鄔 強(qiáng)，王振華，鄭旭榮，張金珠，李文昊（1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832000；2. 石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832000）

PBAT生物降解膜覆蓋對(duì)綠洲滴灌棉花土壤水熱及產(chǎn)量的影響

鄔 強(qiáng)，王振華※，鄭旭榮，張金珠，李文昊
（1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832000；2. 石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832000）

為應(yīng)對(duì)農(nóng)田殘膜污染，探明基于聚己二酸丁二醇酯-對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）材料的完全生物降解地膜代替普通塑料地膜與滴灌結(jié)合在棉花滴灌上應(yīng)用效果，于2015—2016年在新疆石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站，分別設(shè)置4種不同厚度和降解誘導(dǎo)期生物降解地膜和普通塑料地膜共5種不同處理，研究不同覆蓋對(duì)滴灌棉花土壤溫度、水分及產(chǎn)量的影響，并對(duì)可降解膜降解性能和經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析。2 a試驗(yàn)結(jié)果表明，覆膜60～80 d開始出現(xiàn)降解，至覆蓋180 d后出現(xiàn)均勻細(xì)紋并未完全降解，0.012 mm可降解地膜覆膜180 d僅僅出現(xiàn)裂紋，降解速度較慢。0.010 mm和0.012 mm厚完全生物可降解地膜處理棉花苗期土壤0～25 cm平均溫度較對(duì)照分別低0.94 ℃和1.34 ℃（P＜0.05)，但隨著作物生長(zhǎng)兩者差異逐漸減小。4種類型可降解膜覆蓋在棉花生長(zhǎng)前期均能提高土壤土壤水分，但隨地膜降解和棉花生長(zhǎng)后期則顯著降低，與普通塑料地膜相比土壤水分顯著降低1%～3%?？傮w而言，覆蓋完全生物可降解地膜處理2 a平均產(chǎn)量較CK減少2%～3%，水分利用效率減少4%左右（P＜0.05），凈收入少1 858.5元/hm2（10.2%），4種類型可降解地膜產(chǎn)投比相比，厚度較薄0.010 mm處理應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效果較好?？梢?，目前全生物降解地膜若要代替普通地膜，解決殘膜污染，仍需進(jìn)行較大的改善。

土壤水分；溫度；棉花；產(chǎn)量；水分利用效率；完全生物降解地膜；膜下滴灌；綠洲灌區(qū)

0 引 言

覆膜種植可以改善土壤水熱效應(yīng)、抑鹽控草和增加經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。截止2016年全國(guó)覆膜種植面積超過2 000萬hm2，其中新疆地區(qū)膜下滴灌棉花面積超過200萬hm2，棉花產(chǎn)量居全國(guó)第一[3-4]。目前廣泛使用地膜為厚度在0.006～0.008 mm超薄聚乙烯地膜，作物收獲后地膜不易回收而聚乙烯地膜降解周期超過200 a，土壤耕作層殘膜不斷累積。嚴(yán)昌榮等[5]指出連續(xù)10 a膜下滴灌棉田殘膜為（259±36.78）kg/hm2；殘膜影響根對(duì)水肥吸收、改變土壤結(jié)構(gòu)、降低出苗率和作物產(chǎn)量[6-8]。畢繼業(yè)等[9]研究指出覆膜36 a后殘膜造成作物減產(chǎn)率將大于地膜覆蓋技術(shù)引起的農(nóng)作物增產(chǎn)率，殘膜負(fù)效應(yīng)再持續(xù)16 a則完全抵消地膜覆蓋的增產(chǎn)效應(yīng)，在現(xiàn)有地膜回收技術(shù)下，覆膜種植是不經(jīng)濟(jì)的并且可對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可逆影響[10]。

可降解地膜的出現(xiàn)成為解決殘膜問題的一條有效途徑[11]。趙巖等[4]認(rèn)為可降解地膜最終會(huì)代替普通不可降解地膜，但目前可降解地膜和普通塑料地膜會(huì)長(zhǎng)期共存。目前研究應(yīng)用的可降解地膜主要有光解膜、生物/光降解地膜和生物降解地膜3種類型，光降解地膜最早進(jìn)行研究應(yīng)用[12-13]，由于覆土后光降解便停止，并且不能夠完全降解；之后光/生物可降解膜研究較多[14]，但是這種類型無論生產(chǎn)成本還是應(yīng)用性能均較差；生物降解地膜成為替代普通塑料地膜的理想選擇[15]。生物可降解地膜分為完全生物降解膜和添加型可生物降解膜[16]，由于淀粉較為廉價(jià)和可再生性，淀粉基可生物降解地膜目前研究較多[17-18]，雖然淀粉具有很好降解性但親水性強(qiáng)，吸水后力學(xué)性能顯著下降，降解時(shí)間不易控制。而聚酯類完全生物可降解膜能夠被完全分解成為CO2和H2O，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，地膜穩(wěn)定性強(qiáng)，具有廣闊研究和應(yīng)用價(jià)值[19-20]。但是對(duì)這種類型降解地膜的研究多集中在試驗(yàn)開發(fā)與研制，雖然柴建軍[21]進(jìn)行了田間應(yīng)用，但并未深入研究這種聚酯類完全生物降解地膜應(yīng)用后的水熱效應(yīng)、降解特性、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。另外，目前很多研究表明可降解地膜與塑料地膜具有類似的增溫保濕和增產(chǎn)作用能夠代替普通塑料地膜[22]，并且對(duì)不同厚度和不同材料可降解地膜也進(jìn)行詳細(xì)研究[23]，但是可降解地膜在強(qiáng)烈蒸發(fā)、稀缺降雨和強(qiáng)紫外線環(huán)境的新疆地區(qū)應(yīng)用研究很少。袁海濤等[24-25]研究了添加氧化劑的氧化-生物雙降解膜在新疆區(qū)對(duì)滴灌棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，但并未指出可降解覆蓋下水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。并且現(xiàn)有可降解地膜研究多數(shù)并非針對(duì)膜下滴灌棉花應(yīng)用且所研究地膜材料不論從厚度和降解誘導(dǎo)期來說均不能在新疆應(yīng)用。2014年新疆推廣應(yīng)用可降解地膜3 720 hm2，未來其應(yīng)用面積會(huì)持續(xù)增加，但在并未深入揭示新疆地區(qū)可降解地膜應(yīng)用對(duì)土壤水熱效應(yīng)及覆膜經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益影響下，僅是依靠行政推廣和政府補(bǔ)貼并不能有效推廣可降解地膜代替普通塑料地膜在新疆地區(qū)的應(yīng)用，反而會(huì)造成社會(huì)資源的浪費(fèi)。因此，亟需選擇適宜于新疆膜下滴灌應(yīng)用可降解地膜，并深入揭示膜的土壤水熱效應(yīng)、降解特征及其對(duì)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響。

目前對(duì)于可降解地膜研究雖多，但是所研究材料類型繁雜，可降解地膜的開發(fā)與應(yīng)用研究脫節(jié)，應(yīng)用研究滯后于研發(fā)，導(dǎo)致可降解膜類型多但能夠生產(chǎn)應(yīng)用很少，其生產(chǎn)應(yīng)用相關(guān)行業(yè)規(guī)范及生產(chǎn)工藝更無從制定，影響可降解地膜推廣，并且從農(nóng)業(yè)水土方向?qū)山到獾啬さ膽?yīng)用研究又模糊所選材料的類型，不利于為研發(fā)提供一手資料。本研究基于不同厚度和降解誘導(dǎo)期的第3代可降解地膜（PBAT材料）（前2代分別為光降解和光/生物雙降解，多數(shù)類型地膜不能完全降解），研究覆膜后地膜的降解性能、水熱效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。根據(jù)已有研究，結(jié)合新疆特殊氣候條件和膜下滴灌棉花特點(diǎn)，通過連續(xù)2 a定位試驗(yàn)對(duì)不同厚度和不同降解誘導(dǎo)期完全生物降解覆蓋下水溫效應(yīng)、降解特征、棉花產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究，評(píng)估聚酯類完全生物可降解地膜代替普通塑料地膜在新疆綠洲灌區(qū)應(yīng)用前景，篩選適合綠洲灌區(qū)應(yīng)用完全生物降解類型，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用可降解地膜提供科學(xué)理論指導(dǎo)，以期解決殘膜污染問題，保障綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年4月—2016年10月在新疆石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（85°59′E、44°19′N）進(jìn)行。該區(qū)海拔451 m，年均日照數(shù)2865 h，＞10 ℃ 積溫3 463.5 ℃，＞15 ℃積溫2 960.1 ℃，無霜期170 d左右，試驗(yàn)地2015—2016年棉花生育期內(nèi)降雨量分別為31.7、157.4 mm，平均氣溫分別為20.3、21.2 ℃（圖1）。供試驗(yàn)土壤質(zhì)地為輕壤土，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（粒徑＜0.01為22%），0～100 cm土壤平均容重為1.60 g/cm3，地下水埋深大于8 m, 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性狀如表1所示，試驗(yàn)地從2008年開始膜下滴灌種植，前茬作物為棉花。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試完全生物降解地膜由廣州金發(fā)科技股份有限公司提供，供試棉花品種為新陸早23號(hào)；聚乙烯普通塑料地膜由新疆天業(yè)公司生產(chǎn)；單翼迷宮式滴灌帶由新疆天業(yè)公司生產(chǎn)，滴頭間距30 cm，滴頭設(shè)計(jì)流量2.6 L/h。參照北疆地區(qū)種植方式，采用1膜2管4行種植模式（圖2），棉花株距10 cm，棉花種植密度25萬株/hm2。各處理地膜材料為：普通聚乙烯塑料地膜（CK，厚0.008 mm）；A型完全生物降解地膜（BD1，厚0.010 mm）主要成分PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期45 d；覆蓋B型完全生物降解地膜（BD2，厚0.010 mm）主要成分PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期60 d；覆蓋C型完全生物降解地膜（BD3 厚0.012 mm）主要成分PBAT降解誘導(dǎo)期60 d，覆蓋D型完全生物降解地膜（BD4 厚0.010 mm）主要成分PBAT設(shè)計(jì)降解誘導(dǎo)期45 d，A、B、C和D型完全生物可降解膜配方不同，以控制可降解膜降解速度，但均能在1～2 a內(nèi)完全降解。試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列，小區(qū)面積54 m2（18 m×3 m），每個(gè)處理3次重復(fù)。

圖1 2015年和2016年膜下滴灌棉花生育期間降雨和氣溫分布Fig.1 Distribution of precipitation and air temperature in growth period of cotton with mulched drip irrigation in 2015—2016

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化特性Table 1 Physical and chemical properties of soil in experimental plot

圖2 棉花膜下滴灌種植模式Fig.2 Planting layout of cotton with mulched drip irrigation

1.3 田間管理目

采用深層地下水灌溉，灌溉水礦化度約1.3 g/L，各個(gè)小區(qū)通過水表和球閥控制灌水量，參考當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐灌溉經(jīng)驗(yàn)，2015年和2016年棉花灌溉制度如表2所示，磷酸鉀銨和尿素按照1∶2的比例通過施肥罐隨水施肥，2 a施肥量均為832 kg/hm2，其中吐絮期不施肥，所有處理的化控等農(nóng)藝措施與普通棉田一致。棉花播種日期2015年和2016年分別為4月27日和4月21日。

表2 棉花生育期灌溉制度Table 2 Irrigation scheduling for cotton growth stages

1.4 采樣與測(cè)定

1.4.1 地膜降解程度：覆膜后每隔10 d觀察記錄地膜降解程度。地膜降解分級(jí)指標(biāo)參照楊惠娣等[26]方法，使用0～5級(jí)代表地膜降解程度，0級(jí)表示地膜完整未出現(xiàn)裂紋，5級(jí)則表示地膜裂解為4×4 cm2以下碎片，地表無地膜存在。

1.4.2 土壤溫度：使用曲管水銀地溫計(jì)測(cè)定棉花苗期、蕾期、花期、鈴期、吐絮期5、10、15、20及25 cm深土壤溫度，溫度計(jì)均置于棉花寬行中間（滴灌帶之間），分別記錄8:00—20:00土壤溫度，每隔2 h觀測(cè)1次，連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)5 d，取其平均值作為該生育期的代表值。

1.4.3 產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益：棉花成熟后在小區(qū)中間4行、長(zhǎng)度5 m區(qū)域內(nèi)測(cè)定棉花籽棉產(chǎn)量，實(shí)收計(jì)產(chǎn)，2015和2016年收獲日期分別為10月12和10月28日。收入為籽棉產(chǎn)量乘以市場(chǎng)價(jià)格，純收益為產(chǎn)量收入減去總投入，其中總投入包括化學(xué)肥料、種子、農(nóng)藥、水電費(fèi)、地膜、滴灌帶、拾棉費(fèi)及耕作人工費(fèi) (計(jì)算價(jià)格均參照石河子地區(qū)平均水平)。

1.4.4 土壤含水率：采用取土烘干法分別測(cè)定棉花播種前、苗期、蕾期、花期、鈴期、吐絮期和收獲期滴灌帶下、寬行間和膜間0～100 cm土壤質(zhì)量含水率，每10 cm取1土樣。

式中W為土壤貯水量，mm；ρ 為實(shí)測(cè)土壤容重，g/cm3； h為土層厚度，cm；ω為土壤含水率，%；根據(jù)觀測(cè)田間地下水埋深在8 m以下，地下水供給可忽略不計(jì)。

式中ET為作物耗水量，mm；Pr為作物生育期降雨量，mm；I為生育期灌水量mm；Wp和Wh分別為播前和收獲時(shí)的土壤貯水量，mm。

水分利用率（water use efficiency，WUE）為單位面積籽棉產(chǎn)量（Y，kg/hm2）除以作物耗水量，kg/(hm2·mm)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016和SAS 8.01統(tǒng)計(jì)軟件處理和分析，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行方差分析并用LSD法（least significant difference）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花生育內(nèi)不同處理地膜降解程度

表3表示覆蓋不同可降解地膜后隨棉花生長(zhǎng)地膜降解程度變化。

表3 不同完全生物可降解膜處理降解程度分級(jí)Table 3 Degradation classification of different biodegradable film mulching treatments

表3表明，2015年和2016年均是覆膜60 d后出現(xiàn)降解，受不同年份應(yīng)用環(huán)境影響，BD2處理2015年較2016年推遲20 d開始降解，但BD1、BD3和BD4處理2 a降解過程基本一致。BD1和BD4覆膜60 d出現(xiàn)裂縫，80 d時(shí)25%地膜出現(xiàn)細(xì)小裂紋，覆膜180 d后出現(xiàn)均勻裂紋，但地膜未完全消失，仍有大塊殘留。BD2和BD3降解過程類似，但與BD1和BD2相比無論降解速度還是降解強(qiáng)度均較低，BD3處理在覆膜80 d后開始出現(xiàn)裂縫，覆膜100 d田間25% 出現(xiàn)細(xì)小裂縫，覆膜140 d出現(xiàn)2～2.5 cm長(zhǎng)裂縫，較厚的BD3處理降解速度慢，但同同種厚度相比，改變可降解膜配方可以增加或是減緩降解速度，BD2與同種厚度可降解地膜相比降解速度減慢?？傮w上可降解地膜在應(yīng)用過程中實(shí)際降解誘導(dǎo)期大于設(shè)計(jì)誘導(dǎo)期。CK處理在覆膜100～180 d后出現(xiàn)細(xì)小裂縫，這主要由于太陽(yáng)輻射、機(jī)械外力造成，屬于正常損耗，這也說明棉花生育期結(jié)束，CK地膜破損增加回收難度，4種類型可降解地膜在覆膜后60 d均能保持良好形態(tài)，之后出現(xiàn)不同程度降解，生育期結(jié)束繼續(xù)降解可直接耕作不必回收。

2.2 不同覆蓋處理耕層土壤溫度變化

2.2.1 不同覆蓋對(duì)棉花苗期不同深度土壤溫度影響

2015—2016年棉花苗期不同處理覆蓋土壤5～25 cm層溫度變化見表4。

表4 2015和2016年棉花苗期不同處理對(duì)不同土層土壤溫度的影響Table 4 Effect of different treatments on soil temperature in different depth at cotton seeding in 2015—2016

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05），下同。

Notes: Significant differences among treatments are indicated by lower case letters at P＜0.05, the same as below.

苗期棉花葉面積較小且苗期不灌溉，土壤溫度主要受大氣溫度和太陽(yáng)輻射等狀況影響，2016年苗期土壤溫度明顯低于2015年，這是由于2016年苗期降雨多，氣溫低（圖1），苗期不同處理完全生物降解地膜保持完整形態(tài)（表3），年際內(nèi)苗期地溫不同主要是由于不同處理覆蓋對(duì)太陽(yáng)輻射的影響不同造成?？傮w而言（表4），2 a試驗(yàn)結(jié)果表明CK處理覆蓋土壤＜20 cm層溫度比4種類型完全生物可降解地膜覆蓋高，具有相同厚度處理BD1、BD2和BD4覆蓋在2015年對(duì)土壤溫度影響相似，但在2016年相同厚度可降解膜則無明顯規(guī)律，這可能是由于2016年平均氣溫低于2015年，完全生物可降解地膜對(duì)低溫影響弱造成。綜合2 a 處理BD1、BD2和BD4苗期土壤5～25 cm平均溫度較CK低0.9、0.95和0.96 ℃（P＜0.05)，較厚BD3處理則較CK低1.34 ℃（P＜0.05）。其中厚度為0.010 mm和0.012 mm可降解膜平局分別降低0.94和1.34 ℃另外，不同地膜覆蓋對(duì)土壤溫度影響效果隨土壤深度增加逐漸減弱，其中BD1、BD2和BD4處理土層0～15 cm溫度高于BD3處理但低于CK處理（P＜0.05），在土層20～25 cm各處理土壤溫度無明顯規(guī)律，基本一致（變異系數(shù)＜3%）。因此，不同材料覆蓋在苗期可以改變＜15 cm土層溫度，較厚地膜覆蓋土壤溫度低于較薄地膜，完全生物可降解地膜與普通塑料地膜增溫過程相似，但溫度弱于較薄普通塑料地膜。

2.2.2 不同覆蓋對(duì)棉花不同生育期土壤溫度的影響

隨棉花生長(zhǎng)和覆膜后完全生物可降解地膜土壤溫度動(dòng)態(tài)變化如圖3。在棉花苗期至蕾期（10～45 d），棉花葉面積指數(shù)小，不同處理地膜覆蓋成為影響土壤溫度主要因素，這階段CK較完全生物降解膜保溫能力更強(qiáng)，其中2015年BD1、BD2、BD3和BD4較CK分別低0.4、0.42、0.82和0.41℃（P＜0.05＝，2016年則分別低1.08、1.12、1.41和1.09 ℃（P＜0.05＝。在棉花蕾期至花鈴期（45～90 d），葉面積指數(shù)迅速增加，由于灌溉土壤含水率增加，雖然完全生物可降解地膜開始出現(xiàn)降解，但隨棉花葉面對(duì)太陽(yáng)輻射阻隔及土壤耕層含水率增加，地膜降解作用并未顯著改變土壤溫度，其中BD1、BD2、BD3和BD4處理2 a土層0～25 cm平均溫度與CK差異不顯著（P＞0.05），不同覆膜對(duì)地溫影響作用均減弱。在棉花花鈴期至吐絮期（120～180 d），這個(gè)階段由于灌溉停止和棉花葉子逐漸脫落，地膜開始出現(xiàn)較長(zhǎng)裂縫但未完全消失，BD1、BD2、BD3和BD4處理2 a平均地溫 較CK并未顯著降低（P＞0.05）。因此，雖然棉花生育期較長(zhǎng)，但覆蓋完全生物可降解地膜處理在棉花生長(zhǎng)中后期并未因地膜降解顯著降低土壤溫度，并且不同類型完全生物可降解地膜僅在棉花苗期對(duì)土壤溫度具有顯著影響。

圖3 2015和2016年不同處理覆蓋下0～25 cm土層平均溫度隨棉花生長(zhǎng)變化Fig.3 Change in mean soil temperature of 0-25 cm depths with cotton growing under different mulching treatments in 2015—2016

2.3 不同覆蓋下不同土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化

不同覆蓋處理不同土層土壤水分隨棉花生長(zhǎng)而變化（圖4），棉花根系主要分布在土壤0～100 cm深度內(nèi)，而覆膜后改變土壤與空氣界面，形成隔水層阻礙土壤水分無效蒸發(fā)，新疆綠洲灌區(qū)降水多以陣雨形式，加之強(qiáng)烈蒸發(fā)不能有效補(bǔ)充土壤水，因此棉花生育期內(nèi)土壤水變化主要受棉花根系吸水和灌溉影響，但覆蓋不同類型可降解地膜后地膜降解改變土壤-氣邊界，與普通塑料地膜相比土壤水隨棉花生長(zhǎng)出現(xiàn)差異，2015年和2016年土壤水分變化不同主要受灌溉和當(dāng)年氣象影響，但總體規(guī)律基本一致。

0～20 cm土壤水分變化表明（圖4a～圖4b），由于棉花苗期不灌溉，蕾期至花鈴期少量但密集灌溉，土壤表層水分起伏主要受灌溉影響，在棉花苗期至蕾期4種可降解處理地膜形態(tài)完整與CK相比土壤水分差異不明顯（P＞0.05）。棉花鈴期后可降解地膜降解保水作用減弱但頻繁灌溉影響較大，0～20 cm平均土壤貯水量BD1、BD2、BD3和BD4處理分別較CK相比并不顯著（P＞0.05），可見雖然完全生物可降解地膜降解但對(duì)土壤水并未產(chǎn)生顯著影響。＞20～40 cm土壤水分動(dòng)態(tài)變化表明（圖4c～圖4d），與0～20 cm層相比土壤水分干擾小更主要受根系吸水和蒸發(fā)影響，2 a平均土壤貯水量在吐絮期BD1、BD2、BD3和BD4處理覆蓋下較CK低4.53%、2.81%、1.72%和3.46%（P＜0.05），BD2和BD3處理降解程度較低，保水效果更好，可降解地膜的降解作用對(duì)這一層土壤水分產(chǎn)生顯著影響。＞40～100 cm土壤貯水量動(dòng)態(tài)變化表明，由于各次灌溉量小，地下40 cm土層受灌溉影響小。各個(gè)覆蓋處理之間并無明顯規(guī)律，BD1、BD2、BD3、BD4處理在＞40～100 cm層2 a平均土壤貯水量與CK相比差異不顯著（P＞0.05）。可降解地膜的降解作用對(duì)于40 cm深度以下土壤水分影響弱，完全生物可降解地膜降解并未顯著影響深層土壤水分狀況。

2 a結(jié)果表明，覆蓋可降解地膜與普通塑料地膜能夠改善土壤0～40 cm土壤水分狀況，但在棉花生長(zhǎng)后期與CK相比，可降解地膜降低土壤水分1%～3%（P＜0.05），而降解速度較慢各處理能夠增加土壤含水率，但在土壤40 cm深度以下土壤水分并不受影響。

圖4 2015和2016年棉花生育期各處理土壤水分動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil water storage in different treatments during cotton growth stages in 2015—2016

2.4 不同覆蓋處理棉花產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益

不同覆蓋處理棉花產(chǎn)量和水分利用效率見表5。2016年棉花WUE高于2015年，這主要是由于2016年氣象條件不同于2015年，并且棉花產(chǎn)量2016年大于2015年。由于可降解地膜覆蓋一方面降低土壤溫度，另一方面降解造成土層0～40 cm水分含量不同程度下降，BD1～BD4處理2 a產(chǎn)量均較CK顯著降低（P＜0.05）。另外，BD3處理產(chǎn)量顯著低于其他覆蓋處理，這是由于苗期土壤溫度高低對(duì)棉花產(chǎn)量形成具有很大影響并且地溫效應(yīng)不斷累積，而地膜較厚BD3處理地溫較低。各個(gè)覆蓋處理水分利用效率與2015年棉花產(chǎn)量規(guī)律類似，但在2016年BD1、BD2處理與CK相比無顯著性差異（P＞0.05）?？傮w行覆蓋完全生物可降解地膜處理2 a平均產(chǎn)量較CK減少2%～3%，水分利用效率減少4%左右（P＜0.05），凈收入少1 858.5元/hm2（10.2%），4種類型可降解地膜產(chǎn)投比相比，厚度較薄BD1、BD2和BD4處理應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效果較好。

表5 2015和2016年不同處理棉花產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）Table 5 Cotton yield and water use efficiency (WUE) for different treatments in 2015—2016

2 a不同覆蓋處理經(jīng)濟(jì)效益見表6?？山到獾啬づc普通塑料地膜相比投入平均增加843元/hm2，其中主要是地膜成本高于廣泛應(yīng)用普通塑料地膜，其中BD3處理高于其他處理是由于較厚地膜用量增加，投入增多，隨厚度的增加使得投入成本較對(duì)照增加4.1%左右，產(chǎn)投比降低5%～7%。綜合考慮不同覆膜處理投入與產(chǎn)出，平均覆蓋可降解地膜處理凈收入減少1 858.5元/hm2（10.2%），但完全生物可降解地膜覆蓋后可降解，不需額外人工清理及回收殘膜，雖然目前覆蓋可降解地膜使得凈收益減少，但隨著普通塑料地膜覆蓋殘膜累積造成的減產(chǎn)效應(yīng)和人工費(fèi)用增加效應(yīng)顯現(xiàn)，加之可降解地膜規(guī)?；a(chǎn)后成本顯著降低，完全生物降解地膜覆蓋棉花經(jīng)濟(jì)效益會(huì)提升，可降解地膜的推廣具有廣闊的前景。4種類型可降解地膜產(chǎn)投比相比，厚度較薄BD1、BD2和BD4處理應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效果較好。

表6 2015和2016年不同處理經(jīng)濟(jì)效益分析Table 6 Economic benefit analysis for different treatments in 2015—2016

3 討 論

可降解地膜組成材料多樣，應(yīng)用條件廣泛，造成降解速度出現(xiàn)很大差異。申麗霞等[14]應(yīng)用玉米可降解地膜在覆膜30～40 d出現(xiàn)裂紋，至90 d后基本完全降解，趙愛琴等[23]應(yīng)用可降解地膜則覆膜20 d后出現(xiàn)裂紋，作物成熟后無明顯膜片存在。但本試驗(yàn)中完全生物可降解地膜覆膜60～80 d后出現(xiàn)裂紋，至180 d后地面仍有大片地膜存在，無論降解速度還是降解程度均較低，這是由于本試驗(yàn)生物可降解膜地膜主要成分為聚己二酸丁二醇酯-對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBAT），苯二甲酸丁二醇（PET）具穩(wěn)定性但可降低降解速率，Witt等[27]對(duì)PBAT生物降解性能研究發(fā)現(xiàn)在一定環(huán)境下其可被微生物完全降解，不會(huì)危害環(huán)境?？紤]新疆棉花較長(zhǎng)生育期和機(jī)械化作業(yè)要求，尤其春季大風(fēng)、冰雹等氣象災(zāi)害，可降解地膜在棉花生長(zhǎng)前期需有較好完整性，趙巖等[4]提出棉花異纖問題，認(rèn)為機(jī)采棉要求可降解地膜在收獲時(shí)不應(yīng)大面積降解，而本試驗(yàn)中可降解地膜在棉花收獲時(shí)降解程度僅達(dá)3～4級(jí)，適宜于新疆應(yīng)用。

地膜覆蓋改變了土壤熱通量，但由于覆蓋材料的不同使得土壤溫度出現(xiàn)差異[28]。趙彩霞等[29]研究表明應(yīng)用生物降解膜平均較普通地膜土壤溫度低2～3 ℃，李榮等[30]則發(fā)現(xiàn)覆蓋生物降解地膜在玉米苗期地溫較普通塑料地膜低0.4 ℃。這些本試驗(yàn)研究結(jié)果相似，完全生物可降解地膜覆蓋后土壤0～15 cm土壤溫度降低，但在申麗霞等[14,31]研究中發(fā)現(xiàn)覆蓋可降解地膜相比于普通塑料地膜土壤溫度出現(xiàn)增高。這一結(jié)果可能與地膜厚度、材料影響太陽(yáng)輻射對(duì)土壤的作用有關(guān)[28]。另外本試驗(yàn)中0.012 mm厚完全生物可降解地膜較其他地膜保溫效果減弱，這是由于地膜厚度的增加使得對(duì)太陽(yáng)輻射吸收增多。喬海軍等[32]發(fā)現(xiàn)隨作物葉面積增加，覆膜對(duì)土壤溫度的作用不再明顯，在本試驗(yàn)中也得到類似結(jié)果。因此，可降解地膜覆蓋在作物生長(zhǎng)前期對(duì)土壤溫度影響顯著，可以通過改變材料厚度和類型，使得土壤溫度升高或降低，適宜于當(dāng)?shù)胤N植。

覆膜應(yīng)用于干旱半干旱區(qū)，一方面提高土壤溫度，另一方面減少無效蒸發(fā)提高土壤水分含量和水分利用效率[33]。本研究發(fā)現(xiàn)完全生物可降解地膜覆蓋可以改變土壤0～40 cm貯水量，與CK處理相比土壤貯水量降低3%～4%，但可降解地膜仍能保持土壤水分但效果弱于普通塑料地膜。由于新疆綠洲農(nóng)業(yè)特殊灌溉種植方式，與Moreno等[34]得出覆蓋可降解地膜對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)無較大影響不同，本研究中覆蓋完全生物可降解地膜后土壤溫度和土壤含水率均低于CK，因而棉花產(chǎn)量顯著低于CK（P＜0.05)。但本研究中完全生物可降解地膜在棉花生育期內(nèi)并未完全降解，因此，認(rèn)為完全生物可降解地膜對(duì)土壤溫度的降低為作物減產(chǎn)主要原因。Li等[33]發(fā)現(xiàn)覆膜種植可以提高水分利用效率，但本研究中覆蓋完全生物可降解地膜處理2 a平均產(chǎn)量較CK減少2%～3%，水分利用效率減少4%左右（P＜0.05)。因此，若使用這種類型完全生物可降解地膜提高覆膜后土壤溫度在新疆綠洲區(qū)應(yīng)用成為關(guān)鍵。

可降解地膜成本是大面積推廣的制約性因素。根據(jù)本研究覆蓋完全生物可降解地膜凈收入減少1 858.5元/hm2（10.2%），這是由于PBAT材料價(jià)格昂貴且地膜較厚增加使用量，隨厚度的增加使得投入成本較對(duì)照增加4.1%左右，產(chǎn)投比降低5%～7%。但是PBAT材料生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，在已有生產(chǎn)設(shè)備無需改造便可生產(chǎn)，另外這種材料田間應(yīng)用型強(qiáng)，降解穩(wěn)定，尋找降低成本的方法成為這種材料大面積推廣的關(guān)鍵。一方面將PBAT作為母料價(jià)格低廉的聚合物材料（如淀粉等）進(jìn)行共混[20]；另一方面可對(duì)其進(jìn)行填充改性（如添加納米碳酸鈣等）[19]，這樣既降低了生產(chǎn)成本，又保證了材料物理和生物降解性能，另外在生產(chǎn)方式上可以利用新疆當(dāng)?shù)厮芰掀髽I(yè)進(jìn)行代工，降低生產(chǎn)成本。總之，基于PBAT型完全生物可降解地膜作為環(huán)境友好材料，從環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度更具發(fā)展意義，適宜新疆等干旱區(qū)大面積推廣，具有廣闊應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

與普通塑料地膜相比，完全生物可降解地膜在棉花生長(zhǎng)前期保持良好的完整性，覆膜60～80 d開始出現(xiàn)降解，至覆蓋180 d后出現(xiàn)均勻細(xì)紋并未完全降解，其中0.012 mm厚的完全生物可降解地膜降解緩慢但改變配方也可控制降解速度。

完全生物可降解地膜處理的保溫效果在苗期顯著低于普通塑料地膜（P＜0.05），其中0.012 mm厚完全生物可降解地膜在土壤表層0～15 cm保溫效果最差，但隨著作物生長(zhǎng)4種完全生物可降解地膜與普通塑料地膜保溫差異逐漸減小，在生育后期無顯著性差異（P＞0.05）。4種完全生物可降解地膜與普通塑料地膜覆蓋處理苗期保水效果相近，但在棉花生長(zhǎng)中后期可降解膜的降解顯著降低土壤0～40 cm內(nèi)土壤水貯量，與普通塑料地膜相比降低1%～3%（P＜0.05）。

與普通塑料地膜覆蓋相比，完全生物可降解地膜覆蓋棉花產(chǎn)量減產(chǎn)2.89%（P＜0.05），水分利用效率也降低4%左右，其中0.012 mm厚可降解膜增產(chǎn)效應(yīng)最差，從經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用效果看，在實(shí)際應(yīng)用中較薄完全生物可降解地膜推廣性更強(qiáng)，雖然目前完全生物可降解膜經(jīng)濟(jì)效果不如普通塑料地膜但可完全降解不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看可代替普通塑料地膜，具有廣闊利用前景。

考慮新疆特殊機(jī)械作業(yè)要求以及播種后風(fēng)沙以及冰雹等惡略天氣，可降解地膜既不能過早降解又不能降解周期過長(zhǎng)，不論是厚度還是配方來說與應(yīng)用于玉米、葵花等應(yīng)用可降解地膜不同，根據(jù)新疆特殊環(huán)境和種植方式，這種類型完全生物可降解地膜降解初步達(dá)到應(yīng)用要求，但仍有很多需要改進(jìn)，例如覆膜后土壤溫度偏低，地膜韌性較大影響機(jī)械播種等，總之對(duì)于這種材料的應(yīng)用還需大量研究才能夠真正大面積推廣。

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Effects of biodegradation film mulching on soil temperature, moisture and yield of cotton under drip irrigation in typical oasis area

Wu Qiang, Wang Zhenhua※, Zheng Xurong, Zhang Jinzhu, Li Wenhao
(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2. Key Laboratory of Modern Water- Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group, Shihezi 832000, China)

Plastic film mulching is an efficient way to improve soil water efficiency and heat effects, control salt and grass, and increase economic benefits in arid and semi-arid regions. However, with the overuse of traditional refractory plastic film, the residual plastic film is constantly increasing in the field, which has led to some negative impacts such as environmental pollution and land degradation. A kind of PBAT-based biodegradable film was introduced in this study and its effect on soil moisture, temperature and cotton yield was investigated. Field experiments under mulched drip irrigation were carried out from 2015 to 2016 in Xinjiang province, a typical arid region of China. A total of 5 mulching treatments was included: 1) ordinary PE plastic film (CK), 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 45 d (BD1), 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 60 d (BD2), 0.012 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 60 d (BD3) and 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 45 d (BD4). The soil temperature at 0-25 cm was measured and soil water storage at 0-100 mm was determined. The results showed that the biodegradable films began to degrade at 60-80 d after sowing and had net-like uniform crackers or 2-2.5 cm pieces at the harvest but was not degraded totally. Overall, all the biodegradable film started degrade after the designed induction period. Soil temperature at 0-25 cm was significantly lower by 0.94 and 1.34 ℃ (P＜0.05) covering with 0.010 and 0.012 mm biodegradable films than the CK in the seedling stage of cotton, respectively. The difference of the temperature gradually reduced with the growing of cotton. All the mulching treatments could improve the soil water storage at the depth of 0-40 cm, but the water storage in the CK were higher than biodegradable film mulching in the late cotton growth stage because of degradation in biodegradable films (P＜0.05). The 0.010 mm thickness biodegradable films (BD1, BD2 and BD4) were better than 0.012 mm biodegradable film (BD3) for the cotton yield. Compared with CK, the biodegradable film decreased the cotton yield of the 2 years by 2.89% on average (P＜0.05) and reduced the water use efficiency by about 4%. For the economic benefit analysis, the cost of biodegradable film was higher and the net income of biodegradable film was 10.2% less than the CK. In sum, the biodegradable film still has big chance to improve its effect on yield and performance of improving soil temperature and moisture before it will be used to replace ordinary PE plastic film.

soil moisture; temperature; cotton; yield; water use efficiency; biodegradable film; mulched drip irrigation; oasis area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018

S275.6

A

1002-6819(2017)-16-0135-09

鄔 強(qiáng)，王振華，鄭旭榮，張金珠，李文昊. PBAT生物降解膜覆蓋對(duì)綠洲滴灌棉花土壤水熱及產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：135-143.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018 http://www.tcsae.org

Wu Qiang, Wang Zhenhua, Zheng Xurong, Zhang Jinzhu, Li Wenhao. Effects of biodegradation film mulching on soil temperature, moisture and yield of cotton under drip irrigation in typical oasis area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 135-143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018 http://www.tcsae.org

2016-12-21

2017-06-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD20B03）；兵團(tuán)中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃（2015BC001）；兵團(tuán)灌溉試驗(yàn)項(xiàng)目（兵水發(fā)[2016] 293）

鄔強(qiáng)，男，河南舞鋼人，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。石河子 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，832000。Email：wuqianghlj@163.com※通信作者：王振華，男，河南扶溝人，教授，博士，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。石河子 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，832000。

Email：wzh2002027@163.com。中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：王振華（E041200608S）