馮歡 ，何文清*，張鳳華，劉琪，呂軍，劉曉偉

1. 石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，新疆 石河子 832003

新疆屬于典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源是限制該地區(qū)作物生長(zhǎng)的主要因素（Debaeke et al.，2004）。20世紀(jì)80年代，地膜覆蓋技術(shù)開(kāi)始在新疆推廣應(yīng)用，由于覆蓋地膜可以改善土壤水熱狀況，控制雜草，提高作物品質(zhì)（Subrahmaniyan et al.，2012；江燕等，2014），其使用量及覆蓋面積快速增長(zhǎng)，截至2016年，地膜使用量及覆蓋面積分別為22.87萬(wàn)噸和340.52萬(wàn)公頃（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2017）。地膜已經(jīng)成為新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的生產(chǎn)資料之一。然而普通地膜主要成分為聚乙烯，具有不易分解、降解周期長(zhǎng)等特性，故隨著地膜投入時(shí)間及投入量增加，殘留在土壤中的地膜越來(lái)越多，地膜殘留會(huì)影響作物出苗率及產(chǎn)量，降低土壤養(yǎng)分，促進(jìn)土壤次生鹽漬化，造成環(huán)境污染（Briassoulis，2006；Scarascia- Mugnozza，2004；Liu et al.，2014；趙巖等，2017）。

可降解地膜被認(rèn)為是解決殘膜污染的重要途徑之一。國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用的可降解地膜主要有生物降解地膜、光降解地膜、光/生降解地膜、植物纖維地膜、液態(tài)噴灑地膜。植物纖維地膜以天然可再生高分子纖維素為材料，可以實(shí)現(xiàn)廢棄資源再利用（纖維素大量存在于綠色植物中，每年近 89%的天然纖維素被浪費(fèi)），但是由于其地膜厚度及透明度等指標(biāo)未達(dá)到與普通地膜相當(dāng)?shù)某潭?，目前仍處于試?yàn)研發(fā)階段（賈珊珊等，2011；李麗霞等，2012）。光降解地膜由于受外在因素制約較大，其埋入土壤的部分不能被降解，故其應(yīng)用受到制約。光/生降解地膜降解后會(huì)形成塑料小顆粒，且人工不易清除，不利于農(nóng)業(yè)的生態(tài)發(fā)展。液態(tài)噴灑地膜可噴灑于土壤表面后形成黑色環(huán)保固化膜，具有保墑保水作用，在微生物作用下可在一定時(shí)間內(nèi)可自然分解為有機(jī)肥，提高土壤肥力，環(huán)保無(wú)污染（周昌明等，2016），但風(fēng)吹、日曬等作用易造成液態(tài)地膜提前破損降解，削弱地膜保墑保水能力，最終會(huì)影響作物產(chǎn)量及質(zhì)量（金虹等，2017）。與液態(tài)地膜相比，生物降解地膜覆蓋下葵花產(chǎn)量及干物質(zhì)量增加更為顯著（胡敏，2018）。生物降解地膜含有淀粉和纖維素等可降解物質(zhì)，在自然條件下可以被微生物分解利用，最終降解為二氧化碳和水等小分子物質(zhì)，可以避免污染土壤環(huán)境，且眾多研究（白麗婷等，2010；Moreno et al.，2008）表明，覆蓋生物降解地膜對(duì)小麥、番茄等作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響與普通地膜沒(méi)有差異，將其應(yīng)用于烤煙作物時(shí)，作物產(chǎn)量高于普通地膜（王錫春等，2016；劉群等，2011）。因此，生物降解地膜代替普通地膜覆蓋被認(rèn)為是解決農(nóng)田地膜殘留污染的理想途徑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有巨大潛力，在日本和歐洲，生物降解地膜在地膜市場(chǎng)的份額已經(jīng)達(dá)10%左右（嚴(yán)昌榮等，2016）。

棉花作為新疆主要種植作物之一，2015年種植面積達(dá) 227.3萬(wàn)公頃（新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局，2016），占全疆作物種植面積37.11%，覆蓋地膜可以使棉花產(chǎn)量增加14.7%－20.4%（董合忠等，2011），覆膜率幾乎達(dá)到100%，覆膜面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他作物。因此，棉田地膜殘留量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他作物，據(jù)調(diào)查，新疆棉田中每年有 18 kg·hm-2的地膜殘留在土壤中，覆膜 20年后土壤中地膜平均殘留量高達(dá)(259.1±36.78) kg·hm-2（梁志宏等，2012；嚴(yán)昌榮等，2008；嚴(yán)昌榮等，2014）。以往研究（王錫春，2016；劉群，2011；顧海蓉，2009）主要集中于通過(guò)對(duì)比生物降解地膜與普通PE地膜對(duì)棉花土壤溫度，水分以及產(chǎn)量的影響，評(píng)價(jià)生物降解地膜的適應(yīng)性，很少結(jié)合生物降解地膜本身的特性進(jìn)行分析，不利于生物降解地膜的改進(jìn)及推廣。本研究通過(guò)連續(xù)兩年定位試驗(yàn)研究生物降解膜覆蓋對(duì)地膜田間降解情況、機(jī)械性能、土壤溫度特征及對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，結(jié)合生物地膜的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)判斷生物降解膜在棉花生產(chǎn)中的適宜性，為新疆棉田可持續(xù)生態(tài)生產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年和2016年連續(xù)兩年在新疆石河子市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)地（43°26′－45°20′N，84°58′－86°24′E）進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，日照充沛，全年日照時(shí)數(shù)2074－2668 h，年平均氣溫約7 ℃，≥10 ℃的活動(dòng)積溫為3570－3729 ℃。無(wú)霜期 168－171 d，年均降水量 125－207.7 mm。土壤肥力基本情況：有機(jī)質(zhì)14.93 g·kg-1，全氮 0.92 mg·kg-1，有效氮 64.3 mg·kg-1，速效磷 15.9 mg·kg-1，速效鉀 138.2 mg·kg-1，pH 為 7.76。試驗(yàn)田土壤類型為灰漠土，土壤質(zhì)地為中壤。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及材料

試驗(yàn)包括兩個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列：（1）普通地膜處理（PE），地膜主要成分為PE（聚乙烯）；（2）生物降解地膜處理（BD），地膜主要成分為PBAT（聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯）。試驗(yàn)中棉花種植采用膜下滴灌技術(shù)，機(jī)械平作鋪膜，地膜寬度為2.25 m，1膜3管6行，株距為9 cm，種植密度為1067 plant·hm-2左右。其他管理為大田常規(guī)管理。小區(qū)面積為32.5 m2（5 m×6.5 m）。供試棉花品種為“新陸早61號(hào)”。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

（1）降解膜降解情況：采用目測(cè)法，在每個(gè)小區(qū)固定3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在覆膜后每隔一段時(shí)間于每條地膜寬行處相同位置放置相框（40 cm×40 cm）進(jìn)行降解膜定時(shí)定點(diǎn)拍照，并記錄地膜表面變化程度，如是否出現(xiàn)裂紋、碎裂程度等。降解地膜降解分級(jí)參照何文清（2011）的方法，通過(guò)目測(cè)觀察記錄地膜膜面外觀變化：誘導(dǎo)階段——開(kāi)始出現(xiàn)小裂縫的時(shí)間階段；破裂階段——膜面出現(xiàn)大裂縫的時(shí)間段；崩裂階段——地膜已經(jīng)裂解成大碎片的時(shí)間段；完全降解階段——地表幾乎無(wú)地膜殘留的時(shí)間。分別觀察這4個(gè)階段出現(xiàn)的時(shí)間，并記錄。降解率采用像素分析法。

（2）地膜保水性能：分別于2015年，2016年6月進(jìn)行，在水杯中裝入等量的水，將每一種測(cè)試膜裁剪為大小相同的3份，將完整的地膜覆蓋于水杯上，并封嚴(yán)，放置于無(wú)遮擋的屋頂，暴曬15 d后測(cè)定保水率Rwr。

式中，V1為暴曬15 d后水杯內(nèi)水體積（mL）；V為水杯內(nèi)原始水體積（mL）。

（3）地膜韌性：使用拉力機(jī)（XLW (B) 智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)）測(cè)定地膜韌性，2015年和2016年分別于覆膜后30 d、100 d和覆膜后43 d、73 d后取得同等大小覆蓋地膜樣品帶回室內(nèi)，通過(guò)取樣刀分別獲取橫向地膜樣品和縱向地膜樣品并上機(jī)，分別測(cè)得地膜橫向及縱向拉伸負(fù)荷和拉伸位移，并通過(guò)地膜拉伸位移計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率Re：

式中，Δl為地膜拉伸位移（mm）；l為原始長(zhǎng)度（mm）。

（4）土壤溫度：采用RC-4（中國(guó)）型土壤溫度記錄儀測(cè)定，于棉花播種完成后埋下儀器，棉花收獲時(shí)取出。儀器探頭埋設(shè)深度為10 m，每隔30 min自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)，3次重復(fù)。

（5）棉花產(chǎn)量：以小區(qū)實(shí)收的籽棉產(chǎn)量折算畝[1畝=(1/15) hm2]籽棉產(chǎn)量。

（6）經(jīng)濟(jì)效益：總投入包括畝棉田花費(fèi)的肥料、種子、農(nóng)藥、水電費(fèi)、地膜、滴灌肥、撿拾棉花、耕地以及人工管理等費(fèi)用；總產(chǎn)出為棉花產(chǎn)量乘以棉花單價(jià)；凈收入為總產(chǎn)出減去總投入；產(chǎn)投比為產(chǎn)出與總投入之比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS 20統(tǒng)計(jì)軟件在0.05水平下進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯著性比較。并使用Origin Pro 2017作圖軟件對(duì)圖1進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物降解地膜田間降解情況評(píng)價(jià)

生物降解地膜田間降解過(guò)程觀察結(jié)果表明（表1），BD誘導(dǎo)階段發(fā)生在覆膜后51－62 d，膜面有針眼大小的細(xì)孔及細(xì)微裂縫，出現(xiàn)降解現(xiàn)象，但膜面完整，仍具有良好的增溫保墑效果。于覆膜后73 d左右進(jìn)入破裂階段，膜面較脆，出現(xiàn)大量裂紋，降解速度加快。覆膜后84－95 d，膜面出現(xiàn)大面積降解，裂解成大碎塊，沒(méi)有完整膜面，地膜基本功能喪失。至棉花收獲，地表仍存在大小不一的地膜碎片，基本與地表相貼，不易分開(kāi)。PE始終未發(fā)生裂解。BD各個(gè)裂解時(shí)期在兩年間出現(xiàn)的時(shí)間差異不大，降解性能穩(wěn)定。2015年BD和PE降解率分別為 84.34%和 0.15%，2016年分別為 72.08%和0.00%，2015年和2016年BD降解率分別比PE高84.19%和72.08%。

表1 2015-2016年生物降解地膜膜面降解情況Table 1 Degradation of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.2 生物降解地膜田間機(jī)械性能變化

地膜拉伸負(fù)荷是指拉伸地膜至斷裂時(shí)地膜試樣所受到的最大拉伸力，地膜的斷裂伸長(zhǎng)率是指拉伸地膜至斷裂時(shí)地膜試樣位移值與原長(zhǎng)的比值，兩種指標(biāo)均可表征地膜機(jī)械性能。由表 2可知，BD和PE在使用過(guò)程中，由于受到風(fēng)吹、日曬等外界因素影響，其機(jī)械性能會(huì)受到自然損害，拉伸負(fù)荷和斷裂伸長(zhǎng)率均出現(xiàn)不同程度的下降。2015年及2016年覆膜期間，BD與PE橫縱向拉伸負(fù)荷均有所下降但PE下降幅度較小，橫縱向拉伸負(fù)荷兩年平均分別下降0.4 N和0.5 N，而B(niǎo)D下降幅度顯著高于PE，分別下降1.7 N和2.2 N。同樣，隨著地膜的使用地膜斷裂伸長(zhǎng)率也受到不同程度的影響，最后一次測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PE橫縱向拉伸負(fù)荷和斷裂伸長(zhǎng)率均明顯優(yōu)于 BD。整體而言，在棉花生育期中，由于BD自身具有降解性，地膜機(jī)械性能削弱較PE嚴(yán)重。

表2 2015—2016年生物降解地膜機(jī)械性能Table 2 Mechanical properties of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.3 生物降解地膜的保水性

地膜的保水性能與地膜本身制作材料有關(guān)，一般而言，地膜的保水能力越強(qiáng)，土壤貯水能力越強(qiáng)，土壤水分含量越高。由于每年氣候不同以及BD和PE的組成成分略有調(diào)整，地膜保水能力在年際間存在差異。由表3可知，2015年BD保水率比PE低22.45%，差異較顯著（P=0.010＜0.05），2016年BD比PE低17.05%，差異不顯著（P=0.139＞0.05）?？傮w而言，BD保水率低于PE，兩年平均保水率比PE低了19.89%，差異較顯著（P=0.003＜0.05），BD保水效果不如PE。

表3 2015-2016年生物降解地膜的保水性能Table 3 Water retention ability of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.4 生物降解地膜棉花不同生育期內(nèi)土壤溫度變化

圖1 2015-2016年棉花各生育期生物地膜覆蓋下10 cm土層平均溫度變化Fig. 1 Dynamic change in mean soil temperature of 10 cm depths with cotton growing under biodegradabled mulching treatments during cotton growth stages in 2015-2016

2015年和2016年棉花各生育期生物地膜覆蓋下10 cm土層平均溫度變化如圖1所示。蕾期溫度最高，苗期其次，吐絮期溫度最低。2015年，在苗期，BD土壤溫度較PE降低0.90 ℃，但溫度差異不顯著（P=0.140＞0.05）；在蕾期，BD土壤溫度較PE降低0.73 ℃，溫度差異不顯著（P=0.117＞0.05）；在花鈴期，BD土壤溫度較PE高0.11 ℃，溫度差異不顯著（P=0.620＞0.05）；在吐絮期，BD土壤溫度較PE增高0.74 ℃，溫度差異不顯著（P=0.112＞0.05）。2016年，在苗期，BD土壤溫度較PE降低0.92 ℃，溫度差異不顯著（P=0.104＞0.05），在蕾期，BD土壤溫度較PE降低0.06 ℃，溫度差異不顯著（P=0.839＞0.05），在花鈴期，BD土壤溫度較PE高0.59 ℃，溫度差異不顯著（P=0.107＞0.05），在吐絮期，BD土壤溫度較PE高0.25 ℃，溫度差異不顯著（P=0.330＞0.05）。2015年和2016年在整個(gè)生育期內(nèi)BD土壤溫度分別較PE減少0.78 ℃，0.13 ℃。

2.5 生物降解地膜對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

兩年研究表明（表4），BD覆蓋下棉花株高、果枝臺(tái)數(shù)、單株有效鈴數(shù)及單鈴重皆低于PE，導(dǎo)致棉花產(chǎn)量低于PE，2015年和2016年BD分別較PE地膜減產(chǎn)了 237.6 kg·hm-2、181.5 kg·hm-2，減產(chǎn)率分別為5.56%和4.15%，然而2015年BD棉花產(chǎn)量與PE沒(méi)有明顯差異（P=0.354＞0.05），2016年結(jié)果相似（P=0.080＞0.05）。兩年平均減產(chǎn) 209.6 kg·hm-2，平均減產(chǎn)率為 4.86%，BD減產(chǎn)差異不顯著（P=0.075＞0.05）。

2.6 地膜覆蓋效益分析

生物降解地膜覆蓋處理經(jīng)濟(jì)效益如表5所示，2015年和 2016年 BD產(chǎn)出分別較 PE低 999 yuan·hm-2和 1379 yuan·hm-2，BD 產(chǎn)出較 PE 平均減少1188 yuan·hm-2。2015年和2016年BD投入分別較 PE 增加 839 yuan·hm-2和 388 yuan·hm-2，BD投入較PE平均減少614 yuan·hm-2。主要是因?yàn)锽D地膜成本高于普通地膜，且未將普通地膜回收成本計(jì)入PE處理投入。兩年BD凈收入均較PE減少，平均減少 1803 yuan·hm-2。2015年和 2016年 BD產(chǎn)投比分別比 PE低 0.08和 0.08，兩年平均減少0.08。

3 討論

不同生物降解地膜由于材料、厚度等因素不同導(dǎo)致地膜降解時(shí)期和降解速率略有不同（何文清等，2011；張妮等，2016；申麗霞等，2012；Briassouliset al.，2018）。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于天氣差異和材料構(gòu)成略有調(diào)整，BD在兩年降解時(shí)間有所差異但整體相差不大，在覆膜51－62 d開(kāi)始降解，73 d左右出現(xiàn)大裂縫，之后快速裂解成為大碎片，BD降解性能穩(wěn)定。2015年和 2016年降解率分別為84.34%和72.08%，降解率較高，至試驗(yàn)結(jié)束有少量殘留，但剩余的生物降解地膜可被土壤微生物分解，2 a內(nèi)可完全分解（顧海蓉等，2009；袁海濤等，2017）。生物降解地膜降解速率與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在各生育期呈顯著水平（龔雙鳳等，2015），本試驗(yàn)BD在棉花苗期未降解，能夠保持其完整性，有利于土壤溫度積累及正常水分供應(yīng)，確保棉花正常生長(zhǎng)，但由于生物降解地膜的保水效果不如普通地膜，作物生長(zhǎng)時(shí)期土壤含水量會(huì)低于普通地膜，從而導(dǎo)致棉花減產(chǎn)。

表4 2015-2016年生物降解地膜處理下棉花產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素變化Table 4 Effect on yield and relevant factors of cotton under biodegradable film treatments in 2015-2016

表5 2015-2016年不同處理經(jīng)濟(jì)效益分析Table 5 Economic benefit analysis for different treatments in 2015-2016

土壤溫度作為影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的重要因素（高云光等，2010），在生物降解地膜與普通地膜覆蓋對(duì)作物生長(zhǎng)影響的研究中已被廣泛報(bào)道。研究發(fā)現(xiàn)，生物降解地膜土壤溫度在棉花生育前期低于普通地膜，但隨著作物生長(zhǎng)發(fā)育，兩者之間差異減?。ㄠw強(qiáng)，2017），與本研究結(jié)果相似。結(jié)果表明，土壤溫度在蕾期溫度最高，苗期次之，吐絮期溫度最低，這主要受氣溫及作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況影響。苗期和蕾期BD土壤溫度較PE分別降低0.91 ℃和0.39 ℃，在花鈴期和吐絮期，BD土壤溫度較PE分別提高0.35 ℃和0.50 ℃。在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，棉花苗期雖然膜面完整，但由于生物降解地膜具有降解特性，保溫效果不如普通地膜，蕾期氣溫增高，但生物降解地膜開(kāi)始降解，地膜透射率低于普通地膜，增溫保溫保水效果均不如普通地膜（張妮等，2016），但溫度差異小于苗期，可能是由于棉花植株生長(zhǎng)影響太陽(yáng)光線直射膜面，兩個(gè)處理增溫效應(yīng)均被削弱，但由于普通地膜本身增溫效果更為顯著，其所受到的削弱作用較生物降解地膜更明顯，所以兩個(gè)處理溫度差異減小?；ㄢ徠诤屯滦跗诓町愝^小，主要是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期棉花封行，地膜基本作用喪失，溫度差異越來(lái)越小。本研究中，雖然BD苗期和蕾期土壤溫度高于PE，花鈴期和吐絮期土壤溫度低于PE，但各個(gè)時(shí)期兩者間并沒(méi)有顯著性差異。然而，由于棉花屬于喜溫作物，在 2015年和2016年，苗期、蕾期兩個(gè)生育時(shí)期BD土壤積溫分別較PE高99.43 ℃和59.86 ℃，由于苗期和蕾期兩個(gè)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期BD土壤積溫較低，影響了作物生長(zhǎng)發(fā)育，以至于后期棉花產(chǎn)量也受到影響，作物生長(zhǎng)發(fā)育前期積溫差異越小，產(chǎn)量差異越小。

生物降解地膜價(jià)格是造成投入成本增加的主要原因，因此，生物降解地膜大面積推廣使用仍需對(duì)其價(jià)格不斷進(jìn)行優(yōu)化。由于本研究普通地膜被研究人員回收，遂未將人工回收費(fèi)用計(jì)入投入成本，忽略了普通地膜大田機(jī)械回收成本，所以，BD與PE實(shí)際投入成本差異應(yīng)小于 613.5 yuan·hm-2。而B(niǎo)D既滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育需要，又可降解，無(wú)需人工和機(jī)械回收，不會(huì)產(chǎn)生回收費(fèi)用，使用BD不僅有利于避免因普通地膜殘留累積造成棉花減產(chǎn)效應(yīng)，而且降低殘膜在土壤中堆積而造成的耕作難度，減少后期為治理殘膜污染所造成的資金投入。由于生物降解地膜的不斷改進(jìn)，2015和2016年P(guān)E和BD產(chǎn)量差異不斷減小，凈收入差異不斷縮小。隨著對(duì)生物降解地膜的不斷研發(fā)，其價(jià)格會(huì)不斷被優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)成本投入減少，具有廣闊的應(yīng)用前景（鄔強(qiáng)等，2017；張景俊等，2018）。

4 結(jié)論

（1）隨著覆膜時(shí)間的增加，BD在覆膜51－62 d開(kāi)始降解，地膜拉伸負(fù)荷下降幅度顯著高于 PE，BD機(jī)械性能和保水性能明顯低于PE。

（2）BD和PE在蕾期溫度最高，吐絮期溫度最低。BD和PE在苗期土壤溫度差異最大，在花鈴期和吐絮期土壤溫度差異較小。

（3）BD較PE兩年產(chǎn)量均減少，但每年產(chǎn)量差異在不斷縮小。BD凈利潤(rùn)較PE減少，產(chǎn)投比降低。因此，雖然BD生態(tài)效益優(yōu)于PE，但基于經(jīng)濟(jì)效益生物降解地膜代替普通地膜使仍需進(jìn)行大量的研究示范。