不同类型全生物降解地膜对芋头产量和土壤环境的影响

曾晓萍 王 立 马金骏 殷剑美 郭文琦 韩晓勇 李春宏 蒋 璐 张培通*

（1 江苏省农业技术推广总站，江苏南京 210036；2 江苏省农业科学院经济作物研究所，江苏南京 210014）

芋头是江苏省传统特色经济作物，其营养丰富、质地糯粘、香味独特，深受消费者喜爱，市场需求量极大。江苏作为我国芋头主产区之一，种植区域集中分布在沿江地区，常年种植面积13 333 hm（20 万亩）左右（张培通 等，2017）。目前，江苏省芋头规模化生产已普遍采用起垄覆黑膜机械化栽培方式，为芋头规模化生产的高产稳产提供了技术保障。但是芋头是大根茬类作物，地膜回收困难，且普通地膜无法自然降解，导致耕地土壤污染加重，不利于芋头生产基地持续发展（Liu et al.，2017；马明生 等，2020）。

为了有效治理芋头生产基地的地膜污染，满足芋头绿色、规模化、可持续性生产要求，本试验以全生物降解地膜为试材，连续两年开展芋头地膜减量替代技术试验，分析验证了全生物降解地膜对芋头生长发育、产量品质及土壤性质的影响，以及在芋头种植中的保温、保墒、降湿及防控草害效果，以期为全生物降解地膜在芋头规模化生产中的推广应用提供理论支持，同时为地膜减量替代措施提供技术参数、成本核算和技术指导方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试芋头品种为太仓新毛芋，由江苏省农业科学院经济作物研究所提供；试验地膜包括聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯（PBAT）全生物降解地膜（南通华盛新材料股份有限公司生产）、聚乳酸（PLA）全生物降解地膜（上海弘睿生物科技有限公司生产）和聚乙烯（PE）普通地膜（宿迁三马电子商务有限公司生产）3 种，均为黑色，标称厚度0.01 mm，幅宽1.2 m。

1.2 试验设计

试验于2019—2020 年在江苏省农业科学院六合动植物试验基地进行，设置覆盖PBAT 全生物降解地膜（M1）、PLA 全生物降解地膜（M2）、PE地膜（CK1）和不覆盖地膜（CK2）4 个处理。采用随机区组设计，小区面积15 m，3 次重复。

播种时间为2019 年3 月26 日和2020 年3 月22 日，播种深度10 cm，种植密度约3 000 株 ·（667 m）；覆盖地膜时间为2019 年4 月13 日和2020年4 月3 日。各处理田间管理水平一致。

1.3 测定项目

1.3.1 植株生长指标测定 每个小区选取长势一致且连续的植株3～6 株，记录出苗期，统计出苗率。在生长旺盛期（7 月初）测定株高、叶鞘长度、叶片长度和宽度。

1.3.2 地膜降解程度 对各处理地膜裂解起始期、开裂期、大裂期、碎裂期的时间进行调查。起始期，即从覆膜到垄面地膜出现多处（每米3 处以上）＜2 cm 自然裂缝或孔洞的时间；开裂期，即垄面地膜出现≥2 cm、＜20 cm 自然裂缝或孔洞的时间；大裂期，即垄面地膜出现≥20 cm 自然裂缝或孔洞的时间；碎裂期，即垄面地膜出现碎裂，最大地膜残片面积≤16 cm的时间。

1.3.3 地膜残膜调查 在2019 年芋头收获后，对各处理土壤耕作层中的残膜进行取样，洗净、晾干后，测定单位面积的残膜质量；1 年后，测定同一地块单位面积的残膜质量。

1.3.4 膜下土壤温度测定 采用精创RC-4 型自动温度记录仪，间隔10 d 记录芋头膜下地表和10 cm土层的土壤温度，记录时间固定为凌晨1：00 和下午13：00，每个处理重复3 次。

1.3.5 芋头产量测定和成本核算 收获期，按小区测定芋头产量，分别计算单株子孙芋产量、单株子孙芋数、单个子孙芋质量。统计芋头生产各环节的用工人次，核算劳动成本。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2010 软件和SPSS 17.0 软件进行试验数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型黑地膜覆盖对芋头产量的影响

由表1 可知，两年各处理芋头产量结果基本一致，覆膜处理的产量显著高于不覆膜处理。在覆膜处理中，覆盖PLA 全生物降解地膜处理（M2）的产量均为最高，较覆盖PE 地膜（CK1）分别增产27.3%（2019 年）和18.1%（2020 年）；其次为覆盖PBAT 全生物降解地膜处理（M1），较CK1分别增产18.0%（2019 年）和14.1%（2020 年）。分析产量构成可知，覆盖全生物降解地膜的2 个处理实收密度均较高，单个子孙芋质量也较高。表明覆盖全生物降解地膜有利于芋头成苗，可以保证较高密度，提高单株生产能力，具有显著的增产效果。

表1 不同类型黑地膜覆盖对芋头产量的影响

2.2 不同类型黑地膜覆盖对植株生长的影响

从表2 可以看出，两年覆膜处理芋头各项植株生长指标均高于不覆膜处理。在两年覆膜处理中，出苗期M1、M2 分别比CK1 晚1～2 d 和4 d。出苗率2019 年M2 和2020 年M1 最高，分别为87.5%、96.8%，比CK1 分 别 高12.04、10.75百分点。从营养生长情况看，株高、叶长、叶宽M1 和M2 与CK1 差异均不显著，叶鞘长2019 年M1 显著高于CK1，2020 年M2 明显低于CK1。由此可见，覆盖全生物降解地膜与PE 地膜对芋头出苗和营养体生长的效应类似，均具有显著促进作用。

表2 不同类型黑地膜覆盖对芋头植株生长的影响

2.3 不同类型黑地膜覆盖对芋头生长环境的影响

2.3.1 对土温的影响 两年土壤温度测定结果显示（图1），CK2 的变化幅度最大。3 个覆膜处理的地表温度变化幅度相对较小，其中M1 和M2 膜下地表温度日变化幅度较小，分别为1.3～10.7 ℃（2019年）和0.2～10.4 ℃（2020 年）；10 cm 土层深度，3 个覆膜处理的温度日变化幅度差距较小，分别为0.3～3.7 ℃（2019 年）和0.1～3.0 ℃（2020 年）。这表明，覆盖全生物降解地膜与PE 地膜具有相同的稳定地温效果，尤其是可以保证田间表层土壤温度的相对稳定。

图1 不同类型黑地膜覆盖对土壤温度分影响

2.3.2 对田间杂草的控制效果 田间杂草调查结果显示（表3），2019 年试验地块杂草主要为打碗花（旋花科）、心叶黄花稔（锦葵科）和马唐（禾本科）等，以马唐为主。3 个覆膜处理杂草发生数量均明显低于CK2，其中CK1 杂草最少，M1 和M2 稍多。2020 年田间杂草主要为马唐（禾本科）、矮牵牛（茄科）和莲子草（苋科）等，以莲子草为主。覆膜处理表现出与2019 年类似的控草效果，但普遍弱于2019 年试验。表明覆盖黑色PE 地膜在芋头整个生长期具有很好的控草效果，而覆盖全生物降解地膜对阔叶杂草的防控效果与PE 地膜相当，但对于莲子草等后发杂草控制效果相对较差。

表3 不同类型黑地膜覆盖对杂草发生的影响

2.3.3 土壤残膜量分析 分别在收获期，2019 年11 月18 日和2020 年10 月28 日对田间残膜进行定点调查。结果表明（表4），第1 年CK1 的残膜量较多、碎片较大，而M1 和M2 的残膜少、碎片小，当年残膜质量较CK1 分别减少83.8%和89.1%；第2 年（未覆盖地膜种植）各处理的残膜质量均较2019 年同期明显降低，CK1 残膜降解率为85.4%，M1 和M2 残膜降解率分别为93.0%和91.1%。这表明，PE 地膜在收获清除后，仍有一定量的地膜残留污染，而全生物降解地膜当年清除率可达80%以上，再经过进一步降解和自然清除，残膜量对下茬作物生长发育基本无影响，具有很好的降低土壤残膜污染效果。

表4 不同类型黑地膜覆盖对土壤残膜量的影响

2.4 不同类型黑地膜田间裂解进度比较

田间不同类型黑地膜裂解进度如表5 所示，M1 和M2 均出现裂解现象，而CK1 不裂解。其中M2 最先裂解，2019 年在覆膜后22 d 出现裂缝，开裂期、大裂期、碎裂期分别为覆膜后34、39、59 d，较M1 分别提前25、26、10 d，最终无膜期为覆膜后76 d；2020 年覆膜后37 d 出现裂缝，开裂期、大裂期、碎裂期分别为覆膜后55、63、94 d，最终无膜期为覆膜后107 d。芋头生产中一般在苗期和发棵期需要覆盖地膜，膨大期则需破膜追肥，全生物降解黑地膜的大裂期基本从球茎膨大初期（5 月下旬至6月初）开始，虽然M1较M2的大裂期稍晚，但均可以满足芋头生产农艺措施要求。

表5 不同类型黑地膜的田间裂解情况

2.5 不同类型黑地膜覆盖成本与效益

由表6 可知，CK2 的用工数最高，分别为2.5人次（2019 年）和3.0 人次（2020 年），全部用于除草。在覆膜处理中，M1 的用工数最少，较CK1分别节省38.5%（2019 年）和46.7%（2020 年）；其次为M2，主要是除草用工较M1 处理略有增加；CK1 主要增加了放苗和地膜回收的用工。表明覆盖PE 地膜具有较好的控草效果，而覆盖黑色全生物降解地膜可明显降低生产管理用工。

表6 不同类型黑地膜覆盖处理的成本与效益情况

按照5 元 · kg销售价格计算，M2 的产值最高，其次为M1 和CK1，CK2 的产值最低。覆膜处理中，M2 效益最高，每667 m效益分别为7 319.58 元（2019 年）和4 664.29 元（2020 年），较CK1 分别增收39.9%（2019 年）和42.1%（2020年），而每667 m地膜成本仅增加150 元，表明覆盖黑色全生物降解地膜增收效果显著。

3 讨论与结论

3.1 覆盖全生物降解黑地膜的经济效益分析

地膜覆盖是我国普遍应用的农业生产技术，覆膜技术具有增温防寒、保持土壤湿度、促进种子发芽和幼苗快速增长的作用，可大幅提高农作物产量（李雪松 等，2020）。但长期对PE 地膜“重使用、轻回收”也带来了土壤残膜污染问题，地膜破裂分解产生的微塑料会影响土壤中的养分含量，限制后茬作物根系生长和品质形成（Liu et al.，2017），严重阻碍了农业产业的可持续发展。土壤中的微塑料还是有毒有害化学污染物载体，可随迁移扩散，对动物及人体健康存在潜在影响（杨婧婧 等，2018；康恺 等，2020）。因此开展地膜减量替代技术研究势在必行。

5 月是芋头出苗、植株发棵的关键时期，土壤温度变幅小有利于种芋的提早萌发和地下根系生长（殷剑美 等，2015）。本试验结果表明，覆盖不同类型黑地膜，芋头发棵期土壤温度相对稳定。与不覆膜处理相比，3 个覆膜处理的出苗时间至少提前了10 d，出苗率增加10～25 百分点。6 月进入膨大期后，芋头地下球茎开始膨大，需要维持相对稳定的土壤温度（殷剑美 等，2015）。与覆盖PE 地膜相比，覆盖全生物降解地膜的土壤环境更加稳定，夜间土壤温度（10 cm 土层）较不覆膜处理至少提高了4.5 ℃，而土壤温度日均变化幅度最小，保持在0.3～2.5 ℃之间，这样一方面减少了地表水分蒸发，加快芋头地上部植株生长；另一方面减少了高温对芋头地下根系和球茎发育的胁迫，有利于芋头产量快速形成。因此，覆盖PLA 和PBAT全生物降解地膜处理的出苗率、实收密度、单个子孙芋质量和单位产量均高于PE 覆膜处理，说明覆盖全生物降解地膜有利于芋头群体密度和产量结构形成，实现单位产量提高，达到增产稳产的效果。

芋头喜水耐阴，田间极易滋生杂草，但除草用工成本高、根除效果差、容易反复。本试验结果表明，覆盖全生物降解地膜具有较好的控草效果，可以有效抑制芋头生长前期的田间杂草，但对于后期杂草控制效果相对较差。与PE 地膜相比，全生物降解地膜在放苗、地膜回收等环节优势明显，一方面大部分芋头发芽时可以自行钻破降解地膜、直接出苗，节省了人工破膜放苗成本；另一方面全生物降解地膜可以在田间自然裂解，节省了地膜回收的用工成本。综合计算，覆盖全生物降解地膜处理每667 m用工较不覆膜处理节省22.2～32.6 个，较覆盖PE 黑地膜节省4.5～10.4个，覆膜成本较不覆膜处理增加280～310 元，较覆盖PE 黑地膜增加150～180 元；而产量较不覆膜处理增加410.4～654.1 kg，较覆盖PE 黑地膜增加146.0～376.2 kg。按照5 元 · kg售价计算，覆盖全生物降解黑地膜处理每667 m的经济效益较PE 黑地膜增加1 380.2～2 086.9 元，较不覆膜处理增加4 334.0～4 769.0 元。因此在芋头上应用全生物降解黑地膜可以显著提高经济效益，经济上是可行的。

3.2 覆盖全生物降解黑地膜的生态效应分析

全生物降解地膜的降解速率是其应用性的重要指标（张晓海 等，2013；高维常 等，2017）。降解速率过快，不能发挥地膜覆盖保温、保墒、控草的作用，无法实现促进作物生长发育的效果；降解速率过慢，导致大量残膜留存于土壤中，又会影响后茬作物生长。只有地膜降解期适中，才能较好地控温、控水，维持良好土壤微环境，同时不会造成土壤残膜积累污染。本试验结果显示，2 种全生物降解地膜的自然降解率较高，一般在覆膜后30 d 左右开始开裂，碎裂期一般在60 d 后，基本可以满足芋头苗期和发棵期覆膜要求；覆膜后75～105 d田间基本没有较大碎片，当年地膜降解率达到80%以上，不需要人工回收清除。而PE 地膜需要人工清除，而且在芋头收获后仍有一定量的地膜残留污染。调查结果显示，经过1 年的自然降解后，各类黑地膜在土壤中的绝大部分残膜可以清除出田，但非降解地膜的残留量相对较高，而全生物降解地膜的田间残留量明显降低，残膜量对下茬作物生长发育基本无影响。有关全生物降解黑地膜对土壤环境污染的评估有待进一步深入研究。

3.3 结论

全生物降解地膜在芋头生产中表现较好，其中聚乳酸（PLA）全生物降解地膜可提高出苗率、促进营养生长和产量形成，开裂时期较为适宜，控制杂草效果较好，能够有效降低人工成本，经济上可行；残膜经1 年左右自然降解和清除后，基本对后茬作物生产无影响，可以作为江苏芋头生产中普通PE 地膜的替代产品，具有较好的推广价值和应用前景。