可降解地膜的降解性能及对土壤温度、水分和玉米生长的影响

可降解地膜的降解性能及对土壤温度、水分和玉米生长的影响 可降解地膜的降解性能及对土壤温度、水分和玉米生长 的影响 第 28 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.28 No.4 2012 年 2 月 Transactions of the CSAE Feb. 2012 111 可降解地膜的降解性能及对土壤温度、水分和玉米生长的影响 申丽霞 1 ，王 璞 2※ ，张丽丽 2 (1. 太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024; 2. 中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100193) 摘 要:针对生产中使用普通农用塑料地膜导致农田土壤污染的现状，进行了不同厚度可降解(光、生物降解)地膜、 普通地膜和露地栽培玉米对比试验，探讨可降解地膜的降解性能及对土壤水分、温度和玉米生长的影响。结果表明， 0.005 mm 厚可降解地膜的降解速度及强度均优于 0.008 mm 厚膜，二者在覆膜后 90 d 分别达降解 5 级、4 级水平，地膜 质量损失率达 55.48%、39.99%。两种可降解地膜对土壤水分、温度和玉米生长的影响与普通地膜相当，均使 0,20、, 20,40 cm 土壤水分含量、地表及地下 10 cm 土壤温度明显高于露地对照，使玉米出苗率提高，生育进程加快，株高、叶 面积和地上部干物质积累量增加;其中 0.008 mm 厚膜覆盖玉米效果优于 0.005 mm 厚膜。研究认为，以可降解地膜替代 普通地膜应用于农业生产具有可行性。 关键词:地膜，降解，土壤水分，土壤温度，玉米，生长 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.04.018 中图分类号:S562 文献标志码:A 文章编号:1002-68192012-04-0111-06 申丽霞，王 璞，张丽丽. 可降解地膜的降解性能及对土壤温度、水分和玉米生长的影响[J]. 农业工程学报，2012，284: 111,116. Shen Lixi, Wang Pu, Zhang Lili. Degradation property of degradable film and its effect on soil temperature and moisture and maize growth[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 284: 111,116. in Chinese with English abstract 0 引 言地膜覆盖具有增温、保墒、早熟、增产、防止土壤流 失、控制土壤盐碱度等作用，在中国北方干旱半干旱地区 被广泛应用，已成为一项重要的农业增产技术措施 [1-5] 。但 由于目前生产中使用的地膜基本为普通塑料地膜，其原 材料主要为聚乙烯，分子量大，性能稳定，在自然条件 下很难降解，在土壤中可以残存 200 a 以上[6-7]。随着地 膜的连年使用，农田中积聚的残膜量越来越多，造成耕 层土壤透气性降低，阻碍作物根系发育和对水分、养分 的吸收，从而影响作物的产量 [8-9] 。此外，大量残膜积聚 于耕层，严重影响机耕作业及机耕质量，且残膜碎片随 风乱飘，严重污染生态环境。曾为农业生产带来巨大成 效的普通塑料地膜，由于其环保的负面效应，越来越成 为人们的忧虑。自 20 世纪 70 年代以来，欧美等国科学 家提出降解塑料的概念，并把它作为解决“白色污染”这 一世界难题的理想途径，成为世界各国研究的热点 [10-15] 。 目前国内外开发应用的可降解地膜主要有:光降解、生 物降解和双降解地膜。其中双降解地膜由于光和生物降 解的协同效应，埋土和地面部分均可降解，不影响下季 收稿日期:2011-06-30 修订日期:2011-11-20 基金项目:国家自然科学基金( 30571089 );农业行业科技项目 (nyhyzx07-003);山西省科研中试开发专项资金项目。 作者简介:申丽霞(1968,)，女，山西长子人，博士，副教授，主要从事 水肥资源高效利用研究。太原 太原理工大学水利学院，030024。 Email:shenlixia919@sohu ※通信作者:王璞(1957,)，男，山西朔州人，教授，博士生导师，主要 从事作物高产栽培及水肥资源高效利用研究。北京 中国农业大学农学与生 物技术学院，100193。Email:wangpu@//0>. 耕作，可基本消除残膜危害。但由于受拉伸性能、机械 强度等的限制，可降解地膜大田应用尚处于小范围试验 阶段，离大面积推广还有一定距离。目前研究主要集中 于不同类型材料的降解性能、覆盖效应的对比研究，对 同种材料不同规格可降解地膜田间应用效果的对比研究 较少 [16-18] 。本研究针对不同厚度可降解地膜的降解性能 及对土壤水分、温度和玉米生长的影响进行研究，以便 为生产中选用适宜的可降解地膜提供依据。 1 材料与方法 1.1 试验区概况 试验于 2010 年 4 月至 10 月在山西省阳曲县大盂镇 大盂村进行。试验区位于北纬 38?2'，东经 112?7'，海拔 973 m，属温带大陆性季风气候。年平均气温 8.9?，无 霜期 164 d。年平均日照时数 2 686.3 h，日照率 61%。年 平均降雨量 441.2 mm，年平均蒸发量 1 950 mm。试验田 为旱地，地势平坦，土壤肥力中等。 1.2 试验材料与设计 试验用可降解(光、生物降解)地膜由河北省天健 高分子材料有限公司生产，膜宽 80 cm，膜厚分别为 0.005 mm 和 0.008 mm;普通地膜由山东省济南市第三塑 料厂生产，膜宽 80 cm，膜厚 0.005 mm。供试玉米品种 为强盛 28 号，由山西省强盛种业有限公司生产，春播生 育期 130 d 左右，是本地当家品种。 试验设 0.005 和 0.008 mm 厚可降解地膜、普通地膜、 露地对照 4 个处理，3 次重复，随机区组排列，共 12 个 小区。小区面积 20 m2(4 m×5 m)。试验田施硝酸磷复 合肥 600 kg/hm2 做底肥，5 月 12 日播种，采用机器点播， 农业工程学报 2012 年112 行距 50 cm，株距 42 cm，理论留苗密度为 47 600 株/hm2。 播种后次日上午人工覆膜。出苗后及时放苗和间苗，生 育期中耕除草两次，未进行追肥、灌溉和施药。 1.3 测定项目与方法 地膜降解速度:覆膜后每隔 10 d 观察 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 一次地膜 降解情况。地膜降解分级指标参照杨惠娣的方法 [19] :0 级:未出现裂纹;1 级:开始出现裂纹;2 级:田间 25% 地膜出现细小裂纹;3 级:地膜出现 2,2.5 cm 裂纹;4 级:地膜出现均匀网状裂纹，无大块地膜存在;5 级:地 膜裂解为 4×4 cm2 以下碎片。 地膜降解强度:覆膜前分别量取 0.005、0.008 mm 厚 可降解地膜、普通地膜各 9 m 称质量。覆膜后，在每个 小区中随机选取 3 个 1 m 长覆膜段，使用透明纱网罩住 地膜。在覆膜后 90 d，去掉纱网，收集地膜，洗净、晾 干、称质量。计算地膜质量损失率。 土壤温度:采用曲管地温计对不同处理的土壤温度 进行测定，测定时间为 08:00、14:00、18:00，测定层次 为地表及地下 10 cm。从覆盖当天起每隔 7 d 测定一次， 连续测定 2 个月。 土壤水分:采用取土烘干法对不同处理的土壤水分 进行测定，测定层次为 0,20 cm、,20,40 cm，测定时 间为玉米播种当天、播种后 7 d、三叶期(播种后 30 d)、 拔节期(播种后 46 d)和大喇叭口期(播种后 72 d)。 生育期以可降解地膜处理为参照。 玉米生育进程及农艺性状:观察记载不同处理玉米 生长发育进程;统计出苗率;拔节期观测节根层数及条 数;拔节期、大喇叭口期、抽雄期和灌浆期分别测定株 高、叶面积(长宽系数法)和地上部干物质积累量(烘 干法)。 2 结果与分析 2.1 不同地膜的降解性能 2.1.1 降解速度 由表 1 可知，0.005 mm 厚可降解地膜在覆膜后 30 d 即开始出现裂纹，50 d 田间 25%地膜出现细小裂 纹，60 d 地膜出现 2,2.5 cm 裂纹，70 d 地膜出现均 匀网状裂纹，无大块地膜存在， 90 d 地膜裂解为 4×4 cm2 以下碎片;而 0.008 mm 厚可降解地膜在覆膜 后 40 d 开始出现裂纹，60 d 田间 25%地膜出现细小裂 纹，70 d 地膜出现 2,2.5 cm 裂纹，90 d 地膜出现均 匀网状裂纹，无大块地膜存在。可以看出，可降解地 膜厚度增加，其降解速度减缓。因为地膜厚度增加， 其质量也增加，相应的降解消耗时间也会延长。而普 通地膜在覆膜后 60 d 才开始出现裂纹，90 d 仅田间 25%地膜出现细小裂纹;因为普通地膜不具有降解性， 其出现的细小裂纹属正常损耗。 2.1.2 降解强度 不同地膜的降解强度见表 2。在覆膜后 90 d， 0.005 mm 厚可降解地膜 9 m 膜段比原始质量减少 18.68 g，质量损失率 55.48 %;0.008 mm 厚可降解地 膜 9 m 膜段比原始质量减少 21.36 g，质量损失率 39.99%。可以看出，可降解地膜厚度增加，在相同降 解时间下地膜的质量损失率也降低，降解强度下降; 这与降解速度的表现相一致，也与地膜厚度增加使其 质量增加有关。而普通地膜 9 m 膜段仅比原始质量减 少 4.68 g，质量损失率 12.77%;其质量的减少也属于 正常损耗。 表 1 不同地膜的降解速度 Table 1 Degradable rates of different films 覆膜后天数/d 处理 10 20 30 40 50 60 70 80 90 可降解地膜0.005 mm 0 0 1 1 2 3 4 4 5 可降解地膜0.008 mm 0 0 0 1 1 2 3 3 4 普通地膜 0 0 0 0 0 1 1 2 2 注:0,5 表示地膜降解分级指标。其中 0 级表示未出现裂纹;1 级表示开 始 出现裂纹;2级表示田间25%地膜出现细小裂纹;3级表示地膜出现2,2.5 cm 裂纹;4 级表示地膜出现均匀网状裂纹，无大块地膜存在;5 级表示地膜裂 解为 4×4 cm2以下碎片。 表 2 不同地膜的降解强度 Table 2 Degradable degrees of different films 处理 地膜 原质量/g 地膜 现质量/g 地膜质量 减少量/g 地膜质量 损失率/% 可降解地膜0.005 mm 33.67 14.99 18.68 55.48 可降解地膜0.008 mm 53.41 32.05 21.36 39.99 普通地膜 36.64 31.96 4.68 12.77 2.2 不同地膜覆盖对土壤水分、土壤温度的影响 2.2.1 土壤水分 表 3 表明在播种当天及播种后 7 d，地膜覆盖和露 地对照 0,20、,20,40 cm 土壤水分含量差异不显 著;这是因为在地膜覆盖的短时间内其保水效应尚没 有体现出来。而在三叶期和拔节期，地膜覆盖土壤水 分含量均明显高于对照，且差异显著，但不同地膜之 间差异不显著;这说明随着覆盖时间增加地膜的保水 作用得以体现，并在玉米营养生长期发挥关键作用， 不同厚度可降解地膜和普通地膜的保水作用相当。在 大喇叭口期有降雨的情况下，地膜覆盖 0,20 cm 土壤 水分含量略低于对照，,20,40 cm 土壤水分含量略 高于对照，但差异均不显著，说明地膜覆盖并不影响 降雨的有效入渗。 表 3 不同地膜覆盖下土壤质量含水率变化 Table 3 Soil moisture content under different films % 土层 处理 播种 播种后 7 d 三叶期 (播种后 30 d) 拔节期 (播种后 46 d) 大喇叭口期 (播种后 72 d) 可降解地膜 0.005 mm 14.3 a 13.1 a 11.2 a 6.2 a 8.1 a 可降解地膜 0.008 mm 14.2 a 13.1 a 11.3 a 6.3 a 8.0 a 普通地膜 14.2 a 13.0 a 11.4 a 6.6 a 8.2 a 0,20 cm 露地对照 14.3 a 12.5 a 10.1 b 4.9 b 8.3 a 可降解地膜 0.005 mm 13.1 a 12.0 a 10.6 a 7.2 a 9.2 a 可降解地膜 0.008 mm 13.1 a 12.1 a 11.1 a 6.9 a 9.0 a 普通地膜 13.0 a 12.2 a 11.7 a 7.3 a 9.3 a ,20, 40cm 露地对照 13.2 a 12.2 a 10.4 b 5.6 b 8.9 a 注:大喇叭口期有降雨。小写字母表示 0.05 差异显著水平，下同。 第 4 期 申丽霞等:可降解地膜的降解性能及对土壤温度、水分和玉米生长 的影响 113 2.2.2 土壤温度 在播种后 7,56 d，地膜覆盖使地表及地下 10 cm 土 壤温度在 08:00、14:00、18:00 时均明显高于露地对照(图 1)。方差分析表明，除在播种后 21、49 d 地膜覆盖地表 及地下 10 cm 土壤温度在 14:00、18:00 时与露地对照差 异不显著外，其余时间土壤温度的差异均达到显著水平; 但不同厚度可降解地膜及普通地膜间差异不显著，这说 明可降解地膜和普通地膜的保温作用相当。 图 1 不同地膜覆盖下地表及地下 10 cm 土壤温度变化 Fig.1 Changes of soil temperature at surface and 10 cm below surface under different films 2.3 不同地膜覆盖对玉米生长的影响 2.3.1 玉米生育进程 地膜覆盖玉米的生育进程较露地对照明显加快，普 通地膜玉米的生育期最短，比对照缩短 12 d;0.005、 0.008 mm 厚可降解地膜玉米分别比对照缩短 8、10 d。不 同地膜之间，玉米出苗期、拔节期相同，均比对照提前 3 d; 在大喇叭口期开始出现差别，生育进程表现为普通地膜 ,0.008 mm 厚可降解地膜,0.005 mm 厚可降解地膜，但 差别不大(表 4)。 表 4 不同地膜覆盖下玉米的生育进程(播种后天数) Table 4 Growth process of maize under different films days after sowing d 处理 出苗期 拔节期 大喇叭口期 抽雄期 灌浆期 成熟期 可降解地膜 0.005 mm 14 46 73 83 93 132 可降解地膜 0.008 mm 14 46 72 82 92 130 普通地膜 14 46 70 80 90 128 露地对照 17 49 80 90 100 140 2.3.2 玉米出苗率及拔节期根系状况 地膜覆盖玉米的出苗率均高于露地对照，表现为普 通地膜,0.008 mm厚可降解地膜,0.005 mm厚可降解地 膜,露地对照，前三者出苗率分别比对照提高 1.4%、 1.1%、0.7%;拔节期节根层数和条数的表现与出苗率一 致，分别比对照增加 0.4、0.4、0.2 层和 5、4、3 条(表 5)。可降解地膜和普通地膜覆盖对玉米出苗率及根系生 长状况的影响基本一致。 表 5 不同地膜覆盖下玉米的出苗率及拔节期节根状况 Table 5 Seedling rate and root during shooting stage of maize under different films 处理 试验区实 有苗数 出苗率/% 节根层数 节根条数 可降解地膜 0.005 mm 276 96.5 4.3 29 可降解地膜 0.008 mm 277 96.9 4.5 30 普通地膜 278 97.2 4.5 31 露地对照 274 95.8 4.1 26 2.3.3 玉米株高、叶面积和地上部干物质积累量 在拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期，地膜覆 盖玉米的株高、叶面积和地上部干物质积累量均明显高 于露地对照，表现为普通地膜,0.008 mm 厚可降解地膜 ,0.005 mm 厚可降解地膜,露地对照，除灌浆成熟期 0.005 mm 厚可降解地膜玉米的株高与对照差异不显著 外，其余均达到差异显著水平，可降解地膜和普通地膜 间差异不显著(表 6)。与露地对照相比，可降解地膜和 普通地膜覆盖均使土壤水分、温度条件得以明显改善， 从而促进了玉米地上部的生长。 农业工程学报 2012 年114 表 6 不同地膜覆盖下玉米的株高、叶面积和地上部干物质积累量 Table 6 Plant height, leaf area and dry weight of maize under different films 株高/cm 单株叶面积/m2 单株地上部干物质积累量/g 处理 拔节期 大喇叭 口期 灌浆期 成熟期 拔节期 大喇叭 口期 灌浆期 成熟期 拔节期 大喇叭 口期 灌浆期 成熟期 可降解地膜 0.005 mm 69.1 a 209.1 a 233.0 b 233.0 b 0.23 a 0.86 a 0.78 a 0.75 a 30.1 a 133.4 a 378.0 a 408.0 a 可降解地膜 0.008 mm 69.7 a 210.2 a 238.8 a 238.8 a 0.25 a 0.88 a 0.80 a 0.77 a 30.8 a 136.0 a 380.2 a 410.6 a 普通地膜 71.2 a 213.6 a 240.8 a 240.8 a 0.26 a 0.91 a 0.84 a 0.80 a 31.0 a 138.0 a 382.0 a 417.0 a 露地对照 59.7 b 201.4 b 232.0 b 232.0 b 0.19 b 0.79 b 0.71 b 0.69 b 25.9 b 120.1 b 340.9 b 361.6 b 3 讨 论 可降解地膜的降解速度和降解强度因原材料组成、 生产厂家、诱导期设计等的差异而表现不同。赵爱琴等 [20] 研究表明，生物降解地膜(南京环绿降解塑料公司生产) 在覆膜后 20 d 开始出现 2,3 cm 的裂纹;在 30,40 d， 地膜裂解成块状并粘附于土壤表面;至成熟期地面无明 显膜片存在。沈宏等 [21] 研究表明，诱导期短的可降解地 膜(辽宁环瑞降解树脂有限公司生产)在覆膜后 26 d 开 始出现 1,2 cm 的裂纹，而后裂纹增大，数量增多，地 膜逐渐均匀破碎并粘附于土壤表面，至 120 d 地面基本无 大块地膜存在。战勇等 [22] 研究表明，诱导期短的可降解 地膜在覆膜后 25,30 d 开始出现裂纹，此后 10,15 d 快 速破裂达到 3 级，至 60,70 d 达到 4 级;地膜质量损失 率达 46.5 %。本研究中两种可降解地膜(0.005、0.008 mm 厚)分别在覆膜后 30、40 d 开始出现裂纹，至覆膜后 90 d 达降解 5、4 级水平，地膜质量损失率达 55.48%、39.99%; 0.005 mm 厚膜的降解速度及降解强度均高于 0.008 mm 厚膜。尽管各种可降解地膜的降解速度和降解强度有一 定差异，但其降解过程基本相似。 可降解地膜覆盖能明显改善土壤耕作层的水热状 况，促进作物生长发育，其作用与普通地膜相当 [20-25] 。 本研究表明，在三叶期和拔节期，可降解地膜和普通地 膜覆盖使 0,20、,20,40 cm 土壤水分含量明显高于露 地对照并差异显著，而不同地膜之间差异不显著。在播 种后 7,56 d，地膜覆盖使地表及地下 10 cm 土壤温度在 08:00、14:00、18:00 时均明显高于对照，不同地膜之间 差别不大。较高的土壤水分和温度条件使玉米出苗期提 前，出苗率提高，生育进程加快。本研究中地膜覆盖玉 米的出苗期比对照提前 3 d，生育进程为普通地膜, 0.008 mm厚可降解地膜,0.005 mm厚可降解地膜,露地 对照，生育期相应缩短 12、10、8 d。地膜覆盖玉米的出 苗率表现与生育进程相似，分别提高 1.4%、1.1%、0.7%; 拔节期节根层数、条数分别增加 0.4、0.4、0.2 层和 5、4、 3 条。在拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期，地膜覆 盖玉米的株高、叶面积和地上部干物质积累量均明显高 于对照，表现与生育进程一致，除灌浆成熟期 0.005 mm 厚可降解地膜玉米的株高与对照差异不显著外，其余均 达到差异显著水平，但不同地膜之间差异不显著。 综上所述，可降解地膜的田间降解情况基本相似， 其对土壤水分和温度及作物生长的影响也与普通地膜相 当，以可降解地膜替代普通地膜应用于生产有极其重要 的环保意义。本研究中 0.005 mm 厚可降解地膜的降解速 度、降解强度均优于 0.008 mm 厚可降解地膜，而 0.008 mm 厚可降解地膜覆盖玉米的生育进程、出苗率及 生长性状等均稍优于前者，说明两种可降解地膜的保水、 保温效应及对玉米生长的影响作用基本相似。目前限制 可降解地膜大面积推广的一个主要原因是可降解地膜的 拉伸性能、机械强度比普通地膜差，生产中大面积机械 覆膜时地膜容易被拉断、撕裂，非正常破损严重，而采 用相对厚一些的可降解地膜，其拉伸性能和机械强度有 所增强，但生产成本会增加，同时厚度增加后降解速度 和降解强度会削弱，降解时间也会延长，在作物生育期 内能否达到有效降解尚需试验验证。因此，可降解地膜 的推广应用需综合权衡各项指标。 4 结 论 两种不同厚度的可降解地膜(0.005、0.008 mm 厚) 的田间降解情况基本相似，其中 0.005 mm 厚膜的降解速 度及降解强度均高于 0.008 mm 厚膜。 两种可降解地膜对土壤水分、温度及玉米生长的影 响与普通地膜相当，其中 0.008 mm 厚膜覆盖玉米的生育 进程、出苗率及生长性状等均稍优于前者。 可降解地膜替代普通地膜应用于生产有极其重要的 环保意义，但其大面积推广尚需进一步试验验证。 [参 考 文 献] [1] 王友贞，袁先江，许浒，等. 水稻旱作覆膜的增温保墒效 果及其对生育性状影响研究[J]. 农业工程学报，2002， 182:29,31. 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