可降解地膜在黄瓜生产中的应用研究

王静波吴思颖施林林邓金花高翠霞祖若川

(1.苏州高新区(虎丘区)农业技术服务中心，江苏 苏州 215163；2.苏州市农业科学院，江苏 苏州 215155；3.苏州市相城区农业技术综合服务中心，江苏 苏州 215000)

前言

农用地膜具有保温、保湿和抑草等功能[1]，在蔬菜生产中大量使用。中国是全球最大的农膜使用国，据估计，我国年均农用塑料薄膜使用量1.4百万t[2]。传统地膜常采用聚乙烯(PE)塑料作为地膜的主要原料，由于PE材料极其难以降解，在土壤中可存在200～400年[3]。有研究表明，我国农田中每年农膜残留量大约达到18.6%[4]。回收地膜是一种减少残留的方法，但人工拾取残膜耗时费力，即使采用机械回收，也存在回收不彻底等问题[5，6]。大量农膜残留在农田，对土壤和周围环境均造成了严重污染，不仅影响田间机械化耕作，而且会破坏土壤结构，影响作物水肥吸收，阻碍根系生长，导致作物减产[7]。同时，现有研究表明，地膜残留极易导致土壤微塑料生成，严重危害土壤微生态、作物生长和人体健康[8]。因此，推动可降解农膜替代传统地膜的应用具有重要意义。

本研究通过田间试验应用并比较不同可降解地膜与传统地膜对土壤生境、黄瓜生长、产量及土壤理化等的影响，提出适宜本区域黄瓜生产的可降解地膜产品。

1 材料与方法

1.1 研究概况

田间试验于2022年4—9月在江苏省苏州市高新区福家农庄有限公司基地进行，基地地处属于北亚热带南部湿润气候区，日照充足，四季分明，常年平均温度17.5°C，常年降雨量1100mm，常年日照时数2100h。种植土壤pH为7.32，有机质含量为27.24g·kg-1，全氮含量为0.19%，碱解氮含量为435.40mg·kg-1，全磷含量为1.29g·kg-1，有效磷含量为48.86mg·kg-1，全钾含量为22.5g·kg-1，速效钾含量为1317.8mg·kg-1。

1.2 试验材料

地膜分别选用目前市场中常见的聚乙烯(PE)地膜和可降解地膜，包括聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚乳酸(PLA)，规格与参数详见表1。种植作物选用黄瓜，品种为“南水2号”，种子购于南京裕盛种子有限公司。生物有机肥总养分≥8%(N∶P2O5∶K2O=4.54%∶2.13%∶1.2%)，复合肥为45%三元复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)。

表1 不同处理农膜规格与材质

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，处理包括常规PE地膜、PBAT地膜、PBS地膜和PLA地膜。每个处理小区面积为20m2，每个处理重复3次。

黄瓜育苗后于3月14日覆膜并在设施大棚内定植。有机肥和复合肥在定植前一次性施入，且不同处理间均保持一致，施肥量为施用有机肥500kg·667m-2，复合肥4kg·667m-2。灌溉采用滴灌方式。在试验周期内(3—9月)定期监测地膜降解情况并进行记录，监测土壤温湿度和EC值(0～20cm)，并在收获期测定黄瓜茎粗、株高、产量和土壤理化性状。用直尺测量子叶节到主茎顶端(即生长点)的距离为株高，用游标卡尺测定植株茎粗。土壤理化指标参考《土壤农业化学分析》[9]。

2 统计与分析

数据收集采用Excel 2010，统计分析绘图分别采用Minitab 19和SigmaPlot 14.0。处理间差异比较采用单因素方差分析，在获得显著性后采用Tukey法进行多重比较，显著性水平取0.05。

3 结果与分析

3.1 不同地膜降解情况

本研究中诱导期，从覆膜到垄(畦)面地膜出现多处(每延长1m有3处以上)≤2cm自然裂缝或孔洞(直径)的时间(天数)；开裂期指出现≥2cm且<20cm自然裂缝或孔洞(直径)的时间(天数)；大裂期指出现≥20cm自然裂缝或孔洞(直径)的时间(天数)。PE处理在实验周期内均无任何降解迹象；PBAT和PBS处理诱导期和开裂期降解时间相同，均为80d和122d，且PBAT处理大裂期出现时间为169d；PLA处理诱导期和开裂期降解时间长于PBAT和PBS处理，且观察周期内未出现大裂期，见表2。

表2 不同处理间生物降解膜降解天数

3.2 不同地膜覆盖土壤温度

覆膜处理可有效提高土壤温度，本研究中土壤温度总体伴随种植时间的延长而提高，这也与环境温度紧密相关，且在整个生育周期内4种覆膜处理土壤温度无显著差异。值得注意的是，5月20日后，PE处理土壤温度显著高于其余处理，但PBAT、PBS和PLA 3个可降解地膜处理间无显著差异，见图1。

注：星号表示在0.05水平上处理间有显著差异。

3.3 不同地膜覆盖土壤水分

土壤覆膜具有保湿效果，本研究中土壤水分变异较大，平均变幅在20.2%～68.8%。4月8日—5月20日间不同处理土壤水分无显著差异，在6月2日，PE处理土壤水分显著高于可降解地膜处理，其中PE处理土壤含水率达68.8%，可降解地膜处理土壤含水率平均为53.54%。6月27日和7月14日，PE处理土壤含水率也略高于可降解地膜处理，PE处理土壤含水率平均为33.6%，可降解地膜处理土壤含水率平均为32.1%，见图2。

注：星号表示在0.05水平上处理间含水率有显著差异。

3.4 不同地膜覆盖土壤EC的变化

随着种植时间的延长，土壤EC值整体呈现先增加后降低的趋势，其中6月2日达到高峰期，土壤EC值变化范围在775.2～2368.0μS·cm-1。处理间土壤EC值含量并无显著差异，但6月2日—7月14日PE处理EC值含量略高于可降解地膜处理，PE处理土壤EC值平均为1636.9μS·cm-1，可降解地膜处理土壤EC值平均为1338.6μS·cm-1，见图3。

图3 不同处理下土壤表面EC的变化

3.5 不同地膜覆盖黄瓜生长

不同覆膜条件下，黄瓜整体茎粗在不同处理下有显著差异，多重比较表明PBAT、PBS和PLA处理黄瓜茎粗均显著高于PE处理，见图4a，其中PBAT、PBS和PLA处理黄瓜茎秆粗度比PE处理分别增加8.3%、5.2%和4.4%。黄瓜植株高度在不同覆膜处理下无显著差异，见图4b，但PBAT、PBS和PLA处理黄瓜茎秆高度比PE处理仍分别增加1.9%、1.1%和0.6%。

3.6 不同地膜覆盖黄瓜产量

不同覆膜处理下黄瓜产量并无显著差异，见图5，其中PBAT处理黄瓜产量最高，达2197.7kg·667m-2，PE处理黄瓜产量为2045.9kg·667m-2，PBAT处理黄瓜产量较PE处理产量平均提高7.4%。PBS和PLA处理黄瓜产量分别为2096.4kg·667m-2和2096.8kg·667m-2，与PE处理相比产量平均降低2.3%和2.4%。

图5 不同处理下对黄瓜产量

3.7 不同地膜覆盖田土壤理化性质

不同覆膜种植条件下土壤养分均无显著影响(p>0.05)，但可降解膜处理(PBAT、PBS和PLA)条件下土壤全氮、碱解氮、全磷和有效磷均有一定的增加趋势，而土壤pH和有机质含量有降低趋势，见表3。

表3 不同处理土壤理化性质

4 讨论

本研究结果表明，PBAT地膜在土壤中降解效果最好。PBAT作为石油基生物可降解塑料的代表，具有较好的延展性、断裂伸长率，且在黄瓜生长周期内能达大裂期，为后续完全降解奠定了基础。而PBS和PLA材料在黄瓜生长期内仅达开裂期，降解速度较慢，可能影响后续作物定植和栽种。周天美等在豇豆的研究中也发现，采用PBAT为基础的可降解地膜降解速度快，在蔬菜生产中效果较好[10]。

可降解地膜处理土壤温度在前期(4月8—28日)与常规地膜一致，但后期土壤温度显著低于常规地膜处理。这与可降解地膜开始降解有关，地膜出现裂纹后，膜下空气与外界空气交流增加，土壤温度呈现降低趋势。6月2日以后PE处理土壤水分含量高于可降解地膜处理，主要原因是本研究中采用滴灌方式，PE地膜无降解导致保水性能优于可降解地膜，因此土壤水分略高于可降解地膜处理。土壤EC值含量与土壤含水率相关[11]，土壤含水率增加后常产生泛盐现象[12]，本研究中可降解地膜在6月2日以后明显降解，土壤高含水率促进了土壤EC提升。

植物养分和光合物质转运主要通过韧皮部和木质部[13]，植物茎秆较粗表明其运输能力较强，植物株高较高反映其营养器官较好。因此，黄瓜茎粗与株高数据支持了可降解地膜条件下黄瓜产量优于PE地膜处理的这一结果。陈琦和王东升等的研究结果也表明，黄瓜株高、茎粗与其产量正相关[14，15]。同时，土壤养分数据表明在可降解地膜处理下，有机质加速矿化，同时土壤氮磷等养分含量增加，上述结果也支持了在可降解地膜条件下黄瓜对矿质养分吸收能力增加。

5 结论

总体而言，采用可降解地膜处理后黄瓜产量较传统地膜提升2.3%～7.4%，其机制在于可降解地膜处理通过地膜的生物降解正向调控土壤温湿度和EC值，促进了黄瓜生长和养分吸收。PBAT地膜较PBS和PLA地膜具有更快的生物降解效率，值得进一步推广。