不同地膜覆盖对南疆机采棉产量效益及残膜回收率的影响

2024-02-15刘海军林涛王新翠王冬张昊王一帆陈茂光汤秋香

农业资源与环境学报 2024年1期

刘海军，林涛，王新翠，王冬，张昊，王一帆，陈茂光，汤秋香

（1.新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；4.农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091；5.沙雅县农业技术推广中心，新疆沙雅 842200；6.新疆金丰源种业有限公司，新疆温宿 843100）

地膜覆盖具有增温保墒[1]、防治杂草、节水抗旱[2]、抑制盐分表聚的特性[3-4]，并且可以改善作物生长环境和提高作物产量[5-6]，特别是在西北干旱地区已经广泛应用。新疆作为中国棉花的主产区，棉田地膜覆盖面积及使用量均位于全国首位[7]，但地膜的长时间使用也造成了残膜污染，且棉田已成为残膜污染最为严重的农业污染类型[8]，棉田残膜污染已成为目前新疆棉花产业亟待解决的问题。

研究表明，地膜覆盖可显著增加棉花的株高、叶片数、果枝数和蕾铃数[9]，提高棉花营养器官的干物质积累量[10]，从而促进棉花产量的提高[11]。同时，有研究表明，随着我国长时间且大量的使用低强度超薄普通PE地膜，棉田残膜污染问题日益严重[12-15]。由于地膜在使用前本身抗拉伸强度差、耐老化程度低，受太阳光线照射、外界环境及人为因素的影响，使用后不仅更容易破损，也会使得残留地膜难以回收[14，16-17]。目前，为解决农田地膜残留危害，主要采取的措施有三种：一是人工捡拾，这种方式不仅费时费力、效率低，而且捡拾不干净[18]；二是使用降解膜，从源头解决残膜污染，但会存在降解周期不可控、成本高等问题，难以进行推广[19-22]；三是使用残膜回收机进行机械回收，但是存在工作性能不稳定[23-24]且故障率高等问题，回收效果不理想[25-26]。对于新疆大面积的棉田而言，机械回收是治理棉田残膜污染的有效措施[27-28]，所以，为降低棉田残膜污染和配套残膜机械回收，提高地膜的强度是重要途径[7]。

目前，关于高强度地膜覆盖对南疆机采棉田增温保墒效果、产量形成和残膜回收的研究较少，其与普通PE地膜的拉伸性能、残膜回收、产量及种植利润存在的差异，及其在南疆棉田的应用效果和回收率尚不明确。鉴于此，本研究为探明不同地膜在使用前后的性能特点及其对棉花生长发育的影响，通过对2 种地膜进行实地测试，分析不同地膜覆盖对南疆机采棉田的产量效益和残膜回收率的影响，明确高强度地膜在南疆棉田的应用及回收的可行性，从而为南疆棉田绿色可持续发展提供理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年在新疆阿克苏地区沙雅县海楼镇（41°17′N，82°42′E，海拔897 m）进行。该区年均降水量47.3 mm，年均蒸发量2 000.7 mm，年日照时数3 031.2 h，年均气温10.7 ℃，最高气温30.9 ℃，最低气温-13.7 ℃，无霜期214 d，属于典型暖温带大陆性干旱气候，农业生产完全依赖灌溉。试验区土壤质地为沙质壤土，耕层土壤有机质9.8 g·kg-1、碱解氮39.5 mg·kg-1、速效磷18.1 mg·kg-1、速效钾111.9 mg·kg-1，容重1.5 g·cm-3，土壤pH为8.3。

1.2 试验材料

试验地膜产品是由麦盖提星联科技农膜有限公司采用新型挤出设备及成型工艺，结合配方技术研制的“全回收高性能增产地膜”，该地膜具有增温保墒性能优、纵向/横向拉伸负荷高、机械回收率高等特点，简称“高堡膜”。普通PE地膜由新疆阿克苏地区沙雅县地膜厂生产。

1.3 试验设计和田间管理

采用单因素试验设计，设置高堡膜覆盖（GB）、普通PE 地膜覆盖（PE）处理，并以裸地为对照（CK），共计3 个处理，每个处理重复3 次。小区长9.5 m、宽6.9 m，小区面积65.55 m2，各小区由3 个播幅组成。采用“1 膜3 管6 行”机采棉种植模式，株行配置[（10+66+10）+66]+11 cm，理论种植密度22.5万株·hm-2。

供试棉花品种为新陆早66 号，由新疆金丰源种业股份有限公司提供，播种日期为2021 年5 月18 日。地膜厚度均为0.01 mm，宽度均为2.05 m。为减少边际效应，每个小区第1、3幅膜为保护行，第2幅膜为调查取样小区。滴灌带间距38 cm，滴头间距25 cm，滴头设计流量2.1 L·h-1，其他日常管理同大田。

1.4 测定指标

1.4.1 不同地膜的拉伸性能

根据GB 13735—2017[29]测试2 种地膜使用前后的拉伸性能（抗拉强度、断裂标称应变）。每次取样2.05 m，标注清楚后装入自封袋带回实验室处理。处理时使用标准裁刀将地膜制备成横向、纵向拉伸试样（图1），由于地膜破损程度不一，为了保证试验的准确性和可比性，在选择备测试样时，确保备测试样边缘光滑且没有缺口，无可见破损。

图1 地膜拉伸试样Figure 1 Plastic film tensile samples

拉伸性能采用CMT6103 电子万能试验机进行测试，如图2所示。

图2 电子万能试验机Figure 2 Electronic universal testing machine

1.4.2 不同地膜的增温性能

采用MicroLite 5032P U（Fourtec-Fourier 公司，以色列）盘式自动地温计进行测定。在每小区棉花宽行中间膜下10 cm 土层进行采集。采集时间为棉花播种期至收获期，地温计采样间隔为1 h，采集位点位于每小区棉花宽行中间膜下10 cm的土层深度。

1.4.3 不同地膜的保墒性能

地膜保墒性能测试于7 月进行，在烧杯中装入等量的水，将每种测试膜裁剪为大小相同的3 份，将完整地膜覆盖于水杯上，并封严，无遮挡曝晒30 d，每隔5 d测定一次[30]。

式中：V1为曝晒5、10、15、20、25、30 d 后杯内水体积，mL；V0为水杯内原始水体积，mL。

1.4.4 农艺性状指标

分别在棉花蕾期、花期、铃期，选取每个试验小区第2 幅膜长势均匀的10 株棉花，中边行各5 株，调查株高、叶片数、果枝数、蕾数、花数、铃数。

1.4.5 产量

在棉花吐絮期，各处理随机选取3个6.67 m2大小的样方，记录其株数和结铃数并计算单株结铃数。每小区随机取30株棉株，上、中、下部分各取30朵棉花，晒至恒质量后测其单铃质量、籽棉产量，轧花后测其皮棉产量、衣分。

1.4.6 地膜的回收指标

采用新疆钵施然智能农机股份有限公司研制的4JM-205QA 秸秆还田残膜回收一体机对2 种地膜开展回收试验，机械回收作业结束后，选择10 个样点（幅宽2.05 m，长度2 m）对表层残留地膜进行人工捡拾，装入自封袋带回实验室，在实验室进行膜杂分离处理，然后洗净、晾干并称质量，计算回收物质总质量、表层残存地膜质量、回收纯地膜质量、机具缠绕地膜质量、回收率、清洁率、含杂率和缠膜率。地膜回收作业机技术参数：工作幅宽2 035 mm，膜箱容积4.5 m3，配套动力＞66 kW，生产效率≥1.2 hm2·h-1。

分别检测、计录取样点的作业前初始地膜质量、回收纯残膜质量、回收物总质量、残膜含杂量、机具缠膜质量，计算残膜回收机具的作业性能质量指标[20]。

1.4.7 综合经济效益

通过人工实际调查，获得新疆阿克苏地区沙雅县农民种植棉花期间的各种成本和收入，主要包括人工、农资用品、整地及租地、棉花采收运输、地膜回收成本以及棉花收入等，综合分析计算棉花经济效益。

1.5 数据分析

采用Excel 2019 和DPS 7.05 软件进行统计与分析，采用最小显著性差异（LSD）法进行显著性检验。采用Sigmaplot V.14.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同地膜的性能特点

2.1.1 不同地膜的拉伸性能变化

不同地膜的拉伸性能如表1 所示，在相同厚度的条件下，不同地膜的初始拉伸性能均高于国家标准，GB 处理在使用前后的拉伸性能整体上高于PE 处理。GB处理的初始纵向拉伸负荷和断裂标称应变指数较PE 处理分别提高61.20%、13.02%，横向拉伸负荷和断裂标称应变指数较PE 处理分别提高87.50%、5.27%。使用180 d 后，GB 处理的纵向和横向拉伸负荷较PE 处理分别高50.00%、63.72%。棉花成熟后，GB地膜膜面保持完整，破裂程度小，有较高的拉伸强度，有利于残留地膜的机械回收。

表1 不同地膜使用前后拉伸性能的变化Table 1 Tensile properties changes of different plastic films before and after using

2.1.2 不同地膜覆盖对棉田土壤温度的影响

不同地膜覆盖棉田土壤温度的变化如图3 所示，随着时间的推移，不同处理的棉田土壤温度均呈现出低-高-低的变化趋势，但各处理变化幅度不同。棉花播种后20 d，GB 和PE 处理的棉田土壤温度较高，分别为32.06、31.28 ℃，两者相差0.78 ℃，较CK 处理（29.87 ℃）分别高2.19 ℃和1.41 ℃。在蕾期（棉花播种后43 d），GB 和PE 处理的棉田土壤温度差异不显著（P＞0.05），分别为26.34、26.42 ℃，但均显著高于CK 处理（25.04 ℃）。蕾期（棉花播种后43 d）至吐絮期（棉花播种后111 d），各处理的棉田土壤温度随时间的延长逐渐降低，可能是因为花期开始灌水，棉花郁闭度增大，土壤温度降低。从整个生育期来看，GB地膜的保温效果明显优于PE地膜和CK。

图3 不同地膜覆盖棉田0～10 cm土层温度变化Figure 3 Soil temperature changes of cotton fields（10 cm soil layer）with different plastic films mulching

2.1.3 不同地膜的保水性能变化

图4表明，不同地膜的保水率均随时间变化呈逐渐降低的趋势，但处理间保水率变化情况不同。在第5 d时，保水率表现为GB＞PE，GB 处理的保水率最高为97.68%，较PE地膜增加1.12个百分点（P＞0.05）；第10 d时，GB与PE的保水率也没有显著差异；第15、20、25 d时，GB处理的保水率均显著高于PE处理，较PE处理分别高1.16、1.31、1.48个百分点；第30 d时，不同处理的保水率具有显著差异，GB处理保水率高达81.69%，较PE处理高2.51个百分点。由此可见，GB地膜的保水性要优于PE地膜。

图4 不同地膜保水性能变化Figure 4 Changes in water retention properties of different plastic mulch film

2.2 不同地膜覆盖对棉花农艺性状的影响

不同地膜覆盖对棉花农艺性状的影响如表2 所示，蕾期（7月3日）受地膜覆盖的影响，各处理棉花株高与CK 差异显著，表现为GB＞PE＞CK，且GB 处理较CK 处理高出12.44%；叶片数的趋势同株高基本一致；不同地膜覆盖下的棉花果枝数和蕾数差异显著，均表现为GB＞PE＞CK，GB、PE 较CK 处理分别增加22.65%、14.80%和25.56%、17.33%。在花期（7 月30日），各处理的株高具有显著差异，PE、GB 较CK 处理分别高7.18%、4.87%；各处理间叶片数和果枝数差异不显著；各处理间蕾数、花数和铃数差异显著，均表现为GB＞PE＞CK，GB、PE 较CK 处理分别增加25.52%、11.73%，66.92%、31.58%和75.85%、47.34%。在铃期（8 月10 日），GB 处理的蕾数和花数与其他两处理相比具有显著差异，铃数表现为GB＞PE＞CK，GB、PE较CK 处理分别增加21.73%、8.48%。整体来看，在实际生产中，可使用GB 地膜覆盖棉田来促进棉花生长发育。

表2 不同地膜覆盖下单株棉花农艺性状变化Table 2 The agronomic characters of single cotton for different plastic films mulching

2.3 不同地膜覆盖对棉花产量的影响

不同地膜覆盖对棉花产量的影响如表3 所示，地膜覆盖对单株结铃数、单铃质量、籽棉产量有显著的影响，对衣分的影响不显著。各处理间单株结铃数具有显著差异，表现为GB＞PE＞CK，GB、PE 处理较CK处理分别提高18.60%、6.64%。各处理间的单铃质量与单株结铃数趋势基本一致，其中GB 处理的单铃质量高达5.49 g，显著高于其他两处理。从籽棉产量看，各处理表现为GB＞PE＞CK，GB 处理的籽棉产量为6 522.93 kg·hm-2，较CK、PE 处理分别高33.13%、9.91%。由此发现，GB地膜覆盖有利于南疆机采棉产量的提升。

表3 不同地膜覆盖对棉花产量的影响Table 3 Effects of different plastic films mulching on cotton yield

2.4 不同地膜覆盖的回收指标

本研究在试验地选用了新疆钵施然智能农机股份有限公司研制的4JM-205QA 秸秆还田残膜回收一体机对高堡膜、普通PE 地膜开展残膜回收试验。试验结果（表4）表明：2 种地膜回收物质总质量表现为GB＜PE，GB处理较PE处理低1.03%；回收纯地膜质量具有显著差异，表现为GB＞PE，GB 处理较PE 处理高6.41%；表层残存地膜质量和机具缠绕地膜质量均表现为PE＞GB，PE 处理较GB 处理分别高33.50%、11.11%：2种地膜的回收率和清洁率具有显著差异，均表现为GB＞PE，GB 处理较PE 处理分别高15.63%、7.53%；2 种地膜的含杂率和缠膜率均表现为PE＞GB，PE 处理较GB 处理分别高36.77%、16.19%。整体来看，使用GB地膜可减少地膜表层残留量，降低棉田污染，更有利于机械回收，回收效果优于PE地膜。

表4 不同处理地膜覆盖对棉田回收指标的影响Table 4 Effects of different plastic films mulching on cotto n field recovery index

2.5 不同地膜覆盖的经济效益分析

在阿克苏地区沙雅县调查发现，每公顷棉田GB、PE 处理和CK 处理种植棉花时的生产成本分别为32 332.50、32 482.50元和31 545.00元（表5）。其中农资总投入分别占生产成本的42.28%、39.78% 和38.46%，GB 膜的市场价格为20.50 元·kg-1，PE 膜的市场价格为10.50 元·kg-1，两处理均使用75 kg·hm-2，两处理每公顷的地膜成本分别为1 537.50、787.50 元，GB 处理地膜成本较PE 处理高95.24%；GB、PE、CK 处理租/整地和人工投入分别占生产成本的42.91%、45.49%和47.79%，CK 处理的劳力费用较GB 和PE 处理分别高出64.00%、10.81%。棉花生长前期，CK 处理由于未覆膜，土壤保墒能力下降，导致棉花出苗率降低，需要大量人工补苗。棉田灌水后，杂草生长旺盛，需要人工除草，增加了较高的人工费用；GB、PE、CK 处理采收和回收投入分别占生产成本的10.67%、10.62%和9.51%，CK 处理未进行残膜回收，降低了残膜回收成本；GB、PE 和CK 处理棉花运输费用分别占总投入的4.13%、4.11%和4.23%。不同地膜覆盖条件下，每公顷种植棉花的产值为52 663.40～65 229.30元，利润为21 118.40～32 896.80 元。GB 和PE 处理较CK 处理的利润增幅分别为55.77%和27.22%（表6）。综合来看，高堡膜覆盖处理较其他处理具有更好的经济效益，可进行推广应用。

表5 不同地膜覆盖下的棉花种植成本差异（元·hm-2）Table 5 Difference in planting cost of cotton covered with different plastic mulch film（yuan·hm-2）

表6 不同地膜覆盖的棉花经济效益差异Table 6 Differences in economic benefits of cotton covered with different plastic mulch film

3 讨论

3.1 不同地膜覆盖对棉田增温保墒性能及产量的影响

地膜覆盖技术不仅能够提高土壤温度，而且可以增加有效积温，促进作物产量的提高[31]。研究表明，不同覆膜处理较裸地种植可显著提高土壤温度[32]，高强度地膜在棉花生长前期，可提高棉田最高和最低土壤温度，增温效果优于普通PE地膜，有利于满足棉花生长前期所需增温条件[33-35]。本研究结果与前人研究一致，在棉花播种后20 d 高堡膜和普通PE 地膜覆盖的棉田平均土壤温度较裸地分别提高2.19、1.41 ℃，高堡膜较普通PE 地膜覆盖的棉田平均土壤温度提高0.78 ℃，进入花铃期，棉田开始灌水，棉花营养生长与生殖生长速度加快，冠层覆盖度增大，导致土壤温度降低，各处理棉田增温效果不明显。研究表明，地膜覆盖可以提高土壤含水量[36]，显著增加土壤表层的贮水量[37]，地膜覆盖下的土壤表层含水量高于裸地[38]，并且与普通地膜相比，高强度地膜可提高地膜的保墒效果，抑制土壤含水量的下降幅度[33-35]。本研究结果与前人研究一致，在地膜覆盖后第15、20、25、30 d，高堡膜与普通PE地膜的保水率差异显著，其原因可能是随着时间的推移，相对于普通PE地膜，高堡膜拉伸强度大，膜面保持完整，具有良好的保墒效果。

研究表明，地膜覆盖下作物各生育时期株高、茎粗、地上部干物质量和叶面积指数等各农艺指标均高于裸地[39-40]。辛明华等[41]的研究表明，相比覆膜处理，裸地的棉花果枝数、结铃数显著减少，籽棉和皮棉产量比覆膜处理低6.73%、7.79%。随龙龙等[42]的研究表明，地膜覆盖相较于裸地可提高棉花出苗率，与普通PE地膜相比，高强度地膜可增加棉花籽棉产量，提高棉花的经济效益。本研究结果与前人研究一致，高堡膜的棉花籽棉产量与普通PE 地膜和裸地相比，分别提高9.91%、33.13%。其原因可能是，随着棉花生育进程推进，大气温度逐渐升高，普通PE地膜拉伸性能降低，导致膜面破裂，其保温保墒作用明显下降，使棉花结铃数和单铃质量降低，导致产量低于高堡膜。因此，在棉田地膜完整不破损的情况下，使用高堡膜覆盖可以降低土壤水分蒸散速率，提高棉田地膜的保墒效果，有利于提高棉花的产量。

3.2 不同地膜覆盖对棉田地膜回收率的影响

随着我国地膜使用量不断提高，残膜污染问题也日趋严重，残膜污染治理主要采用源头治理和机械回收两种方式，源头治理主要是通过使用降解地膜来减少棉田污染，但是也会存在降解周期不可控、降解不彻底的问题，进而造成棉田污染。目前新疆棉田地膜回收方式主要是以机械和人工回收为主[43]。地膜回收率及回收难易程度受到多种因素影响，部分地膜因在使用过程中破碎、老化，很难进行机械回收[44]。有研究表明，高强度地膜使用后较普通PE 地膜的回收率更高，表层残留量更低[33-35]。本研究结果与前人研究一致，从棉田生态环境角度分析，普通PE地膜使用后拉伸性能较差，机械回收后表层残留量较多，比高堡膜高3.25 kg·hm-2，高堡膜在使用后拉伸负荷和断裂标称应变指数均高于普通PE 地膜，机械回收率较普通PE 地膜提高15.63%，更有利于农田残膜机械回收。从当年的经济效益来看，高堡膜的使用不仅可以提高棉花产量，增加利润，更有利于棉田地膜的回收。高堡膜的市场价格是造成农资投入增加的主要原因，因此，高堡膜的大面积推广使用仍需对其市场价格进行不断的优化，这样才具有更广阔的应用前景。