王 斌，萬艷芳，王金鑫，孫九勝，槐國龍， 崔 磊，張彥紅，魏彥宏，劉國宏

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 拜城農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，新疆拜城 842300)

隨著聚乙烯農(nóng)用PE地膜的連年使用，殘留在農(nóng)田中的地膜逐年累積、增加，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、通透性變差、地力下降[1-3]，影響作物根系生長、發(fā)育和吸收，最終影響到作物產(chǎn)量提升[4-6]。由地膜殘留帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[7-9]。因此，可降解地膜的研究和推廣應(yīng)用受到極大的關(guān)注。

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是重要的糧食和蔬菜兼用作物[10-11]，其分布廣泛，容易栽培，營養(yǎng)豐富，有“地下蘋果”之美譽(yù)[12]。2015年，馬鈴薯已成為中國第四大主糧，成為糧食安全的重要保障[12-14]。南疆光熱資源豐富，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度高，非常適宜馬鈴薯的繁種及栽培，主產(chǎn)縣為澤普縣和拜城縣[15]。2016年，新疆覆蓋地膜的馬鈴薯種植面積已經(jīng)達(dá)到3.5萬hm2，總產(chǎn)量約 86萬～137萬t，單產(chǎn)在全國排名前列[16]。目前，針對南疆馬鈴薯的研究多集中于栽培技術(shù)、品種選擇等方面[17]，而針對覆蓋降解地膜對馬鈴薯產(chǎn)量和土壤環(huán)境影響的研究鮮見報(bào)道。本研究以南疆馬鈴薯典型種植區(qū)的拜城縣為試驗(yàn)區(qū)，以聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)型全生物降解地膜為處理，研究馬鈴薯生育期降解地膜的降解特征以及其對馬鈴薯產(chǎn)量、土壤溫濕度和養(yǎng)分等指標(biāo)的影響，為南疆馬鈴薯種植過程中降解地膜的使用與推廣提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣拜城農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，該區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候。年均氣溫 7.6 ℃，最高氣溫38.3 ℃，最低氣溫-28 ℃，無霜期133～163 d，年均日照時(shí)數(shù)為2 789.7 h，年均降水量171.13 mm；馬鈴薯生育期月均降雨量為14 mm、月均溫度為22.9 ℃；地下水位2～3 m。

試驗(yàn)區(qū)為砂壤土，0～20 cm土層土壤pH 8.36，有機(jī)質(zhì)23.83 g·kg-1、速效氮110.8 mg·kg-1、速效磷84.4 mg·kg-1、速效鉀216 mg·kg-1、總鹽1.4 g·kg-1，20～40 cm土層土壤pH 8.60，有機(jī)質(zhì)18.65 g·kg-1、速效氮73.7 mg·kg-1、速效磷49.9 mg·kg-1、速效鉀182 mg·kg-1、總鹽1.2 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)馬鈴薯品種為‘大西洋’。處理為PBAT型全生物降解地膜(產(chǎn)自新疆康潤潔環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆韵潞唽憺锽MF)、普通PE地膜為對照(CK)，共計(jì)2個(gè)處理，3次重復(fù)。試驗(yàn)處理膜寬90 cm、膜厚0.010 mm。小區(qū)面積1 333.34 m2，壟寬70 cm，壟高20 cm，溝寬50 cm；一壟一膜一管兩行、膜下滴灌、機(jī)械覆膜。試驗(yàn)播種方式、肥料用量、種植與管理等同當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?017-04-20播種，8月8日收獲。2017年為降解膜定位鋪設(shè)的第3年。試驗(yàn)灌溉制度見表1。

表1 馬鈴薯田間灌水時(shí)間與用量Table 1 Irrigation time and quantity of potato in field

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 地膜降解程度 馬鈴薯生育期，用數(shù)碼相機(jī)每半個(gè)月定點(diǎn)采集地膜照片，參照文獻(xiàn)[18]對采集的照片進(jìn)行圖像處理，得到地膜自然降解破損率。

1.3.2 馬鈴薯產(chǎn)量 每個(gè)處理隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)按照一壟寬、5 m長挖取所有馬鈴薯，稱量、記錄。

1.3.3 土壤溫濕度 采用L99-TWS-3型的土壤溫度水分記錄儀(上海發(fā)泰精密儀器儀表有限公司產(chǎn))，對膜下5 cm、15 cm和25 cm土層的土壤溫度和水分進(jìn)行連續(xù)不間斷測定、時(shí)間間隔2 h，測定時(shí)間段為6月2日至8月7日。

1.3.4 土壤理化性質(zhì) 對土壤基礎(chǔ)值(3月24日)、作物生長中期(6月8日)和成熟期(8月2日)土壤，以“S”形取樣法在每個(gè)小區(qū)取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，每個(gè)處理重復(fù)3次，測定樣品土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和總鹽。

土壤pH用數(shù)顯酸度計(jì)測定，土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法，土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法，土壤速效磷采用鉬銻抗比色法，土壤速效鉀采用火焰光度法，土壤總鹽用烘干質(zhì)量法測定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖，用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析，數(shù)據(jù)間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期BMF降解特征

馬鈴薯生育進(jìn)程中，BMF出現(xiàn)了較為明顯的降解(圖1)。BMF裂解過程表現(xiàn)為覆膜30 d開始出現(xiàn)裂紋，40 d出現(xiàn)細(xì)小裂紋，80 d出現(xiàn)較長裂紋，到成熟期108 d壟上大部分地膜裂解為 4 cm×4 cm以下碎片；壟邊埋土部分仍具有一定韌性，破孔較小，但地膜已經(jīng)變薄，降解速度滯后于地表面部分。而CK在整個(gè)生育期未出現(xiàn)降解，僅在收獲前，因農(nóng)事操作等影響，部分膜面出現(xiàn)破碎。

BMF的破損率隨著馬鈴薯生育進(jìn)程表現(xiàn)為6-7月破損率較小，為0.4%～4.0%，8月成熟期地膜破損率較大(15.0%)的變化趨勢(圖1)。地膜破損率從6月6日的0.48%增加至8月2日的15.0%。其中，7月17日至8月2日之間的遞增幅度最大，為10.98%，占總增量的75.62%。表明馬鈴薯覆蓋降解地膜近4個(gè)月后(即8月后)，進(jìn)入快速降解時(shí)期。

圖1 馬鈴薯生長期BMF破損率變化Fig.1 Changes of BMF degradation rate during potato growth period

2.2 BMF覆蓋對土壤溫度的影響

2.2.1 馬鈴薯不同生育期土壤溫度日變化 馬鈴薯不同生育期[塊莖形成期(06-15)、塊莖增長期(07-01)、成熟期(08-06)]降解膜處理和CK處理，膜下0～30 cm的土壤平均溫度(即5 cm、15 cm和25 cm 3個(gè)土層土壤溫度的平均值，下同)日變化均呈先減小后增大再減小的變化趨勢(圖2)，即在0:00-10:00期間，土壤溫度逐漸減小，從10:00開始逐漸回升，18:00達(dá)到峰值，之后又逐漸回落。不同處理 0:00-12:00期間，膜下土壤溫度基本一致，而 12:00-22:00期間，CK明顯高于BMF(圖2)。

馬鈴薯塊莖形成期和塊莖增長期BMF和CK的土壤溫度日變化幅度較大，土溫分別為 20～32 ℃和17～30 ℃，而成熟期(08-06)為19～27 ℃。從土溫的日均值和最高值來看，塊莖形成期BMF分別較CK低0.5 ℃和1.8 ℃，塊莖增長期分別較CK低0.7 ℃和2.2 ℃，成熟期分別較CK低0.4 ℃和0.5 ℃。兩個(gè)處理在馬鈴薯塊莖形成期和塊莖增長期土壤溫度差異較大，而成熟期差異相對較小。其原因是馬鈴薯成熟期前，BMF裂解率較小(圖1中6、7月)，但此階段晝夜溫差較大(在15 ℃以上)，而成熟期BMF裂解率增大(圖1中8月)，但此階段晝夜溫差較小(在 5 ℃以下)。

圖2 馬鈴薯不同生育期膜下0～30 cm土層平均地溫日變化Fig.2 Diurnal variation of mean ground temperature in 0-30 cm soil layer under different growth stages of potato

2.2.2 馬鈴薯生育期不同土層土壤溫度變化 膜下5 cm、15 cm和25 cm，馬鈴薯全生育期BMF和CK的土壤溫度(簡稱“土溫”，為生育期連續(xù)監(jiān)測值)變化趨勢基本一致，即隨生育進(jìn)程均呈先增大后減小的變化趨勢(圖3)。

從不同土層來看，隨著土層深度增加，土溫波動(dòng)越發(fā)平緩(圖3)。其中，兩處理膜下5 cm的土溫變幅較大，分別為19.2～27.8 ℃和19.3～ 29.2 ℃，膜下25 cm土溫變幅較小、分別為 19.2～25.6 ℃和19.6～24.9 ℃?？梢?，地膜覆蓋對土壤不同層次的增溫效果由表層向下層 遞減。

從不同處理來看，全生育期BMF膜下5 cm和15 cm的平均土溫分別較CK低1.08 ℃和0.26 ℃，而膜下25 cm的較CK高0.27 ℃，但不同土層兩種地膜處理的平均土溫差異均不顯著(P>0.05)(圖4)。統(tǒng)計(jì)表明，膜下0～30 cm平均土壤溫度，BMF較CK低0.4 ℃。

圖3 馬鈴薯生育期膜下不同土層溫度變化Fig.3 Temperature changes of different soil layers under different potato growing stages

2.3 BMF覆蓋對土壤水分的影響

2.3.1 馬鈴薯生育期土壤水分日變化 由圖5可以看出，馬鈴薯不同生育期膜下0～30 cm，BMF平均土壤含水率日變化幅度較小，穩(wěn)定在一個(gè)較小數(shù)值區(qū)間；其中，塊莖形成期(06-15)、塊莖增長期(07-01)和成熟期(08-06)土壤含水率分別為39.7%～41.3%、35.4%～38.0%和29.5%～31.4%；而同期CK的平均土壤含水率日變化差異較大，塊莖形成期、塊莖增長期和成熟期分別為44.3%～58.3%、42.9%～60.4%和36.2%～38.2%。

從不同處理來看，馬鈴薯各生育期BMF膜下0～30 cm平均土壤含水率明顯低于CK(圖5)，塊莖形成期、塊莖增長期和成熟期分別較CK低8.4%、12.1%和7.3%。馬鈴薯全生育期，BMF膜下0～30 cm的平均土壤含水率明顯低于CK，主要是馬鈴薯生育期BMF膜面裂解(如圖1所示)、水分散失所致。而馬鈴薯成熟期，BMF裂解率增大(圖1)，但平均土壤含水率并沒有與CK差距拉大，主要是8月后日均溫差顯著縮小的 原因。

不同小寫字母表示差異顯著水平在P<0.05 Different lowercase letters indicate significant level atP<0.05；下同 The same below

圖4 馬鈴薯全生育期膜下0～30 cm土層平均溫度變化
Fig.4 Average temperature changes of 0-30 cmsoil layers under each treatment duringthe whole growth period of potato

圖5 各處理馬鈴薯不同生育期膜下0～30 cm土壤含水率日變化Fig.5 Diurnal changes of soil moisture of 0-30 cm during different growth stages of potato

2.3.2 馬鈴薯生育期不同土層土壤水分變化 BMF和CK膜下5 cm、15 cm和25 cm平均土壤含水率生育期內(nèi)變化趨勢基本一致(圖6)，兩處理膜下5 cm和15 cm土壤含水率隨著生育進(jìn)程波動(dòng)較小，土壤含水率分別為22.2%～38.4%和25.4%～44.0%，30.1%～48.1%和37.0%～58.8%，BMF在膜下25 cm土壤含水率為 31.8%～45.3%，但6月13日至15日和6月29日至7月1日期間，CK土壤含水率波動(dòng)較大，出現(xiàn)了兩次較大的峰值，分別為79.2%和85.6%。

馬鈴薯全生育期，BMF在膜下5 cm、15 cm和25 cm的平均土壤含水率明顯低于CK 3.77%、5.64%和14.60%(圖7)。方差分析得到，兩個(gè)處理在膜下5 cm平均土壤含水率差異不顯著，而15 cm和25 cm處CK均顯著大于BMF。統(tǒng)計(jì)表明，BMF在膜下0～30 cm平均土壤含水率較CK低8.0%。

2.4 BMF覆蓋對土壤養(yǎng)分等指標(biāo)的影響

在0～20 cm土層，與CK比較，BMF的土壤養(yǎng)分、pH和鹽分變化趨勢有所不同(表2)。BMF的土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀均是先升高后降低，速效氮一直高于CK，而總鹽是先降低后升高的變化趨勢。然而，不論如何變化，BMF的土壤養(yǎng)分、pH和鹽分均與CK不顯著。

同樣，在20～40 cm土層，與CK處理比較，BMF的土壤養(yǎng)分、pH和鹽分變化趨勢也各有不同(表3)。BMF的土壤pH先升高后降低，而土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和總鹽含量則均是先降低后升高的變化趨勢?？傊?0～40 cm土層，BMF的土壤理化指標(biāo)均與CK差異不 顯著。

2.5 BMF對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

從表4中可看出，BMF的產(chǎn)量較CK增產(chǎn) 2 500.01 kg·hm-2、增產(chǎn)率為5.67%，但增產(chǎn)差異不顯著(P>0.05)。

圖7 馬鈴薯全生育期不同土層平均土壤含水率變化Fig.7 Changes of average soil moisture in different soil layers during the whole growth period of potato

表2 膜下0～20 cm土層土壤養(yǎng)分變化Table 2 Changes of soil nutrient under the 0-20 cm soil layer

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference between treatments(P<0.05),the same below.

表3 膜下20～40 cm土層土壤養(yǎng)分變化Table 3 Changes of soil nutrients under the 20-40 cm soil layer

表4 不同處理的馬鈴薯產(chǎn)量Table 4 Potato yield in different treatments

注：相同字母間表示差異不顯著(P>0.05)。

Note:Same lowercase letters indicate no significant difference between treatments(P>0.05).

3 討 論

隨著聚乙烯塑料地膜使用年限的增加，殘留在農(nóng)田中的地膜逐年增加，破壞了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和土壤結(jié)構(gòu)，也對作物生長發(fā)育造成了不良影響[20]?？山到獾啬ぴ谔岣咄寥罍貪穸纫约爱a(chǎn)量水平方面與普通聚乙烯PE地膜相當(dāng)，還具有自然降解作用[1,20-22]，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，大力發(fā)展可降解地膜將成為趨勢[23]。

李海萍等[22]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯中 0.008 mm的全生物可降解膜覆膜30 d后出現(xiàn)一定程度的降解，在收獲前(85 d后)出現(xiàn)10 cm以上裂紋，而普通PE地膜未出現(xiàn)降解。本研究結(jié)論與該研究基本一致，主要區(qū)別在于降解地膜的降解時(shí)間，該指標(biāo)主要受降解地膜的材料、降解膜應(yīng)用的作物類型以及當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥?、灌溉等因素影響[24-25]。

本研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯全生育期內(nèi)，降解地膜在膜下5 cm和15 cm的平均土溫分別較CK低 1.08 ℃和0.26 ℃，膜下25 cm較CK高 0.27 ℃，但差異均不顯著；而降解地膜在膜下5 cm、15 cm和25 cm的平均土壤含水率分別較CK低3.77%、5.64%和14.60%。這應(yīng)該是馬鈴薯整個(gè)生育期CK膜面未出現(xiàn)破損，地膜保墑、保溫作用得到了很好的發(fā)揮，而降解地膜隨時(shí)間延長，膜面部分降解破裂使地膜保溫保墑作用下降的原因。李海萍等[22]、王建武等[26]和李振華等[27]研究也發(fā)現(xiàn)馬鈴薯在聚乙烯塑料地膜覆蓋后，土壤耕層增溫和保水能力較生物降解地膜強(qiáng)。

本研究發(fā)現(xiàn)，南疆馬鈴薯生長中期和成熟期降解地膜和CK覆蓋下土壤養(yǎng)分略有不同，但無顯著差異(P>0.05)。但段義忠等[28]發(fā)現(xiàn)生物可降解膜覆蓋可增加土層肥力，且土壤有機(jī)質(zhì)、速效NPK含量均顯著高于CK，這與本試驗(yàn)的結(jié)論有所不同。出現(xiàn)差異的原因可能是以下幾個(gè)方面：第一，生物可降解膜的材料不同，使得補(bǔ)充到土壤中的養(yǎng)分及含量有所不同；第二，是由于降解膜材料、當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥浪实纫蛩氐牟町愒斐傻啬そ到馑俾什煌?本研究中馬鈴薯成熟期降解地膜降解破損率為15.0%)，進(jìn)而造成補(bǔ)充到土壤中的養(yǎng)分產(chǎn)生差異。

許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，降解地膜覆蓋下的馬鈴薯產(chǎn)量較CK高[22，26-28]。李海萍等[22]、黃瑤珠等[29]和Gao等[30]發(fā)現(xiàn)全生物降解地膜馬鈴薯產(chǎn)量較CK增產(chǎn)顯著；金良等[31]發(fā)現(xiàn)6種生物降解地膜的馬鈴薯產(chǎn)量既有大于CK、也有小于CK的，產(chǎn)量與CK非常接近；而李振華等[27]、高旭華等[32]發(fā)現(xiàn)降解地膜馬鈴薯產(chǎn)量雖較普通膜高，但無顯著差異。本研究與這些結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

南疆馬鈴薯生育期，BMF降解程度表現(xiàn)為 6-7月自然降解破損率較小、為0.4%～4.0%，8月成熟期破損率較大，為15.0%；而同一時(shí)期CK未出現(xiàn)降解。從土壤溫度看，BMF在馬鈴薯塊莖形成期、塊莖增長期和成熟期 0～30 cm土層內(nèi)，平均土溫分別較CK的低0.5 ℃、0.7 ℃和 0.4 ℃；馬鈴薯整個(gè)生育期BMF處理膜下5 cm和15 cm的平均土溫分別較CK低1.08 ℃和 0.26 ℃，膜下25 cm較CK高0.27 ℃，但兩處理各土層平均土壤溫度差異均不顯著。從土壤水分看，馬鈴薯塊莖形成期、塊莖增長期和成熟期BMF 0～30 cm土層內(nèi)，平均土壤含水率分別較CK低 8.4%、12.1%和7.3%；馬鈴薯整個(gè)生育期BMF處理膜下5 cm、15 cm和25 cm的平均土壤含水率分別較CK低3.77%、5.64%和 14.60%。馬鈴薯生育期內(nèi)，0～20 cm和20～40 cm土層，BMF與CK間土壤養(yǎng)分、鹽分和pH差異均不顯著。馬鈴薯BMF處理增產(chǎn)2 500.01 kg·hm-2，增產(chǎn)率為5.67%，但增產(chǎn)不顯著。