生物降解地膜对辣椒生长发育的影响

2024-02-26傅玺豪朱建强范先鹏闫仁凯张志毅王玲倪承凡

湖北农业科学 2024年1期

傅玺豪朱建强范先鹏闫仁凯张志毅王玲倪承凡

摘要：为明确不同材质生物可降解地膜对辣椒（Capsicum frutescens）生长发育的影响，选用聚乙烯地膜（PE）、天然产物类（PM1、PM2）、合成聚合物类降解膜［聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等］（PM3、PM4、PM5）进行田间试验，观察不同地膜的增温作用、降解性能和不同地膜覆盖下辣椒的生长性状。结果表明，辣椒生育前期（覆膜后0～52 d）是地膜增温的主要时期，覆膜种植主要提高該时期0～5 cm和5～10 cm土层各时间段土壤温度。其中，PM5的增温效果与PE相近，5～10 cm和10～15 cm土层土壤平均温度比CK（露地种植）提高了2 ℃以上。地膜覆盖使辣椒株高在覆膜后24～47 d得到明显生长，平均增长了20.28 cm，在覆膜后39 d，PM5比CK提高了8.2 cm；不同覆膜处理的辣椒叶绿素SPAD在覆膜后23 d存在显著差异，PM5和PE显著高于CK，分别提高了5.67和3.70。地膜覆盖对辣椒产量的影响表现为PM3、PM4、PM5处理的辣椒总产量均显著高于CK，分别提高了4 123、4 445、5 552 kg/hm2，其增产效果接近或优于PE，其中PM5对辣椒产量提升的效果最明显。因此，辣椒露天栽培推荐使用厚度为 0.01 mm，主要成分为PBAT、PHA的可降解地膜。

关键词：生物降解地膜；降解材质；辣椒（Capsicum frutescens）；生长发育

中图分类号：S641.3；S626 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）01-0075-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.01.013 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of biodegradable mulch on growth and development of Capsicum frutescens

FU Xi-hao1，2， ZHU Jian-qiang1， FAN Xian-peng2， YAN Ren-kai3， ZHANG Zhi-yi2， WANG Ling4， NI Cheng-fan2

（1.College of Agriculture， Yangtze University， Jingzhou 434000，Hubei，China；2.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer，Hubei Academy of Agricultural Sciences/National Agricultural Environment Observation and Experimental Station in Qianjiang/Hubei Engineering and Technology Research Center of Agricultural Non-point Source Pollution Control/Qianjiang Agricultural Environment and Arable Land Conservation Scientific Observation and Experimental Station， Wuhan 430064，China；3.Shiyan Agriculture and Rural Bureau， Shiyan 442099， Hubei，China；4.Jingzhou Agriculture and Rural Bureau， Jingzhou 434020，Hubei，China）

Abstract： To clarify the effects of biodegradable plastic films made of different materials on the growth and development of Capsicum frutescens， field experiments were conducted using polyethylene plastic films （PE）， natural product films （PM1， PM2）， synthetic polymer degradable films （PBAT， PHA， etc.）（PM3， PM4， PM5） to observe the warming effect of different plastic films， gegradation properties and growth characteristics of Capsicum frutescens under different plastic film covers. The results showed that the early stage of Capsicum frutescens growth （0～52 days after film mulching） was the main period of temperature increase by mulching， and plastic mulching planting mainly increased the soil temperature of 0～5 cm and 5～10 cm soil layers during this period. Among them， the warming effect of PM5 was similar to that of PE， with an average temperature increase of over 2 ℃ in the 5～10 cm and 10～15 cm soil layers compared to CK （open field planting）. The height of chilli plants grew significantly from 24 to 47 d after mulching， with an average increase of about 20.28 cm. After 39 days of film mulching， PM5 was increased by approximately 8.2 cm compared to CK； there were significant differences in the chlorophyll SPAD of Capsicum frutescens with different film mulching treatments after 23 days of film mulching， with PM5 and PE significantly higher than CK， increased by 5.67 and 3.70， respectively. The effect of plastic film mulching on Capsicum frutescens showed that the cumulative yield of PM3， PM4 and PM5 was significantly higher than that of CK， with an increase of 4 123， 4 445 kg/hm2 and 5 552 kg/hm2， respectively， and their yield increases were close to or better than that of PE， of which the effect of PM5 on chilli yield enhancement was the most obvious. Therefore， it was recommended to use biodegradable mulch with a thickness of 0.01 mm， mainly composed of PBAT and PHA， for open-air cultivation of Capsicum frutescens.

Key words： biodegradable mulch； degradable material； Capsicum frutescens； growth and development

收稿日期：2023-10-16

基金项目：湖北省农业农村厅科技服务项目（HBXX-202204-F017）

作者简介：傅玺豪（1996-），男，四川成都人，在读硕士研究生，研究方向为土壤养分管理和障碍修复，（电话）13890808701（电子信箱） 1084115090@qq.com；通信作者，朱建强（1963-），男，教授，主要从事农业水土环境保护研究，（电子信箱）2277131116@qq.com。

地膜覆盖是一项重要的农业技术措施，其应用促进了中国旱作农业的发展［1］。地膜覆盖可以提高地温、减少水分蒸发、抗病防虫、充分利用有限的光、热、水和养分资源，能够使大多数作物普遍增产20%～50%［2］。中国已是世界上地膜生产量和地膜覆盖面积最大的国家［3］，在大量使用地膜的同时也产生了环境污染问题［4］。生物降解地膜的应用为解决该问题提供了新的思路，其对土壤水分、温度及作物生长的影响与聚乙烯地膜相当［5］，同时具有无需回收和对环境友好的特点［6］。因此，应用生物可降解地膜是目前治理地膜污染发展绿色农业的重要途径之一。通常制备生物可降解地膜的原料主要有聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚碳酸亚丙酯（PPC）、聚乳酸（PLA）等［7］。国内研发的生物可降解地膜主要有天然产物型（淀粉、植物纤维）和合成聚合物型（PBAT、PLA、PBS等）［8，9］。曾晓萍等［10］研究表明以PBAT和PLA为原料的生物可降解膜能够提高芋头的出苗率和产量。陈伟等［11］研究了辣椒露天栽培试验，表明使用可降解地膜在维持辣椒产量的同时也能减轻对环境的污染。艾福轲等［12］研究表明生物降解地膜的应用对环境保护和经济发展方面均有不可小觑的作用。新型生物降解地膜产品和地膜覆盖技术的合理利用成为中国现代农业的新需求［13］。客观上，地膜选用的材质、地膜覆盖使用的作物、区域农业气候等因素都会影响可降解地膜的使用效果，关于地膜覆盖研究及应用在中国西北地区及其主要旱作物上的研究较多［14］。本研究选用不同降解材质的全生物可降解地膜产品在湖北省潜江市辣椒种植地进行试验，研究了全生物可降解地膜的增温、降解特性和产量效应，以期为蔬菜生产推广应用该技术和防控地膜污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于湖北省潜江市浩口镇（112°38′59.9″E，30°22′43.6″N），海拔27 m，年均氣温16.1 ℃，年均降雨量1 200 mm，气候类型为亚热带季风气候，土壤母质为河流冲积物，土壤类型为潮土。基础土壤pH 7.94，有机质12.54 g/kg，全氮 0.06%，全磷 0.12%，速效磷 77.01 mg/kg，速效钾103.25 mg/kg。

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，按选用地膜不同设7个处理：降解地膜I（PM1）、降解地膜Ⅱ（PM2）、降解地膜Ⅲ（PM3）、降解地膜Ⅳ（PM4）、降解地膜V（PM5）、标准塑料地膜（PE）和露地种植（CK）。小区面积30 m2，每处理3次重复。供试地膜基本情况见表1。

供试作物为辣椒，品种为福湘亮玉（湖南兴蔬种业有限公司）。2021年3月24日翻耕后平地起垄，垄高15 cm，垄间间距30 cm，厢面宽90 cm。3月27日进行手工覆膜。3月28日移栽，嫁接苗龄35～40 d，定植行距50 cm、株距30 cm，定植密度约52 500株/hm2。各处理施肥量保持一致，N、P2O5、K2O用量分别为270、162、360 kg/hm2，移栽前75%氮钾肥、全部磷基肥，25%氮钾肥追肥。

1.3 田间监测和样品采集分析

1.3.1 土壤温度监测辣椒生育期内，采用精度为±0.1 ℃的直角玻璃地温计（武强县星瀚仪器仪表厂）监测5、10、15 cm土层温度。在覆膜后3、10、17、24、31、44、52、54、59、68、73 d，当天8：00、14：00和17：00记录各土层土壤温度。

1.3.2 辣椒农艺性状及产量测定开花结果期和成熟期在每小区随机选取5株辣椒植株并测量其株高和叶绿素SPAD。从辣椒最初有成熟的辣椒果实开始采摘，一直到辣椒生育期结束，分别记录不同处理小区的辣椒产量。辣椒采摘日期分别为2021年5月20日、6月30日、7月8日、7月20日。

1.3.3 生物降解膜降解性能的评测每个小区选定一厢进行观测，每7 d观测1次。记录供试地膜破损情况和不同降解阶段出现日期。地膜降解分级指标参照杨惠娣等［15］的方法分为5个阶段：A阶段（诱导期），开始出现1～2 cm裂纹；B阶段（开裂期），出现20～50 cm裂缝；C阶段（大裂期），地膜出现20～50 cm裂缝，数量增多；D阶段（碎裂期），地膜出现均匀网状裂纹，无大块地膜存在；E阶段（无膜期），基本无地膜存在。

1.4 数据处理

用Excel 2010、DPS 7.05统计分析软件进行数据处理和显著性水平分析，用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同地膜覆盖对土壤温度的影响

不同地膜覆盖处理5 cm土层土壤温度变化如图1所示，8：00时段，覆膜后3、10、17、24、44、52 d，覆膜处理和CK存在显著性差异（P<0.05）。相比于CK，PE处理土壤平均温度提高了2.37 ℃；可降解地膜处理中，PM3和PM5土壤平均温度提高幅度与PE相近，均在2.00 ℃左右。PM1处理的土壤温度虽然在覆膜3、10、17、24 d显著高于CK，但在24 d后保温效果逐渐降低，其保温持续性低于PM3和PM5。14：00时段，在覆膜后3、17、44、54 d，PM3和PE处理土壤温度显著高于CK，土壤平均温度分别提高了3.08、3.41 ℃。17：00时段，在覆膜后3、17、44 d，PM3处理和PE处理土壤温度均显著高于CK，土壤平均温度分别提高了3.55、3.99 ℃。整体来看，覆膜后 0～52 d各时间段5 cm土层温度呈缓慢上升趋势且处理间有差异，覆膜后53～73 d各处理间的温度差异变小。

不同地膜覆盖处理的10 cm土层土壤温度变化如图2所示，在8：00时段，在覆膜后10、17、44 d，可降解地膜和聚乙烯地膜均能明显提高10 cm土层土壤温度，其中，PM3和PE处理的土壤温度显著高于CK，平均温度分别提高了2.56、3.33 ℃。在14：00时段，在覆膜后0～44 d土壤温度整体呈缓慢上升趋势，除PM2外，各覆膜处理土壤平均温度均高于CK，PM1、PM3、PM4和PM5土壤平均温度提高了2.00～3.33 ℃，其中，PM3和PM5增温幅度与PE相近，并在覆膜后3、31 d和44 d显著高于CK（P<0.05）。在17：00时段，覆膜后0～31 d，除PM2外，各覆膜处理土壤平均温度均高于CK，PM3、PM5处理的土壤温度接近 PE处理，土壤平均温度增加了2.33 ℃，PE处理的土壤平均温度增加了3.60 ℃。在覆膜后45～73 d，土壤温度差异变小，各处理无显著差异。

不同地膜覆盖处理土壤15 cm土层温度变化如图3所示，在8：00时段，各处理的土壤温度在整个覆膜期间无明显差异且整体平均温度变化不大。在14：00时段，覆膜后0～44 d，除PM2外，各覆膜处理土壤平均温度均高于CK，其中PM1、PM3和PE在覆膜后3、17 d显著高于CK，平均温度提高了2.83～3.83 ℃。在17：00时段，在覆膜后3、17、31 d，覆膜处理与CK之间存在显著差异（P<0.05），其中，PM1、PM3、PM4和PM5土壤平均温度提高了3.33～4.67 ℃，其增温效果与PE接近。由此可见，地膜覆盖对辣椒生育前期0～5 cm土层和5～10 cm土层各时间段土壤温度均有一定的增温效果，随着气温升高和辣椒生长发育，对辣椒生育后期10～15 cm土层的增温效果不明显。整体上，供试降解地膜中PM3和PM5对土壤的增温效果和持续时间与PE接近，并优于其他降解膜。

2.2 不同地膜覆盖对辣椒生长发育的影响

由图4可知，在试验条件下，辣椒株高呈生育前期缓慢增加、生育后期快速增加的趋势。各处理的辣椒株高在覆膜后23 d无显著差异，平均株高30.35 cm。除CK外，其余各处理在24～47 d快速生长，株高平均增加了20.28 cm。在覆膜后47 d各覆膜处理株高无显著差异。辣椒在定植时会出现缓苗期，此时辣椒株高增加越多，说明该条件越有利于辣椒幼苗根系的生长。各处理间的株高差异集中在覆膜后39 d，除PM1外，各覆膜处理株高均显著高于CK（P<0.05），平均提高了8.20 cm。

由图5可以看出，不同地膜覆盖对辣椒叶片叶绿素SPAD的影响集中在前期，并且各处理间差异随着辣椒的生长发育而减小。整体上，各处理的辣椒在生长发育期间的叶绿素SPAD变化不大，均在50左右。不同覆膜处理的辣椒叶绿素SPAD在覆膜后23 d存在显著差异，PM1、PM5和PE显著高于CK，分别提高了4.10、5.67和3.70。各处理叶绿素SPAD在覆膜后39 d无显著差异，这也侧面反映了地膜覆盖主要影响辣椒生育前期，对其生育后期的影响相对较弱。

综上所述，在辣椒生长发育期间，地膜覆盖能提高株高和加快植株生长速度，叶绿素SPAD呈前期有显著差异后期差异变小的趋势。其中，PM5对辣椒生育的促进效果接近或者优于PE和其他降解地膜。

2.3 不同地膜的降解情况

由表2可知，PM1覆膜后39 d进入诱导期，46 d进入大裂期；PM2 降解速度过快，覆膜后11 d达到大裂期，31 d达到无膜期。由于杂草不及时清除会导致地膜大面积破损，从而达不到应有的增温效果，因此需进行人工除草。除草后无法观测到PM3、PM4和PM5的破裂期和无膜期。因此，地膜覆盖需要考虑除草方面的因素。

2.4 不同地膜覆盖对辣椒产量的影响

不同地膜覆盖对辣椒产量的影响存在差异，由表3可以看出，在第1次采摘中，除PM2和PM4外，各覆膜处理辣椒产量均显著高于CK，比CK提高 1 514～1 866 kg/hm2。第2次采摘时，PM2、PM3和PM5辣椒产量显著高于CK，分别提高了3 073、2 454、 2 060 kg/hm2。第3、第4次采摘时，覆盖地膜对辣椒产量影响较小，各处理间辣椒产量接近。从总产量来看，PM2第一次产量和总产量低于其他覆膜处理，这可能与PM2过早降解有关，PM3、PM4、PM5辣椒累积总产量均显著高于CK，分别提高了4 123、4 445、 5 552 kg/hm2，其增產效果接近或优于PE，其中PM5对辣椒产量提升的效果最明显。

3 讨论

3.1 不同降解地膜对土壤土层增温效果的影响

地膜覆盖栽培在辣椒生长发育过程中最大的作用是提高土壤温度，主要体现在增加土壤平均温度和最高温度，且对辣椒生长发育初期的作用效果明显。梁传静［16］研究指出，地膜覆盖在辣椒生长发育中对5～10 cm土层土壤温度影响较大。本试验选用不同材质的降解膜进行试验，可以看出不同地膜的增温效果差异较大。各降解地膜（除PM2外）均提高了辣椒生育前期（移栽约2个月）不同土层土壤平均温度。其中，在14：00时段，由于太阳辐射强度高，此时间段土壤吸热大，温度提升最明显，0～5 cm土层土壤温度提高了1.20～2.25 ℃，5～10 cm土层土壤温度提高了1.33～3.62 ℃，10～15 cm土层土壤温度提高了1.83～3.24 ℃；17：00时段有类似的升温效果。而在8：00时段，由于夜间外界冷空气的影响，地膜下的土壤温度提升不明显。同时，土壤吸热后有向下的热传递过程［17］，不同时间段的土层最高温均在10～15 cm土层。在辣椒发育后期，随着气温升高和地膜降解，覆膜对地温的提升效果不明显。这与前人研究结果一致。

本研究所用全生物降解地膜的降解材质主要包括植物纤维、PBAT、PLA和PHA等。植物纤维本身亲水性较强，含有大量羟基［18］，加入植物纤维会加快PBAT的降解［19］。其中，含植物纤维的地膜PM2降解速度最快，覆膜后11 d进入大裂期并迅速进入无膜期，这也是PM2增温效果不理想的原因之一。而PHA在具有生物降解性的同时，也有一定的憎水性和阻透性［20］。本研究中PM3和PM5为PBAT/PHA复合材料，具有一定的稳定性和降解周期，其在覆膜后68 d进入大裂期，因此保证了辣椒生育前期的温度。同时PM3和PM5的增温保温效果优于PM1，说明以PBAT和PHA为主要成分、厚度为0.01mm的地膜与辣椒生长的覆膜需求性比配较高，比植物纤维为主要成分的地膜更适合辣椒种植。

3.2 不同降解地膜对辣椒植株性状及产量的影响

地膜覆盖主要可以提高辣椒株高和生育前期叶片叶绿素SPAD。湖北省辣椒种植多采用育苗后移栽的方式［21］，定植后的辣椒生长会出现一个缓苗期，修复受损根系，使辣椒的生长呈慢-快-慢的趋势［22］。在本试验条件下，辣椒株高的增长特点符合该趋势，覆膜后0～23 d各处理缓慢增长且无显著差异，24～47 d辣椒株高迅速增长，在47 d后各处理的株高增加缓慢，这与李兴需等［23］的研究结果基本类似，其中株高增长最快的处理为PM5。不同地膜覆盖对辣椒叶绿素的影响较大，并随辣椒生育过程呈前期增加后期无变化的趋势。与CK相比，PM1、PM5和PE在覆膜后23 d均显著增加了叶片叶绿素SPAD，而PM2处理叶片叶绿素SPAD低于其他覆膜处理。同时，各处理的叶绿素SPAD峰值均出现在覆膜后31 d，一定程度上反映了地膜覆盖主要影响作物的生育前期。地膜覆盖对辣椒产量的影响主要体现在前两次采摘中，除PM2和PM4第1次采摘外，其余覆膜处理的产量均高于CK；从辣椒总产量来看，地膜覆盖均能提高辣椒产量，相比CK提高了12%～47%，产量高低表现为 PM5 > PM4> PE>PM3> PM2> PM1 >CK，说明地膜覆盖能够增加辣椒产量。整体来看，通过比较不同地膜覆盖对辣椒株高、叶绿素SPAD和辣椒产量的影响，以PM5处理效果最佳。

4 小结

与普通塑料地膜相比，降解地膜在降解性和对土壤增温、辣椒性状和产量中表现有一定优势；不同材质和厚度的降解地膜效果不同，主要成分为淀粉、PBAT，厚度为0.06 mm的PM2降解过早、效果不理想，PM5降解膜在保温效果、降解时间和促进辣椒生长方面效果均较好。在进行辣椒露天栽培时，推荐使用厚度为 0.01 mm、主要成分为PBAT、PHA的可降解地膜。

参考文献：

［1］ DING F，LI S Y，L? X T，et al. Opposite effects of nitrogen fertilization and plastic film mulching on crop N and P stoichiometry in a temperate agroecosystem［J］.Journal of plant ecology，2019，12（4）：682-692.

［2］李真，何文清，刘恩科，等.聚乙烯地膜降解过程与机理研究进展［J］.农业环境科学学报，2019，38（2）：268-275.

［3］丁凡，李诗彤，王展，等.塑料和可降解地膜的残留与降解及对土壤健康的影响：进展与思考［J］.湖南生态科学学报，2021， 8（3）：83-89.

［4］赵岩，陈学庚，温浩军，等.农田残膜污染治理技术研究现状与展望［J］.农业机械学报，2017，48（6）：1-14.

［5］王斌，万艳芳，王金鑫，等.PBAT型全生物降解膜对南疆番茄产量及土壤理化性质的影响［J］.农业资源与环境学报，2019， 36（5）：640-648.

［6］曹晓庆，李璐，张锋伟，等.五种常见可降解地膜的研究应用现状和展望［J］.核农学报，2023，37（5）：1076-1087.

［7］刘彩云，陈衍玲，王景，等.生物降解材料的性能及应用研究进展［J］.塑料科技，2022，50（7）：81-85.

［8］丁茜，余佳，蔣馨漫，等.生物降解地膜材料的研究进展［J］.工程塑料应用，2019，47（12）：150-153.

［9］苏峰，张浩，刘元戎，等.生物可降解地膜研究进展与应用效果［J］.塑料科技，2023，51（4）：117-120.

［10］曾晓萍，王立，马金骏，等.不同类型全生物降解地膜对芋头产量和土壤环境的影响［J］.中国蔬菜，2022（2）： 88-94.

［11］陈伟，孙美艳，陈慧，等.不同类型地膜的降解效果及其对露天辣椒生长的影响［J］.上海蔬菜，2022（5）：77-80，83.

［12］艾福轲，雍宬，张洋，等.生物降解农用地膜发展现状及其环境影响和经济效益的综述［J］.江苏农业科学，2023，51（1）：8-15.

［13］严昌荣，何文清，薛颖昊，等.生物降解地膜应用与地膜残留污染防控［J］.生物工程学报，2016，32（6）：748-760.