張占琴，閆紫薇，楊相昆*，桑志勤

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所，新疆 石河子 832000；2.谷物品質(zhì)與遺傳改良兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000)

【研究意義】我國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始使用農(nóng)田地膜，推廣和發(fā)展速度非常快，目前地膜覆蓋面積已經(jīng)居世界第一位。使用地膜帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也引起嚴(yán)重的“白色污染”。新疆地區(qū)殘膜污染尤為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)殘膜污染的面積超過(guò)耕地面積60 %，且隨著地膜持續(xù)使用污染面積逐年增加，解決殘膜污染問(wèn)題已刻不容緩。應(yīng)用和推廣可降解地膜是解決殘膜污染的重要途徑之一，誘導(dǎo)期是地膜降解可控性的關(guān)鍵因素，對(duì)降解地膜的推廣應(yīng)用具有參考價(jià)值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)用薄膜的主要成份是線性低密度聚乙烯(LLDPE)或低密度聚乙烯(LDPE)，分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，導(dǎo)致大量的地膜殘留，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，農(nóng)田肥力水平下降，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，引起土壤次生鹽堿化的發(fā)生[1-5]。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始推廣應(yīng)用可降解地膜。降解地膜在玉米[6-7]、棉花[3]、馬鈴薯[8]、大豆[9]等農(nóng)作物應(yīng)用后不僅增產(chǎn)作用良好，在環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)干旱、半干旱作區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展方面成果顯著?？祷⒌萚10]、趙愛(ài)琴等[11]、沈宏等[12]、戰(zhàn)勇等[5]等學(xué)者研究了不同類型降解地膜的降解過(guò)程、探討影響可降解地膜降解的控制因素?！颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】本文研究不同誘導(dǎo)期降解地膜在棉花上的應(yīng)用效果，闡明可降解地膜的田間降解過(guò)程?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】尋找既能在前期起到保溫保墑作用滿足棉花生長(zhǎng)需求，后期又能達(dá)到降解要求的可降解地膜品種，為可降解地膜的推廣和應(yīng)用提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤與氣候條件

新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所1～2號(hào)試驗(yàn)地位于北緯44°19′，東經(jīng)86°03′,海拔442.9 m。試驗(yàn)地為壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量28.0 g·kg-1、全氮含量1.76 g·kg-1、水解氮含量179 mg·kg-1、速效磷含量93.6 mg·kg-1、速效鉀含量670 mg· kg-1，土壤pH 8.08。當(dāng)?shù)孛藁ㄉ?-8月份平均氣溫23.6 ℃，降雨總量94.2 mm。

為消除土壤殘膜對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)田每年均開(kāi)展秋季殘膜機(jī)械回收和春季的人工拾撿工作，同時(shí)對(duì)土壤的殘膜量進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，每年本實(shí)驗(yàn)區(qū)的殘膜量均在50 kg/hm2以下，地膜殘片面積小于10 cm2，根據(jù)已有研究基礎(chǔ)和相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告，基本上不會(huì)對(duì)棉花的生長(zhǎng)造成影響。

1.2 栽培技術(shù)措施

試驗(yàn)于4月21日播種，4月22日滴水，5月6日放苗，7月12日棉花打頂尖。5月12日中耕第1次，耕深12～15 cm，6月3日中耕第2次，耕深14～17 cm。全生育期共灌水9次，灌水量4000 m3·hm-2。5月19日噴施縮節(jié)胺1.8 g/667m2，5月至8月用啶蟲脒、阿維菌素、甲維鹽等防治蚜蟲、紅蜘蛛、棉鈴蟲等，試驗(yàn)田間管理和大田一致。

1.3 供試材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試地膜4種： CK(普通PE膜)，3種不同誘導(dǎo)期可降解地膜有BXS60、BXS90和BXS120，誘導(dǎo)期分別為60、90和120 d，幅寬為1.45 m。以普通PE膜為對(duì)照，對(duì)供試的3種誘導(dǎo)期可降解地膜進(jìn)行了3次重復(fù)比較試驗(yàn)。每個(gè)播幅3膜共5.1 m，1條膜(1.7 m)為一個(gè)小區(qū)，小區(qū)行長(zhǎng)20 m，每個(gè)小區(qū)面積34 m2，試驗(yàn)區(qū)總小區(qū)面積408 m2。

1.4 項(xiàng)目測(cè)定方法及統(tǒng)計(jì)分析

主要觀測(cè)不同地膜達(dá)到誘導(dǎo)期、A階段、B階段、C階段、D階段的時(shí)間，以及地膜破裂情況。誘導(dǎo)期指的是剛出現(xiàn)橫向小裂縫的時(shí)間；A階段是指誘導(dǎo)期之后，地膜開(kāi)始出現(xiàn)自然1～2 cm微小裂口；B階段是指地膜出現(xiàn)2～20 cm裂縫；C階段是指地膜出現(xiàn)20～50 cm較大裂縫，且數(shù)量快速增多；D階段指地膜均勻碎裂，無(wú)大塊地膜存在。

降解地膜失重率(%)測(cè)定：取30 cm×40 cm大小不同誘導(dǎo)期的新膜各10塊，稱重后取平均值，基準(zhǔn)值(G0)；試驗(yàn)區(qū)內(nèi)在每個(gè)處理棉花中間大行，取同樣面積的地膜樣品3塊，室內(nèi)漂洗晾干。用萬(wàn)分之一天平稱重(Gi)；失重率=(G0-Gi)/G0×100。

生理參數(shù)、干物質(zhì)等的測(cè)定：采用定點(diǎn)觀測(cè)記載棉花的生育期。取樣采用“相似株”法，從棉花出苗后17 d第1次取樣，之后每隔兩周取1次樣；每次取3株，用打孔法測(cè)量葉面積；然后將不同器官分開(kāi)，風(fēng)干后稱重，計(jì)算各時(shí)期生物產(chǎn)量；計(jì)算葉面積指數(shù)。

式中，Al為測(cè)點(diǎn)內(nèi)植株的總?cè)~面積，As為測(cè)點(diǎn)所占土地面積。

式中，L1和L2分別為先后2次測(cè)定的葉面積，T2和T1分別為后1次和前1次測(cè)定的時(shí)間。LAD的單位為m2·d。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同誘導(dǎo)期可降解地膜的降解性能

2.1.1 不同誘導(dǎo)期可降解地膜的外觀降解過(guò)程 BXS60開(kāi)始破裂的最早，播后50 d進(jìn)入誘導(dǎo)期，50～55 d內(nèi)滴灌帶上方的地膜出現(xiàn)垂直方向較長(zhǎng)的裂縫，A和B階段連接非常緊，在 A階段之后的10～15 d內(nèi)破裂很快，進(jìn)入C階段，播種后 60～70 d左右，部分地方的膜已達(dá)D階段，破裂為塊狀，降解較為徹底。BXS90播后82 d達(dá)到誘導(dǎo)期，82～87 d在滴灌帶上方的膜出現(xiàn)破裂垂直紋達(dá)到A階段，87～98 d內(nèi)到達(dá)B階段，在此后的15 d內(nèi)逐漸加速破裂達(dá)C階段，在播后的95～107 d內(nèi)破裂的較為完全，基本達(dá)到D階段。BXS120破裂時(shí)間更晚，與正常膜差別不大，未達(dá)到C階段。

表1 可降解地膜破損情況(鋪膜后100 d)

表2 可降解膜的單位面積失重率

2.1.2 不同誘導(dǎo)期可降解地膜單位面積的破損率 由表1可知，破裂首先在滴灌帶上方開(kāi)始，當(dāng)破損到一定程度后滴灌帶間的膜開(kāi)始破裂，至鋪膜后100 d，不同處理的破損情況出現(xiàn)較大差異。CK在滴灌帶上方和滴灌帶間沒(méi)有明顯的破裂；BXS60破損率最高，滴灌帶上與滴灌帶間分別為49.1 %和58.3 %，BX90次之，滴灌帶上破損率34 %，滴灌帶間破損率36.8 %。

2.1.3 不同誘導(dǎo)期可降解地膜的單位面積失重率 不同處理播種后162 d和192 d的失重率調(diào)查結(jié)果表明(見(jiàn)表2)，BXS60降解性最好，可達(dá)46.5 %； BX90次之為38.19 %；BX120為18.2 %。

圖1 不同誘導(dǎo)期降解地膜對(duì)棉花株高的影響Fig.1 Effects of degradable plastic films in different induction period on cotton’s plant height

2.2 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

2.2.1 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對(duì)株高的影響 由圖1可見(jiàn)，棉花生長(zhǎng)發(fā)育前期(出苗后59 d)不同處理棉花株高基本一致，之后覆蓋可降解地膜棉花株高略高于CK，不同誘導(dǎo)期降解地膜株高差異不顯著。成熟時(shí)BXS60株高與CK接近，BXS90和BXS120分別比CK高4.44和4.77 cm。

2.2.2 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對(duì)葉面積指數(shù)的影響 由圖2可見(jiàn)，降解地膜對(duì)棉花LAI影響顯著，棉花生長(zhǎng)發(fā)育前期不同處理LAI較為接近，出苗73 d后降解地膜的LAI略高于普通地膜，BXS90、BXS60、BXS120和CK的LAImax分別為3.71、3.72、3.87和3.71，基本接近，出苗后101 d之后BXS90、BXS60的LAI略高于CK和BXS120，可見(jiàn)地膜的降解對(duì)于延緩棉花的衰老有緩解作用，促使棉花保持高LAI持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)。

2.2.3 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對(duì)群體光合勢(shì)的影響 由圖3可知，不同處理棉花群體光合勢(shì)變化均呈單峰曲線，BXS60在出苗后101 d達(dá)到峰值，其它3個(gè)處理均在出苗后115 d，BXS90的峰值最高，其次為CK，BXS120的峰值最低，棉花全生育期群體總光合勢(shì)從大到小依次為BXS90(1.34×106m2d·hm-2)>CK(1.29×106m2d·hm-2)>BXS60(1.27×106m2d·hm-2)>BXS120(1.20×106m2d·hm-2)。由此可見(jiàn)地膜的適時(shí)降解，可緩解7、8月氣溫較高造成的膜下溫度偏高對(duì)棉花生長(zhǎng)造成不利的影響，同時(shí)增加土壤的通透性，促進(jìn)棉花生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)在棉花株高、光合勢(shì)等指標(biāo)有增大的趨勢(shì)。

圖2 不同誘導(dǎo)期降解地膜棉花LAI的變化動(dòng)態(tài)Fig.2 Change dynamics of LAI of degradable plastic films in different induction period

圖3 不同誘導(dǎo)期降解地膜棉花群體光合勢(shì)的變化動(dòng)態(tài)Fig.3 Change dynamics of total photosynthetic potential ofdegradable plastic film in different induction period

2.2.4 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對(duì)干物質(zhì)積累的影響 由圖4可知不同處理干物質(zhì)積累呈S形，出苗59d之內(nèi)積累較慢，59～101 d積累較快，出苗后115 d干物質(zhì)積累趨于平緩。棉花全生育期BXS90和CK的積累曲線基本一致，BXS90干物質(zhì)積累出苗后59d開(kāi)始略高于CK，出苗后115 d差距較為明顯，成熟時(shí)CK和BXS90的干物質(zhì)積累量分別為1301.90和1382.93 g·m-2。BXS60和BXS120在出苗后87d干物質(zhì)積累和CK有差異，BXS60高于CK，而BXS120低于CK，但二者在成熟時(shí)干物質(zhì)積累量都低于CK，分別為1191.47和1267.15 g·m-2。

成熟時(shí)BXS60干物質(zhì)積累較CK低，BXS90干物質(zhì)積累高于CK，由此可見(jiàn)，地膜適時(shí)降解能夠促進(jìn)棉花干物質(zhì)積累，降解太早會(huì)影響棉花干物質(zhì)積累。

2.2.5 不同誘導(dǎo)期可降解地膜對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響 由表3可知，不同處理棉花產(chǎn)量差異顯著，BXS90產(chǎn)量為5644.1 kg· hm-2高于CK的5334.1 kg· hm-2，BXS60產(chǎn)量為5099.46 kg· hm-2，顯著低于CK，而BXS120產(chǎn)量為5321.1 kg·hm-2，與CK接近。

圖4 不同誘導(dǎo)期降解地膜棉花干物質(zhì)的變化動(dòng)態(tài)Fig.4 Change dynamics of dry matter accumulation of degradable plastic film in different induction period

不同處理產(chǎn)量差異主要表現(xiàn)在單株結(jié)鈴數(shù)上，單鈴重和株數(shù)各個(gè)處理之間差異不明顯，可見(jiàn)，地膜適時(shí)降解能夠促進(jìn)棉花生長(zhǎng)，增加單株結(jié)鈴數(shù)，而從提高棉花產(chǎn)量。BXS60在棉花出苗50 d后開(kāi)降解，對(duì)棉花生長(zhǎng)造成一定影響，從而產(chǎn)量低于CK，BXS120開(kāi)始降解較晚，且地膜降解并未達(dá)到C階段，與覆蓋常規(guī)地膜效果基本一致。

3 討 論

影響地膜降解性能的因素很多，不同的生產(chǎn)廠家、原材料配方及誘導(dǎo)期設(shè)計(jì)等導(dǎo)致其降解性能不同。趙愛(ài)琴等[11]研究表明，作物苗期(覆膜20 d)膜邊緣出現(xiàn)2～3 cm的裂紋；33 d之后地膜裂成塊、逐漸變?。蛔魑锸斋@期，暴露在地表的地膜降解較完全，觀察不到明顯大塊地膜存在。何文清等[12]研究了的3種淀粉基全生物降解地膜的降解過(guò)程，在新疆試驗(yàn)點(diǎn)地膜誘導(dǎo)期較晚，30～45 d左右可以達(dá)到，埋在土里180 d在降解率最高僅為31.2 %。沈宏等[13]研究表明不同降解地膜類型，誘導(dǎo)期不同，地膜降解受到作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程影響，一般來(lái)說(shuō)，9月中旬可達(dá)到C階段，收獲后完成光解階段。戰(zhàn)勇等[5]研究表明，誘導(dǎo)期早的可降解地膜在覆膜后25～30 d達(dá)到出現(xiàn)破裂垂直紋，降解比較徹底。誘導(dǎo)期晚的地膜品種在播種后35 d出現(xiàn)裂紋，65～80 d破裂較多，達(dá)到D階段后降解緩慢。申麗霞[14]研究了光降解地膜和生物降解地膜，分別在覆膜后30、40 d開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，70 d出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，90 d無(wú)大塊地膜存在，地膜質(zhì)量損失率分別為55.48 %、39.99 %。目前降解地膜的大田表現(xiàn)判斷定性的居多，通過(guò)傳統(tǒng)計(jì)空洞大小、數(shù)量等確定，對(duì)于地膜降解物理指標(biāo)和定性的研究較少。溫善菊等[15]研究了4種可降解地膜在紫外光條件下的降解過(guò)程。張雪梅等[16]分析了PE-3和PE-4 2種降解膜在石河子、博樂(lè)地區(qū)降解過(guò)程和力學(xué)性能的變化。王星等[17]研究了普通地膜和3種可降解地膜的熱解過(guò)程及熱動(dòng)力學(xué)特性。本研究中降解地膜的降解與上述學(xué)者的報(bào)道相似，降解地膜首先變薄變脆、然后出現(xiàn)孔洞，滴灌帶間的膜先開(kāi)始降解。本研究通過(guò)單位面積破損率和單位面積失重率對(duì)地膜的降解性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，較科學(xué)系統(tǒng)的確定了降解地膜的降解過(guò)程。

表3 不同降解地膜膜棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的差異

降解地膜對(duì)于作物生長(zhǎng)的影響，國(guó)內(nèi)有部分學(xué)者進(jìn)行了研究，大部分結(jié)果表明降解地膜具有增溫保濕的功效，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響較小或有促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育的作用。康虎等[10]等研究表明生物質(zhì)可降解地膜在玉米生長(zhǎng)的前50天具有較好保溫作用，保墑作用可維持70 d左右，覆蓋降解地膜能促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量8 %左右。趙愛(ài)琴[11]的研究表明，覆蓋降解膜使玉米生育期提前，植株較高，葉面積指數(shù)較大，產(chǎn)量和普通膜差異不顯著。毛任釗等[l8]研究也表明，棉田覆蓋光降解地膜能顯著的改善土壤生態(tài)條件，且降解性能良好。本研究與上述研究結(jié)果一致。BXS90在棉花出苗后82 d開(kāi)始降解，其LAI、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量均高于CK。

目前降解地膜的大面積推廣應(yīng)用仍存在一定問(wèn)題，其中地膜降解的不可控性是關(guān)鍵難題。地膜降解性受光照、溫度等其它環(huán)境因素的影響較大，降解太早，地膜的保溫作用尚未完成，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，造成田間雜草較多，增加人工成本。地膜開(kāi)始降解時(shí)間太晚，地膜降解很難達(dá)進(jìn)入C階段，當(dāng)年的降解率太低。地膜降解成小塊，又不能完全降解時(shí)，給地膜的回收工作也帶了更大的難度。

4 結(jié) 論

可降解地膜誘導(dǎo)期在80 d左右，既能夠達(dá)到降解要求，又能促進(jìn)棉花生長(zhǎng)，提高棉花產(chǎn)量。表現(xiàn)在BXS90在棉花出苗后82 d開(kāi)始降解，其LAI、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量均高于CK。BXS60在棉花出苗后50 d開(kāi)始降解，60～70 d達(dá)到D階段，單位面積破損率和失重率最高，其影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育，棉花有減產(chǎn)趨勢(shì)。BXS120干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量與CK接近，但其降解性能較差，未能達(dá)到降解地膜的應(yīng)用效果。

新疆干旱半干旱氣候決定了新疆的節(jié)水農(nóng)業(yè)必須依靠膜下滴灌，必須借助地膜覆蓋的增溫保墑作用保證棉花等作物的正常成熟，但地膜大面積應(yīng)用后造成的“白色污染”越來(lái)越引起關(guān)注，因此本研究選擇降解地膜對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響、地膜降解性能方面開(kāi)展科學(xué)研究，對(duì)于新疆農(nóng)田生態(tài)治理有重要意義。