全生物降解地膜对渭北台塬土壤水热和作物经济效益的影响

索 龙，张俊丽，王 蕊，拜翊莎，董晓梅，赵 慧，李明明，陈 强

（1渭南市农业技术推广中心，陕西渭南 714000；2合阳县农业技术推广中心，陕西渭南 714000）

0 引言

渭北黄土台塬地区是陕西省重要的粮棉油生产基地，位于陕西省关中地区，属于典型的半干旱、半湿润气候带，是水资源短缺地区，因其土壤本身特性，蓄水能力相对较弱、热容量相对较小，严重制约农业的可持续发展[1]。地膜覆盖栽培技术因其在提高土壤温度、保持土壤墒情[2-4]、抑制行间杂草、增加作物产量、提升农产品品质[5-7]等方面的显著优点，自引进以来，在中国广泛应用，成为推动农业发展、保障粮食安全的重要措施，被誉为农业生产的“白色革命”。随着农膜的不断投入使用，残膜碎片进入土壤环境，自然状态下降解缓慢，其生态环保负效应不断凸显[8-9]，同时，长期积累的残膜严重影响耕层土壤的通透性[6]、农业机械的耕作质量，阻碍土壤水分和养分的运移[10]、干扰农作物根系发育、引起作物生长缓滞，最终导致农作物减产[11-12]。全生物降解地膜因其自身性质，在土壤、气候等外界环境条件作用下，随着农作物生长逐渐裂解，最终分解成二氧化碳、水等无机物[13]，有效解决了农膜残留问题。全生物降解地膜相对于普通聚乙烯地膜，既减少对耕地土壤污染，又降低对作物生长的不利影响，对农田土壤的可持续利用具有优势[14]。因此，开展全生物降解地膜栽培技术研究，探索生态环保的聚乙烯地膜替代覆盖栽培技术是改善耕地土壤环境质量、发展可持续农业的有效途径之一。2010年以来，有关地膜覆盖对农作物生长和产量方面的研究集中在普通聚乙烯地膜方面，对于降解地膜，主要研究不同类型地膜降解性能、同种地膜不同厚度裂解过程对比[15-16]等方面，全生物降解地膜在甘薯整个生长周期对土壤水热条件和产量经济效益方面的研究鲜见报道。本研究结合地方产业特色，以渭北黄土台塬东北区域的合阳县为试验区，研究全生物降解黑色地膜、透明地膜和普通聚乙烯透明地膜在甘薯生育期对土壤温度、湿度和产量等指标的影响，探讨应用降解地膜及膜色差异田间效果及其产后经济效益，旨在为进一步推广应用全生物降解地膜提供技术支撑和科学理论，以期在源头有效解决耕地土壤残膜问题，减少农业面源污染，推动农业绿色生态可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于陕西省渭南市合阳县甘薯种植基地，地处渭北黄土台塬东北部，属暖温带半干旱大陆季风气候，光热资源丰富，降水偏少。年均日照时间2468.9 h，年均气温11.4℃，年均降雨量553.2 mm，主要集中在每年的7—9月，年均无霜期207天。试验地地势平坦，土壤肥力水平中等。前茬作物为甘薯。

1.2 试验设计

地膜厚度均为0.010 mm、宽1000 mm，设全生物降解黑色地膜(M1)、全生物降解透明地膜(M2)、普通聚乙烯透明地膜(M3)3 个处理，每处理3 个重复，共9个小区，随机区组排列，小区面积4.25 m×20 m=85 m2，小区间设保护行。全生物降解地膜为山东天野生物降解新材料科技有限公司产品，材质为PLA/PBAT，聚乙烯地膜为山西开拓塑料有限公司产品。选取‘济薯26’作为甘薯试验品种。

1.3 田间管理

采用垄上单行栽植。4月29日，整地施肥，4月30日起垄并铺设滴灌带，5月3日人工栽植，5月4日划区覆膜，覆膜方式均为全垄覆盖，垄沟压土固定。5 月7日人工划膜培土，10 月30 日收获。根据当地施肥经验，底肥施商品有机肥4800 kg/hm2，微生物菌肥450 kg/hm2，硫酸钾镁(16-24-6) 300 kg/hm2，磷酸二铵(16-44-0)750 kg/hm2。试验各处理栽培、施肥、灌溉、病虫害防治等田间农艺管理措施与当地种植模式一致。

1.4 测定项目

1.4.1 土壤温度 采用曲管水银地温计测定。分别于甘薯不同生育期，生长前期（结薯期06-03）、生长中期（薯蔓并长期07-21）、生长后期（块根生长期09-02）测定5、10、15、20、25 cm深度的土壤温度，温度计置于甘薯垄行中间（避开滴灌带），取观测日8:00、12:00和16:00土壤温度均值作为土壤温度值，每处理重复测定3次。

1.4.2 土壤含水量 采用烘干法测定[17]。甘薯生长前期、中期、后期分别在垄行中间取土，测定土层为0～20 cm和20～40 cm，每处理重复测定3次。计算公式如式(1)所示。

式中：w为土壤重量含水量(%)；w1为湿土重(g)；w2为干土重(g)。

1.4.3 甘薯产量及经济效益 收获时，分别测定甘薯总量和商品量，计算各处理商品率。根据市场行情，核算总收入（甘薯产量×市场价格）、总支出（包括种苗、地膜、滴灌带、肥料、农药、灌溉、机械以及人工费等）、纯收益（总收入-总支出）和投入产出比（总支出/总收入）。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2007 和SPSS19.0 软件处理试验数据、进行方差分析和显著性检验，方差分析多重比较用Duncan法(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理对土壤温度的影响

将5、10、15、20、25 cm 处土壤温度平均值作为甘薯表层土壤温度值。由图1a 可知，整个生育期，覆膜各处理土壤温度总体呈现降低的趋势，甘薯结薯期至薯蔓并长期土壤温度降幅大于薯蔓并长期至块根生长期。主要是由于随着甘薯生长，进入薯蔓并长期后，地上部分的生长，削弱了太阳辐射的影响，地膜覆盖对表层土壤温度的影响作用减小。M1、M2 处理膜下表层土壤温度分别较M3 处理膜下表层土壤温度低0.19、0.51℃。甘薯结薯期，M1处理土壤温度显著低于M2、M3 处理，M2、M3 处理间无差异。这与覆盖地膜不同膜色对太阳的热辐射选择有关，黑色地膜吸收了较多的热辐射，对热量向地下传导有一定的阻止作用，土壤温度增加相对缓慢。薯蔓并长期、块根生长期，M2处理土壤温度显著低于M1、M3处理，随着甘薯生长，M2处理与M1、M3 处理之间土壤温度差增大，温差分别由0.39、0.50℃增加为1.00、1.07℃，M1、M3处理间无差异且温差变化较小，M3 处理土壤温度略高于M1 处理。

图1b-f 中，膜下5、10、15、20、25 cm 处，甘薯全生育期覆膜各处理土壤温度变化一致，均呈降低的趋势。从不同土层来看，膜下5、10、15、20、25 cm处甘薯全生育期土壤温度变化分别为10.57～11.57、7.07～9.50、4.90～6.50、4.20～5.87、2.90～4.60℃，由此可知，随着土壤深度的增加，地膜对不同土层的温度影响作用逐渐降低。从不同处理来看，甘薯整个生育期，M1处理膜下5 cm处土壤温度较M3处理高0.44℃，膜下10、15、20、25 cm处土壤温度较M3处理低0.27～0.56℃，而M2 处理膜下5、10、15、20、25 cm 处较M3 处理土壤温度低0.28～0.74℃。从甘薯不同生育期来看，结薯期，5、25 cm 处M1 处理土壤温度显著高于M2 和M3 处理，其余土层M1处理土壤温度最低，而在薯蔓并长期和块根生长期，M2 处理土壤温度总体表现为较低水平。

图1 甘薯全生育期不同处理膜下0～25 cm土壤温度

2.2 不同覆膜处理对土壤水分的影响

地膜覆盖后，阻止土壤水分纵向蒸发，有效保蓄了土壤水分[2,18]。由图2a 可知，甘薯整个生育期，不同覆膜处理0～40 cm土壤水分变化不同，M1处理土壤含水量为10.93%～18.21%，M2 处理土壤含水量为10.26%～16.92%，M1、M2土壤含水量表现为先升高后降低，M1处理较M2处理土壤含水量变化大，M3处理土壤含水量为12.43%～17.38%，表现为一直降低的趋势，3 个覆膜处理土壤含水量变化幅度依次为M2＞M1＞M3。甘薯结薯期，全生物降解地膜土壤含水量显著低于聚乙烯透明地膜处理，至薯蔓并长期，全生物降解地膜土壤含水量显著高于聚乙烯透明地膜处理。主要是由于随着甘薯生长，降解地膜诱导期结束，开始破裂，降雨随之进入土壤，补充土壤水分，提高土壤含水量，聚乙烯透明地膜覆盖处理随着甘薯生长不断消耗土壤水分，垄间渗水量较少，膜下土壤含水量一直降低。甘薯块根生长期，全生物降解地膜土壤含水量明显低于聚乙烯透明地膜，这与聚乙烯透明地膜的保墒能力有关。甘薯全生育期M1处理土壤含水量始终显著高于M2 处理，平均土壤含水量较M2 处理高0.77%，M1、M2 处理平均土壤含水量分别较M3 处理低0.26%、1.03%。

图2b、c中，针对于不同土层，甘薯全生育期，膜下0～20 cm 处M1、M2 处理土壤含水量高于M3 处理，且二者之间平均土壤含水量基本一致。而膜下20～40 cm 处M1、M2 处 理 土 壤 含 水 量 分 别 较M3 处 理 低0.67%、2.23%。从不同处理来看，0～20 cm 土层，甘薯生育期各阶段，各处理土壤含水量表现不同，处理间差异显著，覆膜各处理土壤含水量在甘薯结薯期、薯蔓并长期变化幅度小，块根生长期各处理土壤含水量明显减少。甘薯结薯期、薯蔓并长期，M1、M2 处理土壤含水量分别较M3 处理高6.02%～9.70%、3.25%～8.16%，块根膨大期，M1、M2 处理土壤含水量分别显著低于M3 处理18.92%、12.04%。膜下20～40 cm 土层处，仅在薯蔓并长期，M1处理土壤含水量显著高于M3处理6.64%，M2处理土壤含水量在甘薯全生育期始终显著低于M3处理2.21%～22.28%，且变化幅度大。

图2 甘薯全生育期不同处理膜下0～40 cm土壤含水量变化

2.3 不同覆膜对甘薯经济效益的影响

由图3可知，不同覆膜处理对甘薯产量、商品率影响不同，但3个处理之间无差异。3个处理中，M2处理甘薯产量、商品率均最高，其余依次为M3、M1。相对于M3处理，M1处理甘薯减产2034.2 kg/hm2，而M2处理增产4657.1 kg/hm2，增幅8.82%，商品率提高0.61%。图4 中，对应甘薯产量、商品率，M2 处理甘薯总收入最高，依次为M3 处理、M1 处理，M1 处理总收入较M3 处理降低4.12%，而M2 处理增加9.37%。对于甘薯纯收入，表现为M1处理总收入较M3处理降低6.75%，M2处理增加10.47%。M1、M2、M3这3个处理投入产出比依次为27.2%、24.4%和25.2%，因此，M2处理甘薯经济效益最佳。

图3 不同覆膜处理甘薯产量

图4 不同覆膜处理甘薯经济效益分析

3 结论

甘薯生长前期，透明地膜处理土壤温度高于黑色地膜，随着甘薯生长，聚乙烯地膜覆盖处理土壤温度高于全生物降解地膜。整个甘薯生育期，聚乙烯透明地膜土壤温度均值最高，依次为全生物降解黑色地膜、透明地膜处理，不同处理间土壤温度差异不大。随着土壤深度增加，覆膜处理对膜下土壤温度、水分影响作用逐渐减弱。甘薯整个生育期全生物降解地膜处理土壤水分低于聚乙烯地膜覆盖，以全生物降解透明地膜处理膜下土壤含水量最低。不同覆膜处理中，全生物降解透明地膜甘薯产量、商品率最高，总支出以聚乙烯透明地膜处理最低，综合甘薯整个生产收入与支出，全生物降解透明地膜处理甘薯投入产出比最低，经济效益最佳。

4 讨论

土壤热通量由于地膜的覆盖而发生改变，不同地膜材料以及膜色差异对土壤温度的影响存在变化[19]。甘薯全生育期，膜下5 cm处全生物降解黑色地膜处理土壤温度较聚乙烯透明地膜处理高0.44℃，膜下10、15、20、25 cm 处均低于聚乙烯透明地膜处理，全生物降解透明地膜处理膜下土壤温度均低于聚乙烯透明地膜处理。主要是由于甘薯整个生育期，聚乙烯透明地膜膜面基本完整，地膜的保温作用一直存在，而降解地膜随着甘薯生长，膜面逐渐破裂直至最终完全破碎，对土壤的保温作用降低。王斌等[20]、邬强等[21]、赵彩霞等[22]分别在马铃薯、棉花等作物栽培试验中发现，聚乙烯地膜处理土壤耕层温度在作物全生育期高于降解地膜。耕层土壤温度由于膜色差异表现不同，在甘薯生长前期，透明地膜处理土壤温度均显著高于黑色地膜，全生物降解透明地膜与聚乙烯透明地膜之间差异不明显。王东明等[23]的研究表明，作物生长前期，白色地膜覆盖处理土壤温度高，这与本试验结果表现一致。分析其原因，主要是因为透明地膜热通量大，而黑色地膜由于透光率低，其增温效果低于透明地膜[24]。甘薯进入薯蔓并长期后，土壤温度变化趋势减缓，这与叶片对地面的遮蔽作用逐渐增强有关，地膜覆盖对土壤温度的影响作用降低，土壤温度随甘薯生长整体下降。膜下5 cm 处，土壤温度在甘薯生育期变化最大，随着土层深度增加，变化趋势减小，地膜覆盖的增温效应对土壤深度的增加而逐渐减弱。

地膜覆盖栽培技术能有效减少土壤水分蒸发，保持耕层土壤墒情，改善土壤的水热状况，降低水分因子对旱区农业的影响，进而推动雨养区农业发展[25-26]。本研究发展，膜下耕层土壤含水量在甘薯结薯期和薯蔓并长期变化不大，甘薯块根膨大期土壤含水量大幅度降低，主要是因为：一是在甘薯生长期6月至8月初，降水量大，通过垄间的渗透作用提高了土壤水分含量；二是随着甘薯生长后期生物量增大，对土壤水分的消耗量增加，导致土壤含水量显著降低。甘薯全生育期，全生物降解黑色地膜、透明地膜土壤含水量较聚乙烯透明地膜分别低0.26%、1.03%。这主要是由于全生物降解地膜在诱导期结束后，地膜开始裂解，并逐渐破碎，降低了其对土壤水分散失的阻碍作用。同时，由于全生物降解黑色地膜的诱导期长于全生物降解透明地膜，土壤含水量由于地膜诱导期的差异而不同，全生物降解黑色地膜处理土壤含水量高于全生物降解透明地膜。李强等[27]研究发现玉米地膜覆盖处理，普通地膜覆盖较生物可降解地膜覆盖处理土壤贮水量高6 mm。本研究中，甘薯整个生育期，聚乙烯透明地膜处理土壤含水量高于全生物降解地膜。

高旭华等[28]研究表明，生物降解地膜较普通塑料膜商品马铃薯增产2335.5～2056.5 kg/hm2，但是差异不显著。本研究中，以全生物降解透明地膜覆盖甘薯产量、商品率最高。究其原因，一方面透明地膜覆盖在甘薯生育期前期显著提高土壤温度，增加有效积温，利于甘薯薯蔓生长，另一方面，进入甘薯薯蔓并长期后，全生物降解地膜开始破裂，同期降雨量增大，水分进入土壤，提高了土壤含水量，有效补充甘薯迅速生长对水分的需求，同时带动养分的转移吸收，增加甘薯地上、地下生物量，促进了甘薯块根的生长。本试验中，全生物降解地膜成本高于聚乙烯地膜，但全生物降解透明地膜的投入产出比最低，经济效益高于其余2 种地膜覆盖处理。