生物可降解地膜对棉花产量及水分利用效率的影响

赵嘉涛，马玉诏，范艳丽，刘俊梅，李全起

(山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

地膜覆盖技术自1978年引入国内以来，得到了极大发展.目前，中国已经成为世界上地膜生产量及使用量最多的国家[1-2].刘秀位等[3]研究表明地膜覆盖可以显著提高棉花产量及水分利用效率(WUE) ，王进等[4]的研究工作也同样验证了地膜覆盖显著提高棉花WUE这一观点.但普通地膜原材料主要是聚乙烯和聚氯乙烯，结构非常稳定，在田间很难降解.普通地膜累年使用加上国内使用的地膜大多数为8 μm以下的超薄膜，残膜回收基本无法实现.农田残膜污染问题愈加严峻，残膜留存于土壤中导致土壤水分分布发生变化，土壤理化性质恶化，作物根系发育受阻进而造成作物减产[5-6].华北平原地区覆膜已经有近40 a的历史，农膜污染问题严重，而且从种植作物种类上观察，受污染最严重的当属棉田，特别是多年种植的棉田[7].因此，为了探求华北平原棉花可持续生产，亟需研究采用生物可降解地膜替代普通地膜.

生物可降解地膜作为新型农膜，保温保墒效果与普用农膜类似，在设计诱导期后会自行降解且不会对土壤造成污染，从而成为替代普通膜的理想材料[8-9].目前，针对生物可降解地膜的研究工作已经取得丰硕成果，应用作物也十分广泛.邬强等[10]的研究表明，生物可降解地膜覆盖条件下的棉花产量略低于普通地膜覆盖处理的，普通地膜处理相比较于生物可降解地膜处理可使棉花的水分利用效率提高4%左右.但是，目前关于生物可降解地膜对棉花WUE的影响研究成果仍较少.可降解膜的降解过程受到土壤水分条件[11]、气象因子[12]以及降解膜厚度等因素影响，故华北平原地区生物可降解地膜替代普通地膜对棉花WUE影响的可参考资料有限.

文中采用华北平原地区棉花应用较为普遍的6 μm PE膜及裸地处理进行对照，选用6 μm和8 μm 2种厚度生物可降解地膜进行试验.通过对4种处理之间棉花出苗率、叶面积指数(LAI)、产量及WUE等方面进行研究，旨在选取适合华北平原地区棉花的替代普通PE膜的生物可降解地膜，为华北平原地区解决白色污染问题提供数据参考.

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地位于山东农业大学农学试验站(117°09′03″E，36°10′19″N) ，试验日期为2017年4—10月，试验地土质为壤质黏土，土壤容重为1.30 g/cm3，田间持水量为32.4%(体积含水量) .棉花生育期内降雨量为440.9 mm；4—10月逐月降水量分别占全生育期降水量的0.96%，5.28%，12.53%，51.86%，16.58%，6.02%和6.77%.

1.2 试验设计

供试品种为慧创228，共设4个处理，分别为6 μm PE普通地膜(PE)，8 μm生物可降解地膜(M1)，6 μm生物可降解地膜(M2)以及不覆盖地膜(CK).所有地膜均由山东清田塑工有限公司生产，2种生物可降解地膜的原料主要为PBAT和PLA.每个处理重复3次，随机区组排列.

播种于雨后进行，整个棉花生育期内无灌溉和遮雨措施.播前施氮磷钾复合肥(15%N，15%P2O5，15%K2O)695.0 kg/hm2作基肥.播种宽窄行分别为80和60 cm，株距为30 cm.为了保证出苗，每穴种3粒种，每个小区共计184穴.手工覆膜，种植及覆膜时间为2017年4月19日，收获时间为2017年10月16日.

1.3 测定指标

1.3.1 出苗率

自棉花播种后4～7 d开始进行放苗，每穴中棉花萌发粒数≥1即记为出苗.播种后20 d统计整个小区的出苗状况.出苗率α的计算方法为每小区的棉花出苗数/每小区的播种穴数(184穴) .

1.3.2 棉花群体叶面积指数

棉花定苗后，每个小区选取5株连续且有代表性的棉苗进行标记，每隔10 d测量1次叶面积.叶长为叶基红心至叶尖的距离，叶宽为以叶片叶基红心为中心、垂直于叶长的距离，只测量主茎及果枝上的叶片，以折算系数0.84计算叶面积，即

(1)

式中：LAI为叶面积指数；ρ为棉花植株密度，株/m2；m为测定株数；n为单株棉花叶片总数；L和B分别为叶长和叶宽，cm.

1.3.3 产量及产量构成要素

霜降日之前采摘的棉花为霜前花，之后为霜后花.霜前花率即霜前籽棉质量占籽棉总质量的百分率.每个小区排除边行，采收中间行进行测产.每个小区选取10株连续且具有代表性的植株进行标记，每10 d测取果枝数、蕾和铃数.

1.3.4 耗水量及水分利用效率

通过烘干法进行测量，棉花生育期交界时进行土钻取土，取土深度为0～100 cm，所取土样每10 cm为1个层次，分小区将土样混装密封并带回室内称重.称重后放置于预先加热的烘箱中用80 ℃烘干至恒重，再计算土壤含水量.土壤含水量=[(新鲜土样重量-烘干冷却后土样重量)/烘干冷却后土样重量]×100%.

由于整个生育期不进行灌溉，且试验地地下水位超过5 m，故不考虑地下水的补给作用；同时，由于小区边界高出地表20 cm，故可不考虑地表径流，棉花整个生育期耗水量计算公式可简化为

ET=P+E+SW，

(2)

式中：ET为棉花耗水量，mm；P为降雨量，mm，由距离试验田600 m处的气象站提供；SW为根系土壤层存蓄水变化量，mm；E为时段内根区深层渗漏量，mm，其结果为降雨前0～100 cm土层内土壤有效含水量(mm)+降雨量(mm)-田间持水量(mm)[13].

农田耗水速率为生育期内耗水量比生育期天数.

WUE计算公式为

WUE=Y/ET，

(3)

式中：WUE为棉花水分利用效率，kg/m3；Y为棉花籽棉产量，kg/hm2，ET为棉花整个生育期的耗水量，m3/hm2.

1.4 统计与分析

使用Microsoft Excel 2016和DPS进行数据处理和统计分析，使用Origin 2017进行绘图，使用LSD法进行显著性检验.

2 结果与分析

分别就不同覆膜处理对棉苗出苗率、棉花群体叶面积指数、棉花产量及构成要素、农田耗水速率、棉花耗水量及WUE的影响进行分析.

2.1 棉苗出苗率

播种后20 d各处理出苗率α如图1所示.处理PE，M1，M2和CK的出苗率分别为78.5%，73.6%，74.2%及34.2%.3种覆膜处理的棉花出苗率均显著高于处理CK的，且2种生物可降解地膜处理的出苗率与处理PE间的差异不具有统计学意义.因此使用生物可降解地膜替代普通PE地膜不会对其出苗产生影响.

图1 播种20 d各处理出苗率Fig.1 Seed emergence rate in each treatment at 20 day after sowing

2.2 棉花群体叶面积指数

不同覆膜处理棉花LAI如图2所示，各处理棉花的LAI均呈现先上升后下降的趋势.棉花生育前期，各处理LAI按处理排序由大到小为PE，M2，M1，CK.2种生物可降解膜处理的LAI差异不具有统计学意义，但均显著高于处理CK.说明覆膜处理显著提高了棉花的LAI，但是生物可降解地膜对LAI的提升程度显著低于PE地膜.至棉花生育中期，各处理LAI按处理排序由大到小为PE，M2，M1，CK；处理PE与M2的显著高于M1的，处理CK与M1之间差异不具有统计学意义.

图2 不同覆膜处理棉花的叶面积指数Fig.2 Cotton LAI in different treatments

2.3 棉花产量及构成要素

不同处理间的棉花产量见表1，表中物理量分别为收获密度ρh、果枝数F、单株成铃数FB、霜前花率r、籽棉产量Y.处理PE，M1，M2在收获时的密度分别比不覆膜处理提高了271.3%，281.6%和267.8%，3种覆膜处理之间差异不具有统计学意义；4种处理的果枝数表现按处理排序由大到小为CK，PE，M1，M2；和处理CK相比，覆膜处理显著减少了单株成铃数，但3种覆膜处理之间的差异不具有统计学意义；和处理CK相比，处理PE，M1和M2的籽棉霜前花率分别提高了19.3%，20.4%和15.3%，但3种覆膜处理之间差异不具有统计学意义；处理PE，M1和M2的籽棉产量分别比CK的提高了86.7%，82.5%及82.0%，3种覆膜处理间差异不具有统计学意义.处理CK单株棉花植株较大，果枝数及成铃数均较多，但是由于覆膜处理显著提高了棉花的收获密度，故3种覆膜处理显著提高了棉花产量.覆膜处理可以显著提高棉花的籽棉产量，棉花更早进入吐絮期，霜前花率显著提升，但由于2种生物可降解地膜的棉花籽棉产量及霜前花率与PE膜之间的差异不具有统计学意义，故生物可降解地膜替代PE膜覆盖棉花不会造成棉花产量下降.

表1 不同覆膜处理棉花产量及产量构成因素Tab.1 Cotton yield and yield compositions in different treatments

2.4 农田耗水速率

刘秀位等[3]研究发现，棉花耗水强度较大的时期为生育前期(苗期和现蕾期).由于本次试验棉花生育前期降雨少，各处理地膜保存较好，而后期降水增加，地膜有不同程度降解，故仅分析棉花生育前期(苗期和现蕾期)的农田耗水速率.

各处理下棉花生育前期的耗水速率WCR如图3所示.由图可知苗期各处理农田耗水速率分别为0.79，1.04，0.95和1.50 mm/d，现蕾期各处理农田耗水速率分别为2.10，2.03，2.18和1.38 mm/d.苗期3种覆膜处理之间耗水速率差异不具有统计学意义，处理PE，M1和M2相较于CK显著降低了47.8%，30.7%和36.8%.现蕾期3种覆膜处理之间的耗水速率差异不具有统计学意义，处理PE，M1和M2相较于CK显著提高了51.8%，46.9%和57.6%.因此，可降解地膜替代PE地膜并不会影响棉花的耗水速率.

图3 不同覆膜处理棉田耗水速率Fig.3 Water consumption rate of cotton field in different mulching treatments

2.5 棉花耗水量及WUE

各处理的耗水量ET如图4a所示.处理PE，M1，M2及CK的耗水量分别为445.32，468.52，465.40和463.89 mm.覆PE膜处理的耗水量最少，处理PE，M2和CK之间的耗水量差异不具有统计学意义，说明M2生物降解地膜的保水性能与普通PE地膜相当，M2生物可降解地膜替代普通PE地膜不会造成棉花耗水量增加；而处理M1的耗水量显著高于PE的，说明M1生物可降解地膜的保水性能较PE地膜差，使用M1生物可降解地膜替代普通PE地膜会增加棉花耗水量.

图4 不同覆膜处理棉花耗水量及WUEFig.4 Cotton water consumption and WUE in different treatments

各处理的WUE如图4b所示，处理PE，M1，M2及CK的水分利用效率分别为0.59，0.55，0.55和0.30 kg/m3.3种覆膜处理之间的WUE差异不具有统计学意义但均高于CK的，说明覆膜处理会显著提高棉花的WUE，生物可降解地膜替代普通PE地膜不会造成棉花WUE下降.

3 讨 论

适当的温度和水分条件是棉花出苗的基本条件.由于覆膜处理保墒增温的优点，3种覆膜处理棉花出苗率均显著高于CK.试验中造成棉苗出苗率差异的主要因素是浅层土壤温度及水分含量.刘会灵[14]研究发现，棉花种子播种时适宜的土壤含水量为14%～18%，而低于12%时棉苗出苗率下降.试验中，苗期3种覆膜处理的耗水速率显著低于CK的，处理CK的表层土壤水分下降较快且种植时当地气温条件可以满足棉花出苗，故处理CK的出苗率低的主要原因是浅层土壤水分含量.但是，试验地气候条件、水分条件、地温、土质及土壤含盐量等因素均会对棉花的出苗及生长进程造成影响，棉花出苗相关影响因素之间的系统性研究可以作为今后研究方向.

农田耗水速率方面，苗期和现蕾期呈现不同的规律.苗期棉田的耗水主要为土壤蒸发，2种生物可降解地膜的保水性能与PE地膜无异，覆膜隔绝了土壤与外界空气的水热交换，显著减少了农田无效水分散失，故3种覆膜处理耗水速率低于处理CK.而现蕾期棉田耗水除土壤蒸发外还有植株蒸腾，覆膜处理提高了棉花出苗率并使得棉花生长旺盛，植株蒸腾量较大，故3种覆膜处理耗水速率高于处理CK.

棉花耗水量是地面直接蒸发量、棉花植株蒸腾量和地下渗漏损失量的总和.农田中部分的水分通过地表蒸发散失，由于覆膜处理阻绝了田面与空气的接触，起到了较好的保水作用[15-16].田玲枝等[17]研究表明在使用降解膜的过程中，随着降解进程不断推进，在未出现明显孔洞、破碎时，土壤水分蒸发量逐渐增加；地膜破裂露出土壤表面时，土壤水分蒸发量达到最大值；其后随着降解膜纰裂程度加大，土壤水分蒸发量无显著变化.宗睿等[18]2017年所做的玉米覆膜试验说明，生物降解膜的保水性能略差于普通膜.李鹤等[19]所做试验表明地膜覆盖处理在小麦生育前期增温效果显著，促进了小麦的生长发育，而在生育后期的高温季节起到了一定的降温效应，显著提高了小麦产量和水分利用效率.邬强等[10]的棉花试验也得出了相同的结论.但是在这2个试验中，覆膜处理作物的耗水量均低于裸地对照的.而在本试验中，由于2种可降解膜的降解使得膜的保水性能受到影响，土壤水分蒸发量增多，而降解膜处理的棉苗成活率较高，且生育期也相对提前，植株生长较为旺盛，导致棉花植株蒸腾量较多，甚至出现了2种覆膜处理的耗水量高于CK的情况.在试验中，虽然膜M1的厚度较膜M2厚，但覆膜M1后32 d开始降解，覆膜M2后43 d才开始降解.M1提前降解使得保水性能受到一定影响，导致M1耗水量高于M2的.

4 结 论

1) 和处理CK相比，覆膜处理显著提高了棉花出苗率、霜前花率、籽棉产量和WUE，且3种覆膜处理间差异不具有统计学意义.因此，用生物可降解地膜替代普通PE地膜不会造成棉花产量及WUE下降.

2) 相较于PE，6 μm生物降解地膜未造成棉花耗水量升高，8 μm生物降解地膜显著增加了棉花耗水量，故6 μm生物降解地膜替代PE地膜较好.