邬 强，王振华，郑旭荣，张金珠，李文昊（1. 石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000；2. 石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室，石河子 832000）

PBAT生物降解膜覆盖对绿洲滴灌棉花土壤水热及产量的影响

邬 强，王振华※，郑旭荣，张金珠，李文昊
（1. 石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000；2. 石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室，石河子 832000）

为应对农田残膜污染，探明基于聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）材料的完全生物降解地膜代替普通塑料地膜与滴灌结合在棉花滴灌上应用效果，于2015—2016年在新疆石河子大学节水灌溉试验站，分别设置4种不同厚度和降解诱导期生物降解地膜和普通塑料地膜共5种不同处理，研究不同覆盖对滴灌棉花土壤温度、水分及产量的影响，并对可降解膜降解性能和经济效益对比分析。2 a试验结果表明，覆膜60～80 d开始出现降解，至覆盖180 d后出现均匀细纹并未完全降解，0.012 mm可降解地膜覆膜180 d仅仅出现裂纹，降解速度较慢。0.010 mm和0.012 mm厚完全生物可降解地膜处理棉花苗期土壤0～25 cm平均温度较对照分别低0.94 ℃和1.34 ℃（P＜0.05)，但随着作物生长两者差异逐渐减小。4种类型可降解膜覆盖在棉花生长前期均能提高土壤土壤水分，但随地膜降解和棉花生长后期则显著降低，与普通塑料地膜相比土壤水分显著降低1%～3%。总体而言，覆盖完全生物可降解地膜处理2 a平均产量较CK减少2%～3%，水分利用效率减少4%左右（P＜0.05），净收入少1 858.5元/hm2（10.2%），4种类型可降解地膜产投比相比，厚度较薄0.010 mm处理应用经济效果较好。可见，目前全生物降解地膜若要代替普通地膜，解决残膜污染，仍需进行较大的改善。

土壤水分；温度；棉花；产量；水分利用效率；完全生物降解地膜；膜下滴灌；绿洲灌区

0 引 言

覆膜种植可以改善土壤水热效应、抑盐控草和增加经济效益[1-2]。截止2016年全国覆膜种植面积超过2 000万hm2，其中新疆地区膜下滴灌棉花面积超过200万hm2，棉花产量居全国第一[3-4]。目前广泛使用地膜为厚度在0.006～0.008 mm超薄聚乙烯地膜，作物收获后地膜不易回收而聚乙烯地膜降解周期超过200 a，土壤耕作层残膜不断累积。严昌荣等[5]指出连续10 a膜下滴灌棉田残膜为（259±36.78）kg/hm2；残膜影响根对水肥吸收、改变土壤结构、降低出苗率和作物产量[6-8]。毕继业等[9]研究指出覆膜36 a后残膜造成作物减产率将大于地膜覆盖技术引起的农作物增产率，残膜负效应再持续16 a则完全抵消地膜覆盖的增产效应，在现有地膜回收技术下，覆膜种植是不经济的并且可对生态环境造成不可逆影响[10]。

可降解地膜的出现成为解决残膜问题的一条有效途径[11]。赵岩等[4]认为可降解地膜最终会代替普通不可降解地膜，但目前可降解地膜和普通塑料地膜会长期共存。目前研究应用的可降解地膜主要有光解膜、生物/光降解地膜和生物降解地膜3种类型，光降解地膜最早进行研究应用[12-13]，由于覆土后光降解便停止，并且不能够完全降解；之后光/生物可降解膜研究较多[14]，但是这种类型无论生产成本还是应用性能均较差；生物降解地膜成为替代普通塑料地膜的理想选择[15]。生物可降解地膜分为完全生物降解膜和添加型可生物降解膜[16]，由于淀粉较为廉价和可再生性，淀粉基可生物降解地膜目前研究较多[17-18]，虽然淀粉具有很好降解性但亲水性强，吸水后力学性能显著下降，降解时间不易控制。而聚酯类完全生物可降解膜能够被完全分解成为CO2和H2O，且生产工艺简单，地膜稳定性强，具有广阔研究和应用价值[19-20]。但是对这种类型降解地膜的研究多集中在试验开发与研制，虽然柴建军[21]进行了田间应用，但并未深入研究这种聚酯类完全生物降解地膜应用后的水热效应、降解特性、产量和经济效益。另外，目前很多研究表明可降解地膜与塑料地膜具有类似的增温保湿和增产作用能够代替普通塑料地膜[22]，并且对不同厚度和不同材料可降解地膜也进行详细研究[23]，但是可降解地膜在强烈蒸发、稀缺降雨和强紫外线环境的新疆地区应用研究很少。袁海涛等[24-25]研究了添加氧化剂的氧化-生物双降解膜在新疆区对滴灌棉花生长和产量的影响，但并未指出可降解覆盖下水分利用效率和经济效益。并且现有可降解地膜研究多数并非针对膜下滴灌棉花应用且所研究地膜材料不论从厚度和降解诱导期来说均不能在新疆应用。2014年新疆推广应用可降解地膜3 720 hm2，未来其应用面积会持续增加，但在并未深入揭示新疆地区可降解地膜应用对土壤水热效应及覆膜经济效益和生态效益影响下，仅是依靠行政推广和政府补贴并不能有效推广可降解地膜代替普通塑料地膜在新疆地区的应用，反而会造成社会资源的浪费。因此，亟需选择适宜于新疆膜下滴灌应用可降解地膜，并深入揭示膜的土壤水热效应、降解特征及其对作物产量和经济效益的影响。

目前对于可降解地膜研究虽多，但是所研究材料类型繁杂，可降解地膜的开发与应用研究脱节，应用研究滞后于研发，导致可降解膜类型多但能够生产应用很少，其生产应用相关行业规范及生产工艺更无从制定，影响可降解地膜推广，并且从农业水土方向对可降解地膜的应用研究又模糊所选材料的类型，不利于为研发提供一手资料。本研究基于不同厚度和降解诱导期的第3代可降解地膜（PBAT材料）（前2代分别为光降解和光/生物双降解，多数类型地膜不能完全降解），研究覆膜后地膜的降解性能、水热效应和经济效应。根据已有研究，结合新疆特殊气候条件和膜下滴灌棉花特点，通过连续2 a定位试验对不同厚度和不同降解诱导期完全生物降解覆盖下水温效应、降解特征、棉花产量及经济效益进行研究，评估聚酯类完全生物可降解地膜代替普通塑料地膜在新疆绿洲灌区应用前景，筛选适合绿洲灌区应用完全生物降解类型，为进一步推广应用可降解地膜提供科学理论指导，以期解决残膜污染问题，保障绿洲区农业生态和经济可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年4月—2016年10月在新疆石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室（85°59′E、44°19′N）进行。该区海拔451 m，年均日照数2865 h，＞10 ℃ 积温3 463.5 ℃，＞15 ℃积温2 960.1 ℃，无霜期170 d左右，试验地2015—2016年棉花生育期内降雨量分别为31.7、157.4 mm，平均气温分别为20.3、21.2 ℃（图1）。供试验土壤质地为轻壤土，黏粒质量分数（粒径＜0.01为22%），0～100 cm土壤平均容重为1.60 g/cm3，地下水埋深大于8 m, 试验区土壤理化性状如表1所示，试验地从2008年开始膜下滴灌种植，前茬作物为棉花。

1.2 试验设计

供试完全生物降解地膜由广州金发科技股份有限公司提供，供试棉花品种为新陆早23号；聚乙烯普通塑料地膜由新疆天业公司生产；单翼迷宫式滴灌带由新疆天业公司生产，滴头间距30 cm，滴头设计流量2.6 L/h。参照北疆地区种植方式，采用1膜2管4行种植模式（图2），棉花株距10 cm，棉花种植密度25万株/hm2。各处理地膜材料为：普通聚乙烯塑料地膜（CK，厚0.008 mm）；A型完全生物降解地膜（BD1，厚0.010 mm）主要成分PBAT设计降解诱导期45 d；覆盖B型完全生物降解地膜（BD2，厚0.010 mm）主要成分PBAT设计降解诱导期60 d；覆盖C型完全生物降解地膜（BD3 厚0.012 mm）主要成分PBAT降解诱导期60 d，覆盖D型完全生物降解地膜（BD4 厚0.010 mm）主要成分PBAT设计降解诱导期45 d，A、B、C和D型完全生物可降解膜配方不同，以控制可降解膜降解速度，但均能在1～2 a内完全降解。试验小区随机排列，小区面积54 m2（18 m×3 m），每个处理3次重复。

图1 2015年和2016年膜下滴灌棉花生育期间降雨和气温分布Fig.1 Distribution of precipitation and air temperature in growth period of cotton with mulched drip irrigation in 2015—2016

表1 试验区土壤理化特性Table 1 Physical and chemical properties of soil in experimental plot

图2 棉花膜下滴灌种植模式Fig.2 Planting layout of cotton with mulched drip irrigation

1.3 田间管理目

采用深层地下水灌溉，灌溉水矿化度约1.3 g/L，各个小区通过水表和球阀控制灌水量，参考当地生产实践灌溉经验，2015年和2016年棉花灌溉制度如表2所示，磷酸钾铵和尿素按照1∶2的比例通过施肥罐随水施肥，2 a施肥量均为832 kg/hm2，其中吐絮期不施肥，所有处理的化控等农艺措施与普通棉田一致。棉花播种日期2015年和2016年分别为4月27日和4月21日。

表2 棉花生育期灌溉制度Table 2 Irrigation scheduling for cotton growth stages

1.4 采样与测定

1.4.1 地膜降解程度：覆膜后每隔10 d观察记录地膜降解程度。地膜降解分级指标参照杨惠娣等[26]方法，使用0～5级代表地膜降解程度，0级表示地膜完整未出现裂纹，5级则表示地膜裂解为4×4 cm2以下碎片，地表无地膜存在。

1.4.2 土壤温度：使用曲管水银地温计测定棉花苗期、蕾期、花期、铃期、吐絮期5、10、15、20及25 cm深土壤温度，温度计均置于棉花宽行中间（滴灌带之间），分别记录8:00—20:00土壤温度，每隔2 h观测1次，连续动态监测5 d，取其平均值作为该生育期的代表值。

1.4.3 产量及经济效益：棉花成熟后在小区中间4行、长度5 m区域内测定棉花籽棉产量，实收计产，2015和2016年收获日期分别为10月12和10月28日。收入为籽棉产量乘以市场价格，纯收益为产量收入减去总投入，其中总投入包括化学肥料、种子、农药、水电费、地膜、滴灌带、拾棉费及耕作人工费 (计算价格均参照石河子地区平均水平)。

1.4.4 土壤含水率：采用取土烘干法分别测定棉花播种前、苗期、蕾期、花期、铃期、吐絮期和收获期滴灌带下、宽行间和膜间0～100 cm土壤质量含水率，每10 cm取1土样。

式中W为土壤贮水量，mm；ρ 为实测土壤容重，g/cm3； h为土层厚度，cm；ω为土壤含水率，%；根据观测田间地下水埋深在8 m以下，地下水供给可忽略不计。

式中ET为作物耗水量，mm；Pr为作物生育期降雨量，mm；I为生育期灌水量mm；Wp和Wh分别为播前和收获时的土壤贮水量，mm。

水分利用率（water use efficiency，WUE）为单位面积籽棉产量（Y，kg/hm2）除以作物耗水量，kg/(hm2·mm)。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016和SAS 8.01统计软件处理和分析，对测定结果进行方差分析并用LSD法（least significant difference）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 棉花生育内不同处理地膜降解程度

表3表示覆盖不同可降解地膜后随棉花生长地膜降解程度变化。

表3 不同完全生物可降解膜处理降解程度分级Table 3 Degradation classification of different biodegradable film mulching treatments

表3表明，2015年和2016年均是覆膜60 d后出现降解，受不同年份应用环境影响，BD2处理2015年较2016年推迟20 d开始降解，但BD1、BD3和BD4处理2 a降解过程基本一致。BD1和BD4覆膜60 d出现裂缝，80 d时25%地膜出现细小裂纹，覆膜180 d后出现均匀裂纹，但地膜未完全消失，仍有大块残留。BD2和BD3降解过程类似，但与BD1和BD2相比无论降解速度还是降解强度均较低，BD3处理在覆膜80 d后开始出现裂缝，覆膜100 d田间25% 出现细小裂缝，覆膜140 d出现2～2.5 cm长裂缝，较厚的BD3处理降解速度慢，但同同种厚度相比，改变可降解膜配方可以增加或是减缓降解速度，BD2与同种厚度可降解地膜相比降解速度减慢。总体上可降解地膜在应用过程中实际降解诱导期大于设计诱导期。CK处理在覆膜100～180 d后出现细小裂缝，这主要由于太阳辐射、机械外力造成，属于正常损耗，这也说明棉花生育期结束，CK地膜破损增加回收难度，4种类型可降解地膜在覆膜后60 d均能保持良好形态，之后出现不同程度降解，生育期结束继续降解可直接耕作不必回收。

2.2 不同覆盖处理耕层土壤温度变化

2.2.1 不同覆盖对棉花苗期不同深度土壤温度影响

2015—2016年棉花苗期不同处理覆盖土壤5～25 cm层温度变化见表4。

表4 2015和2016年棉花苗期不同处理对不同土层土壤温度的影响Table 4 Effect of different treatments on soil temperature in different depth at cotton seeding in 2015—2016

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05），下同。

Notes: Significant differences among treatments are indicated by lower case letters at P＜0.05, the same as below.

苗期棉花叶面积较小且苗期不灌溉，土壤温度主要受大气温度和太阳辐射等状况影响，2016年苗期土壤温度明显低于2015年，这是由于2016年苗期降雨多，气温低（图1），苗期不同处理完全生物降解地膜保持完整形态（表3），年际内苗期地温不同主要是由于不同处理覆盖对太阳辐射的影响不同造成。总体而言（表4），2 a试验结果表明CK处理覆盖土壤＜20 cm层温度比4种类型完全生物可降解地膜覆盖高，具有相同厚度处理BD1、BD2和BD4覆盖在2015年对土壤温度影响相似，但在2016年相同厚度可降解膜则无明显规律，这可能是由于2016年平均气温低于2015年，完全生物可降解地膜对低温影响弱造成。综合2 a 处理BD1、BD2和BD4苗期土壤5～25 cm平均温度较CK低0.9、0.95和0.96 ℃（P＜0.05)，较厚BD3处理则较CK低1.34 ℃（P＜0.05）。其中厚度为0.010 mm和0.012 mm可降解膜平局分别降低0.94和1.34 ℃另外，不同地膜覆盖对土壤温度影响效果随土壤深度增加逐渐减弱，其中BD1、BD2和BD4处理土层0～15 cm温度高于BD3处理但低于CK处理（P＜0.05），在土层20～25 cm各处理土壤温度无明显规律，基本一致（变异系数＜3%）。因此，不同材料覆盖在苗期可以改变＜15 cm土层温度，较厚地膜覆盖土壤温度低于较薄地膜，完全生物可降解地膜与普通塑料地膜增温过程相似，但温度弱于较薄普通塑料地膜。

2.2.2 不同覆盖对棉花不同生育期土壤温度的影响

随棉花生长和覆膜后完全生物可降解地膜土壤温度动态变化如图3。在棉花苗期至蕾期（10～45 d），棉花叶面积指数小，不同处理地膜覆盖成为影响土壤温度主要因素，这阶段CK较完全生物降解膜保温能力更强，其中2015年BD1、BD2、BD3和BD4较CK分别低0.4、0.42、0.82和0.41℃（P＜0.05＝，2016年则分别低1.08、1.12、1.41和1.09 ℃（P＜0.05＝。在棉花蕾期至花铃期（45～90 d），叶面积指数迅速增加，由于灌溉土壤含水率增加，虽然完全生物可降解地膜开始出现降解，但随棉花叶面对太阳辐射阻隔及土壤耕层含水率增加，地膜降解作用并未显著改变土壤温度，其中BD1、BD2、BD3和BD4处理2 a土层0～25 cm平均温度与CK差异不显著（P＞0.05），不同覆膜对地温影响作用均减弱。在棉花花铃期至吐絮期（120～180 d），这个阶段由于灌溉停止和棉花叶子逐渐脱落，地膜开始出现较长裂缝但未完全消失，BD1、BD2、BD3和BD4处理2 a平均地温 较CK并未显著降低（P＞0.05）。因此，虽然棉花生育期较长，但覆盖完全生物可降解地膜处理在棉花生长中后期并未因地膜降解显著降低土壤温度，并且不同类型完全生物可降解地膜仅在棉花苗期对土壤温度具有显著影响。

图3 2015和2016年不同处理覆盖下0～25 cm土层平均温度随棉花生长变化Fig.3 Change in mean soil temperature of 0-25 cm depths with cotton growing under different mulching treatments in 2015—2016

2.3 不同覆盖下不同土层土壤水分动态变化

不同覆盖处理不同土层土壤水分随棉花生长而变化（图4），棉花根系主要分布在土壤0～100 cm深度内，而覆膜后改变土壤与空气界面，形成隔水层阻碍土壤水分无效蒸发，新疆绿洲灌区降水多以阵雨形式，加之强烈蒸发不能有效补充土壤水，因此棉花生育期内土壤水变化主要受棉花根系吸水和灌溉影响，但覆盖不同类型可降解地膜后地膜降解改变土壤-气边界，与普通塑料地膜相比土壤水随棉花生长出现差异，2015年和2016年土壤水分变化不同主要受灌溉和当年气象影响，但总体规律基本一致。

0～20 cm土壤水分变化表明（图4a～图4b），由于棉花苗期不灌溉，蕾期至花铃期少量但密集灌溉，土壤表层水分起伏主要受灌溉影响，在棉花苗期至蕾期4种可降解处理地膜形态完整与CK相比土壤水分差异不明显（P＞0.05）。棉花铃期后可降解地膜降解保水作用减弱但频繁灌溉影响较大，0～20 cm平均土壤贮水量BD1、BD2、BD3和BD4处理分别较CK相比并不显著（P＞0.05），可见虽然完全生物可降解地膜降解但对土壤水并未产生显著影响。＞20～40 cm土壤水分动态变化表明（图4c～图4d），与0～20 cm层相比土壤水分干扰小更主要受根系吸水和蒸发影响，2 a平均土壤贮水量在吐絮期BD1、BD2、BD3和BD4处理覆盖下较CK低4.53%、2.81%、1.72%和3.46%（P＜0.05），BD2和BD3处理降解程度较低，保水效果更好，可降解地膜的降解作用对这一层土壤水分产生显著影响。＞40～100 cm土壤贮水量动态变化表明，由于各次灌溉量小，地下40 cm土层受灌溉影响小。各个覆盖处理之间并无明显规律，BD1、BD2、BD3、BD4处理在＞40～100 cm层2 a平均土壤贮水量与CK相比差异不显著（P＞0.05）。可降解地膜的降解作用对于40 cm深度以下土壤水分影响弱，完全生物可降解地膜降解并未显著影响深层土壤水分状况。

2 a结果表明，覆盖可降解地膜与普通塑料地膜能够改善土壤0～40 cm土壤水分状况，但在棉花生长后期与CK相比，可降解地膜降低土壤水分1%～3%（P＜0.05），而降解速度较慢各处理能够增加土壤含水率，但在土壤40 cm深度以下土壤水分并不受影响。

图4 2015和2016年棉花生育期各处理土壤水分动态变化Fig.4 Dynamic changes of soil water storage in different treatments during cotton growth stages in 2015—2016

2.4 不同覆盖处理棉花产量、水分利用效率和经济效益

不同覆盖处理棉花产量和水分利用效率见表5。2016年棉花WUE高于2015年，这主要是由于2016年气象条件不同于2015年，并且棉花产量2016年大于2015年。由于可降解地膜覆盖一方面降低土壤温度，另一方面降解造成土层0～40 cm水分含量不同程度下降，BD1～BD4处理2 a产量均较CK显著降低（P＜0.05）。另外，BD3处理产量显著低于其他覆盖处理，这是由于苗期土壤温度高低对棉花产量形成具有很大影响并且地温效应不断累积，而地膜较厚BD3处理地温较低。各个覆盖处理水分利用效率与2015年棉花产量规律类似，但在2016年BD1、BD2处理与CK相比无显著性差异（P＞0.05）。总体行覆盖完全生物可降解地膜处理2 a平均产量较CK减少2%～3%，水分利用效率减少4%左右（P＜0.05），净收入少1 858.5元/hm2（10.2%），4种类型可降解地膜产投比相比，厚度较薄BD1、BD2和BD4处理应用经济效果较好。

表5 2015和2016年不同处理棉花产量和水分利用效率（WUE）Table 5 Cotton yield and water use efficiency (WUE) for different treatments in 2015—2016

2 a不同覆盖处理经济效益见表6。可降解地膜与普通塑料地膜相比投入平均增加843元/hm2，其中主要是地膜成本高于广泛应用普通塑料地膜，其中BD3处理高于其他处理是由于较厚地膜用量增加，投入增多，随厚度的增加使得投入成本较对照增加4.1%左右，产投比降低5%～7%。综合考虑不同覆膜处理投入与产出，平均覆盖可降解地膜处理净收入减少1 858.5元/hm2（10.2%），但完全生物可降解地膜覆盖后可降解，不需额外人工清理及回收残膜，虽然目前覆盖可降解地膜使得净收益减少，但随着普通塑料地膜覆盖残膜累积造成的减产效应和人工费用增加效应显现，加之可降解地膜规模化生产后成本显著降低，完全生物降解地膜覆盖棉花经济效益会提升，可降解地膜的推广具有广阔的前景。4种类型可降解地膜产投比相比，厚度较薄BD1、BD2和BD4处理应用经济效果较好。

表6 2015和2016年不同处理经济效益分析Table 6 Economic benefit analysis for different treatments in 2015—2016

3 讨 论

可降解地膜组成材料多样，应用条件广泛，造成降解速度出现很大差异。申丽霞等[14]应用玉米可降解地膜在覆膜30～40 d出现裂纹，至90 d后基本完全降解，赵爱琴等[23]应用可降解地膜则覆膜20 d后出现裂纹，作物成熟后无明显膜片存在。但本试验中完全生物可降解地膜覆膜60～80 d后出现裂纹，至180 d后地面仍有大片地膜存在，无论降解速度还是降解程度均较低，这是由于本试验生物可降解膜地膜主要成分为聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT），苯二甲酸丁二醇（PET）具稳定性但可降低降解速率，Witt等[27]对PBAT生物降解性能研究发现在一定环境下其可被微生物完全降解，不会危害环境。考虑新疆棉花较长生育期和机械化作业要求，尤其春季大风、冰雹等气象灾害，可降解地膜在棉花生长前期需有较好完整性，赵岩等[4]提出棉花异纤问题，认为机采棉要求可降解地膜在收获时不应大面积降解，而本试验中可降解地膜在棉花收获时降解程度仅达3～4级，适宜于新疆应用。

地膜覆盖改变了土壤热通量，但由于覆盖材料的不同使得土壤温度出现差异[28]。赵彩霞等[29]研究表明应用生物降解膜平均较普通地膜土壤温度低2～3 ℃，李荣等[30]则发现覆盖生物降解地膜在玉米苗期地温较普通塑料地膜低0.4 ℃。这些本试验研究结果相似，完全生物可降解地膜覆盖后土壤0～15 cm土壤温度降低，但在申丽霞等[14,31]研究中发现覆盖可降解地膜相比于普通塑料地膜土壤温度出现增高。这一结果可能与地膜厚度、材料影响太阳辐射对土壤的作用有关[28]。另外本试验中0.012 mm厚完全生物可降解地膜较其他地膜保温效果减弱，这是由于地膜厚度的增加使得对太阳辐射吸收增多。乔海军等[32]发现随作物叶面积增加，覆膜对土壤温度的作用不再明显，在本试验中也得到类似结果。因此，可降解地膜覆盖在作物生长前期对土壤温度影响显著，可以通过改变材料厚度和类型，使得土壤温度升高或降低，适宜于当地种植。

覆膜应用于干旱半干旱区，一方面提高土壤温度，另一方面减少无效蒸发提高土壤水分含量和水分利用效率[33]。本研究发现完全生物可降解地膜覆盖可以改变土壤0～40 cm贮水量，与CK处理相比土壤贮水量降低3%～4%，但可降解地膜仍能保持土壤水分但效果弱于普通塑料地膜。由于新疆绿洲农业特殊灌溉种植方式，与Moreno等[34]得出覆盖可降解地膜对作物产量和品质无较大影响不同，本研究中覆盖完全生物可降解地膜后土壤温度和土壤含水率均低于CK，因而棉花产量显著低于CK（P＜0.05)。但本研究中完全生物可降解地膜在棉花生育期内并未完全降解，因此，认为完全生物可降解地膜对土壤温度的降低为作物减产主要原因。Li等[33]发现覆膜种植可以提高水分利用效率，但本研究中覆盖完全生物可降解地膜处理2 a平均产量较CK减少2%～3%，水分利用效率减少4%左右（P＜0.05)。因此，若使用这种类型完全生物可降解地膜提高覆膜后土壤温度在新疆绿洲区应用成为关键。

可降解地膜成本是大面积推广的制约性因素。根据本研究覆盖完全生物可降解地膜净收入减少1 858.5元/hm2（10.2%），这是由于PBAT材料价格昂贵且地膜较厚增加使用量，随厚度的增加使得投入成本较对照增加4.1%左右，产投比降低5%～7%。但是PBAT材料生产工艺简单，在已有生产设备无需改造便可生产，另外这种材料田间应用型强，降解稳定，寻找降低成本的方法成为这种材料大面积推广的关键。一方面将PBAT作为母料价格低廉的聚合物材料（如淀粉等）进行共混[20]；另一方面可对其进行填充改性（如添加纳米碳酸钙等）[19]，这样既降低了生产成本，又保证了材料物理和生物降解性能，另外在生产方式上可以利用新疆当地塑料企业进行代工，降低生产成本。总之，基于PBAT型完全生物可降解地膜作为环境友好材料，从环境保护和可持续发展的战略角度更具发展意义，适宜新疆等干旱区大面积推广，具有广阔应用前景。

4 结 论

与普通塑料地膜相比，完全生物可降解地膜在棉花生长前期保持良好的完整性，覆膜60～80 d开始出现降解，至覆盖180 d后出现均匀细纹并未完全降解，其中0.012 mm厚的完全生物可降解地膜降解缓慢但改变配方也可控制降解速度。

完全生物可降解地膜处理的保温效果在苗期显著低于普通塑料地膜（P＜0.05），其中0.012 mm厚完全生物可降解地膜在土壤表层0～15 cm保温效果最差，但随着作物生长4种完全生物可降解地膜与普通塑料地膜保温差异逐渐减小，在生育后期无显著性差异（P＞0.05）。4种完全生物可降解地膜与普通塑料地膜覆盖处理苗期保水效果相近，但在棉花生长中后期可降解膜的降解显著降低土壤0～40 cm内土壤水贮量，与普通塑料地膜相比降低1%～3%（P＜0.05）。

与普通塑料地膜覆盖相比，完全生物可降解地膜覆盖棉花产量减产2.89%（P＜0.05），水分利用效率也降低4%左右，其中0.012 mm厚可降解膜增产效应最差，从经济性和应用效果看，在实际应用中较薄完全生物可降解地膜推广性更强，虽然目前完全生物可降解膜经济效果不如普通塑料地膜但可完全降解不会对环境产生危害，从长远来看可代替普通塑料地膜，具有广阔利用前景。

考虑新疆特殊机械作业要求以及播种后风沙以及冰雹等恶略天气，可降解地膜既不能过早降解又不能降解周期过长，不论是厚度还是配方来说与应用于玉米、葵花等应用可降解地膜不同，根据新疆特殊环境和种植方式，这种类型完全生物可降解地膜降解初步达到应用要求，但仍有很多需要改进，例如覆膜后土壤温度偏低，地膜韧性较大影响机械播种等，总之对于这种材料的应用还需大量研究才能够真正大面积推广。

[1] Hou Xiaoyan, Wang Fengxin, Han Jiangjiang, et al. Duration of plastic mulch for potato growth under drip irrigation in an arid region of Northwest China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2010, 150 (1): 115-121.

[2] 李久生，张建君，薛克宗. 滴灌施肥灌溉原理与应用[M].北京：中国农业科学技术出版社，2003.

[3] 王振华，杨培岭，郑旭荣，等. 新疆现行灌溉制度下膜下滴灌棉田土壤盐分分布变化[J]. 农业机械学报，2014，45(8)：149-159. Wang Zhenhua, Yang Peiling, Zhen Xurong, et al. Soil salt dynamics in cotton fields with mulched drip irrigation under the existing irrigation system in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2014, 45(8): 149-159. (in Chinese with English abstract)

[4] 赵岩，陈学庚，温浩军，等. 农田残膜污染治理技术研究现状与展望[J]. 农业机械学报，2017，48(6)：1-14. Zhao Yan, Chen Xuegeng, Wen Haojun, et al. Research status and prospect of control technology for residual plastic film pollution in farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2017, 48(6):1-14. (in Chinese with English abstract)

[5] 严昌荣，王序俭，何文清，等. 新疆石河子地区棉田土壤中地膜残留研究[J]. 生态学报，2008，28(7)：3470-3474. Yan Chanrong, Wang Xujian, He Wenqing, et al. The residual plastic film in fields in Shihezi, Xinjiang[J]. Acta Ecological Sinica, 2008, 28(7): 3470-3474. (in Chinese with English abstract)

[6] 解红娥，李永山，杨淑巧，等. 农田残膜对土壤环境及作物生长发育的影响研究[J]. 农业环境科学学报，2007，26(增刊)：153-156. Xie Hong′e, Li Yongshan, Yang Shuqiao, et al. Influence of residual plastic film on soil structure, crop growth and development in fields[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2007, 26(Suppl.): 153-156. (in Chinese with English abstract)

[7] 刘建国，李彦斌，张伟，等. 绿洲棉田长期连作下残膜分布及对棉花生长的影响[J]. 农业环境科学学报，2010，29(2)：246-250. Liu Jianguo, Li Yanbin, Zhang Wei, et al. The distributing of the residue film and influence on cotton growth under continuous cropping in oasis of Xinjiang[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(2): 246-250. (in Chinese with English abstract)

[8] 严昌荣，梅旭荣，何文清，等. 农用地膜残留污染的现状与防治[J]. 农业工程学报，2006，22(11)：269-272. Yan Changrong, Mei Xurong, He Wenqing, et al. Present situation of residue pollution of mulching plastic film and controlling measures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(11): 269—272. (in Chinese with English abstract)

[9] 毕继业，王秀芬，朱道林. 地膜覆盖对农作物产量的影响[J]. 农业工程学报，2008，24(11)：172-175. Bi Jiye, Wang Xiufen, Zhu Daolin. Effect of plastic film mulch on crop yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(11): 172-175. (in Chinese with English abstract)

[10] 王频. 残膜污染治理的对策和措施[J]. 农业工程学报，1998，14(3)：185-188. Wang Pin. Measures to reduce the pollution of residual of mulching plastic film in farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1998, 14(3): 185-188. (in Chinese with English abstract)

[11] 黎先发. 可降解地膜材料研究现状与进展[J]. 塑料，2004，33(1)：76-81. Li Xianfa. Research status and progress of degradable plastic film[J]. Plastics, 2004, 33(1): 76-81. (in Chinese with English abstract)

[12] 金维续，程桂荪，张文群，等. 光降解地膜的农业效果与降解过程（Ⅰ）[J]. 农业环境保护，1995，14(4)：162-166, 194. Jin Weixu, Cheng Guisun, Zhang Wenqun, et al. Agricultural effects and degradation process of light degradation plastic film (I)[J]. Agricultural Environmental Protection, 1995, 14(4): 162-166, 194. (in Chinese with English abstract)

[13] 南殿杰，解红娥，李燕娥，等. 覆盖光降解地膜对土壤污染及棉花生育影响的研究[J]. 棉花学报，1994，6(2)： 103 -108. Nan Dianjie, Xie Hong′e, Li Yane, et al. Effect of photodegradable plastic film mulching on soil pollution and cotton growth of cotton[J]. Journal of Cotton, 1994, 6(2): 103 -108. (in Chinese with English abstract)

[14] 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，2012，28(4)：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 ChineseSociety of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(4): 111-116. (in Chinese with English abstract)

[15] 李仙岳，彭遵原，史海滨，等. 不同类型地膜覆盖对土壤水热与葵花生长的影响[J]. 农业机械学报，2015，46(2)：97-103. Li Xianyue, Peng Zunyuan, Shi Haibin, et al. Effects of different degradable films mulching on soil water potential, temperature and sunflower growth[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2015, 46 (2): 97-103. (in Chinese with English abstract)

[16] 虞利俊，徐磊，唐玉邦，等. 3种可降解地膜的合成及应用展望[J]. 江苏农业科学，2013，41(10)：10-11. Yu Lijun, Xu Lei, Tang Yubang, et al. Prospect of 3 kinds of degradable plastic film synthesis and application[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2013, 41(10): 10-11. (in Chinese with English abstract)

[17] 张卫英，夏声平，王灿耀，等. 淀粉基完全生物降解材料的研究[J]. 农业工程学报，2004，20(3)：184-187. Zhang Weiying, Xia Shengping, Wang Canyao, et al. Preparation of fully biodegradable starch-based materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20 (3): 184-187.(in Chinese with English abstract)

[18] 魏巍，魏益民，张波. 淀粉/聚乳酸共混可降解材料研究进展[J]. 包装工程，2007，28(1)：23-26. Wei Wei, Wei Yimin, Zhang Bo. Progress of the blends of starch and poly lactic acid[J]. Packaging Engineering, 2007, 28(1): 23-26. (in Chinese with English abstract)

[19] 宁平，陈明月，肖运鹤. 淀粉填充改性PBAT的结构与性能研究[J]. 化工新型材料，2010，38(7)：116-119. Ning Ping, Chen Mingyue, Xiao Yunpeng. Study on starches filled degradable poly(butylene adipate-co-terephthalate) modified by compatibilizers[J]. New Chemical Materials, 2010, 38(7): 116-119. (in Chinese with English abstract)

[20] Fukushima K, Wu M H, Bocchini S, et al. PBAT based nanocomposites for medical and industrial applications[J]. Materials Science & Engineering, 2012, 32(6): 1331-1351.

[21] 柴建军. 聚酯全生物降解膜玉米田试验效果[J]. 农业技术，2014，1(1)：26-27. Chai Jianjun. Test result of soybean whole biodegradable membrane corn field [J]. Agricultural Technology, 2014, 1(1): 26-27. (in Chinese with English abstract)

[22] 赵沛义，康暄，妥德宝，等. 降解地膜覆盖对土壤环境和旱地向日葵生长发育的影响[J]. 中国农学通报，2012，28(6)：84-89，13. Zhao Peiyi, Kang Xuan, Tuo Debao, et al. Research of soil environment and sunflower growth in dry land mulching degradable plastic film[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(6): 84-89, 13. (in Chinese with English abstract)

[23] 赵爱琴，李子忠，龚元石. 生物降解地膜对玉米生长的影响及其田间降解状况[J]. 中国农业大学学报，2005，10(2)：74-78. Zhao Aiqin, Li Zizhong, Gong Yuanshi. Effects of biodegradable mulch film on corn growth and its degradation in field[J]. Journal of China Agricultural University, 2005, 10(2): 74-78. (in Chinese with English abstract)

[24] 袁海涛，于谦林，贾德新，等. 氧化-生物双降解地膜降解性能及其对棉花生长的影响[J]. 棉花学报，2016，28(6)：602-608. Yuan Haitao, Yu Qianlin, Jia Dexin, et al. Degradation performance of oxo-biodegradable plastic films and their effects on cotton growth[J]. Cotton Science, 2016, 28(6): 602-608. (in Chinese with English abstract)

[25] 朱友娟，伍维模，温善菊，等. 可降解地膜对新疆南疆棉花生长和产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2016，34(04)：189-196，224. Zhu Youjuan, Wu Weimo, Wen Shanjun, et al. The effect of degradable agricultural mulch films on the growth and yield of cotton in Southern Xinjiang[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2016, 34(04): 189-196, 224. (in Chinese with English abstract)

[26] 杨惠娣，唐赛珍. 降解塑料试验评价方法探讨[J]. 塑料，1996，25(1)：16-21. Yang Huidi, Tang Saizhen. Evaluating method for testing of degradable plastics[J]. Plastics, 1996, 25(1): 16-21. (in Chinese with English abstract)

[27] Witt U, Einig T, Yamamoto M, et. al. Biodegradation of Aliphatic-Aromatic Copolyesters: Evaluation of the final Biodegradability and Ecotoxicological impact of degradation intermediates[J]. Chemosphere, 2001, 44: 289-299.

[28] Ghosh P K, Dayal D, Bandyopadhyay K K, et al. Evaluation of straw and polythene mulch for enhancing productivity of irrigated summer groundnut[J]. Field Crops Research, 2006, 99(2/3): 76-86.

[29] 赵彩霞，何文清，刘爽，等. 新疆地区全生物降解膜降解特征及其对棉花产量的影响[J]. 农业环境科学学报，2011，30(8)：1616-1621. Zhao Caixia, He Wenqing, Liu Shuang, et al. Degradation of biodegradable plastic mulch film and its effect on the yield of cotton in Xinjiang region, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(8): 1616-1621. (in Chinese with English abstract)

[30] 李荣，王敏，贾志宽，等. 渭北旱塬区不同沟垄覆盖模式对春玉米土壤温度、水分及产量的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(2)：106-113. Li Rong, Wang Min, Jia Zhikuan, et al. Effects of different mulching patterns on soil temperature, moisture water and yield of spring maize in Weibei Highland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 106-113. (in Chinese with English abstract)

[31] 张继明，刘景辉，张利军. 降解地膜覆盖春玉米和烤烟的初步结果[J]. 陕西农业科学，2000(3)：10-12. Zhang Jiming, Liu Jinghui, Zhang Lijun. Preliminary results of degradable plastic film mulching on the spring maize and fluecured tobacco[J]. Shaanxi Journal of Agricultural Sciences, 2000(3): 10-12. (in Chinese with English abstract)

[32] 乔海军，黄高宝，冯福学，等. 生物全降解地膜的降解过程及其对玉米生长的影响[J]. 甘肃农业大学学报，2008，10(5)：71-75.

Qiao Haijun, Huang Gaobao, Feng Fuxue, et al. Degradation and its effect on corn growth of biodegradable mulch film[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2008, 10(5): 71-75. (in Chinese with English abstract)

[33] Li Xiaoyan, Gong Jiadong, Gao Qianzhao, et al. Incorporation of ridge and furrow method of rainfall harvesting with mulching for crop production under semi-arid conditions[J]. Agricultural Water Management, 2001, 50(3): 173-183.

[34] Moreno M M, Moreno A. Effect of different biodegradable and polyethylene mulches on soil properties and production in a tomato crop[J]. Scientia Horticulturae, 2008, 116(3): 256-263.

Effects of biodegradation film mulching on soil temperature, moisture and yield of cotton under drip irrigation in typical oasis area

Wu Qiang, Wang Zhenhua※, Zheng Xurong, Zhang Jinzhu, Li Wenhao
(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2. Key Laboratory of Modern Water- Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group, Shihezi 832000, China)

Plastic film mulching is an efficient way to improve soil water efficiency and heat effects, control salt and grass, and increase economic benefits in arid and semi-arid regions. However, with the overuse of traditional refractory plastic film, the residual plastic film is constantly increasing in the field, which has led to some negative impacts such as environmental pollution and land degradation. A kind of PBAT-based biodegradable film was introduced in this study and its effect on soil moisture, temperature and cotton yield was investigated. Field experiments under mulched drip irrigation were carried out from 2015 to 2016 in Xinjiang province, a typical arid region of China. A total of 5 mulching treatments was included: 1) ordinary PE plastic film (CK), 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 45 d (BD1), 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 60 d (BD2), 0.012 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 60 d (BD3) and 0.010 mm PBAT-based biodegradable film with designed induction period of 45 d (BD4). The soil temperature at 0-25 cm was measured and soil water storage at 0-100 mm was determined. The results showed that the biodegradable films began to degrade at 60-80 d after sowing and had net-like uniform crackers or 2-2.5 cm pieces at the harvest but was not degraded totally. Overall, all the biodegradable film started degrade after the designed induction period. Soil temperature at 0-25 cm was significantly lower by 0.94 and 1.34 ℃ (P＜0.05) covering with 0.010 and 0.012 mm biodegradable films than the CK in the seedling stage of cotton, respectively. The difference of the temperature gradually reduced with the growing of cotton. All the mulching treatments could improve the soil water storage at the depth of 0-40 cm, but the water storage in the CK were higher than biodegradable film mulching in the late cotton growth stage because of degradation in biodegradable films (P＜0.05). The 0.010 mm thickness biodegradable films (BD1, BD2 and BD4) were better than 0.012 mm biodegradable film (BD3) for the cotton yield. Compared with CK, the biodegradable film decreased the cotton yield of the 2 years by 2.89% on average (P＜0.05) and reduced the water use efficiency by about 4%. For the economic benefit analysis, the cost of biodegradable film was higher and the net income of biodegradable film was 10.2% less than the CK. In sum, the biodegradable film still has big chance to improve its effect on yield and performance of improving soil temperature and moisture before it will be used to replace ordinary PE plastic film.

soil moisture; temperature; cotton; yield; water use efficiency; biodegradable film; mulched drip irrigation; oasis area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018

S275.6

A

1002-6819(2017)-16-0135-09

邬 强，王振华，郑旭荣，张金珠，李文昊. PBAT生物降解膜覆盖对绿洲滴灌棉花土壤水热及产量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(16)：135-143.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018 http://www.tcsae.org

Wu Qiang, Wang Zhenhua, Zheng Xurong, Zhang Jinzhu, Li Wenhao. Effects of biodegradation film mulching on soil temperature, moisture and yield of cotton under drip irrigation in typical oasis area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 135-143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.018 http://www.tcsae.org

2016-12-21

2017-06-10

国家科技支撑计划项目（2015BAD20B03）；兵团中青年科技创新领军人才计划（2015BC001）；兵团灌溉试验项目（兵水发[2016] 293）

邬强，男，河南舞钢人，主要从事节水灌溉理论与技术研究。石河子 石河子大学水利建筑工程学院，832000。Email：wuqianghlj@163.com※通信作者：王振华，男，河南扶沟人，教授，博士，主要从事节水灌溉理论与技术研究。石河子 石河子大学水利建筑工程学院，832000。

Email：wzh2002027@163.com。中国农业工程学会高级会员：王振华（E041200608S）