生物降解地膜降解特性及其对玉米产量的影响

迪丽拜尔·迪力买买提，汤秋香，雷 蕾，苏丽丽

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】土壤中残膜累积，破坏土壤结构、使耕地质量降低、造成作物减产[1-4]。可降解地膜的出现为根治农田残膜提供了一条新的途径[5]。研究可降解地膜的降解性能及其对玉米生长发育、土壤温度、干物质积累与产量的影响，对改进降解地膜降解性能有重要意义。【前人研究进展】可降解地膜可起到与普通PE地膜相当的增温、保墒作用[6,7]，生物降解地膜覆盖玉米地上部干物质累积量、株高和叶面积指数均显著高于不覆膜处理且在玉米生育前期、中期差异性更为显著，产量显著优于不覆膜处理，较不覆膜增产17.25%～19.48%[8-12]。周昌明等[13]研究表明，连垄全覆盖降解膜种植方式能发挥最佳的蓄积雨水、促进玉米生长和提高产量的效果。申丽霞等[14]研究结果表明，可降解地膜的增温保墒作用在玉米生育中期时(大喇叭口期)已经开始减弱。唐文雪等[15]研究结果表明，3种降解膜均具有显著的保墒性能，随降解膜不断地降解，其保墒性能降低，而且与普通地膜相比降解率高的降解膜减产率高，可降解地膜不但具有与普通地膜相似的保温保水效果，还可自然降解[16]。选用降解特性满足作物生长并能保持作物增产的生物降解地膜，对降低农田土壤污染有实际意义。【本研究切入点】在新疆北部地区，已有研究报道可降解地膜对玉米的生长、产量及生理的影响，但在玉米田降解过程的研究大多停留在定性观察阶段，缺乏对地膜降解过程土壤水分变化及其与玉米生长规律阶段性定量研究。研究可降解地膜的降解性能及其对玉米生长发育、土壤温度、干物质积累与产量的影响。【拟解决的关键问题】采用3种不同生物降解地膜，对不同时期地膜机械性能的跟踪检测，研究其降解性能和田间使用效果，为改进降解地膜降解性能和推进推广应用进程提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2018年4月初在新疆农业大学三坪农场试验基地进行。该试验基地位于乌鲁木齐西北部(43°50N，43°54E，海拔 751 m)，是典型的绿洲灌溉农业区，属于中温带大陆性干燥气候，年平均气温2.8～13.0℃,年平均湿度58%，无霜期176 d，年平均降水量236 mm。土壤容重为1.4 g/cm3，pH值为8.3，硝态氮与速效磷分别为22.4 g/kg和26.2 mg/kg。

于2018年 4月28日～9月10进行降解地膜田间试验。试验天壮(氧化—生物双降解生态地膜，主要成分为PBS、 PBAT)、田野(全生物降解地膜，主要成分为PBAT)、弘睿(全生物降解地膜，主要成分为PLA、PBAT)3种降解地膜，PE地膜(聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜)作为对照，分别记作天壮、天野、弘睿和CK。膜宽均为1.2 m。供试玉米为彩甜糯868号，春播生育期130 d左右。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用随机区组试验，共有4个处理，3次重复，共12个小区，每个小区长15 m，宽4.5 m，面积为67.5 m2，总面积为810 m2。每个小区安装水表和电磁阀，滴灌带位于宽行间距75 cm，每个滴灌带28个滴头，滴头间距 25 cm，1 h 5个出水桩总共放水150 m3，全生育期共滴灌5次。肥料中30%作为基肥播前施入，70%作追肥在玉米生长期间分3～4次滴施。表1

表1 灌水施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization scheme

1.2.2 测定指标

自覆膜之日起，于每个小区随机划定3个30 cm×30 cm的区域，覆膜后前30 d，每10 d观测1次；覆膜后 31～40 d，每5 d观测1次；覆膜后41 d起，每3 d观测1次，直至诱导期结束(最多到覆膜后75 d)；以后恢复每10 d观测1次地膜降解情况，拍照记录，拍照时将相机置于拍照区域正上方。

地膜降解等级划分参照张淑敏的方法[9]，并根据地膜降解特点进行调整。

诱导期：从开始铺膜到出现小裂缝的时间。破裂期：肉眼清楚看到大裂缝的时间。崩裂期：地膜已经裂解成大碎块，没有完整的膜面，出现膜崩裂的时间。破碎期：地面无大块残膜存在，仍有小碎片的时间。完全降解期：地膜在地表基本消失的阶段。

降解速率计算:覆膜前和收获后每隔30 d各处理每个小区取地膜25 cm×25 cm洗净、晾干后称量，计算地膜降解率。

降解率(%)[6]=(降解前质量-降解后质量)÷降解前质量×100%。

玉米农艺性状和产量测定：于苗期在每个小区内选择5株代表性较强的植株，挂牌标记，分别于苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期和成熟期，测定株高、茎粗、叶绿素等指标。玉米成熟时，按小区单独收获计产。

1.3 数据处理

使用Excel 2015对数据进行预处理，采用DPS进行方差分析，采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 玉米田不同降解地膜降解失重率与速度

研究表明，成熟期时， 天壮降解膜、弘睿降解膜和天野降解地膜的失重率分别3.04%、5.27%和2.30%，3个处理间差异显著，降解地膜的可靠性及降解速率有一定的可控性。表2

天壮降解地膜在覆膜58 d后即开始出现1级裂纹，92 d出现2级裂纹，并持续到玉米收获其降解情况没再变化；弘睿降解地膜在覆膜62 d后出现1级裂纹，在72 d时25%的地膜0级出现了细小裂纹，并在覆膜92 d后出现了4级裂纹，有大块地膜存在，在收获期已经达到5级裂纹及进入了崩裂期；天野降解地膜在覆膜58 d后出现了1级裂纹，剩下的降解情况与弘睿降解地膜一致，覆膜62 d后出现了细小裂纹，覆膜72 d后出现了2～2.5 cm的裂纹，覆膜82 d后出现了均匀网状裂纹，无大块地膜存在，也在收获期出现了4 cm×4 cm的碎片，进入了崩裂期。表3

表3 不同降解地膜的降解速度Table 3 Degradation rate of different degradable films

2.2 不同降解膜对玉米生长的影响

2.2.1 不同降解膜对玉米农艺性状的影响

研究表明，降解地膜处理下玉米株高显著高于普通地膜和露地处理，且在吐丝期达到最大值，天野、弘睿和天壮处理下株高分别较CK高17.5、15.46 和 3.61 cm，3种降解膜处理间也存在显著差异，全生物降解地膜弘睿和天野分别比双降解地膜天壮高出13.89和11.85 cm。全生育期内，玉米叶片数量差异和茎粗间的差异与株高相同，都在抽雄期达到最大值，但3种降解膜值均比CK处理较小，其中天野、弘睿、天壮处理的叶片数量和茎粗分别比CK处理下降2.5%、2.82%、6.75%和7.69%、3.66%、2.93%。玉米进入乳熟期后,植株进入衰老阶段,叶片逐渐枯黄掉落,覆膜处理叶绿素值小幅度降低。 3种降解地膜处理均有效促进了玉米地上部分植株的生长,2种全生物降解地膜处理间差异不显著,全生物降解膜和双降解膜以及CK处理间差异显著。表4

表4 不同降解膜下玉米农艺性状比较Table 4 Effects of different degradable films on agronomic characters of maize

2.2.2 不同降解膜对玉米SPAD的影响

研究表明，从拔节期起，CK处理与降解膜处理间的SPAD逐渐出现显著差异，且CK处理的SPAD值最大(46.72)，抽雄期3个降解膜处理间也有了显著性差异，天野、弘睿处理间无显著性差异，但均与天壮处理间有显著性差异，分别比天壮处理显著性高出12.54%和19.18%，CK的SPAD值均比天野和弘睿显著性高出12.19%和5.94%，且这种差异趋势一直持续到作物成熟期。图1

2.2.3 不同降解膜对玉米生育进程的影响

研究表明，可降解地膜明显增加了玉米的生育进程，3种降解膜处理的出苗期均比CK提前4 d；拔节期也均提前3 d。到抽雄期全生物降解膜处理弘睿和天野均分别比双降解膜天壮和CK处理提前了2和7 d，到了成熟期弘睿和天野处理均比天壮处理提前了4 d，比CK提前了7 d，全生物降解地膜处理下的玉米生育期明显较双降解膜和普通地膜覆盖处理的缩短。表5

表5 不同降解膜下玉米生育进程比较Table 5 Effects of different degradable films on maize growth process (days after sowing /d)

2.3 不同降解膜对玉米干物质积累的影响

研究表明，不同降解膜处理下玉米物质积累均呈缓增-快增-缓增趋势，用Logistic生长函数对不同降解地膜处理的玉米干物质积累量进行拟合。天野处理玉米干物质积累进入快速增长期的起始日较早，但结束日也较早，和最大生长速率出现日较早，而弘睿降解地膜干物质积累进入快速增长起始日虽比天野处理晚3 d ，但是结束日最晚，干物质快速积累的时间长达51 d,分别比天壮、天野和CK处理多3、8和23 d。但是最大积累速率CK处理最高，比天壮、 弘睿 、天野处理显著高出10.61%、7.5%和17.60%。不同降解地膜期处理间干物质积累特征有较大差异，地膜过早降解延缓了干物质的积累速率，不利于干物质在快速增长期的积累，影响产量形成。表6，图2

表6 玉米干物质积累的Logistic函数生长模型及相关参数Table 6 Logistic function growth model and relevant parameters of maize dry matter accumulation

2.4 不同降解地膜对土壤温度及生长度日影响

研究表明，前期随着气温的不断上升，土壤温度不断的升高，到后期气温降低，玉米生育期的推进郁闭度增加，土壤温度开始逐渐降低。苗期至拔节期土壤温度主要受大气温度和太阳辐射等影响，各个降解地膜从拔节期后期逐渐开始出现破裂，天壮和天野处理在大喇叭口期均进入破裂期，导致热量失散比其他处理稍快；但从抽雄期开始天野和弘睿先后进入崩裂期并在成熟期初完全降解，而天壮处理在玉米成熟期仍处于崩裂期，因此，在玉米成熟期天壮处理的10 cm土层平均温度比弘睿处理和天野处理高于1.17和1.27℃。在乳熟期为水分临界期，天野和弘睿处理已完全降解，弘睿、天野较CK分别降低了1.12和1.36℃·d，且差异显著(P<0.05)。地膜在土壤表面形成一道物理阻隔层，减缓土壤与大气层之间的水分交换，使土壤中的水、热状况得到改善，而降解地膜降解后改变了环境。天壮处理在大喇叭口期进入破裂期以后直到进入成熟期才开始崩裂且在后期没有继续降解，天壮处理的土壤温度和土壤生长度日远远高于降解地膜天野和弘睿处理间，不同降解膜在田间降解表现出较为明显的差异，较晚降解的地膜覆盖可有效增加土壤温度，加快土壤生长度日的积累。图4，表7

表7 不同处理不同生育阶段土壤生长度日的动态变化Table 7 Dynamic changes of soil growth days in different processes and different growth stages

2.5 不同降解膜对玉米产量的影响

研究表明，3种降解膜每公顷株数与普通膜均显著提高，但3种降解膜覆盖处理的单株结粒数、千粒重都呈现不同程度的降低：单株结粒数 2.6%～11%，千粒重比普通膜覆盖降低 15%～20%，减幅最高的天壮膜，达到 20.02%。而单株结粒数差异没有达到显著性水平。3种降解地膜与CK相比造成显著的减产，其天壮和天野减产显著，分别减产12.44%和7.1%，弘睿处理普通膜产量没有显著性差异。表8

表8 不同降解地膜下玉米产量变化Table 8 Effects of different degradable films on maize yield

3 讨 论

3.1 降解地膜降解性能差异及对玉米生长发育的影响

可降解地膜机械性能是其生产过程中的一个重要指标，影响着地膜的覆盖效果[16、17]。某些可降解地膜的实际诱导期比标注的诱导期短，降解时间过早，降解偏早不利于大田土壤保墒，可降解地膜的诱导期是保护作物与降解时机的关键性指标[16]。因不同的农业地域和农作物对可降解地膜诱导期的时间长短存在差异，这根据需求调整降解剂的成分和用量[17,18]。南殿杰等认为，种植棉花时覆盖可降解地膜，其诱导期控制在60 d 左右为宜[19]。研究中，不同诱导期的可降解膜之间有显著的差异，最短的为58 d，最长的为62 d，不同的诱导期对玉米的生长和产量有影响。天壮降解膜、弘瑞降解膜和田野降解膜的降解率分别3.04%、5.27%和2.30%,降解速度梯度符合预期设置，但总体降解率均比较小，应根据光照、土壤类型以及膜下滴灌玉米栽培技术要求等确定适合于北疆玉米生长发育的可降解地膜的诱导期。

玉米株高和叶面积受降解膜的降解性能影响较大，申丽霞[13,22]研究结果表明，覆膜可有效改善土壤条件，有利于玉米前期营养体搭建，为后期生殖生长奠定了基础，加快了玉米生育进程，从玉米拔节期至成熟期，降解地膜处理下的玉米的株高、叶面积和地上部干物质积累量均明显高于对照，除灌浆成熟期0.005 mm厚可降解地膜玉米的株高与对照差异不显著外，其余均达到差异显著水平。但也有试验结果与此相反，董立国[19]试验得出覆盖降解膜的玉米在株高、秃尖、穗行数、百粒重和产量等方面明显低于PE地膜，减产27.2%。研究中也得到了类似的结论：前中期膜下良好的水热条件促进玉米植株快速生长，株高和单株叶面积显著高于对照，虽与普通地膜存在一定差异，但未达到显著水平，但在后期降解地膜处理下的单株结粒数和千粒重均比PE地膜显著减少，最终产量弘睿、田野降解膜处理虽与PE地膜处理无显著差异，但天壮降解膜处理较PE地膜处理显著减产12.45%。

4 结 论

3种降解地膜从覆膜后56～60 d均开始破裂，随着生育进程地膜逐渐变薄。收获时，田野降解膜和弘睿降解膜完全降解；玉米生育期内，3种不同降解地膜失重率分别是3.04%、5.27%和2.30%，差异显著。降解地膜加快了玉米生育进程，缩短了生育期4～8 d，玉米生育前中期株高和叶绿素显著高于PE地膜。各类地膜玉米产量均比普通地膜低，天壮和弘睿降解膜减产现象极显著。弘睿降解膜表现最好，其次为田野降解膜，再次是天壮降解膜。全生物降解膜弘睿适合于玉米上应用。