鄔 強(qiáng)，鄭旭榮，王振華，張金珠，李文昊

(1. 石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

新疆位于西北干旱區(qū)，地膜覆蓋對(duì)土壤具有明顯的保濕保溫的作用，并且可以有效地治理雜草，從而促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)[1,2]。自從20世紀(jì)90年代新疆引入膜下滴灌技術(shù)，地膜帶來(lái)“白色革命”，極大提高新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前膜下滴灌廣泛應(yīng)用于棉花、番茄、玉米等種植，極大提高了當(dāng)?shù)鼐用袷杖隱3]。由于普通塑料地膜更好的經(jīng)濟(jì)性，使得新疆普遍采用不可降解的普通塑料地膜，這種地膜主要成分為聚乙烯或聚氯乙烯，都具有極高的穩(wěn)定性，降解速度非常緩慢，據(jù)估計(jì)降解需要100年的時(shí)間[4]。長(zhǎng)期膜下滴灌使大量地膜碎片殘存在土壤中，形成不同程度不同層次的隔層，影響土壤的透氣性，阻礙根對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收。新疆未采取有效的殘膜回收技術(shù)，尤其是超薄地膜的使用，這種地膜相對(duì)容易破碎，薄膜碎片殘存于地下30 cm以內(nèi)并逐年遞增，使土壤容重減小，破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。若任其發(fā)展勢(shì)必會(huì)造成農(nóng)作物減產(chǎn)并且導(dǎo)致嚴(yán)重土壤污染[5]。因此，發(fā)展適應(yīng)于新疆特殊氣候條件下的可降解地膜已經(jīng)成為解決土壤殘膜污染的重要方法[6]。

20世紀(jì)70年代，歐美科學(xué)家首先提出降解塑料的概念，1973年英國(guó)科學(xué)家格里芬提出生物降解的概念，Otey 等將其進(jìn)一步發(fā)展，提出“雙降解”的概念，隨之產(chǎn)生了光生物雙降解地膜[7,8]。中國(guó)在20世紀(jì)90年代降解塑料成為研究熱點(diǎn)，不斷有新型可降解地膜產(chǎn)生。隨著可降解地膜生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟，降解地膜的研究也進(jìn)入田間試驗(yàn)示范階段[9]。李仙岳[10]等研究了不同厚度生物降解膜在葵花方面的應(yīng)用，得出生物降解膜覆蓋與普通塑料地膜具有相似的應(yīng)用效果，劉群[11]等研究了生物降解膜在玉米種植的應(yīng)用，前期效果與普通塑料地膜相似，由于后期降解膜的降解，保溫保墑效果降低。申麗霞[12]等研究了生物降解地膜在玉米上的應(yīng)用，也得出生物降解膜和普通塑料地膜具有類似的應(yīng)用效果。前人的研究主要集中在研究降解膜在玉米、葵花等上的應(yīng)用，多數(shù)位于內(nèi)地，然而很少研究完全生物降解膜在新疆地區(qū)膜下滴灌的應(yīng)用。筆者針對(duì)新疆特殊氣候條件，研究?jī)煞N不同厚度生物降解地膜在膜下滴灌棉花上的大田應(yīng)用，針對(duì)完全生物降解地膜對(duì)土壤溫度和水分的影響進(jìn)行研究，為生產(chǎn)中使用完全生物降解膜代替普通塑料地膜提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年4月至11月在石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站(85°59′47″E，44°19′28″N海拔412 m)進(jìn)行，試驗(yàn)站位于新疆石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試場(chǎng)二連，平均地面坡度6‰，年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)2 865 h，≥10 ℃積溫為3 463.5 ℃，無(wú)霜期170 d，多年平均降雨量207 mm，平均蒸發(fā)量1 660 mm，地下水埋深大于10 m，土壤質(zhì)地為中壤土，0～100 cm層的平均體積質(zhì)量及田間持水率(質(zhì)量含水率)分別為1.60 g/cm3和18.65%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)置普通塑料地膜(PE)、A型完全生物降解地膜厚0.010 mm(BD1)、B型完全生物降解地膜厚0.012 mm(BD2)以及無(wú)膜(CK)4個(gè)處理，各處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列組合，每個(gè)小區(qū)面積為108 m2(18 m×6 m)。膜下滴灌棉田棉花種植模式為1膜2帶4行，平均株距11 cm，理論留苗密度250 000株/hm2。4月21日播種(干播濕出)，5月5日出全苗，5月16日定苗，9月10日開(kāi)始采摘。全生育期共施肥量832 kg/hm2(尿素和磷酸鉀銨按照2∶1的比例進(jìn)行滴灌隨水追施)，噴縮節(jié)安化控4次。灌溉水源為當(dāng)?shù)厣顚拥叵滤V化度低于0.3 g/L，所有處理灌水量相同，為4 500 m3/hm2，灌溉方式為膜下有壓滴灌。其他種植管理方式與大田生產(chǎn)相同。

試驗(yàn)用完全生物降解地膜為金發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)，膜寬都是80 cm，膜厚分別為0.010和0.012 mm；主要成分是己二酸丁二醇酯和對(duì)苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)這種地膜由自然界存在的微生物如細(xì)菌、霉菌(真菌)和藻類的作用而引起降解(無(wú)需人工添加劑)，降解后產(chǎn)生天然物質(zhì)，如水、二氧化碳和生物質(zhì)。供試驗(yàn)棉花品種為新陸早21號(hào)，適合新疆自然生態(tài)特點(diǎn)和“矮密早”栽培模式要求，具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性；聚乙烯普通塑料地膜由新疆天業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，膜厚0.008 mm；單翼迷宮式滴灌帶由新疆天業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，滴頭間距30 cm，滴頭設(shè)計(jì)流量2.6 L/h。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1土壤溫度

采用曲管地溫計(jì)對(duì)不同處理的土壤溫度進(jìn)行觀測(cè)，分別觀測(cè)地下5、10、15、20 cm處的溫度，第一個(gè)月測(cè)定時(shí)間為08∶00至20∶00每隔兩個(gè)小時(shí)觀測(cè)一次，從覆蓋當(dāng)天起每隔5d測(cè)定一次，之后測(cè)定時(shí)間為08∶00，14∶00，20∶00三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每隔7 d測(cè)定一次。

1.3.2土壤水分

采用取土烘干法測(cè)定質(zhì)量含水率，水平方向分別在滴灌帶下、窄行和寬行中間測(cè)定，垂直方向則每隔10 cm取一個(gè)樣取至1 m。測(cè)定時(shí)間為棉花播種第2天，然后每個(gè)10 d測(cè)定一次，含水量采用申孝軍方法進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，根據(jù)不同深度土壤容重?fù)Q算成土壤儲(chǔ)水量。

1.3.3氣象數(shù)據(jù)

在距試驗(yàn)地300 m處設(shè)自動(dòng)氣象站，每隔30 s測(cè)量一次，記錄降水、氣溫、濕度、太陽(yáng)輻射、大氣壓等氣象指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行處理及繪圖。使用Microsoft Excel 2007在P<0.05下進(jìn)行方差分析。

圖1 棉花生育期氣溫和降雨

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同覆蓋處理對(duì)土壤溫度的影響

2.1.1土壤溫度的日變化

圖1表示棉花生育期內(nèi)的氣溫和降雨，氣溫為每十日平均值。圖 2 表示5月7(播種后15天)日不同覆膜處理不同深度土壤地溫的日變化。從圖2中可以看出土壤溫度隨著時(shí)間推移逐漸升高，其中5到10 cm處溫度達(dá)到最大值后又逐漸降低。地下5 cm處16∶00(北京時(shí)間，下同)溫度較8∶00時(shí)刻地溫提高平均108.3%，但在20∶00時(shí)刻地溫又出現(xiàn)降低，降幅達(dá)到33.6%，并且在地下10 cm處出現(xiàn)了相似的規(guī)律，但溫度的增幅和降幅分別為76.7% 和15%，地下10 cm處溫度的波動(dòng)幅度明顯與地下5 cm較小。地下15和20 cm處土壤溫度的變化較上層土壤明顯趨于平穩(wěn)。地下15 cm和地下20 cm處的地溫增幅(8∶00與16∶00相比)分別為39.2%和17.7%，并且在16∶00至20∶00的這個(gè)時(shí)段內(nèi)，并未出現(xiàn)降低反而出現(xiàn)了增長(zhǎng)?？梢钥闯?和10 cm處地溫最高值出現(xiàn)在16∶00，15 cm深度地溫最高值出現(xiàn)在18∶00，20 cm深度地溫極值出現(xiàn)在20∶00，總體上地溫極值隨著深度的增加出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象。兩種完全生物降解地膜和普通地膜的地溫高于裸地，地下5 cm處BD1、BD2、普通塑料地膜覆蓋(厚度分別為0.010、0.012和0.008 mm)較無(wú)覆蓋地溫提升8.1%、6.9%和14.8%。普通塑料地膜對(duì)于地溫的提高作用最強(qiáng)，BD1增溫作用強(qiáng)于BD2但之間沒(méi)有顯著性差異(P<0.05)。地下10和15 cm處地溫與地下5 cm處地溫具有相似的規(guī)律，但在地下20 cm處覆膜處里與不覆膜沒(méi)有顯著性差異(P<0.05)。由此可以看出地膜覆蓋的增溫效應(yīng)主要集中在地表至地下15 cm深度內(nèi)。完全生物降解地膜與普通塑料地膜具有相似的增溫作用，從地膜的增溫方面看可以代替普通塑料地膜使用。

2.1.2土壤溫度的周變化

圖3表示不同覆膜處理5和10 cm 深度土壤溫度的周變化，分別為一天中不同時(shí)刻5和10 cm處土壤溫度的平均值。地膜覆蓋主要對(duì)地表至地下15 cm內(nèi)土壤溫度產(chǎn)生影響(圖2)。因此主要研究地下5和10 cm處地溫的周變化。從圖3可以看出土壤溫度在播種后35天內(nèi)波動(dòng)較大，最高與最低土壤溫度相差15.1 ℃，這主要是由于較大的氣象變化引起地溫的波動(dòng)(圖1)，并且棉花植被覆蓋較小氣象因素是主要的影響因素。之后氣溫穩(wěn)中有升，地溫則相應(yīng)升高則得以印證。在播種后65 d內(nèi)，地下5 cm處覆蓋BD1、BD2和LPE與無(wú)覆蓋(CK)相比溫度提高了2.3、2.1和3.5 ℃。覆蓋完全生物降解地膜可以顯著地提高土壤溫度，與之相比普通塑料地膜的增溫效應(yīng)更加明顯(增長(zhǎng)57.1%)。地下10 cm具有相似的作用，與對(duì)照相比BD1、BD2和LPE提高0.9、0.8和2.1 ℃，但增溫作用與地下5 cm相比明顯降低。播種65 d后3種覆膜處理5和10 cm深度土壤溫度都較為接近但比無(wú)覆蓋高，這是由于隨棉花生長(zhǎng)，植被覆蓋成為影響土壤溫度的主要因素，地膜的保溫作用逐漸消失；而在前期氣象因素是影響地溫的主要因素，地膜的保溫作用影響顯著。本試驗(yàn)所采用完全生物降解地膜在播種后65 d內(nèi)均未出現(xiàn)破壞性降解，具有和普通塑料地膜相似的保溫作用，從地膜的降解性能來(lái)說(shuō)，在棉花前期未出現(xiàn)大面積降解，完全滿足棉花生長(zhǎng)對(duì)溫度的要求，可以代替普通塑料地膜的使用。

圖2 不同覆膜處理下5～20 cm 深度處的土壤溫度日變化

圖3 不同覆膜處理下5和10 cm 深度處的土壤溫度周變化

2.2 不同覆蓋處理對(duì)土壤水分的影響

圖4表示的是不同覆蓋處理下土壤水分隨時(shí)間的變化。土壤水分在播種后第2 d不同地下深度的土壤水分基本一致。在地下0～10 cm處，土壤水分波動(dòng)較大，完全生物降解地膜和普通塑料地膜的土壤水分沒(méi)有明顯差異(P<0.05)，但均高于裸地。說(shuō)明完全生物地膜與普通塑料地膜具有相同的保墑效果。土壤水分在播種后45 d內(nèi)一直降低是由于，新疆膜下滴灌棉花在苗期和吐絮期內(nèi)不進(jìn)行灌溉。地下10～50 cm處，完全生物降解地膜和普通塑料地膜土壤水分無(wú)顯著差異(P<0.05)，但均多于無(wú)覆蓋土壤水分，這是由于植物根系較短以及覆膜阻礙深層土壤水分的蒸發(fā)，使得地下10～50 cm處土壤水分波動(dòng)較小，覆膜的保墑效果得以體現(xiàn)。但是，在地下50～100 cm處，土壤水分隨時(shí)間增長(zhǎng)波動(dòng)較小，4種處理的土壤水分互有高低，差異性不明顯，這是由于蒸發(fā)作用主要影響地表至地下50 cm處土壤水分，覆膜并不能對(duì)這一范圍內(nèi)的土壤水分產(chǎn)生影響。由此說(shuō)明完全生物降解膜和普通塑料地膜在保持水分上具有相似的作用，并且能在土壤0～50 cm處產(chǎn)生影響，因此從保墑的方面來(lái)說(shuō)，完全生物降解膜可以取代普通塑料地膜。

圖4 不同覆蓋處理下0～10,10～50,50～100 cm深度處土壤水分變化

3 討 論

使用生物降解地膜代替普通塑料地膜可應(yīng)用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，因?yàn)槎咴诒３滞寥浪趾吞岣咄寥罍囟染哂邢嗨频淖饔肹12]。蘭印超[13]等的研究表明可降解地膜覆蓋能夠提高地下5～20 cm的土壤溫度以及地表至40 cm處的土壤水分。張永明[14]等研究表明，地膜覆蓋可以明顯提高地下5～15 cm處的地溫，在沒(méi)有降解時(shí)與普通地膜相比具有相近的保溫作用。王星[15]等的研究表明，可降解地膜與普通塑料地膜具有相近的作用。王鑫[16]等研究表明，在玉米生長(zhǎng)前期，可降解地膜的保水保墑作用顯著。在本研究中，完全生物可降解地膜為保證足夠的韌性和強(qiáng)度，滿足新疆地區(qū)大面積機(jī)械作業(yè)要求，使用的地膜厚度較厚，與上述專家使用的降解地膜相比較厚。在地溫的日變化以及周變化中，完全生物可降解地膜均較普通塑料地膜的保溫效果差，這是由于特殊的材料和膜厚造成，但作用僅僅在地下5 cm處較為明顯。膜厚度的增加使得降解速度減慢，因此完全生物降解地膜前期的保水效果與普通塑料地膜相近，在棉花灌水階段內(nèi)(蕾期和花鈴期)地膜對(duì)對(duì)土壤水分的影響很小，這是由于高頻率灌水造成的，而此時(shí)也是完全生物降解地膜快速降解階段。因此從對(duì)于棉花生長(zhǎng)至關(guān)重要的水和溫兩方面來(lái)說(shuō)，完全生物降解地膜完全可以代替普通塑料地膜進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

2015年分別對(duì)膜下滴灌棉花，設(shè)置覆蓋不同厚度完全生物降解地膜、普通塑料地膜和不覆膜處理，觀測(cè)棉田土壤溫度和土壤水分，通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：在棉花生育前期，覆蓋生物降解地膜與普通塑料地膜可明顯提高0～15 cm內(nèi)土壤溫度和0～50 cm內(nèi)水分，普通塑料地膜和生物降解地膜有相似的保溫保墑效果。隨著棉花的生長(zhǎng)以及降解膜的 降解作用，生物降解地膜的保溫保墑效果會(huì)越來(lái)越差，但此時(shí)處于棉花生育后期地膜的影響越來(lái)越小。綜合考慮，生物可降解膜可替代普通塑料地膜，本研究對(duì)于生物可降解地膜的推廣提供理論支持。

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