1. 引言
在我国农业生产中，普通聚乙烯PE地膜因具有增温、保墒、抑制杂草生长和提高作物产量等作用而被广泛使用 [1] [2]，但随着地膜使用年限的增加，其“结构稳定、不易降解” [3] [4] 等特性又对其所使用的环境造成了“白色污染” [5] [6]，形成了负面影响。当前，应用降解膜尤其是完全生物降解膜是解决我国农田土壤“白色污染”的一条重要而有效的途径 [7]。
当今，国内关于降解膜在玉米上的应用与研究，主要集中在降解膜材料的性能、组分、降解膜类型对比以及与裸地栽培对比等 [8] [9] [10]、降解膜和普通膜的玉米产量对比等领域 [11] [12] [13] [14] [15]，对降解膜尤其是完全生物降解膜对南疆玉米大田应用的系统性、整体性研究(尤其是从土壤盐分、土壤养分、土壤pH和土壤容重等指标)还较少。本试验以阿克苏拜城农业试验站为研究区，以PBAT型全生物降解膜(简称：降解膜)为处理、研究降解膜在玉米生育期的降解率特征以及它对玉米生物量、产量、出苗率、生育期、土壤容重、土壤养分和土壤温湿度等指标的影响。本研究成果将为南疆地区玉米栽培过程中，PBAT型全生物降解膜的应用与推广提供一定的理论依据和数据支撑。
2. 材料与方法
2.1. 研究区概况
试验区位于却勒塔格山北缘山间盆地、天山中部南麓、渭干河上游的阿克苏拜城农业试验站。该区属于温带大陆性干旱气候，冬季寒冷、夏季凉爽，极端最低与最高温度分别为−28℃和38.3℃，年均降水量和温度分别为171 mm和7.6℃、日照时长2790 h，无霜期133~163天。试验区土壤基础性状见表1。本试验为定位观测的第2年，前茬为玉米、覆盖PBAT型全生物降解膜。
注：土壤为播前采集样品。
Note: Soil sample is the base soil before sowing.
2.2. 试验设计
供试作物为玉米(品种是新玉31)。处理为PBAT型全生物降解地膜(简称：降解膜、购自新疆康润洁环保科技股份有限公司)，普通聚乙烯PE膜为对照(CK)，2处理、3次重复。试验区总面积0.13 hm2，膜宽105 cm、厚度0.010 mm；一膜四行、机械覆膜、滴灌灌溉、滴灌带间距70 cm，株行距分别为20 cm和35 cm。试验田间播种方式、施肥量、管理与种植等与当地农业生产一致。2017年4月22日播种、10月15日收获。田间试验灌水时间与用量见表2。
Table 2. Irrigation time and dosage in field experiment
表2. 田间试验灌水时间与用量
2.3. 测试项目与方法
2.3.1. 地膜降解率(破损率)
每隔15天定位采集试验区地膜图片，用《地膜孔洞面积提取软件V2.0》对采集的地膜图像处理，得到地膜降解率。
2.3.2. 测产
每处理随机选取5个点测定玉米产量。
2.3.3. 土壤温湿度
采用土壤温度水分记录仪(上海发泰L99-TWS-3型)测定并记录膜下5 cm、15 cm和25 cm的土壤温湿度，间隔2 h、24小时连续测定，监测时间段为6月2日到9月22日。
2.3.4. 土壤理化性质
玉米播前及生育期按照0~20 cm与20~40 cm土层取样、3次重复，测定土壤pH、土壤速效N (氮)、土壤速效P (磷)、土壤速效K (钾)、土壤有机质和土壤总盐。
土壤pH、土壤速效NPK、土壤总盐和土壤有机质分别用pH计电位法、碱解扩散法、0.5 mol/L碳酸氢钠法、乙酸铵提取火焰光度法、残渣烘干-质量法和重铬酸钾容量-外加热法测定 [16]。
2.3.5. 数据处理与分析
试验数据用Excel和SPSS软件分析和作图，数据比较采用独立样本T检验法。
3. 结果与分析
3.1. 地膜降解特征
玉米生育期，降解膜的破损率(降解率)表现为10月之前破损较小且变幅不大(6~8月破损率在1.4%~2.0%)，而到10月收获期破损率显著增大(48.82%) (图1)，但CK一直无显著降解破损现象。这一现象表明南疆6~8月玉米生育期内，降解膜因玉米茎杆和叶片遮挡光照而降解缓慢，10月因遮蔽作用减弱而加速降解膜的膜面破损和降解。
Figure 1. Degradation rate of degradation film in maize growth stages
图1. 玉米生育期地膜破损率
3.2. 对玉米农艺性状的影响
3.2.1. 出苗率
玉米苗期，虽然降解膜处理的出苗率高于CK6.46% (表3)，但处理间未达到显著差异水平。表明降解膜处理对南疆玉米出苗无显著影响。
Table 3. Emergence rate of maize under different treatments
表3. 不同处理玉米出苗率
注：1) 平均值 ± 标准差；2) 不同字母表示差异显著(P < 0.05)，下同。
Note: 1) Mean value ± standard deviation; 2) Difference letters indicates significant difference (P < 0.05), the same as below.
3.2.2. 生育进程
玉米生育期为151天，降解膜与CK两处理在玉米不同生育进程中表现一致、无显著差异(表4)。由此可得，降解膜对南疆玉米不同时期生育进程无显著影响。
Table 4. Growth process of maize under different treatments
表4. 不同处理玉米生育进程
3.2.3. 生物量
由表5可以得到，降解膜处理的玉米地上部分生物量、秸秆量以及玉米棒和籽粒重量均大于CK，但二者间均未达到显著差异水平。表明降解膜对南疆玉米地上部秸秆量、玉米棒和籽粒及地上部生物量总和均无显著影响。
Table 5. Maize biomass under different treatments
表5. 不同处理玉米生物量
注：生物量数据均为干重，测定时间为2017年9月26日。
Note: The biomass data were all corn dry weight, and the determination time was September 26, 2017.
3.3. 对土壤温湿度的影响
3.3.1. 玉米生育期土温变化
降解膜和CK两处理在膜下土层5 cm、15 cm、25 cm和0~30 cm的土壤温度均随玉米生育期变化趋势基本一致(图2)，即各处理不同土层土壤温度均随玉米生育进程逐渐减小。总体上，玉米生育期降解膜处理的土壤温度略低于CK、平均低0.57℃，其主要是玉米生育期降解膜裂解破损导致地膜保温效果降低所致。
Figure 2. The temperature changes in different soil layers of maize growth period
图2. 各处理在玉米生育期不同土层的土温变化
3.3.2. 土壤剖面温度变化
降解膜处理在膜下土层5 cm、15 cm与25 cm的平均土温较CK分别低0.67℃、0.54℃与0.50℃ (图3)，且处理间温差均未达到显著差异水平。表明降解膜处理对南疆玉米生育期不同土层土温影响不显著。
Figure 3. The difference of average soil temperature in different soil layers
图3. 各处理在不同土层的平均土温差异
3.4. 对土壤水分的影响
3.4.1. 玉米生育期的土壤含水率(水分)变化
降解膜与CK两处理在膜下土层5 cm、15 cm、25 cm和0~30 cm的土壤水分(含水率)随玉米生育期变化趋势较为相似，均表现为降解膜处理大于CK (平均高7.09%)；且在生育期内，降解膜处理的平均土壤含水率(水分)变化波动性较大，而CK相对较小(图4)。这可能是降解膜处理在玉米生育期，膜面部分降解破损导致土壤水分随外界环境影响较大的原因。
3.4.2. 土壤垂直剖面水分变化
降解膜处理在膜下土层5 cm、15 cm与25 cm的平均土壤含水率(水分)均高于CK，分别高出11.08%、6.18%与4.02% (图5)，但处理间差异不显著。这应该是玉米生育期降解膜处理的膜面，部分破损降解因而受到外界环境如降雨等影响的结果。
Figure 4. The average soil moisture content of different soil depth in maize growth period was changed by different treatments
图4. 各处理在玉米生育期不同土层深度的平均土壤含水率变化
Figure 5. The difference of average soil water content in different soil depth during maize growth period
图5. 各处理在玉米生育期不同土层深度的平均土壤含水率差异
3.5. 对土壤容重的影响
在玉米生育期内(7月6日和9月26日)，降解膜和CK处理在土层0~20 cm与20~40 cm (9月26日的除外)的土壤容重基本上无显著差异(表6)。表明降解膜处理对玉米生育期的土壤容重指标基本上无显著影响。
3.6. 对土壤养分等指标的影响
从表7中可以看出，在玉米生育期内，降解膜与CK两处理在土层0~20 cm与20~40 cm的土壤速效NPK养分、土壤pH与土壤总盐均无显著差异。表明降解膜处理对玉米生育期土壤速效NPK养分、土壤pH和土壤盐分等均无显著影响。
Table 6. Changes of soil bulk density in 0~20 cm and 20~40 cm soil layers under different treatments
表6. 不同处理在土层0~20 cm与20~40 cm的土壤容重变化
Table 7. Changes of soil nutrients, salts and pH in 0~20 cm and 20~40 cm soil layers under different treatments
表7. 不同处理在土层0~20 cm和20~40 cm的土壤养分、盐分、pH变化
注：取样时间分别为2017年3月24日(播种前)、6月8日(地膜破损时)和10月11日(收获期)。
Note: The sampling time are March 24, 2017 (before sowing), June 8 (when the film is damaged) and October, 11 (harvest period), respectively.
3.7. 对玉米产量的影响
降解膜处理跟CK比，玉米产量略有增加，增幅达到9.41% (表8)，但两处理间无显著差异，表明降解膜处理对玉米产量影响不显著。这应该是南疆玉米生育期间，降解膜处理对玉米出苗率、生育期、地上部生物量、不同层次土壤温度、水分以及土壤养分、盐分、pH、容重均无显著影响的综合结果的反映。
4. 讨论
降解膜一般会因材料、应用区域光、温、水、气等因素以及农业生产措施和种植作物类型等而在降解时间上有很大差异。如钱亚光等(2019) [17] 在内蒙古喀喇沁旗锦山镇驼店村进行的玉米降解膜试验，光氧化-生物降解膜的降解速度和降解时间比全生物降解膜的要快和早，当覆膜后65 d左右时，基本均处于开裂至大裂期，75 d后基本全部进入大裂期，即玉米封垄后，再无显著地降解现象。而本研究中，降解膜的降解率10月前一直较小(1.4%~2.0%)，到10月收获期后显著增大(49%)。其主要原因是玉米生育期茎杆、叶片遮挡阳光(降解膜处于诱导期)，而收获期叶片干枯、萎蔫，阳光直接照射到膜面、降解膜加速分解的结果。
玉米生育期，降解膜与普通膜膜下的土壤温度和湿度对作物产量影响较大。本研究中，降解膜与CK在膜下土层5 cm、15 cm与25 cm的土壤温度与土壤含水率随玉米生育进程变化趋势基本上一致。虽然降解膜在膜下5~25 cm的平均土温较CK低0.50℃~0.67℃、平均土壤含水率(水分)较CK高出4%~11%，但两处理间均未达到显著差异水平，所以两处理之间玉米产量也无显著差异。这一结论与李海萍等(2017) [1]、申丽霞等(2012) [2] 的一致。降解膜对作物农艺性状和土壤养分、土壤盐分等相关指标的影响，其对作物产量也有较大影响。本试验中，降解膜对玉米出苗率、生育时期、生物量和土壤养分、盐分、pH以及土壤容重等农艺及土壤理化指标均无显著影响。表明全生物降解地膜对南疆玉米农艺性状和土壤理化性质均无显著影响。在南疆玉米生产中使用全生物降解地膜替代普通聚乙烯PE地膜是可行的。这一结论与申丽霞等(2011) [2]、苏海英等(2020) [18]、王斌等(2020) [19] 的一致。
5. 结论
在南疆玉米生产过程中，降解膜处理的降解率在6~8月较小(1.4%~2.0%)、10月收获期显著增大(49%)。玉米生育期中，降解膜和CK处理的土壤含水率和土温变化趋势基本一致。膜下土层5 cm、15 cm、25 cm和0~30 cm的平均土温，降解膜处理比CK分别低0.67℃、0.54℃、0.50℃与0.57℃，而平均土壤含水率比CK高11.08%、6.18%、4.02%和7.09%，但处理间土壤含水率和土温两项指标均无显著差异。
玉米不同生育期和不同土层(0~20 cm与20~40 cm)，降解膜与CK在土壤容重、土壤速效NPK养分、土壤盐分及土壤pH等指标间均无显著差异。玉米的生育期进程、出苗率、生物量(包括秸秆、玉米棒和籽粒)以及产量，两处理间也无显著差异。
基金项目
天山青年计划项目(2017Q006)、自治区重点研发项目(2018B01006-1；2016B02017-4)。
NOTES
*通讯作者。