可降解地膜覆盖对膜下滴灌棉田土壤水分和温度及棉花产量的影响

高宗昌,郭沂林

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

塑料地膜已在全世界半干旱地区的大田作物生产中应用了数十年[1],在中国应用更长达44年。与滴灌技术相结合,覆膜棉花增产效果在我国西北棉区、黄河流域棉区、长江流域棉区显著[2]。我国农用地膜常年占世界总使用量的60%～80%,近十年来,全国农用塑料地膜用量一直保持在120万t以上,而新疆是塑料地膜用量最大的省份[3]。2021年新疆塑料地膜使用量达到23.8万t,地膜覆盖面积达到355.3万hm2,其中70.4%为覆膜滴灌棉花(GossypiumhirsutumL.),2021年新疆棉花总产量为512.9万t,占中国棉花总产量的89.5%。

大多数塑料地膜材质为聚乙烯,降解时间长达200年,土壤中的地膜残留问题已经引起广泛关注;此外,残膜破坏土壤结构,影响土壤通气性和渗透性,阻碍作物根系的生长发育、吸收水分和养分,最终降低了作物产量[4]。塑料地膜残留造成的负面影响可以通过使用生物可降解地膜来缓解。韩冬梅等[5]研究认为,降解地膜覆盖可以提高棉田土壤水分和地温,显著促进滴灌棉花前期生长;丁宏伟[6]等研究表明生物可降解地膜棉花增产效应与塑料地膜相似。因此,为了新疆棉业生产可持续发展,用生物可降解地膜替代塑料地膜是一种可靠选择。

哈密地区降雨稀少且光热资源丰富,棉花是当地主要经济作物之一。生物可降解地膜覆盖可以有效解决棉田残膜污染现状,但其在极端干旱区的降解特性和对棉花生长及产量的影响尚不明晰。夏文等[7]研究表明在半干旱地区生物降解地膜覆盖较塑料地膜覆盖处理棉花籽棉产量差异并不显著,另外,赵嘉涛等[8]研究表明降解地膜覆盖和塑料地膜覆盖的棉花出苗率在统计学意义上无差异。为探索不同生物降解地膜在极端干旱区的适用性,本文研究分析应用了4种不同类型可降解地膜,并以普通塑料地膜覆盖作对照,在哈密地区棉田开展大田小区试验,探寻可降解地膜降解特性对土壤水分、温度,棉花出苗和产量的影响机制,为极端干旱区棉花种植业绿色发展提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验开展时间为2019—2020年的4—10月。试验地点为新疆第十三师哈密垦区灌溉试验站(42°41′49″N,93°37′21″E)。试验区气候类型为温带大陆性气候,年均气温9.8 ℃、降雨量为33.8 mm、潜在蒸发量为3 300 mm、日照时间为3 358 h。土壤类型为砂壤土,试验地详细土壤理化性质见表1。试验区地下水埋深在10 m以下,矿化度为1.76 g/L。

表1 试验地土壤理化性质

1.2 试验设计

试验设置4种不同类型的降解膜覆盖处理和1个普通塑料地膜处理为对照组。供试降解膜分别采用山东省天壮环保有限公司生产的黑色氧化-生物双降解膜(BM1)、白色氧化-生物双降解膜(BM2),广州金发科技股份有限公司生产的黑色全生物降解膜(BM3)、白色全生物降解膜(BM4)。其中BM1和BM3的诱导期为100 d,BM2和BM4的诱导期为80 d,膜厚0.010 mm,宽1.2 m;新疆天业生产的普通聚乙烯塑料地膜(PE),膜厚0.008 mm,宽1.2 m。供试棉花品种为新隆T6,供试滴灌带为单翼迷宫式滴灌带,滴头间距30 cm,滴头流量2.6 L/h;小区面积为100 m2(20 m×5 m),完全随机组合设计,每个处理重复3次,共15个小区。种植模式为1膜2管4行,种植密度为18万株/hm2(图1)。

图1 2019—2020年试验区棉花种植模式

灌溉用水采取深层地下水,2年试验均灌水13次(含出苗水),灌溉定额为660 mm,进水口处安装水表与球阀用来控制灌水。施肥配比采用N∶P2O5∶K2O为2∶1∶2,施肥总量750 kg/hm2;种植方法采用干播湿出,农艺措施与当地生产实践一致。

1.3 数据的测定与处理

1.3.1 地膜降解特性及面积损失与质量损失率

地膜降解性能研究在露天(覆盖在土壤表层)条件下进行,通过目测法来评价地膜降解阶段、通过测算地膜面积损失率与质量损失率来评价地膜降解强度。

每个处理中随机选出3个1 m×0.9 m的区域作为降解性能观测点,覆膜后每隔10 d观测记录一次地膜降解情况,并参照唐薇等[9]将地膜降解过程分为诱导期、开裂期、破裂期、崩解期、残存期及无膜期等6个降解阶段,诱导期为覆膜日到地膜开始出现裂纹的阶段,开裂期为地膜开始出现裂纹到出现多处(2至4处/m2)小于等于2 cm自然裂缝或孔洞(直径)的阶段,破裂期为地膜出现大于2 cm而小于20 cm自然裂缝或孔洞(直径)的阶段,崩解期为地膜出现不小于20 cm自然裂缝的阶段,残存期为地表残膜面积均不大于16 cm2的阶段,无膜期为地表看不到地膜残片的阶段。

覆膜前取2份降解膜与普通塑料地膜各3个1 m×1.2 m膜段,称重后覆盖于滴灌棉田,用土覆盖边缘,做好标记,每隔10 d取出该地膜,洗净、晾干、方格纸测地膜消失面积(后期降解程度较高时用方格纸测地膜残留面积)、称重、记录每次地膜质量,并参考战勇等[10]提出的方法计算露天条件下地膜面积损失率与地膜质量损失率。

1.3.2 土壤温度观测

于各生育期选择具有代表性的5 d从8:00～20:00,在作物行用曲管地温计对5、10、15、20、25 cm深度的土壤温度进行动态监测,每隔2 h监测1次,以该5 d平均地温作为该生育期地温。

1.3.3 棉花出苗率和产量测定

棉花播种7 d后,记录各处理出苗情况,各处理选取3块6 m2样方,用出苗数除以播种数即得棉花出苗率。于棉花采摘期采用小区全采摘测产方式,并计算棉花标准籽棉产量。

1.4 试验数据分析

使用WPS Excel 2019进行数据处理、SPSS 18.0进行数据分析,采用新复极差Duncan’s法进行多重比较,Origin Pro 2022教育版完成制图。

2 结果与分析

2.1 地膜降解特性及地膜面积损失率与质量损失率

2.1.1 地膜降解特性

2年内地膜随生育期推进降解阶段观测结果(图2)显示:普通塑料地膜(PE)在生育期内未出现明显降解,各降解膜覆盖处理均出现不同程度降解。其中:BM2处理降解效果最好,覆膜80 d即出现裂纹,较其他降解膜处理提前10～20 d进入开裂期,且随时间裂纹逐渐变大,110 d出现多处(2～4处/m2)>2 cm且≤20 cm的裂缝,150 d出现>20 cm的自然裂缝,180 d地膜出现碎裂,最大残膜面积≤16 cm2。BM4前期降解速度相对较慢,覆膜90 d时才开始出现裂纹,120 d时出现多处(2～4 处/m2)>2 cm且≤20 cm的裂缝,但150 d后与BM2降解情况基本同步。BM1与BM3降解速度相对缓慢,BM1在90 d开始出现裂纹,较BM3提前10 d进入开裂期;130 d后BM1和BM3降解情况基本同步,130 d时地膜均出现>2 cm的自然裂缝或孔洞,160 d出现≤20 cm的自然裂缝,BM1与BM3在生育期末膜面相对完整均未出现大面积碎裂。各地膜处理降解速率排名为BM2>BM4>BM1>BM3>PE。

图2 地膜随生育期推进降解情况

2.1.2 地膜面积损失率与质量损失率

图3为2年内地膜面积损失率与质量损失率随覆膜后天数的变化情况。从图3可以看出:PE处理的面积损失率与质量损失率基本没有变化,而各种降解膜均表现出逐渐增大的变化趋势。面积损失率在覆膜后150 d明显增高,质量损失率在覆膜后60 d明显增高;2年内面积损失率增高时间晚于质量损失率,且生育期末面积损失率均低于质量损失率。BM2处理降解膜降解性能最好,BM4降解膜次之,BM1和BM3降解最慢。BM2处理在2019年覆膜后180 d面积损失率和质量损失率分别为66.48%和80.87%,2020年分别为68.36%和82.46%;BM4在2019年面积损失率和质量损失率分别为46.85%和58.77%,2020年分别为45.88%和58.37%,降解相对较优。

图3 地膜面积与质量损失率随覆膜后天数的变化情况

2.2 不同覆膜类型对生育期内土壤水分和温度的影响

2019年和2020年不同覆盖处理下棉田土壤质量含水率随棉花生育期的变化情况(图4)显示:2年内0～100 cm土层土壤平均质量含水率随棉花生育期均呈现先增加后减小的趋势,在花期和铃期达到最大。苗期与蕾期降解地膜处理0～100 cm土层土壤平均质量含水率略低于普通塑料地膜PE,但差异不显著,2019年苗期BM1、BM2、BM3、BM4处理含水率分别比PE低2.20%、0.90%、4.36%、5.17%,2020年分别低9.70%、1.22%、3.38%、3.46%;后期降解膜出现较大程度降解,PE处理的0～100 cm土层土壤平均质量含水率在2019年比BM1、BM2、BM3、BM4分别高7.07%、8.50%、6.90%、15.16%(P<0.05),2020年分别高11.52%、18.14%、8.97%、17.18%(P<0.05)。

图4 棉田平均土壤质量含水率随棉花生育期的变化

2019、2020年棉田土壤温度随棉花生育期的变化情况(图5)显示:棉田土壤平均温度随生育期均先升后降,PE处理土壤平均温度始终最高。在2019年和2020年,降解膜覆盖处理土壤温度较PE温差均呈先增后减的趋势,且均在花期达到最大值,2019年BM1、BM2、BM3、BM4处理土壤平均温度在花期较PE分别降低3.7、3.0、2.3、3.2 ℃;2020年BM1、BM2、BM3、BM4处理土壤平均温度在花期较PE分别降低3.8、2.5、2.6、2.3 ℃。各覆膜处理全生育期土壤平均温度均在PE处理取得最大,2年内分别为29.3 ℃和28.6 ℃;2019年BM1、BM2、BM3、BM4处理全生育期土壤平均温度较PE分别降低1.9、1.6、1.5、1.7 ℃,2020年分别降低2.0、1.6、1.6、1.8 ℃。不同覆膜处理全生育期土壤平均温度无显著差异(P>0.05)。

图5 棉田平均土壤温度随棉花生育期的变化

2.3 不同覆膜处理对棉花出苗及产量的影响

出苗时间和出苗率是棉花稳产高产的重要前提。2019、2020年不同覆膜处理下棉花出苗时间及出苗率变化情况(表2)显示:不同地膜覆盖处理棉花出苗需要5～7 d,2019年各处理棉花出苗比2020年迟1～2 d。BM2、BM4及PE处理出苗比BM1和BM3早1～2 d。2019年PE处理棉花出苗率比BM1、BM3、BM4处理分别高出19.17%、18.18%、11.72%(P<0.05),2020年分别高出18.86%、18.85%、11.54%(P<0.05)。PE处理棉花出苗率最高,分别为91.67%和92.95%,BM2处理次之;PE、BM2处理和BM1、BM3及BM4处理间差异显著(P<0.05),BM4与BM1及BM3处理间差异显著(P<0.05);降解膜覆盖处理中BM2出苗率最高,2年分别为90.38%和91.67%,仅次于PE处理。

表2 2019—2020年不同地膜覆盖下棉花的出苗时间和出苗率

棉花的生长是稳产高产的前提条件,而产量则是棉农增收的关键,也是降解膜能否推广应用最关键的因素。图6是2年不同类型覆膜处理对籽棉产量的影响,从图6可以看出:2年内BM2处理的籽棉产量最高,2019年为7 765 kg/hm2,较BM1、BM3、BM4处理分别提高8.45%、6.78%、3.23%;2020年为7 901 kg/hm2,较BM1、BM3、BM4处理分别提高12.41%、8.41%、3.59%。BM1处理产量最低,年产量分别为7 160、7 029 kg/hm2;BM2与PE处理产量均无显著差异(P>0.05),但显著高于BM1与BM3(P<0.05)。

3 讨论

(1)生物可降解膜的降解特性会影响土壤水温环境,进而影响作物生长发育和产量构成。申丽霞等[11]试验表明,光生物双降解地膜在玉米大田覆膜后40 d开始出现裂纹,90 d再无大块地膜存在。本研究发现,哈密地区棉田PBAT材质的生物可降解膜降解速率较慢,白色氧化-生物双降解膜处理(BM2)降解速率最快,在覆膜后80 d开始出现裂纹,其余降解膜处理90 d后才开始降解。这主要是棉花的生育期较长,因此选择了诱导期较长的降解膜,以防过早降解对棉花根区水盐环境造成负面效应[12]。本研究还发现,2年试验中白色氧化生物双降解膜在覆膜后180 d面积损失率和质量损失率分别超过65%和80%,具有较佳的降解效果。这可能是因为哈密地区剧烈的太阳辐射和较大的昼夜温差,使得降解膜氧化特性展现更好。

(2)本研究发现,在棉花生长的苗期和蕾期,降解膜增温保墒效果与普通塑料地膜相似,这主要是由于生长前期,降解地膜机械强度较好,未发生降解,棉花生长速度较缓,而且降解膜成分较为复杂、对光热削弱较大,所以降解膜覆盖处理土壤温度较普通塑料地膜低。在棉花生长中后期,由降解阶段和降解特性可知(图3、4),虽然降解地膜在覆膜后80 d面积损失才开始出现,但质量损失在40～50 d时便开始迅速提升,从而导致降解膜覆盖处理在花铃期较普通塑料地膜覆盖处理地温相差较多[13]。在吐絮期,降解膜降解速率进一步提升,但空气温度显著降低,棉花叶片衰老,此时覆膜增温作用下降,因此降解膜与普通塑料地膜的保温性能差异较小。

(3)许多学者研究发现,降解地膜覆盖作物出苗率和普通塑料地膜覆盖无显著差异[14-15]。但本研究发现,黑色氧化-生物双降解膜(BM1)和黑色全生物降解膜(BM3)覆盖处理的出苗率在两年里均低于白色降解膜处理和普通塑料地膜处理,这可能是因为在极端干旱区,黑色地膜增大了热量的土壤表聚,从而抑制了棉花种子的萌发[16]。棉花产量和出苗率的规律基本一致,均表现黑色降解膜处理产量低于白色降解膜处理,BM2处理的产量略高于PE,这可能是因为在棉花生长中后期,降解膜的裂解提高了大气-土壤-根系的物质交换速率,从而使得降解膜覆盖处理棉花产量达到略低甚至超过普通地膜覆盖的效果。

整体而言,可降解地膜在棉花生长前期(苗期、蕾期)降解速率较慢,能有效发挥地膜覆盖增温保墒作用,出苗情况良好。在棉花生殖阶段(花铃期、吐絮期),降解地膜的降解提高了棉花根系和大气的通量交换,保证了棉花果实的发育,而过高的太阳辐射量导致黑色降解地膜的覆盖效果低于白色地膜,造成了显著减产,这具有鲜明的区域特色。

4 结论

(1)普通塑料地膜在2年内试验中几乎不产生降解,白色氧化-生物双降解地膜(BM2)的降解性能最好,在覆盖180 d后其面积损失率和质量损失率平均可达67.42%和81.67%,白色全生物降解膜降解性能次之(BM4),黑色降解地膜无论是氧化-生物双降解地膜(BM1)还是全生物降解膜(BM3)降解速率均低于白色降解地膜。

(2)降解地膜覆盖保水作用在棉花生长前期(苗期、蕾期)与普通地膜覆盖处理(PE)类似,在花期、铃期、吐絮期差异较大。PE处理在生育期内平均温度略高于降解膜覆盖处理,但各处理间差异不显著(P>0.05)。2年中出苗率均表现为PE处理最优,BM2和BM4处理与其差异不显著。BM2处理产量取得2年试验最大值,与PE处理间无显著差异。

(3)综合降解膜降解性能、保温效果、棉花出苗及产量,白色氧化-生物双降解地膜(BM2)可作为极端干旱区滴灌棉花普通塑料地膜的替代产品。