聚乳酸可降解地膜对绿洲灌区玉米产量和农田水热特性的影响

Effects of polylactic acid degradable film on maize yield and soil hydrothermal characteristics in oasis irrigation area

摘要

目的 针对目前残膜累积导致农田生态环境污染和服务功能下降等问题，探究不同厚度聚乳酸可降解地膜对绿洲灌区玉米产量和农田水热特性的影响。 方法 在石羊河流域进行田间试验，本研究选取0.006 mm （PLA₁）和0.008 mm （PLA₂）厚度聚乳酸生物可降解地膜以及0.010 mm厚度的普通聚乙烯地膜（PE）覆盖种植玉米，探究不同厚度聚乳酸可降解地膜对绿洲灌区玉米产量和农田水热特性的影响，并采用填埋试验探究不同厚度可降解膜的降解性能。 结果 与PE相比，PLA₂覆盖下玉米农田土壤温度、土壤含水量、作物耗水量和水分利用效率无显著差异，水分利用效率达24.6 kg/（hm²·mm），其叶面积指数、干物质累积量及产量构成因素与PE无显著差异，籽粒产量达13 533.3 kg/hm²。此外，PLA₂覆盖下农田水热特性和玉米产量均显著高于PLA₁。在降解性能方面，PLA₁降解率显著高于PE和PLA₂，90 d后超过50%；PLA₂填埋后60 d降解程度显著增大，150 d后成为碎屑，降解率达50.9%，降解性能优良。 结论 从生产上看，0.008 mm聚乳酸可降解地膜降解性能优良，与普通PE地膜具有相同的增温保墒和增产效应，可代替0.010 mm普通PE地膜应用于干旱绿洲灌区玉米生产中。

Abstract

Objective Aiming at the problem of the accumulation of residual film leading to ecological environment pollution and service function of farmland decline.Scientific selection of biodegradable mulching film with appropriate thickness is of practical significance to the sustainable development of regional agriculture. Method In this study，the polylactic acid biodegradable film of 0.006 mm(PLA₁) and 0.008 mm thickness(PLA₂) and polyethylene film of 0.010 mm thickness (PE) were selected to plant maize.A field experiment was conducted to explore degradable property of biodegradable film with different thickness and its effect on soil temperature and moisture and maize yield,in Shiyang River. Result There were no significant differences in soil temperature，soil water content，crop water consumption and water use efficiency under PLA₂ compared with PE，its water use efficiency reached 24.6 kg/(hm²·mm).LAI，dry matter accumulation and yield components between PLA₂ and PE is no significant differences，its grain yield reached 13 533.3 kg/hm².In addition，under PLA₂，the soil moisture and maize yield were significantly higher than those under PLA₁.In terms of degradation properties，the degradation rate of PLA₁ was over 50% after 90 days，which was significantly higher than that of PE and PLA₂.PLA₂ has excellent degradation property that the degradation degree increased significantly 60 days after，and became debris 150 days after，and the degradation rate reached 50.9%. Conclusion In terms of agricultural production，0.008 mm polylactic acid degradable film has excellent degradation property，and has the same effect of increasing temperature，moisture and yield as PE film.It can replace 0.010 mm PE film in maize production in arid oasis irrigation area.

Graphical abstract

关键词

聚乳酸 / 可降解地膜 / 玉米 / 水热特性 / 产量

Key words

polylactic acid / degradable film / maize / hydrothermal characteristics / yield

地膜覆盖技术因具有增加作物产量和经济效益的作用被广泛应用于干旱与半干旱地区的农业生产中，增产机理主要是显著提高作物养分利用率和农田水热条件^［1-3］。上世纪70年代投入至今，我国的农田地膜覆盖面积已成为世界第一，每年使用量达150万t左右^［4］。尤其在玉米生产上，连年残留在农田土壤中的大量废弃残膜严重污染农田生态环境、降低农田生态服务功能、影响作物根系生长发育，阻隔水肥运移，作物产量和品质受到严重影响^［5-9］。普通地膜的降解周期在200~400 a^［6］。毕继业等^［10］研究表明，普通地膜覆膜36 a后农作物减产率将大于由覆膜技术引发的增产率。欧美和日本的可降解材料技术日趋成熟，在农业生产上已经逐渐采用可降解膜替代普通地膜^［4］。在其他区域已有研究表明，可降解地膜具有与普通聚乙烯地膜相似的增温保墒及增产效应^［11-14］。由于聚乙烯地膜对农田生态环境造成不可逆的影响，赵岩等^［15］认为可降解地膜必将会替代普通聚乙烯地膜被应用于农业生产当中，但受目前生产力水平和经济效益的影响，在相当一段时期内两者会并存使用。目前生产上主要的可降解地膜有光解膜、生物/光解膜和全生物降解膜3种，其中全生物可降解地膜具有稳定、良好的降解性能和性价比被广泛研究和应用^［4］。西北干旱绿洲灌区是我国重要的玉米生产基地，同时也是残膜污染最严重的地区之一，农田残膜残留量高达71.9~259.1 kg/hm²，且回收形式主要以人工回收为主，效率低下导致农业生产严重受限，关于区域可替代材料的选择已相当迫切^［9］。目前关于绿洲灌区可降解膜的研究很少且主要集中在不同类型可降解膜的降解性能以及覆盖效果的对比方面，对于相同材料不同厚度可降解膜的覆盖效应鲜有研究。本研究选用两种不同厚度的聚乳酸全生物降解地膜和普通聚乙烯地膜覆盖种植玉米，通过探究不同厚度的可降解覆盖材料的降解性能及其对玉米产量和农田水热状况的影响，为西北干旱绿洲灌区玉米生产中选用适宜厚度的聚乳酸可降解地膜提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2017年在甘肃农业大学武威绿洲灌溉农业试验基地（N 37°31′，E 103°5′）进行。试验区位于河西走廊东端的武威市凉州区黄羊镇，属于寒温带干旱气候区，海拔1 776 m，无霜期156 d，多年平均降水量160 mm，年蒸发量约2 400 mm，年平均气温7.2 ℃。10 ℃以上积温≥2 985 ℃；年太阳辐射量5.67 kJ/m²，年日照时数2 945 h。作为主栽作物，该区玉米生产均采用地膜覆盖技术，资源性缺水是限制该区作物生产的主要因素。试验田全氮、速效磷和速效钾含量分别为0.93 g/kg、25.1 mg/kg和130.1 mg/kg。2017年玉米生育期内日均温及降水量如图1所示。

1.2 试验材料与设计

1.2.1 试验材料

参试玉米（Zea mays）品种为先玉335，聚乳酸生物可降解地膜由德国巴斯夫公司青岛分公司生产，为全生物降解地膜，主要成分为PLA（聚乳酸），力学性能较好，膜宽140 cm，厚度分别为0.006 mm和0.008 mm；普通地膜由山东恒润塑料有限公司生产，膜宽140 cm，厚度为0.010 mm。国家标准（GB 13735⁃2017）规定^［16］：农用普通地膜厚度不得小于0.010 mm，不过此标准不适用于可降解地膜。全生物降解地膜主要以淀粉、纤维素等天然高分子化合物为原料，在土壤中可被微生物代谢完全后分解成二氧化碳和水^［17-19］。

1.2.2 试验设计

本试验设置0.006 mm （PLA₁） 和0.008 mm （PLA₂） 厚度的聚乳酸可降解地膜和0.010 mm普通地膜（PE）3个处理，每个处理3次重复，采用随机区组排列，试验小区大小为60 m²（10 m×6 m）。玉米全生育期施纯氮360 kg/hm²，按基肥∶大喇叭追肥∶灌浆期追肥=3∶6∶1分施，P₂O₅ 180 kg/ hm²，全做基肥。当年4月25日播种，9月23日收获。播种密度为8.25万株/hm²，覆膜平作，行距40 cm。水表计量灌溉，冬季灌水120 mm，玉米生育期共灌水405 mm；按苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期和灌浆中期分别灌水90、75、90、75和75 mm。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 地膜降解性能

采用填埋法测定^［21］。将本试验所用的3种地膜剪成边长为50 cm×50 cm的方块，用万分之一天平称质量，在对应小区中铲出深度30 cm，边长为60 cm×60 cm的填埋坑，填埋深度20 cm，将称质量后的膜块平整铺于其中，掩土覆盖。每隔30 d取出膜块后，清理干净膜上泥土后用万分之一天平称质量，计算3种地膜的降解率。

降解率（%）=\frac{\mathrm{填埋}\mathrm{前地}\mathrm{膜质}\mathrm{量}-\mathrm{填埋}\mathrm{后地}\mathrm{膜质}\mathrm{量}}{\mathrm{填埋}\mathrm{前地}\mathrm{膜质}\mathrm{量}}×100%（1）

1.3.2 土壤温度

玉米苗期开始每隔15 d用曲管地温计分别测定不同处理5、10、15、20、25 cm土层土壤温度，连续测定3 d，测定时间为当天8∶00、14∶00、18∶00，3个时间点平均温度代表当天的土壤温度，连续3 d的平均温度代表玉米当时生育时期的土壤温度。

1.3.3 土壤含水量

玉米播前开始每隔15 d测定一次，灌水前、灌水后加测一次，测量深度120 cm。0~30 cm土层每10 cm分层，采用烘干法测定，30~120 cm土层每30 cm分层，用（美国CPN公司503 DR型）中子水分仪测定。计算土壤贮水量（SWS）和作物耗水量（ET）。

SWS={\sum }_{i-\mathrm{1}}^{\mathrm{7}}(h_{\mathrm{1}}\times a_{\mathrm{1}}\times {\theta }_{\mathrm{1}})\times \mathrm{10}（2）

式中：SWS为土壤贮水量（mm）；h_i 第i个土层的土层厚度（cm）；a_i 第i个土层的土壤容重（g/cm³）；θ_i 为第i个土层的土壤质量含水量；10为单位换算系数。

1.3.4 作物耗水量（ET）

ET=P+I-∆S（3）

式中：ET为作物耗水量（mm）；P为作物生育期内降水量（mm）；I为作物生育期内灌水量（mm）；∆S为作物播种前和收获后的土壤贮水量之差。

1.3.5 干物质积累量

玉米苗期开始每隔15 d进行干物质累积量测定至玉米收获。每小区随机取样，选取有代表性的玉米10株，将植株在105 ℃烘箱中30 min杀青，然后调至80 ℃恒温连续烘干至恒质量，冷却后称量干物质质量。

1.3.6 产量及产量构成因素

玉米成熟后按小区单独收获，风干后脱粒计产。在各处理小区内随机取样20株室内考种，测定穗数、穗粒数、百粒质量等产量性状，计算收获指数（HI）。

HI=籽粒产量/生物产量（4）

1.3.7 水分利用效率（WUE）

WUE=Y/ET（5）

式中：WUE为水分利用效率（kg/（hm²·mm））；Y为玉米籽粒产量（kg/hm²）；ET为玉米生育期总耗水量（mm）。

1.4 数据处理

本试验数据均采用Microsoft Excel 2010整理及图表制作，采用SPSS 19.0软件进行统计分析，Duncan’s进行多重比较（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 聚乳酸可降解地膜的降解性能

本研究对不同厚度可降解地膜的降解性能进行填埋试验测定。在填埋降解过程中，不同厚度和种类的地膜表现出差异，地膜降解率始终表现为PLA₁>PLA₂>PE（表1）。0.006 mm和0.008 mm聚乳酸可降解膜（PLA₁、PLA₂）的诱导期（30 d）、破裂期（60 d）、崩裂期（90 d）、碎裂期（120 d）均比普通地膜（PE）提前（图2）。PLA₁降解较PLA₂和PE快，在30 d（苗期）时出现明显裂口。在60 d（大喇叭口期）时，PLA₁就已变薄成网状，破孔数目增多，降解率达到41.0%；到150 d（成熟期）时，地膜全部裂解为碎片，降解率达到了76.5%。PLA₂降解较慢，60 d时，与PE相比虽表现出差异，但膜块尚完整；在90 d（吐丝期）之前降解情况较轻，地膜变薄，出现2~2.5 cm的裂口，降解率为15.0%；到150 d（成熟期）时，地膜出现碎片，降解率达到50.9%。普通PE地膜因为不具有降解特性，所以在玉米全生育期基本保持完整的形态，质量减少属于正常消耗。

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

The different letters indicate significant difference（P<0.05）.

2.2 不同地膜对玉米农田0~30 cm土层土壤温度的影响

玉米全生育期农田土壤温度均呈现先升高后降低的趋势，在小喇叭口期（6月中旬）至抽雄吐丝期（7月初）达到最大值（图3）。玉米播种至抽雄吐丝期（4月下旬至7月上旬），3种地膜覆盖下土壤温度无显著差异；在玉米灌浆初期至成熟期（8月初至9月中旬），随着气温降低，环境温差变大，地膜的增温效应逐渐体现出来。由于0.006 mm厚度可降解膜（PLA₁）在90 d后降解率超过50%，降解较快，在玉米生长发育中后期增温效果降低，其覆盖下的土壤温度显著低于0.008 mm可降解膜（PLA₂）12.4%（P<0.05），普通地膜（PE）和PLA₂无显著差异。从温度垂直变化来看，随着土层深度增加，土壤温度降低，PLA₂覆盖在0~10 cm土层土壤温度较PLA₁覆盖高出6.7%（P<0.05），且与PE覆盖在0~25 cm土壤温度无显著差异。综上说明，在干旱绿洲灌区，0.008 mm生物可降解地膜覆盖下具有与0.010 mm普通地膜相同的保温作用。

2.3 不同地膜对玉米农田水分利用特征的影响

2.3.1 0~120 cm土层土壤含水量的时空变化

玉米全生育期土壤含水量表现为PE>PLA₂>PLA₁（图4），从土壤水分时间变化来看，在玉米播种至小喇叭口期（4月下旬至6月中旬），3种地膜覆盖土壤含水量差异不显著；在玉米大喇叭口期至灌浆初期（6月下旬至8月上旬），由于PLA₁降解速度太快，保水作用降低，农田水分蒸散增加，其覆盖下土壤含水量比PE覆盖低13.7%（P<0.05），在玉米大喇叭口期（6月23日），PE覆盖下土壤含水量较PLA₂高6.7%（P<0.05）。玉米灌浆中期至成熟期（8月中旬至9月下旬），由于玉米叶片庇荫，土壤水分蒸散量降低，3种地膜间无显著差异。从土壤水分垂直变化来看，0~10 cm土层PLA₂处理较PE低5.1%（P<0.05），较PLA₁处理显著提高玉米农田0~30 cm的土壤水分含量10.2%（P<0.05）；30~50 cm土层，PE和PLA₂覆盖无显著差异，且较PLA₁覆盖高4.5%、4.4%（P<0.05），在50~120 cm土层，3种地膜覆盖下农田土壤含水量无显著差异。综上表明，在干旱绿洲灌区，0.008 mm生物可降解膜具有与0.010 mm厚度普通地膜相同的保水效果。

2.3.2 玉米耗水量和农田水分利用效率

如图5所示，不同厚度可降解地膜和普通地膜覆盖下玉米总耗水量和农田水分利用效率差异显著。PLA₁、PLA₂覆盖的玉米总耗水量与PE地膜覆盖无显著差异。在农田水分利用效率上，PLA₂处理达到24.6 kg/（hm²·mm），与PE地膜覆盖相比无显著差异，PLA₁处理较PE、PLA₂处理低29.8%和32.6%（P<0.05）。由此表明，0.008 mm可降解膜可保障作物水分需求，在提高农田水分利用效率上具有与普通PE地膜相同的作用。

2.4 不同地膜对玉米叶面积指数和干物质累积量的影响

3种地膜覆盖下玉米叶面积指数和干物质累积量表现出差异（图6），在抽雄吐丝期（7月中旬），LAI达到最大，在最大值之前3个处理之间LAI无显著差异（P<0.05）；在达到最大值之后至玉米收获，PLA₂覆盖较PLA₁覆盖高出5.5%（P<0.05），且与PE覆盖无显著差异。全生育期干物质累积量表现为慢-快-慢的趋势，玉米苗期至大喇叭口期（5月初至6月下旬）干物质累积较慢，3种地膜间差异不显著。在玉米抽雄吐丝期至灌浆中期（7月上旬至8月中旬），PLA₂覆盖玉米干物质累积量较PLA₁覆盖高出15.8%（P<0.05），与PE覆盖无显著差异。在玉米灌浆中期至收获期（8月中旬至9月中下旬）玉米干物质累积速率放缓，玉米收获时，PLA₂覆盖的玉米干物质累积量较PLA₁覆盖高11.0%（P<0.05）。由此可见，0.008 mm生物可降解地膜可保障玉米叶片的光合源功能，有效促进玉米植株同化物累积，为玉米高产奠定基础。

2.5 不同种类地膜覆盖对玉米产量的影响

3种地膜覆盖下玉米产量及产量构成因素如表2所示。与PE、PLA₂处理相比，PLA₁覆盖的玉米产量降低26.7%、21.6%（P<0.05），PLA₂覆盖具有明显的增产作用，产量达13 533.3 kg/hm²，与PE地膜覆盖无显著差异，可保证玉米高产。PLA₁覆盖的玉米穗粒数和百粒质量分别比PLA₂覆盖低12.2%和5.9%（P<0.05）；PLA₂覆盖玉米的收获指数达0.442，且与PE覆盖无显著差异，PLA₁覆盖较PLA₂覆盖低8.8%（P<0.05）。因此，在干旱绿洲灌区，0.008 mm生物可降解膜覆盖下玉米可达到与普通地膜覆盖相同的增产效果，保证玉米产量。

3 讨论

3.1 可降解地膜的降解性能

普通地膜材料的主要成分为聚烯烃类物质，分子量大，性能稳定，在自然条件下很难降解^［9］。目前，农田残膜对农业生产造成严重影响。在区域可替代材料的选择上已相当迫切。本研究选择相比于其他类型的可降解地膜生产成本和应用性能更好的全生物可降解地膜，在土壤中可被微生物代谢完全后分解成二氧化碳和水^［17］。与大多数直接观测可降解地膜覆盖时的形态变化来表征降解情况的方法不同，本研究采用较为贴合生产实践的填埋法探究不同厚度生物可降解膜的降解性能。由于此方法在相关研究中应用较少，对试验结果的分析将与直接观测法相结合。邬强等^［21］对不同厚度生物可降解膜的研究中表明，0.010 mm厚度可降解膜在覆膜60 d时出现裂纹，但在作物生育后期仍具有一定的增温保墒作用。乔海军等^［22］在干旱灌区研究表明，生物可降解膜在覆膜50 d时出现裂口，在作物生育前期增温保水效果与普通地膜差异不显著，增产作用与普通地膜相同，这与本研究中0.008 mm厚度可降解膜降解性能和增产作用相似。目前生物可降解膜正处于产品研发和评价试验的关键阶段，包括需要进一步提高产品的质量、破裂和降解的可控性，改善增温保水效果，满足作物的增产需求^［4］。此外，如何降低可降解膜的生产成本，促进可降解膜规模化使用已成为目前相关科研工作者急需解决的问题。

3.2 可降解地膜对土壤水热特性的影响

地膜覆盖改变了土壤热通量，提高了土壤积温，这对于玉米根系活力以及种子萌发、出苗非常重要，在西北低温寒旱区可使作物显著增产^［20］。本研究表明，覆盖两种不同厚度可降解膜在玉米生长中前期与普通地膜对土壤温度的效应无显著差异，能够保障玉米萌发出苗以及营养生长所需的温度，在玉米生长发育后期，由于地表土壤微生物的分解使得0.006 mm可降解膜降解速度快，导致增温保温效果变差，而0.008 mm可降解膜较厚，降解较慢，形态较为完整，在玉米生长后期仍具有增温保温作用。另一方面，玉米抽雄吐丝期以后玉米叶片对土壤遮蔽较大，使得地膜对土壤温度的影响相对减弱^［22］。土壤温度的空间变化表明，0.006 mm可降解膜和普通地膜的差异主要在0~10 cm土壤表层。申丽霞等^［7］研究结果表明，0.005 mm和0.008 mm可降解地膜和普通地膜的保温效果相当，这一结果可能与试验区位、地膜厚度和材料的降解性能有关。玉米是耗水量较大的禾本科作物，受地理区位影响，水资源短缺成为限制西北绿洲灌区作物生产的主要因素^［23-24］。本试验结果表明，在玉米营养生长期，3种地膜的保墒效果相当。0.006 mm可降解膜在玉米大喇叭口期至灌浆期土壤水分含量较普通地膜显著降低13.7%，其原因是0.006 mm可降解膜降解较快，地膜保水效果减弱，加之温度升高，土壤蒸散量大共同导致，大喇叭口期至灌浆期是玉米全生育期需水量最大的时期，此时期水分匮乏对玉米干物质累积和产量有严重影响。3种地膜覆盖下玉米总耗水量无显著差异，覆盖0.008 mm可降解膜与普通地膜水分利用效率无显著差异。王淑英等^［25］在干旱区的研究结果表明，覆盖生物可降解膜的保水性可达到普通地膜的90%以上。康虎等^［26］研究表明，可降解膜的保墒作用能维持70 d左右，能满足玉米生育前期的水分需要，本研究中0.008 mm生物可降解膜保水作用达120 d以上。综上所述，0.008 mm厚度生物可降解地膜与普通PE地膜具有相同的增温保墒作用，可用于干旱绿洲灌区作物生产当中。

3.3 可降解地膜对玉米产量性能的影响

在干旱与半干旱区，地膜覆盖增产的主要原因是玉米穗粒数的增加，土壤水热条件是玉米产量的决定性因素^［23］。本试验中覆盖0.006 mm可降解膜后期土壤增温不足、水分散失导致玉米营养生长减慢，叶片光合源功能受阻，干物质累积和向营养器官分配速率减慢，籽粒灌浆受阻，从而导致玉米产量较低；除此之外，在大喇叭口期和灌浆期的土壤水分欠缺成为覆盖0.006 mm可降解膜减产的主要因素。玉米抽雄及雌穗分化发育阶段，覆盖0.008 mm可降解膜较0.006 mm可降解膜显著提升玉米灌浆期土壤含水量以及在吐丝期保证适宜的土壤温度和湿度，保证玉米穗部形成和灌浆。因此，0.008 mm可降解膜具有与普通地膜相同的增产效果。在玉米生长后期，灌水次数密集、降水较多，且温度对产量影响较小，因此，0.008 mm可降解膜虽然部分降解，但剩余残膜尚完整仍能保证一定的土壤温度和水分，起到增产效果。这与赵爱琴等^［27］的研究结果相同。另外，聚乳酸全生物可降解膜富含大量的淀粉、蛋白质和纤维素等营养物质，被土壤微生物分解在土壤当中对玉米产量的提升有益。

4 结论

在降解性能方面，0.006 mm聚乳酸全生物可降解地膜降解率显著高于0.008 mm和0.010 mm普通PE地膜，90 d后超过50%，而0.008 mm生物可降解地膜降解程度适中，在填埋60 d后降解程度增大，150 d时成为碎屑，降解率达50.9%，降解性能优良。0.008 mm聚乳酸生物可降解地膜覆盖下农田水热特性和玉米产量均显著高于0.006 mm聚乳酸生物可降解地膜，其保温保水效果显著，土壤含水量、玉米总耗水量和农田水分利用效率以及产量性能均与覆盖普通地膜无显著差异，产量达13 533.3 kg/hm²。从农业生产上看，0.008 mm生物可降解膜可代替普通PE地膜应用到干旱绿洲灌区农业生产当中，对区域农田生态环境和生产力可持续发展具有实践意义。

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基金资助

甘肃省科技计划项目(20JR5RA037)

甘肃省教育厅产业支撑项目(2021CYZC-54)

甘肃农业大学伏羲杰出人才培育计划项目(GAUfx-04J01)