生物降解地膜的性能及在北京鲜食玉米和甘薯生产上的应用

2021-11-05董雯怡周继华宋慧欣王俊英

中国农业大学学报 2021年10期

梅丽董雯怡周继华刘勤宋慧欣王俊英*

(1.北京市农业技术推广站，北京 100029；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部农膜污染防控重点实验室，北京 100081)

1978年，我国从日本引进地膜用于蔬菜生产，发展至今，覆盖作物种类已扩大到棉花、玉米、小麦和水稻等大田作物[1]，成为全球地膜使用量最大的国家，地膜使用量约1.2×106t/年，覆盖面积达2.33×107hm2/年以上[2]。应用地膜覆盖技术可以提高作物产量[3-7]，促进作物早熟[8-11]，改良作物品质[11-13]，还能抑制土壤返盐和地表杂草生长[14-15]，减轻作物病虫害发生，在保障我国粮食安全和促进农民增收方面发挥了重要作用。

传统地膜主要以聚乙烯(PE)为原料，在自然条件下需要上百年的时间才能完全降解[16]。由于回收利用价值不大，多数被直接丢弃在土壤中或者被焚烧，严重污染大气环境，破坏耕层土壤结构，阻碍水肥输导，影响土壤通透性和作物生长发育，已经对农业环境构成重大威胁[17]。北京市现有耕地面积2.39×105hm2，地膜用量约4.3×103t/年，为实现农业清洁生产、绿色发展，在推进废旧PE地膜回收处置工作的同时，有必要探索环境友好型的地膜新产品。

生物降解地膜是指在自然界中通过微生物的作用，可分解成不会对环境产生恶劣影响的低分子化合物的高分子及其掺混物[18]，主要成分包括聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、二氧化碳共聚物-聚碳酸亚丙酯(PPC)等。目前，地膜覆盖技术对土壤的增温保墒等优势尚无法通过其他栽培措施取代，又缺乏有效地膜污染防控手段的前提下，发展绿色环保的生物降解地膜将是解决农田“白色污染”的理想途径[19-20]。由于区域气候条件和作物种类的不同，其覆盖后的降解特性以及作物产量的增减千差万别[21]。生物降解地膜在北京市鲜食玉米和甘薯生产上的应用研究尚未见报道，本研究通过测试BF1(国内PBAT材料)、BF2(进口PBAT材料为主)和BF3(国内PPC材料)3种生物降解地膜的上机性能、降解特性及对农田土壤保温保墒性能的差异，并分析3种地膜在鲜食玉米和甘薯生长、产量和经济效益方面的影响等，旨在筛选经济可行的生物降解地膜，以期为生物降解地膜在北京市农业生产上的推广和应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地状况

试验于2019年3月20日—10月2日在北京市房山区窦店镇下坡店村(39°68′ N，116°07′ E，海拔40～60 m，年平均气温11.6 ℃，无霜期185 d，年平均降水量564.91 mm)进行。中壤土，土壤基本理化性质，见表1。

1.2 试验材料

鲜食玉米品种‘BMB380’和甘薯品种‘烟薯25’为供试作物。试验用生物降解地膜按照原材料及生产厂家不同，选择BF1(国内PBAT材料，广东金发科技有限公司)、BF2(进口PBAT材料为主，上海弘睿生物科技有限公司)和BF3(国内PPC材料，江苏华盛材料科技集团有限公司)3种，另有普通PE膜作对照，地膜基本情况见表2，力学性能测定方法按照GB/T 35795—2017[22]的规定进行。

表2 地膜基本情况Table 2 The information of mulch films

1.3 试验设计

设置BF1、BF2和BF33个处理，以PE和LD作对照，鲜食玉米和甘薯2种作物每处理各为1个试验区，随机排列，3次重复，共30个小区，鲜食玉米每小区190 m2(190 m×1 m)、甘薯每小区494.00 m2(190.0 m×2.6 m)。

鲜食玉米：播种当日，施入N、P2O5和K2O质量比为20∶10∶15的玉米专用肥375 kg/hm2作基肥，后期不再追肥。采用玉米直播机覆膜播种，每幅2行，行距50 cm、株距35 cm。玉米出苗后，用40%阿特拉津胶悬剂+72%金都尔乳油1 050 mL/hm2防治杂草。播后26 d采用人工抠膜方式进行破膜放苗，次日进行喷灌，灌水量为27 m3/hm2，之后每隔15 d灌水27 m3/hm2。吐丝期采用性信息素诱捕器对玉米螟等主要害虫进行诱捕，收获期人工收获。

甘薯：覆膜前，施入腐熟的羊粪30 t/hm2作基肥，后期不再追肥。覆膜当日，人工移栽，行距90 cm、株距20 cm，垄高20 cm、垄宽40 cm。移栽后的第2天灌水27 m3/hm2，之后每隔15 d灌水27 m3/hm2。田间除草3遍，机械收获。

1.4 观测指标及方法

1.4.1地膜上机性能

根据地膜铺设实际情况，测试地膜的上机性能，重点观察在覆膜机具和人工铺设等正常状态下是否存在断裂和黏连等情况。

1.4.2增温性能测试

每小区取1个固定观测点，采用温度数据采集器(HOBO Water Temp Pro v2)对土壤10 cm温度进行连续监测，最后计算土壤日均温和积温(探头埋设深度为10 cm，每60 min记录1次数据)。

1.4.3保墒性能

在室内采用水蒸汽透过率测试系统(PERME W3/060)测定不同种类地膜的透湿性，评价不同种类地膜的保水性能。按GB/T 1037—88[23]规定的试验条件进行，每个样品3次重复，每个重复做6次循环，取其稳定值为该地膜的透湿率。

1.4.4地膜降解情况

每个覆膜小区取1个固定观测点，于覆膜后每10 d观测1次地膜降解情况，并利用固定框(50 cm×50 cm)进行定点照相。降解阶段分为5个时期，诱导期：从覆膜到垄(畦)面地膜出现多处1 cm≤直径d<2 cm的自然裂缝或孔洞的时间，d；开裂期：从覆膜到垄(畦)面地膜出现 2 cm≤d<20 cm的自然裂缝或孔洞的时间，d；大裂期：从覆膜到垄(畦)面地膜出现d≥20 cm自然裂缝的时间，d；碎裂期：从覆膜到地膜柔韧性尽失，垄(畦)面地膜出现碎裂，最大地膜残片面积≤16 cm2的时间，d；无膜期：从覆膜到垄(畦)面基本见不到地膜残片的时间，d。

1.4.5鲜食玉米、甘薯生长状况

1)鲜食玉米生育时期：播种的日期；出苗日期，50%以上幼苗出土高约2 cm的日期；拔节日期，50%以上植株的第一茎节露出地面2～3 cm的日期；抽穗日期，50%以上植株雄穗尖端露出顶叶3～5 cm的日期；成熟日期，90%以上植株果穗苞叶由绿变黄、籽粒硬化的日期；生育期，播种至成熟的时间，d。

甘薯生育时期：移栽的日期；发根缓苗期，从栽插秧苗至入土各节发根成活、主茎开始分枝的阶段；分枝结薯期，从主茎发生分枝到地上茎叶封垄、地下块根雏形形成的阶段；薯蔓并长期，从茎叶封垄到茎叶生长高峰的阶段；薯块盛长期，茎叶生长由盛转衰直至收获，以薯块膨大为中心的阶段；收获日期；生育期，d。

2)植株性状：每小区定点选5株，于鲜食玉米成熟期测定株高，cm；穗长，cm；穗粗(取样果穗头尾相间排成1行，测量果穗中间直径的平均值)，cm；秃尖长度，cm；鲜果穗重，g。于甘薯薯蔓并长期测定主蔓长，cm；分枝数(茎基部0～30 cm，长度≥10 cm的实际分枝数)；单株茎叶鲜重，g；于甘薯成熟期测定单株结薯数(薯块最大直径≥1 cm的块数)；单株薯块鲜重(薯块最大直径≥1 cm的薯块鲜重)，g；单株大中薯数(单株重≥200 g的薯块数量)和大中薯率(大中薯占单株总结薯数的比例)等生长指标。

3)产量性状：成熟期，每小区各取3个点，鲜食玉米每点10 m2(10 m双行)、甘薯每点13 m2(5 m双行)进行产量的测定，对测产区内杂株和非试验因素引起的异常植株剔除，剔除株的产量以小区平均产量补回。

1.5 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010和 SPSS 11.5软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 地膜的上机性能

3种生物降解地膜在鲜食玉米机械覆膜和甘薯人工覆膜过程中均表现出良好的抗拉强度，没有拉断和黏连等现象，完全适用于机械/人工覆膜作业的要求。

2.2 覆膜对农田10 cm土壤温度的影响

2.2.1农田10 cm土壤日均温

由图1和图2可知，覆膜的增温效应主要体现在作物生长前期，即鲜食玉米覆膜后50 d内和甘薯覆膜后80 d内，此时是玉米出苗至拔节和甘薯发根缓苗至薯蔓并长的时期。鲜食玉米覆膜处理的土壤日均温高于LD；BF1、BF2和BF3覆盖的土壤日均温分别介于12.8～26.7、11.3～26.1和13.1～27.3 ℃，与PE膜覆盖下的农田土壤日均温12.9～27.9 ℃相差不大，甚至出现单日高于PE处理的情况；甘薯也是如此，BF1、BF2、BF3和PE覆盖下的土壤日均温分别介于20.3～31.4、20.1～31.0、20.9～31.0和19.6～31.4 ℃。作物生长后期，生物降解膜逐渐裂解，加上植株生长茂密，太阳光辐射被冠层截留，保温效果不如PE，甚至出现低于LD的情况，如6月25日BF2覆盖鲜食玉米的土壤日均温为26.3 ℃，而LD为28.2 ℃；9月3日BF1覆盖甘薯的土壤日均温为23.2 ℃，而LD为24.3 ℃。

图1 不同处理鲜食玉米10 cm土层日均温的变化Fig.1 Changes of 10 cm soil layer temperature in fresh corn field under different treatments

图2 不同处理甘薯10 cm土层日均温的变化Fig.2 Changes of 10 cm soil layer temperature in sweet potato field under different treatments

2.2.2农田10 cm土壤积温

由表3可知，生物降解地膜对作物全生育期土壤积温的增加效果虽不及PE地膜，但均优于LD，起到了显著的保温效果(P<0.05)。降解膜处理的鲜食玉米和甘薯农田10 cm土壤总积温由高到低分别为BF3>BF1>BF2和BF2>BF1>BF3。

表3 不同处理作物生育期内土壤总积温Table 3 Total soil accumulated temperature of different treatments during crop growth period ℃

2.3 覆膜对农田保墒性能的影响

由图3可知，PE膜具有优良的保水性，透湿率最低，与生物降解地膜差异显著，仅为32.6 g/(m2·d)。降解膜处理的透湿率由高到低为BF2>BF3>BF1，而降解膜保墒性从高到低依次为BF1>BF3>BF2。其中，BF2和BF3的透湿率差异不显著，但均显著高于BF1。

图3 不同地膜的透湿率Fig.3 Moisture permeability of different mulch films

2.4 农田地膜降解情况

由表4可知，3种生物降解地膜用在鲜食玉米和甘薯上的诱导期分别为43～52和56～63 d。在鲜食玉米上，BF2较早进入诱导期，之后也是最早破裂、降解；BF3进入诱导期最晚，畦面看不见残膜碎片的时间也最晚。在甘薯上，BF1和BF3较早进入诱导至破裂期，BF2的诱导期至破裂期历时较长。2020年2月中下旬，鲜食玉米地基本看不见生物降解膜；2020年4月中下旬，甘薯地基本看不见生物降解膜。PE在作物生育期内基本保持完整，表现出良好的稳定性。

表4 地膜降解状况Table 4 Degradation status of mulch films d

2.5 作物生育进程比较

2.5.1鲜食玉米生育进程

由表5可知，覆膜处理加快了鲜食玉米的生育进程，以PE处理效果最好。生物降解地膜较LD使鲜食玉米早出苗3～4 d，早拔节6～8 d，早抽穗5～9 d，早成熟3～6 d。不同生物降解地膜间比较，BF1和BF3较BF2加快鲜食玉米生育进程2～3 d。

表5 不同处理对鲜食玉米生育进程的影响Table 5 Effects of different treatments on growth stages of fresh corn

2.5.2甘薯生育进程

5月6日，将甘薯移栽到大田，10月2日收获，生育期历时149 d。由表6可知，栽种后2 d甘薯开始发根缓苗，至栽后33～39 d发根缓苗期结束，进入下一生长时期。覆膜处理加快了甘薯的生育进程，以PE效果最好。生物降解地膜处理较LD使甘薯早进入分枝结薯期3～5 d，早进入薯蔓并长期2～6 d，早进入薯块盛长期1～5 d。不同生物降解地膜之间比较，BF1和BF3较BF2进一步加快了甘薯的生育进程。

表6 不同处理对甘薯生育进程的影响Table 6 Effects of different treatments on growth stages of sweet potato

2.6 作物植株性状

2.6.1鲜食玉米植株性状

由表7可知，覆膜处理较LD显著提高了鲜食玉米的外观品质，株高、穗长、穗粗和鲜果穗重显著增加，秃尖长度显著降低(P<0.05)。BF1、BF3和PE处理下的鲜食鲜果穗重相对较高，但3个处理间无显著差异(P>0.05)；PE的鲜食玉米果穗最大且秃尖最短，BF1和BF2较BF3处理的株高和鲜果穗重显著增加，三者间穗长、穗粗和秃尖无显著差异。

表7 不同处理对鲜食玉米植株及穗部性状的影响Table 7 Effects of different treatments on plant and ear traits of fresh corn

2.6.2甘薯植株性状

由表8可知，薯蔓并长期，BF1和BF2处理下的甘薯主蔓长显著高于其他处理；甘薯分枝数和单株茎叶鲜重变化趋势一致，均为PE和BF1显著高于其他处理。采收期，PE和BF1的效果显著优于其他处理，使甘薯单株结薯数、单株薯块鲜重、单株大中薯数和大中薯率较LD增加25%、132%、88%和20%；BF2和BF3处理的甘薯植株性状也显著高于LD，二者相比，BF3的单株结薯数显著高于BF2，且大中薯率较BF2提高7.3%。

表8 不同处理对甘薯生长指标的影响Table 8 Effects of different treatments on growth indexes of sweet potato

2.7 作物产量

由表9可知，地膜覆盖显著提高鲜食玉米的产量，具体表现为PE、BF1和BF3处理无显著差异，均显著高于BF2和LD(P<0.05)。甘薯产量也以PE处理最高，与BF1、BF3处理无显著差异，但BF2处理的甘薯产量显著低于PE和BF1，与BF3处理无显著差异(P<0.05)。

表9 不同处理对鲜食玉米和甘薯产量的影响Table 9 Effects of different treatments on yield of fresh corn and sweet potato

2.8 经济效益

由表10可知，不同处理的投入差异主要体现在地膜和劳力2方面。在鲜食玉米和甘薯生产中，降解膜的费用分别为0.25和0.28万元/hm2，PE的费用均为0.13万元/hm2，生物降解膜价格较高。但PE膜增加了0.18万元/hm2的人工捡拾残膜成本，而降解膜可自然降解，无需捡拾。

表10 不同处理投入产出情况Table 10 Input and output of different treatments

试验地鲜食玉米和甘薯的平均销售价格分别为7.5和6.0元/kg。据此计算，PE膜产出和毛利润最高，降解膜处理的毛利润由高到低为BF1>BF3>BF2，均优于LD。

3 讨论

生物降解地膜能减少土壤残膜污染，具有保温、保墒和增产等作用[24-26]，且保温和保墒性能与普通地膜功能相当[27-28]。本试验中，生物降解地膜农田10 cm土层积温不及PE，但均显著优于LD，特别是在玉米播种后50 d内和甘薯移栽后80 d内，10 cm土层日均温与PE相差不大，甚至出现单日高于PE的情况，对鲜食玉米早春的保苗成活、甘薯封垄前的保温、抑制杂草生长起到了关键作用，并最终加快了作物的生育进程。后期由于碎裂和降解而不完整，保温保墒性有所下降。

从地膜的降解情况来看，PE膜在作物生育期内基本保持完整，这也是PE膜保温保墒性最优的主要原因。在鲜食玉米上，BF2最早降解，覆膜后43 d进入诱导期，后期也是进入开裂、大裂和碎裂期最早的；而BF3进入诱导期较晚，为覆膜后52 d，但后期分解较BF1快。3种降解膜能够满足鲜食玉米早春保苗成活的需要，但由于56～62 d已进入开裂期、77～82 d进入大裂期，导致后期田间杂草多，与鲜食玉米争夺水分和养分。在甘薯上，BF1和BF3较早进入诱导和破裂期，而BF2启动降解较晚，在各个时期的降解速度均比BF1和BF3慢，3种降解膜56～63 d开始降解、69～72 d进入开裂期，基本满足甘薯移栽至封垄74～80 d的生育期要求。降解地膜合适的降解速率、诱导期以及与作物生育期的匹配性是判断其产品质量的重要标准，不同生物降解地膜的降解临界期和降解速度在不同生态区及不同作物上的响应并不完全一致。苏海英等[29]研究3种 PBAT生物降解地膜在新疆加工番茄上的应用效果表明，铺设后50～65 d，降解膜开始降解，在加工番茄收获期降解面积达到60%，收获后的10月上旬埋土部分基本降解。韩冬梅等[3]研究表明，3种PBAT生物降解地膜在棉花播种后50～70 d开始降解，播种后180 d达降解5级水平。申丽霞等[30]对比5和8 μm厚度的生物降解发现，覆膜后30和40 d出现裂纹，覆膜后90 d达降解4和5级水平。因此，应根据当地或栽培季节选择适宜的降解地膜。此外，降解膜并非越厚越好，只要能达到增温保墒性能及一定的强度，降低厚度有利于降低成本。本试验中，3种降解膜在铺设时性能成熟可靠，基本能满足甘薯的功能需要，在鲜食玉米生产上应用时，可进一步改进其成分比例，适当延长有效功能期。

本研究覆膜处理均提高了作物的产量性状(如玉米穗大、秃尖短，甘薯大中薯率高等)，以PE处理效果最好。BF1和BF3处理下的鲜食玉米和甘薯产量与PE处理均无显著差异，这与苏海英等[29]、申丽霞等[30]和李仙岳等[31]的研究结果一致，即生物降解地膜能够显著提高农作物的产量，增产效应和普通地膜并无显著差异。BF1和BF3处理下的鲜食玉米产量显著高于BF2处理，这与BF2保墒性差(BF2处理的透湿率显著高于BF1)直接相关；此外，也与BF2过早破裂(应用在鲜食玉米上，较BF1和BF3提前进入开裂期4～6 d，提前进入破裂期4～7 d)及保温性差(玉米整个生育期内，BF2较BF1和BF3处理土壤10 cm积温低60.4和116.3 ℃)密切相关，是这些因素综合作用的结果。若进一步改进其保温保墒性能，加强对其降解速度的控制，则效果会更好。对此，需要进一步试验，并增加观测指标，深入分析生物降解地膜的生物学效应机理。

仅从经济效益考虑，生物降解地膜的毛利润优于LD，不及PE地膜，但随着北京市对农业生态环境保护力度的不断加大，推广和使用环境友好型的生物降解地膜显得更为迫切。本研究中BF1应用在鲜食玉米和甘薯上获得的毛利润在生物降解膜中最高，应优先选择。今后，还应该继续改造制膜工艺，降低生物降解地膜的成本，最终实现在北京市鲜食玉米和甘薯生产中完全替代PE地膜。