地膜类型对棉花生长的影响及自身降解和回收特性分析

陈茂光,林 涛 ,张 昊,刘海军,王一帆,汤秋香

(1.新疆农业大学农学院,乌鲁木齐 830052;2. 新疆农业科学院经济作物研究所/农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】地膜覆盖能够有效地保持土壤水分[1],增加土壤地温[2],使作物增产[3]。然而,聚乙烯(PE)地膜韧性、强度较低,耐老化能力差,使用后回收较困难[4-5]。棉花地膜覆盖量较大,相对的残膜量也会较大[6-7]。评价不同类型地膜对棉花长势的影响,对分析地膜自身降解和回收有重要意义。【前人研究进展】生产中不断加大新型功能地膜的研发力度,其中以高强度全回收[8]和可生物降解地膜[9-10]产品最具代表性。高强度全回收地膜,是一种在聚乙烯材料基础上,增强地膜的拉伸强度,实现同等厚度情况下不破碎,回收率高达到95.48%,较PE地膜回收率增加15%～30%[11]。生物降解地膜主要成分为聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)和聚甲基乙撑碳酸酯(PPC),通过添加降解母料的种类和比例控制降解速率,实现作物对地膜增温保墒功能的需求和作物收获后彻底降解[12-13]。李鹏辉等[8]发现与PE地膜相比,高强度地膜可以提高土壤温度和含水量,并对棉花株高、果枝台数具有增益效果,增产率为2.96%～3.42%。生物降解地膜最终分解产物为二氧化碳和水,分解彻底,但可控性较差,无法较好满足作物生育期对温度和水分的需求,作物产量不稳定。杨振兴等[14]研究发现,PLA/PBAT复合型降解地膜和PBAT全生物降解地膜较PE地膜处理的谷子产量低,但三者之间无显著差异。王龙等[15]研究发现,3种不同PBAT含量的生物降解地膜与PE地膜相比籽棉产量降低-0.89%～23.06%。【本研究切入点】曾晓萍等[16]研究表明,全生物降解地膜不仅增产,且降解率高达80%以上,较PE地膜残留量降低83.8%～93.0%。前人研究主要集中于不同地膜对作物产量的影响,关于高强度地膜和降解地膜对棉花长势及自身降解和回收特性分析的综合性评价研究鲜有报道。需评价不同类型地膜对棉花长势的影响及自身降解和回收特性的分析。【拟解决的关键问题】选取聚乙烯地膜、全回收高强度地膜和4种生物降解地膜,对比分析不同类型地膜对作物长势的影响及自身降解和回收特性,为棉田地膜的筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年4～10月在沙雅县海楼镇(41°17′2″ N,82°42′59″ E,海拔986 m)进行。该区位于塔里木盆地北部,渭干河绿洲平原南端属温带大陆性气候,年平均日照3 031 h,无霜期214 d,≥10℃年积温4 105℃,年均降雨量不足48 mm。供试品种为J206-5号,供试地膜为4种降解地膜。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验在普通农田进行,采用单因素随机区组设计,材料为全回收高强度地膜(G)、4种降解地膜分别标记为J1、J2、J3(耐候期100 d)和J4(耐候期80 d),以聚乙烯地膜(CK)为对照。于4月15日播种,采用1膜6行3管种植模式,株行配置[(10+66+10+66)+10] cm×11.5 cm,理论密度22.5×104株/hm2,每个处理重复4次,每个重复设3个试验小区,小区长10 m,宽6.9 m。表1

表1 地膜状况

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 10 cm深地积温及温差

覆膜后于每个处理中间小区宽行中间处,采用自动温度记录仪(Micro Lite 5032PU,Israel),埋入膜下10 cm处,采样间隔为1 h,时间为棉花出苗后至收获期,用每日温度变化整理成日平均温度,计算10 cm深地积温及与CK处理间温差(℃)。

1.2.2.2 株高和茎粗

每个小区随机挑选长势均匀的边、中行棉花各10株,定点观测,于主要生育时期,测量子叶节到生长点的高度,并使用电子游标卡尺测量该株棉花茎粗(cm)。

1.2.2.3 地上部生物量

于主要生育时期,每个小区随机挑选长势均匀的边、中行棉花各3株,从子叶节取地上部,并105℃杀青30 min,再80℃烘至恒重,称其干物质量(g/株)。

1.2.2.4 籽棉产量

于收获时期,每个小区选取6.67 m2样方,调查有效株数(株/hm2)和单株成铃数(个/株)。选取棉花冠层下部(1～3果枝)、中部(4～6果枝)和上部(7及以上果枝)各取30朵棉铃,自然风干后称重,计算单铃重(g/个)。籽棉产量(kg/hm2)=有效株数×单株成铃数×单铃重。

1.2.2.5 降解地膜降解率

播种时称量各类地膜初始质量,于主要生育时期和收获时期,每个小区采用对角线取样法,沿对角线拾取3个2.3 m×2.3 m样方表层降解地膜,清洗晾干后称重(kg/hm2),降解地膜降解率=(初始质量-残留量)/初始质量×100%。

1.2.2.6 地膜回收率

棉花收获后,对PE和G处理进行机械回收作业,回收率=(初始质量-残留量)/初始质量×100%。

1.3 数据处理

使用IBM公司的数据分析软件SPSS Statistics 25对数据进行统计分析,并采用微软公司开发的办公软件Microsoft Office中Excel进行绘图。

2 结果与分析

2.1 地膜类型对10 cm深地积温及温差的影响

研究表明,CK处理10 cm深地积温为3 412.24℃,G处理地积温显著高于CK,且均显著高于3种降解地膜J2、J3和J4处理。G处理10 cm深地积温较CK处理显著提高了34.27℃,达3 446.51℃;4种降解地膜处理间温差不显著,较CK处理地积温降低了17.91～52.10℃。图1

图1 不同类型地膜下10 cm深地积温(左)及温差(右)变化

2.2 地膜类型对棉花株高和茎粗的影响

研究表明,各生育时期G处理较CK处理无显著差异,降解地膜处理的株高显著低于CK。蕾期各降解地膜中,J1处理株高与CK差异不显著,J2、J3和J4处理株高显著低于CK处理9.36%～10.58%。随着生育进程的推进,降解地膜处理对棉花株高的影响逐渐增大,在花期各降解地膜处理间均存在显著差异。各生育时期G处理较CK茎粗无显著差异。蕾期降解地膜处理较CK处理茎粗差异不显著;花期降解地膜处理的茎粗显著低于CK处理2.61%～5.19%。图2

图2 不同类型地膜下各生育时期棉花株高(左)和茎粗(右)变化

2.3 地膜类型对棉花地上部生物量的影响

研究表明,各生育时期G处理地上部生物量显著高于CK处理,降解地膜处理显著低于CK处理。蕾期G处理地上部生物量为20.12 g/株,较CK处理显著提高16.26%;降解地膜处理较CK处理显著降低9.66%～19.70%。花期G处理地上部生物量显著高于CK处理;降解地膜处理显著低于CK处理4.91%～16.95%,降解地膜处理间无显著差异。铃期G处理地上部生物量显著高于CK处理7.45%;降解地膜处理显著低于CK处理4.91%～16.95%,且降解地膜处理间差异显著,呈现出J1>J2>J3>J4。整个棉花生长阶段G处理地上部生物量显著高于CK,且均显著高于降解地膜处理,降解地膜处理间差异逐渐变大。图3

图3 不同类型地膜下各生育时期棉花地上部生物量变化

2.4 地膜类型对棉花产量及构成因素的影响

研究表明,地膜类型对有效株数无显著差异,对棉花单株成铃数、单铃重及籽棉产量的影响差异显著。G处理棉花单株成铃数显著高于CK处理0.94个/株,但单铃重显著低于CK处理0.23 g/个;J1和J2处理单株成铃数较CK无显著差异;J3和J4处理单株成铃数较CK处理分别显著降低0.47和0.37个/株;4种降解地膜处理单铃重均显著低于CK处理0.15～0.30 g/个,但处理间无显著差异;G处理籽棉产量较CK处理显著提高11.00%,增产620.91 kg/hm2,且均显著高于降解地膜,降解地膜处理较CK籽棉产量降低8.75%～15.22%。全回收高强度地膜处理产量显著高于普通聚乙烯地膜,且均显著高于降解地膜。表2

表2 不同类型地膜下棉花产量及构成因素变化

2.5 地膜降解及回收情况

研究表明,各降解地膜降解率随生育时期的推进逐渐增加。蕾期J1、J2和J3处理间降解率无显著差异,J4处理较其他降解地膜显著提高约6%;花期降解地膜处理间降解率差异变大,均表现出显著性水平;铃期和吐絮期J4处理降解率显著高于其他降解地膜约10%,J1处理显著低于其他降解地膜,J2和J3处理无显著差异。随覆膜时间的增长,J2处理由花期显著低于J3处理,到吐絮期高于J3处理约5%。收获时期J2处理在降解地膜中降解率最高为89.49%,较J1处理降解率显著提高14.46%,较CK处理回收率提高6.67%,但较J3和J4处理无显著差异,且均显著高于J1处理;收获期时CK和G经机械回收作业后,G处理回收率高达92.16%,较CK处理回收率显著提高9.35%。图4

图4 各生育时期降解地膜降解(左)和收获时期地膜降解及回收变化(右)

3 讨 论

3.1土壤温度作为影响作物生长发育和产量的重要因素[17]。降解地膜处理较普通聚乙烯地膜处理土壤温度更低[18],与研究结果相似。研究结果表明在一定程度上降解地膜降解率与土壤温度呈负相关关系[19]。地膜保温性能会受到降解地膜降解情况的影响。但研究表明J2处理10 cm深地积温较其他降解地膜偏低,但并未影响产量形成,可能是黑色地膜除草效果好,减小了种群竞争力[20]。

3.2株高、茎粗、地上部生物量等是反映作物长势的重要农艺指标[21]。研究表明,降解地膜处理下各生育时期棉花株高、茎粗和地上部生物量较CK处理显著降低,G处理地上部生物量较CK显著提高7.45%～19.90%。前期棉花生长受土壤温度影响较大,影响后期棉花生长发育,并影响棉花干物质积累量。对照处理籽棉产量为5 642.14 kg/hm2,但G处理产量较CK处理更高,产量提高620.91 kg/hm2,增幅11.00%,与施光美等[22]研究结果相似。研究表明,虽然G处理的单铃重低于CK处理0.23 g/个,但单株成铃数显著高于CK处理0.94个/株。研究结果表明,降解地膜处理产量显著低于CK处理8.75%～15.22%,且单株成铃数和单铃重较CK处理分别显著降低0.22～0.47个/株和0.15～0.30 g/个,与邬强等[23]研究结果相似。可能是降解地膜处理棉花主要长势和产量指标均低于普通聚乙烯地膜处理,产量显著下降主要归因于产量构成因子下降带来的加性效应所致。

3.3降解地膜主要成分不同,降解时间和降解速率也不同[24]。试验研究发现,降解地膜在各生育时期中降解率差异较大,收获时期降解地膜均能达到75%以上,降解率较高,试验结束时有少量残留,但剩余的生物降解地膜可被土壤微生物降解[25]。收获期降解地膜中J2黑色地膜处理降解率最高为89.49%,较CK处理回收率提高6.67%。与王书勤等[26]研究黑色降解膜开裂迟,后期降解时间短和降解较彻底结果基本一致。不同类型降解地膜降解速率不同,不同类型高强度地膜也会影响其回收效果[27]。经机械回收作业后,全回收高强度地膜回收率高达92.16%,较对照PE处理显著提高9.65%。戚瑞敏等[28]研究也表明,高强度地膜处理回收率显著高于PE地膜。

4 结 论

不同地膜类型覆盖棉田地积温差异显著,全回收高强度地膜10 cm深地积温较对照显著提高34.27℃,降解地膜较对照降低17.91～52.10℃。地膜覆盖通过调节地积温,进而调控棉花生长发育和干物质积累,降解地膜株高和茎粗较对照显著降低4.66%～13.21%和1%～4.70%,各生育时期地上部生物量全回收高强度地膜较对照显著增加7.45%～19.90%,降解地膜显著降低4.91%～23.11%。不同类型地膜覆盖棉田调控棉花生长发育,最终影响产量。全回收高强度地膜较对照单株成铃数显著提高0.94个/株,产量高达6 263.06 kg/hm2,增幅11.00%。降解地膜较对照单株成铃数、单铃重和产量分别显著降低0.22～0.47个/株、0.15～0.30 g/个和8.75%～15.22%。全回收高强度地膜较普通聚乙烯地膜增产效果显著,且残膜回收率高达92.16%,较对照显著提高9.35%。