生物降解地膜的增温保墒及增产效应研究进展

张俊丽索龙景鹏娟焦雪丽

(1.渭南市农业技术推广中心,陕西 渭南 714000；2.陕西省现代农业科学研究院,陕西 西安 710000)

地膜覆盖技术自20世纪70年代引入中国以来，因其保墒、增温、抑草、提产等作用显著[1-4]，增产增效明显，被称为农业生产的“白色革命”[2-4]。但普通地膜主要原材料为聚乙烯(PE)，自然条件下难以降解，随使用量的逐年攀升，其环保、生产负效应不断凸显，成为降低土壤通透性、阻碍水肥运移、降低产量、缠绕耕地机具的“元凶”[3-6]，“白色革命”逐步演变成“白色污染”[2,5,6]。生物降解地膜，是以生物降解材料为主要原料制备的，用于农作物种植时土壤表面覆盖的、具有生物降解性能的薄膜[7]。生物降解地膜既具有普通地膜保温、保墒的功能，又能经自然界微生物作用分解为CO2和H2O[4]，是目前破解“白色污染”难题的重要措施之一。近年来，对全生物降解地膜增温保墒性能及其对作物产量的影响已有广泛研究，但不同的区域气候条件和不同的作物种类，其覆盖后的降解特性以及对作物生长的影响也不同。

1 降解速率及其影响因素

生物降解膜的完整性持续时间和降解速率是决定降解膜能否应用于生产的先决条件[5]。田间试验下，降解膜的降解速率一般采用目测评价法[8,9]或填埋试验[8]等进行评价。采用目测评价法评价时，通常将降解过程分为始裂期(也称诱导期)、开裂期、大裂期、碎裂期和无膜期。进入始裂期时间越早，整体降解速率越快，降解周期越短。填埋试验则采用填埋前后地膜的失重率来衡量降解速率[8]。膜越厚，诱导期越长[5]。多数研究显示，浅色生物降解膜能有效促进作物早发快长，但裂解时间较早，应适当增加物理韧性，延迟降解时间[10]；但也有研究显示，黑色全生物降解地膜进入诱导期的时间比白色膜早[11]。整体上，生物降解膜的降解速率与原材料(如PLA、PBAT、PBS、CA等)[4,11-13]、膜厚[2-4]、膜色[11]及气候[14]、灌水方式[3]等密切相关。实际生产中，根据土壤类型、气候特征、作物生长规律、栽培管理方式等，选择适宜降解周期和降解速率的可降解膜，是提高产量、降低土壤残膜污染的有效栽培方式[5,9]。

2 生物降解地膜的增温保墒效应

生物降解地膜与聚乙烯地膜有相似的增温保墒功效[6,12,14-17]。生物降解膜覆膜后能使大气层与地表形成隔离层，通过太阳辐射进行热量交换，提高表层土壤温度[15,16]。多数研究显示[1,12,14,17,18]，在作物生育前期(如玉米拔节期、棉花现蕾期等)，生物降解膜能有效提高土壤温度和含水量；生育后期(如玉米抽雄期、棉花花铃期等)，由于其原材料的可降解性，膜面出现降解裂口或破洞，增温保墒效应逐渐丧失，对作物生长有一定影响[6,17-21]。但也有研究显示，在作物生育后期随气温升高和作物郁闭度增加，能弱化因膜面破裂对土壤水热的不利影响，对作物生产影响不明显[5]。

与聚乙烯地膜相比，生物降解膜的保温性略低，如生物降解膜在棉花生育前期平均地温较聚乙烯地膜低0.3～1.2℃[18]，在番茄整个生育时期生物降解膜平均土壤温度较聚乙烯地膜低0.54～0.73℃[18]，这可能与生物降解膜的原材料和通透性有关[14]。胡国辉等研究认为，正是因为生物降解膜增温效应略低于聚乙烯地膜，所以前者更适于马铃薯这类喜凉作物的生长。生物降解膜对土壤含水量的影响与降解速率和作物生育时期有关[22-25]。王斌等研究显示，在番茄开花坐果期，生物降解膜平均土壤含水量较聚乙烯地膜高0.99%，而在结果期和成熟期则分别低2.32%和3.65%，但差异均不显著[18]。

生物降解膜对土壤水热的影响主要集中在耕作层[22-24,26]。王斌等研究显示，在番茄整个生育期内，降解膜处理0～30cm土壤平均含水量低于聚乙烯膜，随土层深度增加，两者间差异逐渐缩小[18]；且膜下5cm、15cm、25cm土层的平均土壤温度分别较聚乙烯地膜低0.73℃、0.60℃和0.54℃，但与聚乙烯地膜间的差异均不显著。

3 生物降解膜的抑草效应

生物降解膜对农田杂草的防效低于聚乙烯地膜[5]。随作物生育时期推进，生物降解膜的力学性能逐渐下降[1-4,9,24]，膜下的杂草更易穿透地膜，降低杂草的防治效果。多数研究显示，浅色膜土壤升温较快，利于杂草早发旺盛致地膜机械破裂[11]，深色生物降解膜在控草、节约用工和增加肥料利用率等方面有优势[11,19]。但李水凤等则认为，白色降解膜的抑草效应优于黑膜，因为白膜增温效应明显，膜下高温能将杂草幼苗杀死[11]。黄旭华等[17]针对农田杂草种类，添加适宜除草剂母粒，将生物降解地膜技术与除草地膜技术进行集成，制备的生物降解除草地膜对一年生单双子叶杂草防效可达85%以上，还节省了喷施除草剂的人工成本，具有较好的经济和生态效益。谢永平等[19]认为，增加生物降解膜厚度也能提高杂草防效，但膜过厚会导致花生的果针扎不穿地膜，形成不成荚果，甚至造成绝收。

4 生物降解膜的增产效应

多数研究表明，与聚乙烯地膜相比，生物降解地膜对作物生长发育影响较小或者有促进生长的作用[4,8,19,20,27-31]。付学东等[4]研究显示，地膜的完全降解能增加土壤透气性和含水量，避免马铃薯块茎膨大期土壤温度过高对薯块形态构成的负面影响(如烂薯等)，产量高于覆聚乙烯膜处理。贺鹏程等[8]研究认为，全生物降解膜在大薯个数、结薯个数、单薯重等产量性状上均优于普通地膜，具有代替普通地膜的生产潜力。康虎等[21]研究显示，覆盖降解膜能促进玉米生长，产量提高8%左右。有研究显示，生物降解膜能提早作物生育期，但在作物生育中期就开始裂解，影响了生育后期的生长发育，增产效应不明显[19,32]。但也有研究显示，使用降解膜后作物产量降低[18,32]，如王斌等[18]研究显示，生物降解膜覆盖下甜菜、番茄产量略低于聚乙烯膜，减产率分别为2.32%和2.60%，但差异不显著。综合认为，降解膜对产量的影响来自降解材料本身的性质及降解膜对区域环境条件的响应[5,14,18,33-38]。生物降解膜的完成性保持时间及降解速率直接影响作物产量[1-3,5,8,12,14,18,38-44]。苗期生物降解膜降解率的高低对产量的影响作用最显著，降解程度越高，增产潜力越小[5,42]。另外，生物降解膜的宽幅[1]、厚度[11]等也影响作物产量，宽110cm生物降解膜处理下，芦笋产量显著高于100cm和90cm[1]；就茎用莴苣而言，膜越厚增产效应越明显，厚10μm生物降解膜产量明显高于8μm和6μm[11]；然而也有研究显示，随生物降解膜膜厚增加，对作物生产表现出抑制，如杨涵等研究发现，6μm生物降解膜下芦笋生长正常，8μm时不影响Ⅰ～Ⅳ级芦笋生产，对Ⅴ级有轻微抑制；10μm时严重抑制生长。在生育期相对较长的大田作物上使用生物降解膜时，应充分考虑其耐候性，在作物的生育期内尽可能保持地膜的完整性，最大限度发挥地膜的功能，提高作物的增产潜力[1-3,5,8,12,14,17,18,38-41]。