生物降解地膜对甜菜生长及产量的影响

王 旭,和海秀,范守杰,彭椿皓,王瑞楠,孟 玲,徐 巧 ,白如霄,3,崔 瑜

(1.新疆生产建设兵团第九师农业科学研究所(畜牧科学研究所),新疆塔城 834601;2.新疆农业大学资源与环境学院,乌鲁木齐 830052;3.新疆农垦科学院,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】覆盖地膜技术可以有效的改善土壤水热状况、控制杂草,提高作物品质[1],但普通塑料地膜,天然环境下不易分解,回收利用率低。2018年新疆生产建设兵团覆膜播种面积约为78.93×104hm2(1 184万亩),覆膜作物主要有棉花、玉米、番茄、甜菜和其他作物,全年地膜投入量为7×104t左右。新疆生产建设兵团第九师占各师种植面积之和的6%[2]。在连续覆盖的耕地中,随着覆盖时间的延长,薄膜残留的数量也相应增加[3-5]。此外,覆膜还会使土壤性质、结构发生变化,使土壤的通气、储水量下降,土壤微生物无法正常发育,并在一定程度上形成阻挡地带,使作物无法充分吸收营养和水分[6];同时也会对植株的根的均匀性、植株的正常生长产生一定的干扰,影响到秧苗的出苗率,造成作物减产[7]。第九师甜菜种植面积在0.4×104～0.67×104hm2(6×104～10×104亩),约占兵团种植面积的1/3,地膜覆盖种植过程中揭膜对甜菜增产十分有利。采用头水后揭膜比全生育期覆膜增产9.4%,含糖提高0.6度,产糖量增加13.1%。研究生物降解地膜对新疆北疆甜菜生长及产量的影响,对筛选适宜甜菜专用地膜、提高甜菜产量和含糖量有重要意义。【前人研究意义】刘群等[8]对玉米进行BD研究表明,BD能使玉米增产18.7%,比PE增产1%。BD对玉米的产量有极显著的增益效果,与PE之间无明显差异,在增产效果方面用BD可以代替PE。袁跃斌等[9]研究表明,BD地膜和PE比较对烤烟的产量和产值没有影响且烤烟覆膜种植为保障烟叶后期生长需要揭膜处理种植成本增加,不揭膜会造成田间BD滞留。【本研究切入点】有关生物降解地膜对甜菜生长及产量的影响文献较少,需研究新疆塔额垦区6 μm甜菜专用生物降解地膜对甜菜生长、产量及含糖率的影响。【拟解决的关键问题】参试甜菜品种为BETA379,塔额垦区应用6 μm甜菜专用生物降解地膜,优化专用生物降解地膜技术模式,分析塔额垦区开展BD覆盖下的保温效应以及对甜菜生长、产量和含糖量的影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区团场位于新疆塔额垦区额敏县,全年平均气温为5.5℃。光照充足,昼夜温差大,有效积温2 800～3 200℃,霜期较长,绝对无霜期为138 d,年均降水量398.4 mm,年蒸发量1 515.5 mm。示范地点168团10连;种植面积2 hm2(30亩),参试甜菜品种为BETA379。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置3个处理,分别为生物降解地膜(简称BD)厚度为6±2(μm),普通聚乙烯地膜(PE)和裸地(CK),每个处理重复3次。种植行距55 cm,株距19 cm;按1膜1管2行设置,膜下设置滴灌,播种方式为直播。3个处理播种方式、肥料用量、种植与管理等一致。2021年4月29日播种,10月9日收获。于7月1日第1次灌溉,之后根据天气变化平均14 d灌溉1次,共灌溉7次,前2次灌溉量为900 m3/hm2,其余4次灌溉量为600 m3/hm2。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 地膜破损率

BD降解:采用定点目测法,在每个处理固定面积一致的3个观测点,甜菜整个生育期(6～10月),每隔15 d定点采集BD、PE照片和3个处理甜菜生长情况用地膜每条地膜宽行处相同位置放置相框(40 cm×40 cm)定时定点拍照,并观察地膜表面变化(薄膜表面有无裂纹、裂缝等)。BD降解主要分4个阶段:诱导阶段:膜表面开始出现微小裂纹形成的时期;破裂阶段:膜表面产生较大裂纹的时期;崩裂阶段:膜破裂为大块的时期;完全降解阶段:地表几乎无法观测到明显地膜残留的时期。BD降解率采用像素分析法[10]。

1.2.2.2 土壤温度

采用土壤温度记录仪对PE、降解、CK 3个处理膜下10 cm土壤的温度连续测定,监测时间间隔为0.5 h,测定时间为5月1日～10月7日。

1.2.2.3 甜菜根系生长量

在甜菜生长期内,每隔15 d在每个处理随机取3个植株,用游标卡尺,直尺等测量甜菜根系的直径(取横向最粗处的值),根长,计算甜菜根系的表面积及体积。

甜菜根系表面积=π×R(根直径)×L(根长).

甜菜根系体积=π×r2(根半径)×L(根长).

1.2.2.4 甜菜产量、含糖率

田间随机选择3次重复,每个样点取6.67 m2,计算平均行距,再计算出双行长度,记录双行株数,计算667m2株数;每点所有甜菜块根完好挖出,按照原料甜菜的削切标准,切除茎叶、支根、毛根和直径1 cm以下的尾根,刮去泥土,称量块根鲜质量,计算平均单株重、计算甜菜产量。

甜菜产量(t/hm2)=

从挖掘的块根中选择10个典型的块根茎,利用甜菜块根采样器对着根茎倾斜插入,将条形试样从试样中抽出,运用压榨钳抽汁,并采用PAL-1型的手持折射计测量块根锤度。将10个块根锤度的平均值与锤度值相乘,得出块根含糖量为0.83。

从挖取的块根中选择10个典型的块根茎,利用甜菜块根采样器对着根茎进行倾斜,将条形试样从试样中抽出,利用压榨钳抽汁,并采用PAL-1型的手持折射计测量块根锤度。将10个块根锤度的平均值与锤度值(0.83)相乘,得到块根含糖率。计算甜菜单产含糖量(t/hm2)=平均锤度(%)×遮光系数(0.83)×产量(t/hm2)。

1.2.2.5 土壤温度

采用土壤温度记录仪对PE、降解、CK 3个处理地表下10 cm土壤的温度连续测定,监测时间间隔为0.5 h,测定时间为4月29日～10月7日。

1.3 数据处理

采用DPS和Excel2016软件对数据进行处理和分析,数据间比较采用独立样本Duncan新复极差法检验方法。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理对土壤日均温度和土壤累计温度的影响

2.1.1 不同覆膜处理对甜菜生育期不同时间土壤温度变化

研究表明,在播种后直至甜菜收获,PE和BD都能有效的提高土壤温度,在6月5日前,PE和BD之间的对土壤温度的增加效果差异不明显,但明显高于CK土壤温度; 6月5日～8月20日,3个处理土壤温度基本趋于一致。8月20日～10月7日,3个处理的日均温度差异明显。PE>BD>CK,PE和BD处理在甜菜生育期超过一半的时间里对土壤温度的提高都有一定增益效果,其中BD的增温效果在前期与PE差异不大,但在后期增温效果比PE略低。图1

图1 不同覆膜处理对甜菜生育期土壤日温度变化

2.1.2 不同覆膜处理对地表下10 cm土壤累计温度的影响

研究表明,甜菜整个生育期地表下10 cm土壤温度日均积温PE>BD>CK;PE和BD较CK积温差异性显著,分别增温17.1%和24.2%,PE和BD对土壤保温效果有促进作用。图2

图2 不同覆膜处理下地表下10 cm土壤累计温度变化

2.2 不同覆膜处理对甜菜生育期生长发育影响

2.2.1 不同覆膜处理对甜菜根系生长发育影响

研究表明,与CK相比,根长在BD下表现最佳,达到差异显著水平,PE在7月10日表现不如CK,但是未达到显著差异水平;根直径在PE下表现最好,BD相较CK根长有一定的增益效果,但差异性不显著,7月10日PE与CK处理差异性显著;甜菜的根表面积影响着甜菜吸收土壤中养分的能力,影响甜菜最终的产量,3个处理下BD表现最佳,7月10日与CK,PE相比均达到显著差异水平;甜菜苗期根系体积的大小对其后期生长有着重要的影响作用,3个处理中BD整体上表现最好,与CK处理相比达到显著差异水平。表1

表1 不同覆膜处理下甜菜产根系生长发育变化

2.2.2 不同覆膜处理对甜菜生物量的影响

研究表明,甜菜整个植株、地上部分和地下部分的干物积累均随生育过程而增加,相比较地上部分是PE>BD>CK,地下部分是BD>PE>CK,子叶期和幼苗期甜菜的地下干物质积累大于干物质的积累,到繁茂期甜菜叶片生长迅速,地上干物质的积累大于地下干物质的积累,到块根成熟期时明显可以看出地下部分干物质积累迅速增加。干物质的积累在块根成熟期的达到巅峰,占整个生育期的45%～52%。甜菜的块根积累期至收获期,PE和BD间地上、地下干物质之前无显著性差异,PE和BD两个处理较之CK之间干物质之间存在显著差异性。图3

注:生物量均为干质量,测定日期为2021年10月9日(kg/hm2)

2.2.3 不同覆膜处理对甜菜产量及含糖量影响

研究表明,BD产量80.84 t/hm2,PE产量76.73 t/hm2,CK产量为67.71 t/hm2,BD和PE较CK分别增产19.39%和13.41%;BDP87块根含糖率17.44%,PE栽培块根含糖率16.09%,CK在栽培块根含糖率15.83%,BD和PE较CK栽培增加1.61%和0.26%。BD产糖量为14.10 t/hm2,PE单产糖量为12.35 t/hm2,CK处理单产糖量为10.72 t/hm2,BD和PE栽培较CK栽培单产糖量分别增加10.17%和1.6%。

BD、PE和CK3个处理收获株数、单株重差异性不明显,BD、PE和CK相比产量差异性极显著,BD和PE之间产量差异不显著,BD较PE增产效果不显著。

BD较PE和CK相比含糖率和含糖量差异性显著,BD较对甜菜含糖率和含糖量有增加有促进作用。表2

表2 不同覆膜处理下甜菜产量及含糖量变化

2.3 甜菜生育期生物降解地膜破损特征

研究表明,BD在覆盖40 d后,表面发生了细小的裂纹,出现降解现象,但是膜表面几乎保持完好,对保持土壤温度仍具有较好作用,大约可以维持14 d左右。覆膜67 d膜面的延展性变差,易破裂,膜表面产生了许多裂缝,加速了膜的降解。覆膜95 d后膜面出现了大面积降解,几乎没有完全的膜面,破裂为大量的碎片。直到甜菜收获时,地面上还残存着一些破碎的地膜。PE从始至终都未降解。BD的降解率为75.23%。表3

表3 甜菜生育期降解膜膜面降解破裂变化

3 讨 论

3.1薛源清等[11]研究显示,6 μm厚BD地膜增温保墒及增产效果与普通地膜相当,具有推广价值。孙涛等[12]研究显示,在花生生长前期,生物BD在保温与普通地膜无显著差异。试验结论与上述研究结果相符,试验早期 BD保持良好,因此其保温性能与常规 PE基本相同;而试验中后期,由于BD破裂,造成BD保温能力下降。6月下旬～8月中旬气温和地温均较高,地膜的增温效果基本表现不出,所以BD和CK、PE土壤温度差异性不显著,8月下旬至10月上旬,由于BD地膜破裂,并且部分降解,土壤处于裸露状态,因此表现出PE日均温大于BD大于CK处理。

3.2采用全生物降解地膜有利于甜菜的生长发育。王斌等[13]在新疆南疆的研究结果表明BD的甜菜在生育进程、生物量(包括地下部分、地上部分)、含糖量和产量与 PE相比没有明显的差别。而研究与上述研究结论有所不同,研究中BD处理与PE比较,BD促进了甜菜叶丛繁茂期的根长、根表面积增加;在采收期间,提高了产量和含糖率。

3.3降解时间和分解速率是评价可降解薄膜质量的一个主要因素。刘群[14]通过降解试验得知,该生物膜的降解诱导期为60 d,冯欢等[10]研究显示,BD在覆膜后51～62 d开始逐渐降解,降解的程度随着时间延迟而增加。试验所采用的生物降解地膜,是根据新疆北疆区域甜菜生长特性而研发功能期50 d左右的专用生物降解地膜。张国翠等[15]研究显示,地膜栽培甜菜必须适期揭膜能有效的吸收光照、水分,改善甜菜生长环境,协调根叶比,促进甜菜的产量和糖含量的提高。

4 结 论

4.1在新疆塔额垦区甜菜出苗期气温低,倒春寒时有发生,覆膜对于促进作物生长有显著影响。BD在甜菜块根成熟期前可以有效提高土壤温度,且甜菜整个生育期土壤 10 cm 平均温度显著高于无覆盖。

4.2与无覆盖相比显著提高生长,PE和BD两个处理较之CK之间干物质之间存在显著差异性。BD和PE较CK分别增产19.39%和13.41%,P87 6 μm甜菜专用生物降解地膜(BD)和普通聚乙烯地膜(PE)栽培较CK栽培667 m2产糖量分别增加10.17%和1.6%。P87 6 μm甜菜专用生物降解地膜(BD)可作为普通聚乙烯地膜(PE)替代品,具有推广价值。