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地膜具有增温、保墒、抑草等功能，在缩短作物成熟周期、提高作物产量和改善作物品质等方面发挥着重要作用，地膜覆盖技术已成为我国最重要的农业技术之一[1-3]。但当前广泛使用的地膜为低密度聚乙烯膜，其在自然环境中难降解、回收困难，长期高强度使用易导致其在土壤中残留，形成大小不同的塑料碎片或微塑料(直径≤5 mm的塑料碎片和颗粒)，从而破坏土壤结构，影响土壤水分和养分的垂直迁移，导致耕地质量下降，影响作物生长和产量，形成塑料污染，给农田生态系统产生巨大的负面影响[4]，已成为限制农业绿色发展的重要因素。
随着国家绿色农业发展战略的实施，生物降解地膜作为传统塑料地膜的替代品受到广泛关注[5]。生物降解地膜指的是以聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等聚酯类物质为原料制作，在自然环境中可被微生物降解为水、二氧化碳等简单物质，从而有效避免传统PE地膜因难以降解而导致的地膜残留污染问题[6]。但是，受作物种类、覆膜方式、灌水量和气候条件等因素的影响，生物降解地膜在不同区域的降解性能不同，其在增温保墒和提高作物产量方面的效应也不一样[7]。如在玉米[8]、棉花[9]、马铃薯[10]、番茄[11]等农作物中的田间应用表明，生物降解地膜具有良好的增温保墒效果，在改善作物生长环境、提高作物产量方面与常规PE地膜功效相当，在一定程度上可以替代常规PE地膜推广应用[12-13]。研究还表明，生物降解地膜还能避免作物生长后期因常规地膜覆盖导致的地温过高而引起的作物减产[14]。但也有研究发现，生物降解地膜在增温保墒效果和提早作物成熟方面不及常规PE地膜[15]。因此，通过大田试验评估不同区域的降解特征及其应用效果是生物降解地膜在该区域成功应用的前提。但关于生物降解地膜在重庆西部(渝西)丘陵地区蔬菜栽培中的应用研究还很少。
土壤温度是保障作物生长发育最重要的条件之一[16]，关系着作物能否正常出苗、正常生长及作物产量和质量的优劣。地膜覆盖通过增强对太阳辐射的吸收达到增温作用[17]。增温效应是衡量地膜覆盖功效的重要指标之一，比较不同生物降解地膜覆盖条件下土壤温度的变化特征及其影响因素，有助于阐明生物降解地膜覆盖功效及其作用机制。渝西地区为典型的低山丘陵地区，土壤肥沃，水热资源丰富，现代农业较为发达。该区域夏季以种植茄瓜果类等大宗蔬菜为主，其中嫩南瓜为主要的瓜果蔬菜之一，具有重要的经济价值和药用价值，在长江流域广泛栽培，且在重庆种植面积呈逐年增加的趋势[18]。南瓜也是地膜覆盖种植的作物之一[19]。本研究采用大田试验，通过比较不同企业生产的生物降解地膜的降解性能、增温效应和嫩南瓜产量差异，探讨生物降解地膜在渝西丘陵区嫩南瓜栽培中应用的可行性，以期为地膜的科学使用提供依据。
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试验于2022年3-7月在重庆璧山区八塘镇国家现代农业园区的伟正蔬菜基地进行，该基地地形为丘陵，海拔258 m，属亚热带湿润季风气候区，年平均气温18.0 ℃，年平均降雨量1 064.7 mm。根据璧山历史天气查询网站(
https://lishi.tianqi.com/bishan/index.html )获得，试验期间的降雨量为774.82 mm，平均气温为23.3 ℃(图 1)。
该基地种植的蔬菜主要有南瓜、茄子、四季豆、黄瓜、包菜、花菜、儿菜、莴笋等。试验地土壤属侏罗纪沙溪庙组岩层发育的中性紫色土。0~20 cm耕层土壤性质如下：pH值6.60，有机质16.85 g/kg、全氮1.26 g/kg、全磷1.42 g/kg、全钾4.78 g/kg、无机氮11.66 mg/kg、速效磷92.15 mg/kg、速效钾230.87 mg/kg，质地为黏壤质。
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试验共设6个处理，分别为裸地(CK，不覆膜)、常规聚乙烯塑料地膜(PE)、3种黑色生物降解地膜(分别记为BS、HB、SH)和1种白色生物降解地膜(SHB)。其中，3种黑色生物降解地膜分别购于国内3家生物降解地膜生产企业，白色生物降解地膜与SH地膜来源于同一生产企业，常规聚乙烯塑料地膜(PE)为银黑色，由当地农户提供。生物降解地膜主要成分为PBAT及PBAT/PLA共混体系，厚度为0.01 mm，宽度120 cm。试验重复3次，随机排列，试验区域面积约600 m2。
嫩南瓜品种为一串玲，采用起垄搭架栽培，垄高10 cm，垄宽100 cm，沟宽30~40 cm。覆膜当天破膜移栽，苗龄为2叶1心。移栽时间为2022年3月15日，移栽后用细土将膜口盖严，行距1.4 m，株距70 cm，种植密度约10 200株/hm2。水肥、灌溉及其他田间管理措施与当地大田一致。
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地膜垄面的降解情况采用目测和固定框拍照相结合的方法进行观测[20]。即在每个小区中央设观测点，放置大小为50 cm×50 cm的观测框，拍照记录地膜降解情况，同时观测试验区域其他处地膜的裂纹及裂缝大小、破碎程度等，并参照杨惠娣等[21]的方法对地膜的降解情况进行分级(表 1)。地膜的观测频率为覆膜后前30 d，每10 d观测1次；覆膜后31~75 d，每5 d观测1次；之后每10 d观测1次，如遇下雨可适当调整。
地膜降解率测定：测产结束后，在每个试验区域随机选择3个样点，量取膜面长度1 m，取出其中可见的地膜及其碎片，洗净，在阴凉处晾干后称重，根据地膜重量损失量计算地膜降解率。计算公式如下：
式中：M为地膜降解率(%)；M0为覆膜前地膜质量(g)；M1为收获后回收地膜质量(g)。
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采用HOBO-U21水下温度记录仪记录每个处理土壤10 cm处的土壤温度，记录时间间隔为1 h，土壤日均温为当日24个监测数据的平均值，记录时间为2022年3月14日-7月11日，共120 d(含首尾)。
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在每个试验区域划定25株(约25 m2)植株，做好标记，在南瓜果实长到适合销售时(0.4~0.5 kg)进行收获称重，记录产量，汇总同一试验区域多次收获的重量，折合成总产量。收获计产时间为2022年5月7日-6月26日。
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数据计算采用Excel 2019进行，方差分析和不同处理间差异的多重比较采用SPSS 20.0软件进行，图形绘制采用Origin 2021进行，显著性水平设为p＜0.05。
1.1. 试验地概况
1.2. 试验设计
1.3. 分析测试指标与方法
1.3.1. 地膜降解情况测定
1.3.2. 土壤温度测定
1.3.3. 作物产量及性状测定
1.4. 数据处理与分析
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随着地膜覆盖时间的延长，不同地膜的破损情况存在一定差异(表 2)。其中，PE地膜在覆膜后87 d出现微小孔洞，进入诱导期，但试验结束时膜面仍未出现≥2 cm孔洞或裂纹，未进入开裂期。而生物降解地膜逐渐降解，覆盖一段时间后表面出现大小不同的裂纹、孔洞或裂缝，随着时间推移，这些裂纹、孔洞或裂缝不断加大。根据表 1的划分标准，生物降解地膜进入诱导期、开裂期、大裂期和碎裂期出现的时间分别为37~66、54~94、72~107和84~127 d，所有地膜均未到无膜期。
4种生物降解地膜中，进入诱导期的时间以SHB处理最早，SH处理最晚，进入开裂期的时间也以SHB处理最早，BS处理最晚。试验结束后，生物降解地膜的降解率在64.27%~82.72%之间，远高于PE地膜(降解率为7.23%)，其中，生物降解地膜降解率由大到小依次为SHB、HB、BS、SH。
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整个生育期，所有处理土壤日均温随气温呈波动性变化(图 2a)，但各覆膜处理的增温效果存在不同。其中，PE、HB、BS、SH和SHB处理土壤日均温较裸地(CK)分别提升0.53、0.60、0.90、0.72和0.49 ℃，与PE相比，3种黑色生物降解地膜的增温效果更好，白色生物降解地膜整体较弱。将覆膜时间分成1~30、31~60、61~90和91~120 d共4个时间段，各时间段地膜的增温效应见图 2b。与CK相比，覆膜1~30 d，PE地膜、3种黑色生物降解地膜和SHB处理土壤日均温分别提高0.4、1.2~1.5和2.4 ℃，增温效果生物降解地膜显著高于PE地膜(p＜0.05)，且以SHB处理效果最显著，黑色生物降解地膜间差异无统计学意义(p＞0.05)；覆膜31~60 d，覆膜处理日均温分别提高0.73、0.67~0.95、0.37 ℃，与PE相比，BS增幅略高，HB和SH相近，SHB降低，但不同覆膜处理间差异无统计学意义(p＞0.05)；覆膜61~90 d和91~120 d，PE地膜处理日均温分别提高0.52 ℃和0.39 ℃，3种黑色生物降解地膜处理分别提高0.30~0.56 ℃和0.19~0.60 ℃，与PE地膜相比，增温效果BS略高，HB略低，SHB则分别降低0.50 ℃和0.44 ℃。即地膜的增温效应PE地膜在31~60 d时最佳，生物降解地膜在覆膜前30 d效果最佳，且以白色降解地膜增温幅度最大。随着覆膜时间延长，HB和SHB的增温效果降低，BS和SH处理在61~90 d时达最低值，90 d后又略有提高，呈“高-低-高”“U”字型变化。总体上，整个生育期黑色生物降解地膜的增温效应与PE地膜相当或更好，能将土壤温度保持在一个较高水平，而白色生物降解地膜在60 d后不再具有明显增温效果。
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土壤温度的日较差为1天中温度最大值与最小值的差值。整个生育期(图 3a)，CK、PE、HB、BS、SH和SHB处理土壤温度日较差分别为0.71~11.15、0.90~8.65、0.80~9.20、0.77~10.93、0.81~8.32和0.49~12.91 ℃；平均值分别为4.29、4.24、3.52、3.96、3.72和3.79 ℃，变异系数分别为56.02%、52.19%、52.99%、53.67%、50.21%和76.73%。即土壤温度日较差的变异以SHB处理最大，其次为CK，PE地膜及3种黑色生物降解地膜覆盖处理的变异相近，且均低于对照组。表明白色生物降解地膜覆盖土壤温度变化更剧烈，而黑色生物降解地膜对土壤温度的波动具有一定的减缓作用。
不同时间段地膜覆盖处理土壤温度日较差变化见图 3b。随着覆膜时间延长，土壤温度日较差呈“降低—升高”的趋势变化，在61~90 d时达到最低值，90 d后有所升高。与CK相比，不同处理各时段日较差的变化不同。覆膜1~30 d，PE、HB及SH覆膜处理日较差差异有统计学意义(p＜0.05)，BS处理差异无统计学意义(p＞0.05)，SHB差异有统计学意义(p＜0.05)；覆膜31~60 d，日较差除PE略有增加外，其余地膜覆盖处理均降低，其中HB、SH与SHB处理下降幅度差异有统计学意义(p＜0.05)；覆膜61~90 d，日较差表现为PE、BS差异无统计学意义(p＞0.05)，HB及SH、SHB差异有统计学意义(p＜0.05)；覆膜91~120 d，日较差3种黑色降解膜处理略高于PE，但差异无统计学意义(p＞0.05)，SHB差异有统计学意义(p＜0.05)。总体看，PE除前30 d显著降低日较差外，其余时段对日较差影响差异无统计学意义(p＞0.05)；BS对土壤日较差影响差异无统计学意义(p＞0.05)，而HB与SH在覆膜后前90 d均能降低土壤日较差，差异有统计学意义(p＜0.05)，90 d后，各处理地膜对日较差均差异无统计学意义(p＞0.05)，但SHB除覆膜前30 d外，均能降低土壤日较差，差异有统计学意义(p＜0.05)。
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基于历史气象数据，在3月12日-4月10日期间选择典型天气，研究不同天气条件下地膜覆盖对土壤温度日变化的影响。此阶段地膜未进入诱导期，作物处于苗期，遮阴效果弱，能较好反映不同地膜的增温性能。选择的典型天气日应在该日前后天气无剧烈变化。如图 4所示，晴天(4月8日)、多云天(3月28日)、阴天(3月23日)和雨天(3月31日)地膜处理土壤温度分别增加2.45±1.06、2.23±1.05、2.02±0.44和1.04±0.36 ℃。4种天气条件下，各处理土壤温度均经历了“下降-上升-下降”的正弦曲线型变化，但不同处理的曲线特征值存在一定差异。晴天，CK处理谷值在7：00处，覆膜处理谷值时间略有滞后，集中在8：00-9：00之间，SHB、3种黑色生物降解地膜和PE地膜土壤温度谷值较CK分别提高约3.37、2.26~2.52和1.52 ℃；峰值除PE及SH处理延至18：00外，其余处理均在17：00出现，其大小PE及SH处理分别低0.69 ℃和0.35 ℃，SHB、BS及HB分别提高4.16、1.74和0.30 ℃，日较差依次为SHB，CK与BS处理，HB、PE及SH处理。多云天(3月28日)，各处理土壤温度谷值和峰值出现时间分别为8：00和17：00，SHB、3种黑色生物降解地膜和PE地膜的谷值较CK分别提高2.72、2.16~2.37和1.60 ℃，峰值PE处理降低0.26 ℃，SHB和3种黑色生物降解地膜分别提高6.19 ℃和(1.17~2.38) ℃，日较差SHB最高，其次为3种黑色降解地膜处理，PE处理相对较低；阴天(3月23日)，土壤温度各覆膜处理谷值出现时间与晴天一致，峰值出现时间除SH处理外均在17：00，SHB、3种黑色生物降解地膜和PE处理谷值较CK分别提高1.82、1.58~1.75和1.09 ℃，峰值的变化分别为3.02、0.91~1.60和0.32 ℃，日较差SHB处理最高，其次为CK和BS处理，PE处理最低；雨天，土壤温度日变化比较复杂，土壤温度谷值出现时间因地膜的不同在8：00-12：00之间，整体日变化幅度较小，未表现出明显单一峰值特征，与CK相比，SHB、3种黑色生物降解地膜和PE地膜谷值分别提高1.34、1.06~1.10和0.14 ℃，峰值的变化分别为1.27、0.53~0.66和-0.10 ℃，日较差以CK最高(1.57 ℃)，其次为SHB(1.50 ℃)，PE最低。总体看，地膜的增温效应在晴天和多云天最为明显，雨天最弱。地膜覆盖能延缓土壤温度达到最低温度的时间，提高土壤最低温度，对土壤最高温度的影响因地膜类型不同而异。
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汇总多次收获的南瓜产量，折算后不同处理嫩南瓜的产量见表 3。本研究嫩南瓜的产量在(21 078±2 325)~(26 232±2 925) kg/hm2之间。与CK相比，不同地膜处理的增产幅度在5.6%~24.5%之间，5种覆膜处理的增产幅度以HB处理最高，SHB处理最低，但不同地膜处理间的差异无统计学意义(p＞0.05)。
根据嫩南瓜每公顷产量，按当年2.0元/kg价格计算每公顷效益。假设正常种植条件下各处理整地、施肥和田间管理的成本一致，不同处理间的差异仅在地膜购置与回收、杂草去除方面，与裸地相比，覆膜处理增加的收益见表 3。与产量的变化一致，3种黑色生物降解地膜覆盖增加的收益高于PE地膜，以HB处理最明显，而SHB处理增加的收益低于PE地膜。
2.1. 地膜降解情况
2.2. 地膜覆盖对土壤温度的影响
2.2.1. 土壤日均温度的动态变化
2.2.2. 土壤温度日较差的动态变化
2.2.3. 不同天气下的土壤温度日变化
2.3. 不同地膜覆盖对嫩南瓜产量及经济效益的影响
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生物降解地膜的降解时间和降解程度不仅受其组成材料的影响，还与气候、作物等多方面条件有关[22]，因而不同条件下获得的结果不一。王艺君[23]在宁夏的试验表明，生物降解地膜在40 d进入诱导期，作物收获后降解率为41.71%；党宇腾[24]在陕西黄土高原的研究发现，覆膜60 d左右生物降解地膜进入诱导期，表面出现细小裂纹，试验结束后降解率为12.2%~18.5%；苏海英等[25]在新疆也观察到，以PBAT型生物降解地膜50~65 d进入诱导期，番茄收获后降解面积达60%。本研究中的3种黑色生物降解地膜在54~64 d进入诱导期，降解率为64.27%~75.31%，进入诱导期的时间与上述研究的结果相近，但表现出更好的降解性能，这可能与本试验地湿度和温度较高有关，而且由于不同企业的聚合物成分、配比及添加剂种类和数量不同，导致3种黑色生物降解地膜的降解时间和降解率也有一定差异。相比黑色生物降解地膜，白色生物降解地膜进入诱导期的时间(37 d)更早，降解率(82.72%)更高，这与其热辐射强和光透射率更高，有利于自身的光氧化和热氧化降解有关[26]，也与其增温效应明显提高从而增强了环境中的微生物活性，促进了地膜的生物降解有关[27]。此外，由于透光性好，白色生物降解地膜覆盖为杂草生长提供了良好的水、热、光条件，旺盛杂草的穿刺作用加快了白色生物降解地膜的裂解。
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地膜覆盖通过改变土壤热通量，进而影响土壤的温度[28]。地膜对土壤温度的增减效应与其对热量的吸收、保留潜能及降解程度有关，并受地膜材料性质(如组成、颜色、厚度等)、作物遮蔽程度、气象条件等因素的影响[29]。本研究中，0~30 d生物降解地膜的增温效果好于PE地膜，其中，白色生物降解地膜显著好于黑色降解地膜，而3种黑色生物降解地膜间的差异不显著，表明在本研究条件下相比材质，生物降解地膜的颜色对增温效果的影响更大。相比黑色降解地膜，白色降解地膜的增温效应更明显，这与其热辐射强、光透射率更高，有更多的热量进入土壤有关[30]。随着覆膜时间延长，生物降解地膜逐渐降解，增温效应降低，但因太阳辐射增加，PE保持了较好的增温效应，黑色生物降解地膜与PE的差异变小。60 d后植物生长旺盛，叶片的遮挡效应增强，导致3种黑色生物降解地膜的增温效应与PE地膜差异不显著；但作物生长后期(覆膜90 d后)，植株长势变弱，遮光效应减弱，残留的生物降解地膜与土壤表面有较多的接触，BS及SH仍具有与PE地膜相当的增温效果[31]，整体呈阶段性变化，局部表现为“高-低-高”的“U”字型特征。尽管HB的增温效应随嫩南瓜的生长逐渐降低，但总体上3种黑色生物降解地膜的增温效应与PE地膜相当或更好，这与其他研究者在玉米[32]、甜瓜[33]、马铃薯[34]等作物上的结果在总体趋势上一致。白色生物降解地膜的增温效果在30 d后高于PE地膜，60 d后不再具有明显的增温效应，这与其降解时间早、降解程度高有关，也与其覆盖下密集的杂草对太阳辐射的遮挡作用较强有关。土壤温度变化是土壤随太阳辐射变化而吸收或释放热量的过程[35]。通过土壤温度的日变化能更好分析生物降解地膜增温效应的发生机制。本研究中，受太阳高度角变化的影响，各处理土壤温度的日变化均呈“降低-升高-降低”的正弦形变化，这与其他研究者的结果一致[36]。地膜覆盖能改变土壤热量的输入和输出，进而影响土壤温度的谷值和峰值出现的时间及其大小[37]。本研究中，PE覆膜后前30 d能显著降低日较差，BS在覆膜31~60 d土壤日较差略有降低，而HB与SH在覆膜后前90 d均能降低土壤日较差，而SHB除覆膜前30 d显著增高外，其余时间均显著降低。表明地膜覆盖下土壤日较差的变化受覆盖时间及地膜类型的影响。为明确不同地膜对热量吸收和释放的差异，研究了苗期不同天气下土壤温度的增温效果及日变化。本研究中，增温效果晴天和多云天优于阴天和雨天，结果与杨世佳等[38]的研究一致，但本研究表明，在4种天气条件下，增温效果由高到低依次为白色生物降解地膜、黑色生物降解地膜和PE地膜，与其报道的雨转阴天气白色地膜增温幅度比黑色地膜更加明显的结果不同，其原因有待进一步研究。
本研究中，与对照相比，地膜覆盖能延缓土壤温度最低值出现的时间，提高土壤最低温，且4种天气条件下的增幅由高到低依次为白色降解地膜、黑色降解地膜和PE地膜。土壤温度峰值出现的时间除生物降解地膜在阴天和雨天延迟外，其余变化不明显；土壤温度峰值除PE地膜在晴天、多云天及雨天降低外，其余时间峰值的增幅及日较差的变化趋势与生物降解地膜一致。总体看，在苗期及覆膜早期阶段生物降解地膜的增温效应较PE地膜更好，这与其具有较高的透射率、能吸收更多太阳辐射从而提高温度峰值有关[39]，其中白色生物降解地膜表现尤为明显。
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地膜覆盖通过改善土壤水热状况，影响作物生长进程及养分吸收，最终引起作物产量变化[40]。目前关于生物降解地膜与常规地膜增产效果的比较研究，存在低于、相近及较高3种不同的结果。如Gu等[12]在陕西黄土高原为期3年的田间试验显示，生物降解地膜覆盖较PE地膜覆盖油菜的平均产量低5.8%；Sun等[41]在山东的试验表明，生物降解地膜与传统PE地膜处理花生的产量相近；王梅洁[42]在海南的试验也表明，生物降解地膜覆盖下番茄产量比常规PE地膜高8.95%。造成上述差异的原因可能与不同地膜引起的水热条件或养分利用状况的变化有关。如邓路等[43]发现，PE地膜、白色生物降解地膜和黑色生物降解地膜处理的增温保墒效果在玉米生育前期差距较小，对玉米产量影响不大。翟勇全等[44]报道，生物降解膜覆盖在提升玉米产量、促进干物质积累和氮素吸收利用方面与普通地膜覆盖效果相近。Yang等[45]发现，适当降解速率的生物降解地膜通过影响土壤水分和温度，调节土壤TN和NO-含量，使马铃薯产量较PE地膜提高。程万莉等[46]报道，生物降解地膜的降解过程与其增温性能变化基本一致，满足了马铃薯前期生长所需的温度条件，后期较低的土壤温度延缓了植株衰老，延长了干物质积累的时间，进而提高了马铃薯产量。本研究中，相较于露地，地膜覆盖提高了嫩南瓜的产量，但与PE地膜相比其增产效果差异无统计学意义，说明在本试验条件下温度不是限制嫩南瓜产量的一个主要因素。但是，由于该区域早春易出现低温、幼苗易受冷害的情况，仍需地膜覆盖以提高土壤温度，维持根系活性，使嫩南瓜平稳度过幼苗期，缓解幼苗生长受到抑制的风险。本研究还发现，白色生物降解地膜在前期增温效果十分明显，但其产量较CK差异无统计学意义，这可能与其降解速率过快、增温保墒效果减弱有关，也可能是其促进杂草生长，大量杂草与作物争夺养分，导致嫩南瓜养分吸收不足，从而影响了其增产效果[15]。鉴于本研究区域属温暖湿润的亚热带气候，杂草极易生长，从减轻地膜残留和除草成本方面考虑，建议在嫩南瓜栽培上推广应用黑色生物降解地膜。
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1) 白色生物降解地膜进入诱导期的时间和降解率均高于黑色生物降解地膜。
2) 随着覆盖时间延长，SH和BS黑色生物降解地膜的增温效应呈“增高-降低-升高”的“U”型变化，增温效应与PE地膜相当或更好，而白色生物降解地膜的增温效应降低，60 d后不再具有明显的增温效果，即地膜的增温效应因降解程度和作物遮蔽效应的增加而降低。相较于地膜材料，在本研究条件下地膜颜色较其材质对增温效果影响更大。此外，晴天和多云天的增温效果优于阴天和雨天。生物降解地膜因其对热辐射具有较高的透射率，较PE地膜有更好的增温效应，特别是白色生物降解地膜。
3) 3种黑色生物降解地膜覆盖增加的收益高于PE地膜，以HB处理最明显，而SHB处理增加的收益低于PE地膜。
4) 生物降解地膜覆盖提高了土壤温度，但并未显著提高嫩南瓜的产量，从压草及降低地膜残留的角度出发，建议使用黑色生物降解地膜替代传统PE地膜。
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