穆曉國,高 虎,李?？?高富成,張 瑩,葉 林,2

(1.寧夏大學農(nóng)學院,銀川 750021;2.寧夏設(shè)施園藝工程技術(shù)研究中心,銀川 750021)

【研究意義】寧夏地處我國西北部,屬溫帶大陸性氣候,常年干旱少雨,水資源虧缺,限制當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展。地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用推廣以來,由于覆蓋地膜可以改善土壤水熱環(huán)境,促進高產(chǎn)高質(zhì)[1-2],解決氣候環(huán)境對作物生長的制約問題,使得地膜覆蓋面積得到快速增加[3]。在覆膜栽培技術(shù)引進以來,由于回收地膜不徹底,土壤中積累了大量殘膜,使得土壤結(jié)構(gòu)破壞,作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降[4-5]。研究表明,覆蓋降解膜是解決殘膜的有效途徑之一[6-7]?！厩叭搜芯窟M展】目前,降解地膜在棉花[8]、番茄[9]、玉米[10]及小麥[11]等作物上的應用較多,覆蓋降解膜和普通地膜對作物生長和產(chǎn)量的影響差異不明顯。隨著覆膜時間的增加,降解膜的裂解程度加大,這也導致土壤溫濕度下降,從而造成作物減產(chǎn)[3]。即使同一種作物覆蓋同一種地膜在不同環(huán)境下也存在差異,因此,不同地區(qū)、不同作物對不同地膜的適宜性不同[9]。在地膜力學特性研究中發(fā)現(xiàn),受自然環(huán)境的影響,膜的力學性會被破壞,使地膜結(jié)構(gòu)變化,牢固性降低[12]。同時,受環(huán)境差異的影響,無法明確地膜降解時間和降解程度。針對于生育期較長的作物來說,如果降解時間過早,將不滿足覆膜栽培的生產(chǎn)需求[13-14]。地膜力學特性變化會改變膜的完整性和覆蓋效果,進而影響作物的生長情況?！颈狙芯壳腥朦c】南瓜(CucurbitamaximaDuch)隸屬葫蘆科(Cucurbitaceae)南瓜屬(Cucurbita),為一年生草本植物,我國是世界上南瓜最大的生產(chǎn)國和消費國, 2018年栽培面積達53.3 hm2。地膜覆蓋技術(shù)可促進南瓜早熟與增產(chǎn)[15],而在南瓜栽培生產(chǎn)中應用降解膜的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以PE膜為對照,通過對比不同降解膜力學特性變化、降解程度及南瓜生長等方面的差異,為降解膜在南瓜生產(chǎn)應用提供理論依據(jù),發(fā)展安全、綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗于2021年5—9月在寧夏紅寺堡區(qū)富陽公司基地進行。試驗區(qū)屬于溫帶大陸性氣候,常年干旱少雨,晝夜溫差大。

1.2 試驗材料

供試南瓜品種為艾麗斯,由寧夏紅寺堡富陽公司提供,不同地膜信息參數(shù)見表1。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4個覆膜處理,在南瓜栽培中分別覆蓋黑色PE地膜(CK)、黑色降解膜(T1)、白色降解膜(T2)及黑色二氧化碳基降解膜(T3),每個處理重復3次。試驗田總面積1334 m2,平均分為12個面積為111.2 m2的小區(qū),所有處理小區(qū)隨機排列。

播種前選擇飽滿度趨于一致的南瓜種子,于2021年5月28日進行起壟、播種、鋪設(shè)滴灌以及覆膜工作。各處理水肥均采用膜下滴灌方式,試驗期間所有處理水肥管理方式一致。地膜的力學特性和南瓜植株長勢的測定以南瓜不同生育期為節(jié)點,品質(zhì)與產(chǎn)量于成熟期測定。

表1 不同地膜信息參數(shù)

1.4 采樣及測定方法

1.4.1 地膜裂解程度測定 地膜降解程度采用目測法,降解未發(fā)生時的原始地膜表征見圖1,在固定點位定期觀測裂解情況(圖2),裂解等級參照何文清等[16]的方法。

1.4.2 地膜力學特性測定 依據(jù)南瓜不同生育期進行采樣,分別在南瓜伸蔓期(第38 天)、開花結(jié)果期(第46 天)、果實膨大期(第55 天)及成熟期(第87 天)對所覆蓋的地膜進行采樣,將地膜降解程度極大、極小區(qū)域剔除,取出現(xiàn)孔洞及裂口較平均的地膜,用剪刀裁取面積為1 m2(1 m × 1 m)的地膜,各處理取9次重復樣。將原始膜和伸蔓期、結(jié)果期和成熟期的樣品膜,在采樣當天及時送往河南青源天仁生物技術(shù)有限公司進行斷裂力值、伸長率、拉伸強度及直角撕裂指標的測定。

1.4.3 光合參數(shù)及葉綠素測定 光合參數(shù)使用葉綠素儀(Li-6400,北京力高泰科技有限公司)測定,SPAD(Soil and plant analyzer develotrnent)值使用SPAD-502 Plus[博特(連云港)儀器有限公司]測定。葉綠素含量用乙醇法[17]測定。

廣西社會工作服務(wù)機構(gòu)參與城市社區(qū)治理，通過與政府、街道、社區(qū)居委會、社區(qū)社會組織、社區(qū)共建單位、社區(qū)居民等不同主體之間的合作互動，發(fā)揮其關(guān)系與資源協(xié)調(diào)的作用，通過共同參與、溝通協(xié)商、利益調(diào)節(jié)、協(xié)同合作來解決社會問題、處理社區(qū)事務(wù)、服務(wù)居民生活和促進社區(qū)發(fā)展，達到培育社區(qū)社會組織、發(fā)展志愿者力量、推動居民參與、培養(yǎng)公民意識、扭轉(zhuǎn)政府服務(wù)角色、促進社區(qū)能力發(fā)展，實現(xiàn)社區(qū)善治的目的。因此，廣西社會工作服務(wù)機構(gòu)與各社區(qū)治理多元主體間是一種合作共贏、互惠互利的關(guān)系，在共同參與社會治理過程中，彼此進行深度合作和協(xié)力支持，從而互通有無并形成合力，共同推進社區(qū)發(fā)展與社區(qū)建設(shè)。

Chla=13.95×OD665-6.88×OD649

(1)

Chlb=24.96×OD649-7.32×OD665

(2)

Chlt=Chla+Chlb

(3)

1.4.4 南瓜的生長指標及品質(zhì)測定 南瓜栽培生產(chǎn)過程中使用雙蔓整枝方式,在南瓜不同生育期,使用直尺測定植株葉寬、葉長并計算葉面積,每株測定雙蔓上各3個葉片,用鋼卷尺測量植株2個主蔓蔓長,記錄整株南瓜植株的葉片數(shù),每個處理測9株。成熟期測定南瓜的可溶性固形物、可溶性蛋白、可溶性糖及Vc含量。南瓜可溶性蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍法測定,可溶性糖采用蒽酮比色法測定,Vc采用比色法測定[18],可溶性固形物使用手持折光儀[BK-506,標康(深圳)科技有限公司]測定。

品質(zhì)綜合得分使用加權(quán)計算,設(shè)定加權(quán)綜合滿分為100分,可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性固形物以及Vc含量的權(quán)重系數(shù)均為25%。

Y=(Y1/Y1max)×25+(Y2/Y2max)×25+(Y3/Y3 max)×25+(Y4/Y4max)×25

(4)

式中,Y1～Y4分別為所測定南瓜可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性固形物以及Vc含量;Y1max～Y4max為南瓜可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性固形物以及Vc含量最高值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)處理及制圖,采用SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)分析,采用Origin 2021制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 南瓜生育期內(nèi)不同地膜的裂解程度

由表2可以看出,對不同時期4個處理膜觀測后發(fā)現(xiàn),覆膜38 d時,4種不同地膜均保持完整性,未出現(xiàn)自然降解現(xiàn)象。第46天時,3種降解膜均出現(xiàn)裂紋。當南瓜生長進入果實膨大期(第55天),3種降解膜裂解程度增加,裂解程度等級相近,有25%左右地膜出現(xiàn)裂解。第87天時,T2和T3降解地膜出現(xiàn)2.0～2.5 cm 裂紋,裂解程度較T1明顯增加,黑色PE膜(CK)在南瓜整個生育期整體完整。

圖1 原始地膜表征Fig.1 Characterization of the original plastic film

圖2 南瓜不同地膜成熟期(第87天)降解情況Fig.2 Degradation condition of different plastic film maturation stages (the 87th day)

2.2 不同地膜力學特性的變化

CK橫向拉伸強度下降趨勢最小,降低10.22 MPa,T1橫向拉伸強度下降幅度最大,降低13.18 MPa。T2橫向拉伸強度在覆膜87 d后降為最低,其次是T3?？v向拉伸強度的變化過程中,拉伸強度在第38～78天呈急劇下降趨勢。在第87天時,T2和T3縱向拉伸強度降為最低,分別為1.92、2.99 Mpa。

由圖4可知,不同材質(zhì)地膜伸長率和直角撕裂的變化趨勢。從非線性擬合方程可以看出,3種降解膜在第38～87天,橫向伸長率下降幅度均明顯大于CK,T1、T2、T3橫向伸長率在第87天分別降至25.00%、28.80%、26.38%。T2縱向伸長率由690.34%降至最低的17.67%,在4個處理中變化幅度最大。第87天,3種降解地膜縱向伸長率降至最低,CK較T1、T2、T3縱向伸長率高188.00%、220.33%、208.37%。4種不同地膜橫向、縱向直角撕裂受力值在第38～55天開始快速降低,第55～87天變化幅度減緩。T1第87天的直角撕裂值比直角撕裂初始值減小2.5倍,此時的橫向直角撕裂值與T2、T3基本一致,這也說明不同降解膜的制作工藝具有很高的相似性。T2縱向直角撕裂的初始值和第87天的值在4種膜中最高,T1縱向直角撕裂前后下降0.83 N,不僅下降幅度最大,而且第87天的值也比另外3種膜低。

表2 不同地膜降解程度分級

y1為CK非線性擬合公式,y2為T1非線性擬合公式,y3為T2非線性擬合公式,y4為T3非線性擬合公式,下同。y1 is the CK nonlinear fit formula, y2 is the T1 nonlinear fit formula, y3 is the T2 nonlinear fit formula, and y4 is the T3 nonlinear fit formula. The same as below.圖3 不同地膜斷裂力值和拉伸強度的變化Fig.3 Changes of breaking force and tensile strength of different plastic films

圖4 不同地膜直角撕裂和伸長率的變化Fig.4 Variation of right-angle tear and elongation of different mulch films

2.3 降解地膜力學特性與降解性能的相關(guān)性分析

對降解地膜的降解程度進行分級后,通過相關(guān)性分析(表3)可知,降解程度分級與橫向斷裂力值、縱向斷裂力值、橫向拉伸強度、縱向拉伸強度、橫向伸長率以及縱向伸長率之間呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),說明降解地膜的力學特性受降解程度影響,降解程度越大,地膜可承受的斷裂力值等特征值越小,地膜力學特性越不穩(wěn)定。

表3 降解地膜力學特性與降解等級的相關(guān)性分析

2.4 不同處理對南瓜植株形態(tài)指標的影響

由圖5可知,不同地膜處理對南瓜蔓長和葉片數(shù)的影響不顯著。成熟期,CK處理的蔓長增加顯著,CK和T1處理的葉片數(shù)顯著高于T2和T3處理。南瓜葉面積受不同處理的影響,在不同時期波動較大,苗期CK和T3處理的葉面積較大;開花期,T1處理的葉面積大幅度增加,顯著高于其他處理;結(jié)果期和成熟期,處理間葉面積趨于一致,處理間無顯著差異。

2.5 不同處理對南瓜葉片葉綠素含量與SPAD值的影響

由表4可知,不同處理葉片的SPAD值從苗期至果實膨大期均呈先上升后下降趨勢。CK葉片的SPAD值范圍在29.2～59.9,葉綠素a含量范圍在0.42～2.59 mg/g, 葉綠素b含量范圍在0.29～1.17 mg/g,總?cè)~綠素在0.71～3.76 mg/g;T1葉片的SPAD值范圍在30.0～58.1,葉綠素a含量范圍在0.48～2.47 mg/g, 葉綠素b含量范圍在0.32～1.13 mg/g,總?cè)~綠素在0.80～3.60 mg/g;T2葉片的SPAD值范圍在30.5～58.4,葉綠素a含量范圍在0.51～2.49 mg/g,葉綠素b含量范圍在0.34～1.14 mg/g,總?cè)~綠素在0.85～3.63 mg/g;T3葉片的SPAD值范圍在29.1～57.0,葉綠素a含量范圍在0.41～2.38 mg/g,葉綠素b含量范圍在0.28～1.11 mg/g,總?cè)~綠素在0.69～3.49 mg/g。伴隨南瓜生育期的推移和降解膜降解的原因,降解膜覆蓋土壤的水分減少,降低土壤中養(yǎng)分的有效利用效率,因此葉片中合成的葉綠素含量較CK有所下降,該差異現(xiàn)象主要表現(xiàn)在果實膨大期, T2和T3處理的南瓜葉片葉綠素含量與CK存在顯著差異。

2.6 不同處理對南瓜葉片光合的影響

氣孔導度大小影響南瓜葉片的蒸騰速率、光合速率和胞間CO2濃度。由表5可知,在植株葉片水分蒸騰范圍內(nèi),蒸騰速率會隨氣孔導度的增加而增加,加快根部汲取礦物質(zhì)向葉片運輸,提高光合速率制造同化物促進植物生長。蒸騰速率和光合速率均下降。3種降解膜的氣孔導度、光合速率和蒸騰速率均明顯下降。果實膨大期,隨著葉片的老化速度加快,葉片中的葉綠素含量開始下降,與開花期相比,氣孔導度、光合速率和蒸騰速率明顯降低。葉片胞間CO2濃度少受葉片老化情況的影響,兩個時期葉片胞間CO2濃度波動不大。果實膨大期T2處理葉片胞間CO2濃度相比開花期有所升高,且明顯高于其他處理葉片胞間CO2濃度,這也使植株光合速率比其他處理低。其中CK葉片仍保持相對較高氣孔導度,所以蒸騰速率和光合速率顯著高于其他處理。推測可能與CK未出現(xiàn)裂解有關(guān),結(jié)果期以后降解膜的裂解程度增加,保水率弱于CK,因此導致蒸騰速率與光合速率下降。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05). 圖5 不同處理對南瓜植株形態(tài)指標的影響Fig.5 Effects of different treatments on morphological indicators of pumpkin plants

表4 不同處理對南瓜葉片葉綠素含量與SPAD值的影響

2.7 不同處理對南瓜品質(zhì)與產(chǎn)量的影響

由表6可知,T1處理的南瓜可溶性糖含量顯著低于其他處理,其它處理間差異不顯著;T3處理的南瓜可溶性蛋白較CK、T2高3.3%、10.0%;覆有3種降解膜的南瓜Vc含量高于對照(CK)處理,T2與T3處理均與CK存在顯著差異;二氧化碳基降解膜(T3)處理下南瓜可溶性固形物含量均顯著高于其他處理,CK處理的南瓜可溶性固形物的含量最低。對4個不同的品質(zhì)指標進行加權(quán)計算綜合得分可以得出,T2和T3處理對南瓜品質(zhì)的提升起到作用。在產(chǎn)量方面,T1處理產(chǎn)量最低,CK、T2、T3處理的產(chǎn)量分別較T1處理高12.8%、12.2%、5.5%。

3 討 論

3.1 不同降解地膜降解程度及力學特性變化

降解地膜的裂解程度及降解速率因不同材質(zhì)、環(huán)境及作物種類而存在差異[19]。本研究中,普通地膜未發(fā)生降解,2種黑色降解膜的降解程度在覆膜87 d時明顯高于白色降解膜,這與李仙岳等[20]研究結(jié)果類似,其原因分析主要是地膜種類和環(huán)境條件造成,該原因造成降解膜降解的具體機理未說明。而本研究則是以力學特性角度去分析降解程度與力學特性之間關(guān)聯(lián)度。研究發(fā)現(xiàn),地膜力學特性隨覆膜時間增加呈衰減趨勢,其中黑色PE膜所有力學特性雖然下降,但其仍能保持較高的剛性與韌性,來保證膜的完整性以及絕大部分殘膜能被回收[21]。而降解膜是基于不回收、自然降解的理念而研發(fā)的地膜,因此,在自然環(huán)境條件下,降解膜通過分子結(jié)構(gòu)變化,使膜的剛性與韌性被削弱,膜的力學特性極大幅度降低[9]。白色降解膜斷裂力值、拉伸強度、伸長率以及直角撕裂的變化幅度大于黑色降解膜和二氧化碳基膜。楊振興等[22]和謝建華等[23]對降解膜的研究中也得出相似結(jié)論。而白色降解膜力學特性之所以大幅度下降,可能與白色降解膜下較高溫度有關(guān),張楠等[24]指出,溫度越高,地膜力學性能削弱越快。本試驗通過相關(guān)分析得出,力學性能與降解程度之間存在極顯著相關(guān),說明力學性能下降幅度越大,膜的裂解程度也越大。但第87天時測定的降解等級來看,黑色降解膜和二氧化碳基降解膜降解程度比白色降解膜程度大,通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),白色降解膜的初始力學特性本來就比黑色降解膜和二氧化碳基降解膜高,因此白色降解膜有相對較高的韌性而未出現(xiàn)大面積降解。另有研究指出,黑暗環(huán)境下有利于微生物數(shù)量的激活,白色降解膜的透光率高于黑色降解膜和二氧化碳基降解膜,所以兩種黑色降解膜下附著了更多數(shù)量的微生物,加快膜分子結(jié)構(gòu)變化,降解程度增加[25]。

表6 不同降解膜對南瓜品質(zhì)的影響

3.2 不同降解地膜對南瓜葉片葉綠素含量及光合參數(shù)的影響

本研究中,南瓜葉片苗期SPAD值較低,相應的葉綠素a、b含量也均低于降解地膜,降解膜具有較高的水蒸氣透過量,可以帶走一部分熱量[22],推測其主要受根區(qū)溫度的影響,王浩等[26]在根區(qū)溫度對葡萄葉片光合熒光特性研究中發(fā)現(xiàn),根區(qū)溫度過高會傷害PSII受體,電子傳遞的量子產(chǎn)額及性能指數(shù)降低,光合性能降低。開花期,地膜開始出現(xiàn)裂解現(xiàn)象,此時土壤溫度和含水量都較PE膜降低,因此沒有足夠的水分供應植株生長,系統(tǒng)活力受到土壤水分含量變化的影響,Fv/Fm、Y(II)隨土壤水分含量降低逐漸受到抑制[27],同時傳輸至葉片的礦質(zhì)元素含量減少。楊振興等[22]研究發(fā)現(xiàn),降解膜水蒸氣透過量很高,土壤中的水分蒸發(fā)量高于PE膜,因此,推測是由于土壤水分的差異造成葉綠素含量和光合速率下降。從南瓜全生育期來看,覆蓋黑色PE膜植株葉片的SPAD值明顯高于其他處理,光合速率也相對最高,其次是白色降解膜,這與曹玉軍等[28]在玉米覆蓋降解膜的研究結(jié)果相似。因為白色降解膜具有較高的力學特性,所以在前期裂解程度較小,含水量相對高于黑色降解膜與黑色二氧化碳基降解膜,因此葉綠素合成含量合光合速率高于黑色降解膜與二氧化碳基降解膜,這與王東明等[29]在雜交谷覆蓋降解膜的研究結(jié)果相似。

3.3 不同降解地膜對南瓜生長、品質(zhì)及產(chǎn)量的影響

在南瓜果實膨大期之前,各處理間植株蔓長、葉片數(shù)及葉面積并未出現(xiàn)較大差異,其原因在于降解膜裂解程度不高,還具有一定的保水能力,而到了膨大期之后,隨著降解膜裂解程度的增加,降解膜處理的植株蔓長、葉片及葉面積增長相對普通地膜有所減緩,并表現(xiàn)出明顯差異,這與丁宏偉等[30]在棉花上的研究結(jié)果相似。同時,裂解后的降解膜能夠起到調(diào)控土壤環(huán)境的作用,會使大氣溫度與土壤溫度直接對流傳熱,覆蓋降解膜的土壤晝夜溫差較PE膜大,所以可促進南瓜可溶性固形物及Vc的積累,提高南瓜的品質(zhì),這與陶凱等[31]在甜瓜和王旭鈺[32]在馬鈴薯及生菜中的研究結(jié)果相似。另一方面,膜的材質(zhì)也會影響品質(zhì)的形成,Song等[33]得出降解膜里的HA成分可以延緩蔬菜衰老,這對蔬菜品質(zhì)的提高均起到一定作用。南瓜產(chǎn)量作為衡量不同地膜輔助生產(chǎn)能力的重要指標,從結(jié)果來看,覆蓋黑色降解地膜和二氧化碳基降解地膜與黑色PE膜的南瓜產(chǎn)量沒有顯著差異,Franois等[34]在葡萄應用降解膜也發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量與PE膜未形成顯著差異,因此也進一步說明了覆蓋降解膜對于作物產(chǎn)量的影響與PE膜相當。

4 結(jié) 論

(1) 降解膜力學特性與降解程度呈負相關(guān),力學特性隨時間下降,降解程度增加。黑色降解膜和二氧化碳基降解膜的斷裂力值、拉伸強度、伸長率及直角撕裂初始值均比白色降解膜低,因此,在第87天黑色降解地膜和二氧化碳基降解地膜的降解程度更高。

(2) 受地膜降解影響,植株可吸收的水分降低,所以覆蓋3種降解膜的植株葉片葉綠素a、b含量及平均光合速率低于PE膜。

(3) 覆蓋黑色降解膜和黑色二氧化碳基降解膜可以提高南瓜Vc和可溶性固形物含量,使南瓜綜合品質(zhì)提升,同時南瓜產(chǎn)量與黑色PE膜趨近,無顯著差異。鑒于降解膜可大幅度降低對土壤環(huán)境污染程度,并在提升南瓜品質(zhì)與產(chǎn)量方面表現(xiàn)良好,替代普通PE膜進行農(nóng)作物以及蔬菜生產(chǎn)具有可行性。