地膜覆盖能有效增加地温、减少水分蒸发、防止土壤板结和提高作物产量等作用^[1]。地膜自1978年引进我国以来^[2]，对干旱地区农业发展做出了巨大贡献。据《中国农业统计年鉴》数据显示，我国农作物地膜覆盖种植面积从1981年1.5 万hm²增加到2012年的1 758.2万hm²，地膜用量达到131万t^[3]，增长迅速。

新疆地区棉花种植面积占全国1/3以上^[4]，棉花栽培均采用地膜覆盖的种植模式。国内地膜厚度在0.006~0.008 mm之间^[5]，由于地膜较薄、秋后机械回收困难、人工回收成本较高等原因，农民多采用集中焚烧处理，其余大部分地膜仍然残留在土壤^[6]。据报道，新疆棉花种植区是我国地膜污染最严重的区域之一^[3]。新疆地域辽阔，对于地膜的需求量有增无减，日益加重的地膜污染问题势必会影响作物的产量和品质。因此，治理残膜危害刻不容缓。

严昌荣等^[7]研究表明，新疆石河子地区棉田中地膜平均残留量高达300.65 kg·hm^-2，且残留量逐年增加。刘建国等^[8]研究表明：长期轮作棉田地膜残留平均每年以 11.2 kg·hm^-2速率增加，残留地膜在0~30 cm处占残留量的85%。残留地膜积累会使棉花成苗率、生物量、根冠比等下降，严重影响土壤理化性质，使土壤养分下降，阻碍水分分布^{[9, 10]}。生物降解地膜可降解、无污染，成为解决残膜污染的有效途径。目前，国内对淀粉生物降解地膜^{[11, 12, 13]}、植物纤维地膜^{[14, 15]}和液态地膜^{[16, 17]}均做了一些研究，它们仍然受到降解速率、价格等因素的限制，无法大面积推广使用，而关于聚乳酸降解地膜的应用研究还较少报道，且对于棉花整个生育期内膜下不同土层土壤温度动态变化的监测研究也是空白。所以，本文通过聚乳酸生物降解膜与普通地膜对比研究聚乳酸生物降解地膜的降解情况、不同时段土壤温度变化及其对棉花产量的影响，为聚乳酸生物降解地膜代替普通地膜推广使用，加快现代生态农业的发展做出理论分析。

试验于2014年4月在新疆生产建设兵团第八师石河子总场一营二连（45°20′N，84°45′E）进行。试验田土壤类型为灰漠土，质地为中壤。年平均气温6.5 ℃，无霜期168 d左右，≥0 ℃的活动积温为4 023~4 118 ℃，≥10 ℃的活动积温为3 570~3 729 ℃，年降雨量为117.2 mm。

供试棉花品种为中棉所ZM-2（293）。供试地膜有18 μm和15 μm 2种厚度的聚乳酸生物降解地膜为杨凌瑞丰环保科技有限公司生产，8 μm普通PE地膜为新疆石河子市本地生产，膜宽均为2.05 m。

试验共设普通地膜（CK）、18 μm聚乳酸降解地膜（DA）和15 μm聚乳酸降解地膜（DB）3个处理，每个处理3个重复，随机区组排列。普通膜和降解膜间隔种植。

试验中棉花种植采用膜下滴灌技术，机械铺膜，1膜3管6行，行距为30 cm+60 cm+60 cm +30 cm，株距为10 cm。生育期内灌水量3 450 m³·hm^-2，共灌水9 次，灌水周期为7~10 d。棉花整个生育期肥料施用量为：N 300 kg·hm^-2、P₂O₅ 90 kg·hm^-2、K₂O 75 kg·hm^-2，其中氮肥使用尿素，20%的氮肥基施，剩余全部采用分次随水追施，磷肥和钾肥全部基施，其余管理为大田常规管理。

降解膜降解情况：地膜降解情况参照杨惠媂等^[18]降解塑料降解评价方法，地膜膜面变化分为诱导阶段：开始出现小于1 cm小裂缝的时间阶段；破裂阶段：出现大于3 cm的大裂缝的时间；崩解期：地膜已经裂解成大碎块，出现大于5 cm的裂缝或出现碎块的时间；完全降解阶段：几乎无地膜残留。分别记录这4个阶段出现的时间，并拍照记录。

土壤温度：土壤温度采用HZTJ2型土壤温湿度自动记录仪（北京合众博普科技发展有限公司）测定，播种完成后于2014年4月13日埋下仪器，棉花收获时取出。仪器探头埋设深度为 0、5、10、15、20 cm，每隔30 min记录1次数据，3次重复。

棉花生育进程：统计棉花出苗率，现蕾期观察记录株高、主茎叶片数、果枝，收获期测产并拍照记录棉花整个生育期内膜面变化。

出苗期（2014年4月18日—4月30日）白天不同土层平均温度为：出苗期早上9：00至晚上9：00不同土层的平均温度；至出苗期夜间平均温度为：出苗期早上9：00至晚上9：00以外时间不同土层的平均温度。

数据分析采用Microsoft Excel 2003软件和SPSS 11.5进行统计分析。

DB（15 μm）聚乳酸降解膜，在覆膜17 d后出现小裂纹，先进入诱导阶段，而DA（18 μm）降解膜在覆膜22 d后才开始出现轻微小裂纹（表 1）；覆膜60 d左右，2种厚度降解地膜均进入破裂阶段，DA比DB晚8 d；到达破裂阶段后，DB膜降解明显加快，比DA降解膜提前24 d进入崩裂阶段。在覆膜130 d后DB膜已经无完整膜面，膜面裂解成小碎片，而DA降解膜降解速度稍微慢于DB膜，其膜面大裂纹较多，部分裂解成碎片（图 1）。

表 1 不同降解地膜膜面降解情况记录（d） Table 1 Biodegradable stages of different kinds of biodegradable plastic film（d）

表选项

图 1 聚乳酸生物降解地膜DA及DB膜130 d后膜面变化情况 Figure 1 Appearance of the polylactic acid biodegradable film DA and DB membrane surface after 130 days

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随着土壤深度的增加，苗期膜内土壤白天平均温度呈下降趋势，而夜间平均温度呈升高趋势（图 2）。出苗期不同土层白天土壤累积温度（各土层土壤的温度之和）普通膜（CK）分别高于DA和DB膜0.8 ℃和6.2 ℃。在0~5 cm土层，CK白天平均温度分别显著高于降解膜DA 1~2 ℃，DB膜2~4 ℃；而5~20 cm处CK与DA温度几乎一致，而显著高于DB膜1 ℃左右（图 2a）。夜间土壤平均温度DB膜土壤温度分别高于DA和CK膜0.1 ℃和0.9 ℃（图 2b）。

图 2 出苗期土壤白天（a）、夜间（b）不同土层平均温度变化 Figure 2 Average soil temperature during the daytime（a） and nighttime（b） at the seedling stage

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整体来看，CK的土壤温度始终高于DA和DB膜，DB生物降解膜最低。在覆膜50多d温度达到最高，随后土壤温度开始下降（图 3）。

图 3 棉花生长整个生育期不同土层深度（0、5、10、20 cm）温度变化 Figure 3 Soil temperatures at different soil depths（0，5，10，20 cm） during the entire cotton growing season

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在0 cm处，从覆膜到覆膜90 d这段时间内CK的表层土壤温度明显高于聚乳酸生物降解膜的表层土壤温度，最高高出降解膜5 ℃。到了覆膜90 d以后不同土层深度不同地膜之间温度基本稳定，差异不大。在5~20 cm土层前期各地膜温度走势一致，差异不大，但是到了45~90 d之间降解膜DB土壤温度显著下降1~3 ℃，90 d以后DB膜温度与CK和DA膜温度接近。

本试验中DA（18 μm）处理显著降低了棉花的出苗率，而DB（15 μm）处理的出苗率与CK差异不显著，但分别高于DA膜13.2%和11.2%（表 2）。不同地膜覆盖下出苗率高低顺序为DB>CK>DA。在现蕾期，DA降解膜和CK膜的株高差异不显著，而DB膜的株高显著低于DA和CK膜；降解膜与普通膜之间叶片数和果枝数差异不显著，但降解膜DB均最低。

表 2 不同地膜覆盖下棉花的出苗率及现蕾期生长状况 Table 2 Effect of degradable plastic film on cotton emergence rate and plant characteristics at the squaring period

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棉花产量随着聚乳酸降解膜厚度的降低而呈降低趋势（表 3）。DA的株数及DB膜的单株结铃数与CK无显著差异，但DA膜的株数显著低于DB膜5.8%，而单株结铃数显著高于DB膜11.5%。3种膜之间单铃重无显著差异。棉花产量DA降解膜与CK膜无显著差异，而DB降解膜棉花产量分别显著低于DA和CK膜10.5%和9.7%。棉花产量由高到低依次为DA≈CK>DB，DB降解膜使棉花减产8.9%。

表 3 降解地膜对棉花产量的影响 Table 3 Effect of degradable plastic film on cotton yield

表选项

不同材料生物降解地膜降解情况不同。本研究表明：聚乳酸生物降解地膜在覆膜20 d左右开始降解，在棉花收获期降解面积能达到80%左右。申丽霞等^[19]研究一种光-生物降解膜表明：在覆膜30~40 d开始出现裂纹，在90 d以后大面积裂解，且厚度较薄的降解膜降解较快，这与本研究中聚乳酸降解膜降解情况基本一致。

土壤温度也是直接或间接影响作物生长发育、产量的重要因子。4月份，早春低温，此时0~10 cm土层温度对棉花种子出苗率起至关重要的作用。与传统聚乙烯地膜相比，日平均土壤温度降解地膜低于普通膜，而夜平均土壤温度2种降解地膜均高于普通膜。普通膜较薄，透光性好，但保温性能差，在苗期白天表层升温迅速，而夜间温度下降快，温度不稳定；但降解地膜白天膜内温度上升缓慢，同时在夜间较低温度时膜内温度下降也较缓慢。因此降解膜表现出较好的保温性能，尤其是DB膜，这与其出苗率最高保持一致，说明DB聚乳酸生物降解地膜能更好地促进棉花出苗期的生长发育。而DA膜出苗率下降10%是由于DA膜相对较厚，机械铺膜造成打孔偏差，降低了棉花的出苗率。

聚乳酸降解地膜较厚，升温缓慢，所以棉花整个生育期膜内整体温度低于普通膜，普通膜增温效果优于聚乳酸降解膜。而王鑫等^[20]研究改性淀粉生物降解膜、光-生物双降解膜和液态地膜3种类型降解地膜表明，3种降解膜增温效果与普通膜相当，甚至超过普通地膜，而液态地膜降解较快，增温效果最差。本研究中普通膜与降解膜各土层温度差异主要集中在覆膜30~80 d内，在覆膜60~90 d DB膜各土层温度显著下降，说明此时DB膜膜面已经开始出现大面积裂解，增温保墒性能下降。这造成DB膜处理下棉花产量与CK相比显著下降8.9%，而聚乳酸降解膜DA保温效果明显优于普通膜，且降解较慢，整体降解阶段比DB降解膜推后，为棉花生长提供了温度和水分的保障，促使DA处理中构成棉花产量的收获铃数显著高于DB。因此DA降解膜处理棉花产量在较低株数下却显著高于DB处理，但与普通膜处理无显著性差异。何文清等^[21]的研究也有类似结果，部分生物降解地膜降解过快，导致膜内平均温度比普通膜低1~3 ℃，对棉花产量带来一定的负面影响。但也有研究表明，可降解膜对土壤温度、玉米生长的影响与普通膜差异不大^[22]。

综上分析，在棉花生长整个生育期中，18 μm聚乳酸生物降解地膜具有与普通膜相当的增温、保墒性能，尤其在保温性能方面优于传统普通地膜，不会出现因膜内升温过快而“烫苗”现象，不会因为温度下降过快而影响幼苗发育。对于昼夜温差大的新疆来说，这是聚乳酸生物降解地膜的一个优势。此外，18 μm聚乳酸生物降解地膜可满足棉花正常生长的需求，但与此同时厚的降解膜增加了使用的成本，给推广造成了一定的难度，在今后原料成本逐渐降低及生产工艺不断改进的基础上有望代替普通地膜推广使用。