快速检索        
  农业资源与环境学报  2016, Vol. 33 Issue (2): 114-119

文章信息

张妮, 李琦, 侯振安, 冶军
ZHANG Ni, LI Qi, HOU Zhen-an, YE Jun
聚乳酸生物降解地膜对土壤温度及棉花产量的影响
Effect of Polylactic Acid-Degradable Film Mulch on Soil Temperature and Cotton Yield
农业资源与环境学报, 2016, 33(2): 114-119
Journal of Agricultural Resources and Environment, 2016, 33(2): 114-119
http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2015.0200

文章历史

收稿日期: 2015-08-15
聚乳酸生物降解地膜对土壤温度及棉花产量的影响
张妮, 李琦, 侯振安, 冶军     
石河子大学农学院资源与环境科学系, 新疆 石河子 832003
摘要: 随着地膜残留污染问题的加剧,降解地膜的应用研究越来越受到关注。通过普通塑料地膜与2种不同厚度聚乳酸生物降解地膜的田间对比试验,研究聚乳酸生物降解地膜降解状况及对土壤温度和棉花产量的影响。结果表明:聚乳酸生物降解地膜在覆膜17~22 d后进入诱导期,60 d后逐渐进入破裂期,130 d左右进入崩裂期。在棉花生长苗期,生物降解膜膜内增温缓慢,白天平均土壤温度普通膜分别高于18μm降解膜和15μm降解膜膜0.8℃和6.2℃。但夜间降解膜膜内平均温度较稳定,保温效果好,膜内温度高于普通地膜1℃左右。18μm聚乳酸降解膜与普通膜相比对棉花产量的影响无显著性差异,而15μm聚乳酸降解膜使棉花减产8.9%。研究表明,聚乳酸生物降解地膜厚度选为18μm较为合适,且具有良好的降解性,可满足棉花的生长需要,有望替代普通地膜在农田中推广使用。
关键词: 聚乳酸     降解地膜     土壤温度     棉花产量    
Effect of Polylactic Acid-Degradable Film Mulch on Soil Temperature and Cotton Yield
ZHANG Ni, LI Qi, HOU Zhen-an, YE Jun     
Department of Resources and Environmental Science, Agricultural College of Shihezi University, Shihezi 832003, China
Abstract: Concern on biodegradable plastic film is increasing because of pollution problems caused by the plastic films currently used. The objective of this field experiment is to evaluate the effect of two thicknesses of polyactic acid-degradable film on soil temperature and cotton yield. The results showed that small holes appeared in the polyactic acid-degradable film at 17~22 d after it was installed. Burst period appeared about 60 d after installation. Splits were observed in the polyactic acid-degradable film at 130 d after installation. Soil temperatures rose slowly under polyactic acid-degradable film during the cotton seedling stage. Daytime soil temperatures were 0.8℃ and 6.2℃ lower under 18μm and 15μm thick polyactic acid-degradable film than non-degradable plastic film(CK), respectively. Nighttime soil temperatures under the polyactic acid-degradable film were about 1℃ warmer than CK. There was no significant difference in cotton yields between the 18μm polyactic acid degradable film treatment and CK. In contrast, yields in the 15μm degradable plastic film treatment were 8.9% less than that in CK. This study indicated that 18μm polyactic acid degradable plastic film had good degradability and no negative effect on cotton growth. The 18μm polyactic acid degradable plastic film can replace ordinary plastic film in agricultural production.
Key words: polylactic acid     degradable plastic film     soil temperature     cotton yield    

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。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

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。

1.2 试验材料

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。

1.3 试验设计

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。

1.4 测试项目及方法

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。

1.5 数据分析

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

2 结果与分析 2.1 降解地膜的降解情况

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)

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
2.2 不同地膜对土壤温度的影响 2.2.1 棉花出苗期不同地膜对土壤白天和夜间平均温度的影响

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
2.2.2 不同地膜对棉花整个生育期不同土层深度温度的影响

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

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。

2.3 降解地膜对棉花出苗率及生长状况的影响

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
2.4 降解地膜对棉花产量的影响

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
3 讨论

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]

4 结论

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。

参考文献
[1] Subrahmaniyan K, Mathieu N. Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural applications:A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2012, 32(2):501-529.
[2] 王朝云, 吕江南, 易永健, 等. 环保型麻地膜的研究进展与展望[J]. 中国麻业科学, 2007, 29(6):380-385. WANG Chao-yun, LV Jiang-nan, YI Yong-jian, et al. Progress and prospect of the research of environmental friendly bast fiber mulch film[J]. Plant Fiber Sciences in China, 2007, 29(6):380-385.(in Chinese)
[3] 国家统计局环境保护部. 中国统计年鉴[M]. 北京:中国统计出版社, 2013. Environmental Protection Department of National Statistical Bureau. China statistics yearbook[M]. Beijing:China Statistics Press, 2013.(in Chinese)
[4] 杨莉, 杨德刚, 张豫芳, 等. 新疆棉花种植面积时空格局演变特征及驱动机制研究[J]. 中国沙漠, 2011, 31(2):476-484. YANG Li, YANG De-gang, ZHANG Yu-fang, et al. Spatio-temporal pattern dynamic of cotton plantation in Xinjiang and its driving forces[J]. Journal of Desert Research, 2011, 31(2):476-484.(in Chinese)
[5] 张佳喜, 谢建华, 薛党勤, 等. 国内外地膜应用及回收装备的发展现状[J]. 农机化研究, 2013(12):237-240. ZHANG Jia-xi, XIE Jian-hua, XUE Dang-qin, et al. Development status of applying plastic film and the residue mulching film collecting machine at domestic and overseas[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(12):237-240.(in Chinese)
[6] Briassoulis D. Mechanical behaviour of biodegradable agricultural films under real field conditions[J]. Polymer Degradation and Stability, 2006, 91(6):1256-1272.
[7] 严昌荣, 王序俭, 何文清, 等. 新疆石河子地区棉田土壤中地膜残留研究[J]. 生态学报, 2008, 28(7):3470-3474. YAN Chang-rong, WANG Xu-jian, HE Wen-qing, et al. Study on the residue of plastic film in cotton field in Shihezi, Xinjiang[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(7):3470-3474.(in Chinese)
[8] 刘建国, 李彦斌, 张伟, 等. 绿洲棉田长期连作下残膜分布及对棉花生长的影响[J]. 农业环境科学学报, 2010, 29(2):246-250. LIU Jian-guo, LI Yan-bin, ZHANG Wei, et a1. The distributing of the residue film and influence on cotton growth under continuous cropping in oasis of Xinjiang[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(2):246-250.(in Chinese)
[9] 董合干, 刘彤, 李勇冠, 等. 新疆棉田地膜残留对棉花产量及土壤理化性质的影响[J]. 农业工程学报, 2013, 29(8):91-99. DONG He-gan, LIU Tong, LI Yong-guan, et a1. Effects of plastic film residue on cotton yield and soil physical and chemical properties in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(8):91-99.(in Chinese)
[10] 何文清, 严昌荣, 赵彩霞, 等. 我国地膜应用污染现状及其防治途径研究[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(3):533-538. HE Wen-qing, YAN Chang-rong, ZHAO Cai-xia, et al. Study on the pollution by plastic mulch film and its countermeasures in China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(3):533-538.(in Chinese)
[11] 赵卫星, 赵永春, 姜红波. 生物淀粉基降解塑料的研究应用[J]. 应用化工, 2011, 40(5):885-887. ZHAO Wei-xing, ZHAO Yong-chun, JIANG Hong-bo. Development of starch-based biodegradable plastics[J]. Applied Chemical Industry, 2011, 40(5):885-887.(in Chinese)
[12] 顾海蓉, 沈根祥, 黄丽华, 等. 热塑淀粉Mater-Bi可生物降解地膜的适用性与降解性能研究[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(3):539-543. GU Hai-rong, SHEN Gen-xiang, HUANG Li-hua, et al. Biodegradability and applicability of thermoplastic starch biodegradable mulching film[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(3):539-543.(in Chinese)
[13] Li C, Moore-Kucera J, Lee J, et al. Effects of biodegradable mulch on soil quality[J]. Applied Soil Ecology, 2014, 79:59-69.
[14] 李文军, 刘作新, 舒乔生, 等. 植物纤维地膜的土壤水热及作物产量效应[J]. 干旱地区农业研究, 2008, 26(6):34-37. LI Wen-jun, LIU Zuo-xin, SHU Qiao-sheng, et al. Effect of mulching plant fiber film on soil moisture and temperature properties and crop yield[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2008, 26(6):34-37.(in Chinese)
[15] 王朝云, 许香春, 易永健, 等. 麻地膜降解对土壤性质和作物产量影响的研究[J]. 农业环境科学学报, 2011, 30(1):84-92. WANG Chao-yun, XU Xiang-chun, YI Yong-jian, et al. Effects of degradation with bast fiber mulching film on soil properties and crop yields[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(1):84-92.(in Chinese)
[16] 张洁, 姚宇卿, 吕军杰, 等. 液态地膜对土壤物理性状的影响及增产效果[J]. 土壤通报, 2005, 36(4):638-640. ZHANG Jie, YAO Yu-qing, LV Jun-jie, et al. Effect of liquid film on crop yield and soil physical behavior[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2005, 36(4):638-640.(in Chinese)
[17] 罗春燕, 龙怀玉, 张延春, 等. 覆盖液态地膜对烟田土壤温度及烤烟生长的影响[J]. 中国农学通报, 2005, 21(9):296-298. LUO Chun-yan, LONG Huai-yu, ZHANG Yan-chun, et al. Effect of liqid film on temperature of soil and growth of flue-cured tobacco[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2005, 21(9):296-298.(in Chinese)
[18] 杨惠娣, 唐赛珍. 降解塑料试验评价方法探讨[J]. 塑料, 1996, 25(1):16-22. YANG Hui-di, TANG Sai-zhen. Evaluating method for testing of degradable plastics[J]. Plastics, 1996, 25(1):16-22.(in Chinese)
[19] 申丽霞, 王璞, 张丽丽. 可降解地膜的降解性能及对土壤温度、水分和玉米生长的影响[J]. 农业工程学报, 2012, 28(4):111-116. SHEN Li-xia, WANG Pu, ZHANG Li-li, et al. Effects of degradable film on soil temperature, moisture and growth of maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(4):111-116.(in Chinese)
[20] 王鑫, 胥国斌, 任志刚, 等. 无公害可降解地膜对玉米生长及土壤环境的影响[J]. 中国生态农业学报, 2007, 15(1):78-82. WANG Xin, XU Guo-bin, REN Zhi-gang, et al. Effects of environment-friendly degradable films on corn growth and soil environment[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2007, 15(1):78-82.(in Chinese)
[21] 何文清, 赵彩霞, 刘爽, 等. 全生物降解膜田间降解特征及其对棉花产量影响[J]. 中国农业大学学报, 2011, 16(3):21-27. HE Wen-qing, ZHAO Cai-xia, LIU Shuang, et al. Study on the degradation of biodegradable plastic mulch film and its effect on the yield of cotton[J]. Journal of China Agricultural University, 2011, 16(3):21-27.(in Chinese)
[22] 申丽霞, 王璞, 张丽丽. 可降解地膜对土壤、温度水分及玉米生长发育的影响[J]. 农业工程学报, 2011, 27(6):25-30. SHEN Li-xia, WANG Pu, ZHANG Li-li, et al. Effects of degradable film on soil temperature, moisture and growth of maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(6):25-30.(in Chinese)