研究背景

聚乙烯塑料薄膜在农业生产中得到了广泛的应用，它的使用有益于土壤增温保墒，抑制杂草，增加作物产量，但由于其不可降解性，塑料残留会造成严重的环境污染（破坏土壤结构，阻碍根系生长）。生物降解地膜则有望解决聚乙烯地膜的污染问题，它可以通过微生物代谢转化成无毒化合物，如二氧化碳或甲烷等。为了成为一种可行的替代品，生物可降解地膜需要实现与传统聚乙烯薄膜相同的农艺功能。然而，生物降解地膜能否达到聚乙烯地膜相似的农学效应，还需要田间试验进行验证。

材料与方法

我们于2018年和2019年在沈阳农业大学海城试验站进行为期两年的野外试验，比较聚乙烯地膜与生物可降解地膜的覆盖对玉米生长的农学效应影响。玉米采用垄沟模式种植，覆盖处理包括透明生物降解地膜、黑色生物降解地膜、透明和黑色聚乙烯地膜，以及不覆盖(对照)，测定内容包括土壤温度和湿度；玉米生物量，产量以及品质；土壤参数；土壤蒸散量，玉米水分利用效率和土壤热时间累积量。

研究结果

在生长季早期，与不覆盖对照相比，覆盖透明地膜可提高土壤温度，而覆盖黑色地膜可降低或不改变土壤温度。在2018年，透明膜覆盖的土壤热时间总体上显著长于黑色膜覆盖和无覆盖处理。在2018年和2019年，覆膜处理对蒸散量（ET）和玉米水分利用效率(WUE)均无影响。

图1 2018年和2019年生长季节，生物可降解塑料覆盖(BDM)和聚乙烯覆盖(PE)，透明膜（Clear）和黑色膜（Black），覆膜（mulch）和不覆膜（no-mulch）处理在5 cm和25 cm土层的日平均温差，误差棒表示标准误（n=4）。

图2 不同覆膜处理下的热时间，蒸散量，玉米水分利用效率

不同覆盖处理间土壤化学性质(pH、SOC、全氮和速效磷)无显著差异，而聚乙烯覆盖物具有降低容重的趋势。土壤温度、根系形态在相同颜色的生物可降解地膜和聚乙烯地膜之间相近。2018年和2019年不同覆膜处理的玉米产量、秸秆质量、地上生物量、百粒重和穗长均无差异。在玉米籽粒中有机化合物和营养元素中，黑色生物降解地膜处理的玉米蛋白质、脂肪、氮、磷含量普遍高于其他处理，说明黑色生物降解地膜对玉米品质的促进作用尤为显著。2018年，根系长度、质量、表面积、体积和根冠比与热时间呈负相关（P < 0.05 or P <0.01），籽粒蛋白质含量与根长呈正相关关系(r = 0.54, P < 0.05)，籽粒脂肪含量与根质量(r = 0.45, P < 0.05)、根体积(r =0.51, P < 0.05)成正相关关系，2019年，种子、根系性质的有机化合物与热时间无显著相关性。

图3 2018年玉米籽粒有机化合物与根系特征及热时间的相关性

结论

研究表明，在湿润的大陆性气候条件下，透明和黑色生物可降解膜的农艺表现(包括土壤湿度和温度、根系生长和玉米产量)与透明和黑色聚乙烯薄膜覆盖玉米生产相当；黑色生物可降解地膜覆盖下的玉米品质最好。

该研究结果于2021年4月以“Agronomic performance of polyethylene and biodegradable plastic film mulches in a maize cropping system in a humid continental climate”为名发表于Science of the Total Environment期刊上，沈阳农业大学丁凡副教授为通讯作者，沈阳农业大学硕士生王政宇为第一作者，共同作者包括沈阳农业大学硕士生李铭轩，华盛顿州立大学Markus Flury教授，田纳西大学Sean M. Schaeffer教授，沈阳农业大学博士生常艺，沈阳农业大学硕士生陶招、贾照杰和李诗彤，沈阳农业大学汪景宽教授。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721025316

编辑 | 陶招

审核 | 丁凡