全生物降解渗水地膜在大豆-玉米带状复合种植中的应用效果研究

姚建民， 马俊奎， 王忠祥， 毕昕媛， 李瑞珍， 杨瑞平，刘钊， 郭丰辉

（1.山西农业大学农业经济管理学院，山西 太谷 030006； 2.山西农业大学经济作物研究所，山西 汾阳 032200； 3.中国农村技术开发中心，北京 100045； 4.山西农业大学园艺学院，山西 太谷 030006）

当前，我国年进口大豆达9.65×107t，占粮食进口总量的58%左右[1]，因此提升大豆自给率对保障我国粮食安全至关重要。大豆-玉米带状复合种植技术是近年发展起来的一种基于传统间作套种增产机理的新模式，可实现“玉米不减产、多收一茬豆”的效果[2]。大豆与玉米高低协同，既可以有效发挥生态位互补特征充分利用光能资源，又可以释放玉米密植条件下的边行优势，增加玉米透光通风性及大豆采光空间，进而提高系统作物产量[3]。同时，大豆-玉米带状复合种植可以提升大豆根瘤固氮效率，有力促进系统减肥增效作用，助力达成“双碳”目标[2,4]。另外，该种植模式可以通过大豆与玉米的合理布局实现耕地的年际间地内轮作，达到种养结合目的。总体来说，大豆-玉米带状复合种植模式即通过创新作物栽培模式，充分发挥人工群落的边行优势与生态资源利用优势，实现光热水气土资源的高效利用，以同时满足2 种作物生长需要，进而实现玉米基本不减产、增收一季大豆的目标[4]。

当前，我国主要推广的大豆-玉米复合种植模式为2 行玉米和2～6 行大豆行间配置的单粒种植模式，该种植模式存在田间通风透光性较差、杂草防除难度大、半干旱地区旱地水分供应不足等问题，严重影响了系统产量提升。地膜覆盖既可以保持水分又能抑制杂草，是半干旱地区旱地作物旱作增产的重要方式，但聚乙烯（polyethylene，PE）地膜覆盖又带来残留多、回收难的农田白色污染问题[5]。为便于PE地膜回收[6]，国家出台了GB 135735—2017《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》[7]，要求PE 地膜的厚度≥0.01 mm，在一定程度上解决了农田白色污染问题，但此类型地膜导致作物后期早衰，严重影响了产量。马俊奎等[8]经过连续10年的研究和示范发现，春大豆覆盖渗水地膜综合配套旱作技术可以使大豆产量稳定在2 700 kg·hm-2以上，最高产量达4 680 kg·hm-2。随着新型生物降解材料的发展[9]和抗旱渗水地膜的出现[10-12]，近年来研制出了0.007 mm 聚碳酸亚丙酯(poly propylene carbonate，PPC)基全生物降解渗水地膜[13-14]，其质量符合全生物降解地膜标准，为大豆-玉米带状复合种植提供了新的地膜材料。基于此，开展全生物降解渗水地膜覆盖在大豆-玉米带状复合种植模式中的应用研究，以期为解决大豆-玉米带状复合种植技术应用过程中的杂草防除、水分胁迫等问题提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试大豆[Glycine max(Linn.) Merr.]品种为‘晋豆25号’，由山西农业大学经济作物研究所育成，该品种耐阴；玉米（Zea maysL.）品种为‘大丰26号’，由山西大丰种业公司提供。

地膜材料包括0.007 mm×2 200 mm PPC 基全生物降解渗水地膜、0.01 mm × 2 200 mm PE 普通渗水地膜和0.01 mm×1 650 mm PE 普通渗水地膜，由山西微通渗水膜生物科技有限公司生产。

铺膜播种机包括2MB-1/5 施肥铺膜大豆-玉米复合穴播机、2MB-1/4铺膜大豆穴播机和2BJ-1/2玉米精播机，均由山西长治市神禾永成农机开发有限公司生产。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验设5个处理，大豆-玉米复合种植模式下分别设0.007 mm×2 200 mm PPC 基全生物降解渗水地膜覆盖处理（T1）、0.01 mm×2 200 mm PE 普通渗水地膜覆盖处理（T2）和无覆盖处理（T3）；以大豆单一种植模式0.01 mm×1 650 mm PE 普通渗水地膜覆盖（CK1）和玉米单一种植模式无覆盖（CK2）为对照。

大豆-玉米复合种植模式为1 膜5 行（两边各1 行玉米、中间3 行大豆）的“2+3”种植模式［15］，种植带宽230 cm，其中，玉米与玉米行距50 cm，玉米与大豆行距60 cm，大豆与大豆行距30 cm，穴距27 cm，玉米与大豆均为一穴双株；大豆单一种植模式为1 膜种植4 行，带宽200 cm，每穴下种量2～3 粒，平均行距50 cm，穴距27 cm；玉米单一种植模式为单穴单株，行距60 cm，株距27 cm。

1.2.2 地膜铺设与田间管理 试验于2022年5—9月在山西省吕梁市孝义市东盘粮村（37.12°N、111.81°E）进行，2022年5月10日整地，15日播种，2022 年9 月25 日收获。大豆-玉米带状复合种植整地时撒施复合肥（氮含量15%、磷含量15%、钾含量10%）375 kg·hm-2，播种时大豆不再施肥，玉米施种肥750 kg·hm-2。大豆单一种植对照（CK1）施复合肥375 kg·hm-2，玉米单一种植对照（CK2）施复合肥750 kg·hm-2。T1和T2处理采用2MB-1/5施肥铺膜大豆-玉米复合穴播机播种，一次性完成探墒开沟、玉米施肥、铺膜覆土、打孔穴播、播后镇压等作业；T3处理采用2MB-1/5 施肥大豆-玉米复合穴播机播种，一次性完成探墒开沟、玉米施肥、打孔穴播、播后镇压等作业；3 个处理间隔排列，3 次重复，小区面积3 335 m2，周围种植玉米保护行。CK1与CK2小区面积为8 337.5 m2，分别采用2MB-1/4铺膜大豆穴播机与2MB-1/5播种机穴播，玉米每穴下种量1粒，大豆每穴下种量2～3粒。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 农艺性状的测定 2022 年6 月14 日测定各处理0—20 cm 耕层土壤含水率（soil moisture content，SMC，%）、单穴出苗数（seedlings number，SN）、株高（plant height ，PH，cm）、叶龄等，于9 月22—25 日测定株高、玉米成穗数（number of ears of maize，EMN，万穗·hm-2）、玉米平均穗粒质量（mean grain weight per ear of maize , MMW，g）、玉米百粒重（weight of hundred maize grains，MHW，g）、大豆成穴数（number of soybean holes ，SHN，万穴·hm-2）、大豆平均穴粒重（mean soybean weight per hole，MSW，g）、大豆百粒重（weight of hundred soybeans， SHW，g）、产量、根瘤个数（nodule number，NN）等。

1.3.2 地膜残留率的测定 参照毕昕媛等方法测定全生物降解渗水地膜的降解度测定[16]，在收获前，在全生物降解渗水地膜覆盖试验区均匀选取3 个1 000 mm×1 000 mm 的样区（记作P1、P2 和P3），清理膜面杂物，精细铲取地面膜和土壤中膜，分别装入取样袋中，分类风干后过孔径2 mm筛，取出筛上物，用清水洗去泥土和杂质，用力搓揉过筛，于40 ℃下烘干后称重计数残留率。

1.4 数据处理

采用Office 2013 整理数据、作图，采用SPSS 26.0在0.05水平上对数据进行方差分析及单样本t检验，并采用LSD法进行多重比较。根据当年销售单价计算产值。

式中，膜成本中生物降解渗水地膜75 kg·hm-2×30 元·kg-1＝2 250 元·hm-2；普通地膜105 kg·hm-2×15元·kg-1+回收成本675 元·hm-2＝2 250 元·hm-2。大豆与玉米价格分别为6.6、2.5元·kg-1。

2 结果与分析

2.1 不同处理下大豆、玉米对土壤含水率的影响

由表1 可知，覆膜与作物类型均对土壤含水率存在显著影响（P＜0.05），作物类型对土壤含水率的影响受覆膜处理调控，大豆、玉米土壤含水率在PPC 基全生物降解渗水地膜覆盖与PE 普通渗水地膜覆盖处理下无显著差异。带状复合种植模式下，2 种覆膜处理玉米土壤含水率显著低于大豆土壤含水率（P＜0.05），但无覆膜处理下玉米与大豆土壤含水率无显著差异，即覆膜显著提高了大豆土壤含水率（P＜0.05），但对玉米土壤含水率无显著影响。覆膜条件下，大豆单种或与玉米带状复合种植对其土壤含水率无显著差异。

表1 0—20 cm土壤含水率Table 1 0—20 cm soil moisture content

2.2 不同处理对大豆、玉米出苗率和生长势的影响

由表2 可知，6 月14 日T1、T2、T3处理大豆出苗数与CK1无显著差异，玉米出苗数均显著高于CK2（P＜0.05），说明带状复合种植及覆膜处理对大豆无显著影响，但可促进玉米出苗。从玉米苗期长势看，地膜覆盖（T1和T2）处理叶龄和株高均高于无覆盖的T3和CK2处理，T1和T2 处理的叶龄均为9叶1心，较无覆盖的T3处理和单一种植的CK2多2 个叶龄；T1和T2处理的株高均为65 cm，较T3和CK2处理显著提高10 cm（P＜0.05）。T1、T2、CK1处理大豆苗期长势为8 叶龄，比无覆盖的T3处理多4个叶龄；T1、T2、CK1的株高均为28 cm，较无地膜覆盖的T3处理显著提高10 cm（P＜0.05）。9月22日调查表明，T1、T3与CK2处理玉米株高无显著差异，三者均显著高于T2处理（P＜0.05）；T1处理大豆株高与T2、T3、CK1差异均不显著。收获期T1、T2、CK1间大豆根瘤数无显著差异，但均显著高于T3处理。

2.3 不同处理对大豆、玉米产量结构的影响

由表3 可知，玉米成穗数在不同处理间无差异，均为6.413 万穗·hm-2。T1处理的玉米平均穗粒质量为182.0 g，百粒重为36.11 g，显著高于T2、T3及CK2处理（P＜0.05）。T2处理的玉米平均穗粒重和百粒重表现最差，可能与普通地膜覆盖会造成玉米后期早衰有关[17]。

表3 地膜覆盖下2种作物产量构成Table 3 Crops yield composition under mulching film

T1～T3处理大豆成穴数均为4.8 万穴·hm-2，显著低于CK（1P＜0.05）。大豆平均穴粒重以CK1最高，为53.21 g，显著高于T1、T2及T3处理，T1、T2处理显著高于T3处理。T2处理的大豆百粒重为23.52 g，显著高于其他处理（P＜0.05），T1处理显著高于T3和CK1处理（P＜0.05），T3与CK1处理之间无显著差异。

2.4 不同处理模式对大豆、玉米产量与产值的影响

从表4 可知，大豆-玉米带状复合种植模式中，大豆产量大小排序依次为T1、T2、T3，产量分别为1 415.70、1 170.90、505.95 kg·hm-2；玉米产量大小排序依次为T1、T3、T2，产量分别为11 670.75、8 567.10、8 047.65 kg·hm-2。 CK1大豆产量为4 068.30 kg·hm-2，高于T1、T2、T3处理。CK2玉米产量为9 420.00 kg·hm-2，较T2和T3处理分别增产2.19%和3.82%，但比T1处理减产19.29%。

表4 收获期大豆、玉米产量与产值Table 4 Yield and benefit performance of soybean and maize on harvest time

从表4 中总产量和产值表现看出，T1处理大豆-玉米复合产量为13 086.45 kg·hm-2，相较于T2、T3、CK1、CK2处理分别增产29.56%、44.23%、121.67%、38.92%； T1处理的产值为36 271元·hm-2，显著高于T2、T3、CK1、CK2处理。

2.5 不同处理地膜残留率比较分析

2022 年9 月22 日对3 个全生物降解渗水地膜样点的地膜降解度取样调查，经过取样、风干、去杂、水洗、过筛、烘干、称重、计算得到地膜残留率分别是14.5%，15.3%和15.5%，平均为14.9%，平均降解率为85.1%，显著低于PE 普通渗水地膜（P＜0.001），残膜将会在翌年春季播种前全部降解无需回收。而PE 普通渗水地膜覆盖处理的残留率为100%，需要人工回收或机械回收（表5）。

表5 全生物降解渗水地膜残留率的单样本T检验Table 5 Single sample T test of permeable plastic film residue rate of full biodegradation

3 讨 论

3.1 全生物降解渗水地膜覆盖大豆-玉米带状复合种植模式产量高、效益好

本研究表明，全生物降解渗水地膜覆盖带状复合种植模式比PE 地膜覆盖和无覆盖的复合种植模式显著增产29.56%～44.23%，比单一种植大豆增产121.67%和增收43.46%，比单一种植玉米增产38.92%增收63.57%。该模式对提升农田产量、农民收入及减轻农田白色污染具有广阔的应用前景。在0.007 mm×2 200 mm 生物降解渗水地膜1膜5行（2边行玉米加3中间行大豆）的带状复合机穴播种植模式下，玉米生长前期处于半覆盖状态，近地面的地积温和保水性等不及位于中部全覆盖的大豆，形成了前期促进大豆快速生长控制玉米生长的近地面微生态环境。到生长中后期作物封垄后，土壤水分蒸发变小，全生物降解膜快速降解，渗水、透气功能变强，利于作物气生根和表层根的生长，消除了普通地膜覆盖造成的作物早衰现象，表现出明显的增产优势，且收获前生物降解渗水地膜的降解率已达到85.1%，且残留的地膜将在在翌年春季播种前全部降解，利于地膜残留污染防治。这种种植模式还可以利用豆科作物的根瘤养地作用和生物多样性效果，减少农作物病虫害发生，降低农药、化肥使用量，可提高土壤有机质含量[17-19]，增产增收效果突出，可实现大豆、玉米的双丰收，推广前景较好。

3.2 全生物降解渗水地膜覆盖大豆-玉米带状复合种植模式中应关注的问题

首先是全生物降解渗水地膜的选择，目前全生物降解地膜种类有聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（polybutylene adipate terephthalate，PBAT）基、PPC-PBAT 基和聚乳酸（polylactic acid，PLA）基3 大类型，其中PBAT 基、PPC-PBAT 基的比较成熟。PBAT 基生物降解地膜目前能够达到的最小厚度为0.01mm，厚度大导致单位面积用量大（115.5 kg·hm-2）、阻水性差（每平方米每天蒸发耗水＞800 g）、单位面积投资成本高（投资＞3 450元·hm-2）、年内降解度小（小于60%）等。本研究中PPC-PBAT 基全生物降解渗水地膜的厚度调减到0.007 mm，具有阻水性较好（每平方米每天蒸发耗水≤400 g·m-2·d-1）、单位面积投资成本较小（投资≤2 250 元·hm-2）、年内降解度较大（≥95%）、作物不发生早衰、根系发达、后发优势明显、增产幅度大等优点。但其还存在的共性问题是耐候期较短[20]，仅为60 d左右，在高光照生态区的耐候期为50 d 左右。由于耐候期较短，抑制杂草和保持水分的能力逐渐变差，在杂草多的区域不适宜采用常规覆盖方式使用，宜采取膜上覆土的方式[21-22]延长膜的耐候期。

其次是复合种植带的设计，采取“2+3”种植模式时，带宽230 cm 较为合理，为排除玉米带来的机收大豆不便，地头种植单一大豆。若采取“2+4”种植模式或“4+4”模式时，带宽300 cm 较为合理。