只有B2降解地膜膜面有几个孔洞，3种降解地膜膜下均有小水珠，表明此时地膜的保温保水效果较好；在第78天，A和B2降解地膜膜面已经出现较大孔洞，保温保水效果基本消失，B1降解地膜膜面只有少量小孔洞，膜下仍存在水珠，表明仍具有一定的保水效果，B1降解地膜在第80天后才出现较大孔洞，地膜变薄，且韧性有所降低，增温保墒效果也开始降低，但表面仍然保持相对完整；在第108天时，3种降解地膜均出现大面积破裂，地表地膜呈大块状，但机械强度很弱，B1降解地膜膜面大块状较为完整，而A和B2降解地膜部分膜片已经碎化，开始融入土壤中，此时3种地膜几乎没有保温保水效果。由表4可以看出，B2降解地膜在第50天左右开始进入诱导期，A和B1降解地膜在第62天左右开始进入诱导期，膜面出现细小孔洞，3种地膜的破碎期在第100天左右。南疆地区降水量少、蒸发量大且昼夜温差大，要保证早期棉花的出苗较好，降解地膜的保温保墒功效至少要维持2个月，A和B1降解地膜基本能满足要求。由表5可知，不同种类降解地膜的降解速率不同，随着时间的推进，降解地膜的降解速率增大，3种降解地膜的降解速率为B1

图1 生物降解地膜第53、78、108天膜面情况Fig.1 Appearance of the biodegradable film surface at 53、78 d and 108 d

表4 生物降解地膜田间降解情况

表5 不同生物降解地膜降解速率/%

2.2 不同生物降解地膜对棉田土壤温度和湿度的影响

土壤温度在棉花苗期的作用非常重要，直接影响棉花的长势。几种地膜的土壤日均温和日积温见图2和图3。可以看出，在棉花生育前期，几种地膜的温度变化无显著差异，主要原因是地膜膜面完整性好，降解地膜的保温效果和普通PE地膜无显著差异，B1降解地膜的保温效果略好于普通PE地膜。A和B2降解地膜于第74天左右开始破裂，而B1降解地膜于第81天左右开始破裂，导致降解地膜的保温效果下降，最终都低于普通PE地膜。B1降解地膜降解破裂速率低于其他两种降解地膜，所以其保温效果较好。研究结果表明，土壤温度随着降解地膜膜面开始降解破裂，膜下土壤温度开始降低，与另外2种降解地膜相比，B1降解地膜的保温效果最好。

注：不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。Notes: Different letter means significant difference, the same below.图2 棉花生育期内的土壤日均温平均值Fig.2 Average value of soil daily mean temperaturein cotton growing period

在整个棉花生育期，不同降解地膜覆盖条件下土壤含水量变化如图4所示。几种降解地膜在破裂之前，土壤含水量与普通PE地膜无显著差异，表明降解地膜在未产生裂纹之前，保水效果基本与普通PE地膜一致。由于A和B2降解地膜于第74天左右开始破裂，土壤含水量开始下降，明显低于PE地膜，B1降解地膜于第81天左右开始破裂，土壤含水量也开始下降，直到与其他两种降解地膜一致。土壤含水量研究结果表明，降解地膜的保水效果与地膜是否破裂密切相关，地膜膜面完整性越好，保水效果就越好。

图4 不同降解地膜覆盖条件下的土壤水分变化Fig.4 Soil moisture under different degradable plastic film

2.3 不同生物降解地膜对棉花生育期和产量的影响

由表6可以看出，3种生物降解地膜与普通PE地膜处理的出苗时间无显著差异，均在10 d左右，这与降解地膜在棉花出苗期保温保水效果与普通PE地膜差异不显著有关。普通PE地膜与B1降解地膜处理现蕾期差异不显著，比B2和A降解地膜现蕾期提前。不同处理棉花开花期差异显著。吐絮期A和B2降解地膜差异不显著，较普通PE地膜推迟5 d左右。由此可见，降解地膜在棉花生长前期由于膜面保持完整，保温保墒性能未受影响，棉花生育期与普通PE地膜相差较小。随着降解地膜的破裂降解，导致棉花后期生育阶段有所推迟，但由于棉花现蕾后，棉花的叶面积指数逐渐增大，遮挡了大部分的阳光照射，使得地膜作用有所减小，因此降解地膜处理的吐絮期与普通PE地膜差异不显著。比较3种生物降解地膜与PE地膜覆盖对棉花生长期的影响可以发现，B1生物降解地膜与PE地膜覆盖的棉花的生育期比较接近。由于A和B2降解地膜降解较早，导致棉花的吐絮期有所推迟。

不同地膜覆盖处理的棉花产量及产量性状见表7，单株结铃数为PE>B1>A>B2。A处理单株结铃数比普通PE地膜少17.14%，但单铃质量与普通PE地膜差异不显著。B1和B2单株结铃数比普通PE地膜少3.14%和25.63%，但单铃质量却比普通PE地膜高3.17%和1.58%。B1比普通PE地膜单株结铃数少，但籽棉产量最高，籽棉产量与普通PE地膜差异不显著，表明B1具有一定的增产效果。B2和A地膜处理籽棉产量与普通PE地膜差异显著，有明显的减产现象，分别减产23.06%和22.47%，表明B1生物降解地膜更适用于南疆地区的棉花种植。

表6 不同地膜处理棉花的生育期

2.4 土壤温湿度对棉花产量的影响

由表7可知，B1与PE地膜处理籽棉产量差异不显著，与A和B2差异显著。而由图2和图4可知，在棉花生育前期(4月和5月)，几种地膜处理土壤温湿度差异不显著；在棉花生育中期(6月、7月和8月份)，B1与A、B2和PE地膜处理土壤温度差异均显著， A与B2差异温度不显著，B1与PE地膜处理土壤湿度差异不显著，与A和B2差异显著；在棉花生育后期(9月份)，棉田已停止浇水，B1与A和B2土壤温湿度差异不显著，与PE地膜差异显著。表明棉花生育中期的土壤温湿度对棉花产量影响较大，相比而言，土壤湿度影响更为显著，棉花开花结桃均处于棉花生育中期，土壤中水分对棉花保铃影响较大，而棉花生育后期对地膜保温保墒作用的需求较低。

2.5 生物降解地膜的经济效益分析

不同处理的经济产值排序为B1>PE>A>B2(表8)。由于生物降解地膜成本较高，最终致使效益均有所减少，B1、B2和A生物降解地膜处理的效益相比普通PE地膜处理分别减少5.00%、81.52%和79.64%。

表8 不同地膜处理的投入和产出/(元·hm-2)

3 讨 论

降解地膜主要分为生物降解地膜和崩解型地膜，生物降解地膜主要原材料是淀粉、纤维素、壳聚糖及其他天然多糖类材料，这些材料都易被微生物分解；崩解型地膜主要原材料是PE，通过加入光敏剂、氧化催化剂等功能助剂的催化作用加快PE地膜的降解[25]。生物降解地膜按制备方法可分为合成型生物降解地膜和天然生物聚合型生物可降解地膜[25]。合成型生物降解地膜是在分子结构中引入含有酯键的可被生物降解的结构，常用的有聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)和聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)等；天然生物聚合型生物降解地膜是将天然高分子聚合物，如淀粉、蛋白质、纤维素等通过共混、共聚和交联等方法进行改性所得到的[27]。相比崩解型地膜而言，生物降解地膜降解较慢，可在生育期较长的作物上推广应用[26]。南疆棉花生育期较长，135 d左右，生物降解地膜在棉花进入花铃期后开始降解，此时棉田基本封行，阳光照射不到土壤表面，地膜增温效果减弱[28]。因此，生物降解地膜能满足南疆棉花生育期的需求。

在棉花的生育前期，由于降解地膜膜面完整性好，增温保墒效果与普通PE地膜并无明显差异[29]，降解地膜处理的棉花生长状态与普通PE地膜差异不显著。一般生物降解地膜降解越早，影响土壤温度和含水量[30]，对棉花的产量影响较大[31]，A和B2生物降解地膜开始降解的时间较早，最终导致棉花减产20%左右。生物降解地膜降解速率是影响作物产量的主要因素，其降解过程受自然及环境因素的影响较大[32]。不同生物降解地膜在同样环境下的降解速率也不尽相同[23]，主要是因为不同生物降解地膜的配方差异[27]。本文中不同PBAT生物降解地膜由于配方不同，降解速率存在差异，B1和B2生物降解地膜材料配方相近，但由于B2掺入新型辅料，两者降解速率也存在差异。新型辅料的作用是在保持其物理性能情况下提高生物降解地膜的阻隔性(提高保温保墒性)、略微增加地膜的耐候时间。本试验中的3种生物降解地膜的降解过程不一样，棉花产量差异显著。在棉花生育中期，棉花处于开花结桃阶段，土壤中水分是棉花保铃的重要因素[22]，棉花保铃才能确保产量。B1生物降解地膜在此阶段仍具备一定的保湿效果，因此棉花产量与普通PE地膜无显著差异。

以当年经济效益来看，生物降解地膜处理较普通PE地膜均有减少，然而普通PE地膜机械回收困难，在土壤中产生残留，棉种直接落入耕层土壤残膜中会导致发芽困难[33]，且残膜也会改变耕层土壤结构，影响水和肥分运移，阻碍棉花根系的生长[6]，污染农田，影响农业的可持续性发展。生物降解地膜可通过微生物完全降解，最终被分解成水和CO2[25]，不会对土壤造成污染，从长远看可替代普通PE地膜。与其他两种生物降解地膜相比，B1生物降解地膜保温保湿性能较好，降解速率能满足南疆棉花生长需求，且该种生物降解地膜处理的棉花生长期和产量与普通PE地膜差异不显著。

4 结 论

生物降解地膜在棉花生长前期因其保持良好完整性，保温保墒性能与普通PE地膜差异不显著，不同配方的PBAT生物降解地膜的降解速率不同。相比其他两种生物降解地膜，B1生物降解地膜的棉花产量和经济效益与普通PE地膜无显著差异，综合经济效益和社会生态效益，B1生物降解地膜较适合于南疆棉田覆膜要求。