周天美，周新偉，陸 靜，李夢琳，翟維杰，董林林，陸長嬰，施林林

（1國家土壤質(zhì)量相城觀測實(shí)驗(yàn)站，江蘇 蘇州 215155；2太倉市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江蘇 太倉 215400；3江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 蘇州 215155；4太倉市新湖惠民蔬菜專業(yè)合作社，江蘇 太倉 215400）

0 引言

農(nóng)用地膜能有效地控制土壤的溫度和濕度，減少水分和營養(yǎng)物流失，促進(jìn)農(nóng)作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益[1]，因此，地膜覆蓋已成為糧食、蔬菜等食物生產(chǎn)的關(guān)鍵措施。同時(shí)，傳統(tǒng)地膜不可降解，每年都會(huì)有大量的殘膜留在土壤里，這些塑料碎片可在土壤中形成阻隔層[2]，使土壤中的水、氣、肥等流動(dòng)受阻，造成土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境，造成白色污染。研究表明，傳統(tǒng)聚烯烴類塑料在自然條件下極難降解，在土壤中可存在200～400年[3]?；厥盏啬な且环N減少殘留的方法，但人工拾取殘膜耗時(shí)費(fèi)力，即使采用機(jī)械回收，也存在回收不徹底等諸多問題[4-6]。解決這一問題的有效途徑之一就是改變材料基質(zhì)，研制全生物降解地膜[7]。以生物降解材料為主要原料制成的全生物可降解地膜，不僅具有普通地膜的保溫保濕功能，而且在自然界中可完全被微生物降解，最終形成二氧化碳和水，對環(huán)境無污染[8]。

目前，全生物可降解地膜的應(yīng)用研究較多，如申麗霞等[9]研究發(fā)現(xiàn)可降解膜顯著提高了土壤溫度和水分含量，同時(shí)加快了玉米的生育進(jìn)程，提高了穗粒數(shù)、千粒重和最終產(chǎn)量。袁海濤等[10]的研究也表明，可降解地膜提高地表溫度2～3oC，棉花單株結(jié)鈴增加1.3個(gè)，鈴重增加0.7 g，棉花產(chǎn)量顯著增加583.5 kg/hm2。上述研究基本明確了可降解地膜對大田作物的有益作用。伴隨技術(shù)進(jìn)步，新型可降解地膜得到長足發(fā)展，如余旺等[11]總結(jié)了常見的32種新型可降解地膜及主要成分。聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)是生物降解研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[12-13]，而聚甲基乙撐碳酸酯(PPC)是基于CO2和環(huán)氧丙烷合成的完全可降解塑料[14]，二者復(fù)合形成的可降解地膜兼具工業(yè)化生產(chǎn)能力和全生物可降解性能，具有極佳的市場應(yīng)用前景，但目前針對基于PBAT和PPC可降解地膜的農(nóng)學(xué)應(yīng)用研究仍屬空白。

本研究通過基于PBAT和PPC可降解地膜在豇豆生產(chǎn)中的應(yīng)用，聚焦可降解地膜的保溫、增產(chǎn)和抑草性能，并通過經(jīng)濟(jì)效益分析，評估基于PBAT和PPC可降解地膜在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

本研究在2021年5—8月開展于江蘇省太倉市，區(qū)域地處北亞熱帶南部濕潤氣候區(qū)，日照充足，四季分明。田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于太倉雙鳳鎮(zhèn)新湖村蔬菜農(nóng)業(yè)園蔬菜基地(N 31°28'39.95"，E 121°2'12.18")，土壤類型屬于砂壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為27 g/kg，全氮1.5 g/kg，有效磷70mg/kg，速效鉀220mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積均為20m×1.2m。處理為4種不同地膜覆蓋處理，分別為PBAT-PPC可降解地膜處理（聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯與聚甲基乙撐碳酸酯復(fù)合，購自龍達(dá)生物新材料科技有限公司）、PBAT-PPCBioM可降解地膜處理（聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯、聚甲基乙撐碳酸酯與可降解生物材料共復(fù)合，購自中達(dá)航有限公司）、PE常規(guī)不可降解地膜處理（聚乙烯）和NoFilm處理（無地膜覆蓋），地膜厚度均為0.01mm，膜寬1.2m。

試驗(yàn)作物為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)蔬菜豇豆，品種名為‘夏翠’。種植模式為露地種植，在5月7日統(tǒng)一覆膜，并在5月19日進(jìn)行播種，每穴2粒種子，株距30 cm，待出苗后，用剪刀剁穿地膜，引苗出膜，然后用細(xì)土封壓破孔。處理間施肥量一致，在5月份施用8.25 t/hm2有機(jī)肥和360 kg/hm2三元復(fù)合肥(15:15:15)作為基肥，并在7月份進(jìn)行追肥，施用復(fù)合肥150 kg/hm2。不覆膜處理在種植前噴施除草劑1次。其他管理方式均一致。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

土壤地表(0～5 cm)溫度測定采用地溫計(jì)（精創(chuàng)RC-4），測定間隔1 h，測定時(shí)間從覆膜當(dāng)日開始至收獲完畢結(jié)束。長江下游地區(qū)雨水充沛，土壤墑情通常較好，因此本研究未對土壤濕度進(jìn)行持續(xù)觀測。豇豆產(chǎn)量計(jì)算基于每日收獲量的累加。采用1m2套框測定處理內(nèi)雜草鮮重，每小區(qū)測定3個(gè)平行，最終計(jì)算豇豆生育期內(nèi)平均總鮮草重。地膜降解速率參照楊惠娣等[15]提出的方法進(jìn)行評估，并在覆膜后每隔15天觀察記錄一次地膜降解情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)收集采用Microsoft Excel2016，統(tǒng)計(jì)分析與繪圖采用R平臺(tái)(https://cran.r-project.org/)。豇豆與雜草產(chǎn)量采用方差分析，在獲得顯著性后采用Tukey法進(jìn)行多重比較，顯著性水平取0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地膜處理對土壤溫度的影響

地膜保墑、增溫和控草是蔬菜種植過程中的主要目標(biāo)之一。本研究中3種地膜處理（PBAT-PPC、PBATPPC-BioM和PE）在前期（7月前）均有明顯的保溫作用。與不覆膜處理地表溫度相比，PBAT+PPC處理前期平均增溫0.9oC，最高增溫3.0oC；PBAT-PPC-BioM處理前期平均增溫0.9oC，最高增溫4.0oC；PE處理前期平均增溫0.9oC，最高增溫3.5oC（圖1）。而在后期（7月后），不同地膜增溫效益有顯著不同，其中PBAT+PPC處理基本與不覆膜處理接近，平均效應(yīng)為-0.2oC，PBAT-PPC-BioM處理為顯著負(fù)效應(yīng)，平均為-1.6oC；而PE處理為顯著正效應(yīng)，平均為0.5oC（圖1）。

圖1 豇豆種植期內(nèi)覆膜與不覆膜處理地表溫度差異比較

2.2 不同地膜處理對豇豆產(chǎn)量和田間雜草的影響

不同覆膜處理對豇豆的產(chǎn)量具有顯著影響(P<0.05)，多重比較表明，PBAT-PPC處理產(chǎn)量最高，其次為PBAT-PPC-BioM和常規(guī)PE覆膜處理，不覆膜處理最低（圖2）。PBAT-PPC處理平均產(chǎn)量比不覆膜對照處理高37%；PBAT-PPC-BioM處理平均產(chǎn)量與PE處理無顯著差異，比不覆膜對照處理高22%。

圖2 不同覆膜處理下豇豆產(chǎn)量與雜草產(chǎn)量

覆膜處理后雜草產(chǎn)量并無顯著差異(P>0.05)，平均雜草產(chǎn)出量為1005 kg/hm2，本研究中不覆膜處理由于除草劑效應(yīng)雜草產(chǎn)量較低，僅為658 kg/hm2。通過調(diào)研臨近未覆膜和未化學(xué)除草田塊，我們發(fā)現(xiàn)平均雜草產(chǎn)量可達(dá)到1821 kg/hm2，地膜覆蓋具有顯著的抑草效果，平均雜草產(chǎn)量降低45%。

2.3 可降解地膜的降解速度

覆膜后每隔15天觀察地膜破裂情況，結(jié)果表明，可降解地膜的降解程度隨著覆蓋時(shí)間的增加而提高（表1），整體而言，PBAT-PPC-BioM地膜降解速度略高于PBAT-PPC地膜，普通PE地膜幾乎無降解。本研究中盡管至豇豆收獲完畢，可降解地膜降解情況仍處于4～5級水平，但地膜明顯變薄，如顏料貼于地面，可順利通過機(jī)械翻耕埋入土中，以進(jìn)一步加速降解。

表1 豇豆種植期內(nèi)可降解地膜降解情況

2.4 價(jià)格與成本效益分析

可降解地膜單價(jià)一般高于傳統(tǒng)的PE地膜，本研究中兩種可降解地膜單價(jià)均為每公斤40元，單位面積鋪膜成本與PE地膜一致，按本地區(qū)平均人工每日150元計(jì)，每公頃鋪膜成本約1125元。傳統(tǒng)PE地膜有回收成本，且高于鋪膜成本，約每公頃2250元。按照蘇州市近期豇豆平均批發(fā)價(jià)格每公斤6.7元計(jì)(https://price.21food.cn/product/430.htm l)，種植戶不計(jì)人工、肥料等其他成本，PBAT+PPC處理毛收入最高，其次為PE地膜和PBAT+PPC+BioM地膜。不覆地膜處理由于豇豆產(chǎn)量較低，盡管無地膜成本支出，但毛收入也最低（表2）。整體而言，PE地膜處理較露地種植毛收入提高19%，可降解地膜較露地提高18%～32%。

表2 不同地膜覆蓋處理成本與效益分析

3 結(jié)論

綜上所述，地膜覆蓋有利于豇豆增產(chǎn)增效，基于PBAT和PPC的可降解地膜與常規(guī)PE地膜有相近的土壤保溫、作物增產(chǎn)和田間抑草效應(yīng)?；赑BAT和PPC-可降解地膜在豇豆生長期內(nèi)降解等級為4～5級，基本裂解為4 cm×4 cm薄膜碎片，為后期機(jī)械翻耕還田繼續(xù)降解提供了基礎(chǔ)，具備了實(shí)際田間生產(chǎn)性能。同時(shí)盡管可降解地膜目前售價(jià)高于傳統(tǒng)PE地膜，由于無回收成本和突出的增產(chǎn)效果，扣除材料和使用成本后，采用基于PBAT和PPC的可降解地膜的綜合收益與PE地膜相當(dāng)，顯著高于常規(guī)露地生產(chǎn)。因此，基于PBAT和PPC可降解地膜在豇豆生產(chǎn)中有突出增產(chǎn)效益，且無不良環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，具有極大的推廣價(jià)值。

4 討論

本研究中可降解地膜與PE地膜在前期（7月份前）都有顯著的保溫效果，達(dá)到了地膜應(yīng)用的預(yù)期。在地膜應(yīng)用后期（7月份后），PE地膜由于不可降解的特性，土壤保溫性能仍然較好，但7—8月過高地表溫度反而易導(dǎo)致土壤呼吸增加、養(yǎng)分損耗過大，并不利于作物生長[16-17]。應(yīng)用生物降解地膜后，地表溫度較露地略有降低，尤其是PBAT-PPC-BioM地表溫度降低較為明顯（圖1），其主要原因是PBAT-PPC-BioM降解較快（表1），地表雜草逐步生長（圖2），有助于降低地表溫度。值得注意的是，本研究中不覆蓋地膜處理為避免前期雜草滋生，進(jìn)行了化學(xué)防除，導(dǎo)致后期雜草反而低于地膜覆蓋，但除草劑使用易導(dǎo)致食品安全和土壤生態(tài)健康等問題[18-19]。

覆膜后豇豆產(chǎn)量顯著高于露地處理，這可能與覆膜處理具有良好的保墑和保肥性有關(guān)[20]，同時(shí)地膜覆蓋后地表溫度較高，干物質(zhì)累積普遍高于露地，如申麗霞等研究表明地膜覆蓋后玉米的株高和干物質(zhì)顯著高于對照[21]，羅莎等研究表明覆膜后辣椒產(chǎn)量顯著高于不覆膜處理[22]?？山到獾啬﹄s草的抑制能力略低于常規(guī)PE薄膜，主要原因是后期可降解薄膜逐步降解導(dǎo)致雜草滋生，但二者無顯著差異（圖2），基于PBAT和PPC的可降解地膜仍可有效的抑制菜地雜草。

經(jīng)過4個(gè)月豇豆種植期，本研究所采用可降解薄膜最終降解等級為4～5級之間，根據(jù)楊惠娣等[15]的分級依據(jù)，地膜出現(xiàn)均勻網(wǎng)狀裂紋，開始變薄，無大塊薄膜存在，且裂解為尺寸小于4 cm×4 cm的碎片。盡管尚未全部降解，但在后期翻耕操作過程中，可降解地膜可輕易打碎翻入土壤進(jìn)行下一步降解，達(dá)到了地膜原位處理的目標(biāo)。PE地膜未有明顯降解跡象，需要人工回收利用。

目前可降解地膜推廣利用的最大障礙是使用成本較高[23-24]，本文通過對薄膜成本、鋪膜成本、地膜回收成本和增產(chǎn)收益的綜合分析可知，采用地膜種植豇豆可有效提高單位面積毛收入?？山到獾啬じ采w較露地種植毛收入提高18%～32%，而PE地膜覆蓋較露地種植毛收入提高19%，主要原因是地膜覆蓋后作物產(chǎn)量得到顯著提高，產(chǎn)生收入足以抵消地膜使用成本。盡管常規(guī)PE處理與可降解地膜毛收入相近，但PE地膜處理后容易導(dǎo)致土壤微塑料積累，影響土壤健康和農(nóng)產(chǎn)品安全[25]，因此并不推薦PE地膜的長期使用。