谷子是禾本科狗尾草属的一年生草本植物，具有适应性强、生育期短和耐干旱等特点，广泛栽培于温带和热带地区。谷子去壳后为小米，具有极高的经济价值和营养价值，是北方干旱地区重要的粮食作物之一，其安全生产对于保障干旱地区粮食稳定和促进农户增产增收具有重要意义[1-2]。山西省地理环境特殊，培育出了众多品质优良的特色杂粮，其中以小米品质、品种优势突出[3-5]。干旱和苗期低温是影响干旱区谷子生产的重要因素。地膜覆盖作为一种重要的技术措施，具有较好的增温保墒功能，对于提高旱作区作物产量具有重要作用。
近年来，应用聚乙烯地膜导致作物根系生长受阻等问题引起人们的广泛关注[6-8]。利用现有技术探索普通地膜的替代产品是当下研究的热点方向。全生物降解膜是一种在自然环境条件下，能够被微生物（如细菌、真菌等）完全分解变成低分子化合物的材料[7，9]。全生物降解膜具有自然降解、增温、保墒和透气等功能，能够有效减少聚乙烯地膜造成的残膜污染问题[9-10]。翟勇全等[10]研究表明，全生物降解膜在提高玉米产量和促进干物质积累等方面具有与普通地膜相当的效果。杨振兴等[11]研究表明，全生物降解地膜在保证谷子产量的基础上具有良好的降解效果。因此，研究全生物降解地膜在干旱区的应用效果具有重要意义。
为筛选出适宜山西地区旱作谷子种植生产中的地膜类型。本试验以晋谷21号为材料，设置覆黑色全生物降解渗水膜、覆白色全生物降解膜、覆黑色全生物降解膜和覆普通地膜4个处理，测定各处理地膜降解特性、谷子干物质积累量和产量等指标，为作物增产增收提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地基本情况
试验于2024年4—9月在山西朔州山阴县黄花梁富硒谷子种植基地开展，试验区年均气温7.1 ℃，年均降水量410.6 mm，年均无霜期130 d，属于晋北温带寒冷半干旱气候区，是典型的旱作区。试验地土壤类型为火山灰土，该类型土壤透气性好、富含硒等矿物质微量元素，0~30 cm土层土壤pH 6.37，有机质含量8.59 g/kg，全氮含量1.23 g/kg，全磷含量0.55 g/kg，速效钾含量11.36 mg/kg。
1.2 试验材料
试验谷子品种为晋谷21号，由山西省农业科学院经济作物研究所提供，具有高抗寒性和抗旱性的特点。
供试氮肥为尿素（N≥46%），由山西天泽煤化工集团生产；磷肥为磷酸二铵（N≥18%，P2O5≥46%），由山西鼎丰化工有限公司生产；钾肥为硫酸钾（K2O≥52%），由山西新核能肥业有限公司生产，供试有机肥为农家腐熟牛粪肥料。
供试地膜：黑色全生物降解渗水地膜，主要成分为二氧化碳和环氧丙烷，宽110 cm、厚0.006 mm，由山西微通渗水膜生物科技有限公司生产；白色全生物降解膜、黑色全生物降解膜，主要成分为聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）和聚乳酸（PLA），宽100 cm、厚0.008 mm，由山西潞鑫新农生物降解科技有限公司生产；普通地膜，主要成分为聚乙烯，宽100 cm、厚0.01 mm，由山西邦泰塑料制品有限公司生产。
1.3 试验设计
采用单因素随机区组试验设计，共设置覆黑色全生物降解渗水地膜（T1）、覆白色全生物降解膜（T2）、覆黑色全生物降解膜（T3）和覆普通地膜（CK）4个处理，每个处理重复3次，共计12个小区，小区面积36 m2（6 m×6 m）。采用旋耕镇压后等行距覆膜穴播种植模式，一膜双行，于2024年4月20日播种，播种穴距离15 cm，行距40 cm，每穴播6~8粒种子。不同处理小区之间除了覆膜类型不同外，其他施肥、灌溉和病虫害防治等田间管理措施均参照当地常规管理模式进行。田间施用腐熟牛粪肥30 m3/hm2，尿素150 kg/hm2、磷酸二铵225 kg/hm2和硫酸钾50 kg/hm2。
1.4 测定项目及方法
1.4.1 地膜降解特性
在覆膜完成后，每个处理选取3个0.5 m×0.5 m的样方，然后用木框固定，每隔15 d进行田间观察，等到地膜进入开裂期后，每隔5 d进行观察并记录地膜所处时期，地膜降解阶段分级标准参照文献[12]。
1.4.2 谷子干物质积累量
分别在谷子出苗后20、40、60、80、100和120 d进行田间破坏性取样，每个处理随机选取3株，带回实验室后立刻用清水清洗表面灰尘和浮土并擦干，放入烘箱内杀青30 min，调整温度到65 ℃烘干至恒重，计算谷子干物质积累量。
1.4.3 谷子产量
在谷子成熟收获期，每个处理随机选取3个4行1 m的样本，计算穗数，随后进行脱粒和称量，计算谷子单穗重、千粒重和产量。
1.5 数据统计及分析
使用Excel 2010软件进行初始数据的整理，使用Origin 2022软件进行绘图，使用IBM SPSS 23.0软件进行方差分析，处理间多重比较采用Duncan法进行。
2 结果与分析
2.1 不同类型地膜的田间降解特性
如图1所示，不同类型地膜以黑色全生物降解渗水地膜（T1）降解速率最快，普通地膜（CK）未降解。T1在覆膜后第40天前后进入诱导期，第43天进入开裂期，第83天前后进入大裂期，之后持续到谷子收获。白色全生物降解膜（T2）和黑色全生物降解膜（T3）则是在覆膜后第40天后进入诱导期，第50天前后进入开裂期，第95天前后进入大裂期，之后持续到谷子收获。而CK在观测期内未降解，紫外线使地膜变脆、裂成微小塑料碎片。
2.2 不同地膜覆盖对谷子干物质积累量的影响
由表1可知，随着出苗天数的增加，谷子干物质积累量均表现出逐渐上升的趋势。在谷子出苗后20 d，各处理谷子干物质积累量间差异无统计学意义（P>0.05），说明各类型地膜对谷子生长期前期效果相当。在出苗后60 d后，不同处理的谷子干物质积累量具体表现为T1>T3>T2>CK。出苗后120 d，以T1处理的谷子干物质积累量最高，为48.69 g/株，与T3、T2和CK相比，分别增加了3.00%、3.31%和9.71%。说明在本研究条件下，黑色全生物降解渗水地膜、白色全生物降解膜和黑色全生物降解膜覆盖可促进谷子干物质积累，其中以覆黑色全生物降解渗水地膜处理效果最好。
表1 不同地膜覆盖下谷子干物质积累量 |
| 处理 | 出苗后20 d | 出苗后40 d | 出苗后60 d | 出苗后80 d | 出苗后100 d | 出苗后120 d |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 3.65±0.10 a | 10.24±0.12 b | 23.68±0.13 c | 36.79±0.21 c | 40.53±0.18 c | 44.38±0.22 c |
| T1 | 3.73±0.06 a | 11.29±0.11 a | 27.94±0.19 a | 40.52±0.18 a | 43.37±0.14 a | 48.69±0.15 a |
| T2 | 3.76±0.08 a | 11.13±0.10 a | 26.06±0.12 b | 38.67±0.15 b | 42.36±0.16 b | 47.13±0.13 b |
| T3 | 3.74±0.04 a | 11.15±0.13 a | 26.16±0.14 b | 38.84±0.17 b | 42.42±0.13 b | 47.27±0.16 b |
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2.3 不同地膜覆盖对谷子产量的影响
由表2可知，各处理谷子千粒重在2.76~3.03 g，处理间差异无统计学意义（P>0.05）。与CK相比，T1、T2和T3处理明显增加了谷子穗数、穗重和产量（P<0.05）。其中以T1处理的穗数、穗重和产量最高，分别为54.69万穗/hm2、24.12 g和5 834.26 kg/hm2，较T2处理分别提升了6.69%、7.77%和5.55%，较T3处理分别提升了5.50%、7.44%和4.39%，较CK处理分别提升了15.80%、18.53%和16.11%。
表2 不同地膜覆盖对谷子产量及其构成因素的影响 |
| 处理 | 穗数/ （万穗/hm2） | 穗重/g | 千粒重/g | 产量/（kg/hm2） |
|---|---|---|---|---|
| CK | 47.23±0.65 c | 20.35±0.11 c | 2.76±0.02 a | 5 024.67±33.26 c |
| T1 | 54.69±0.35 a | 24.12±0.13 a | 3.03±0.04 a | 5 834.26±41.27 a |
| T2 | 51.26±0.43 b | 22.38±0.12 b | 2.91±0.05 a | 5 527.62±35.73 b |
| T3 | 51.84±0.39 b | 22.45±0.14 b | 2.93±0.03 a | 5 588.79±38.84 b |
3 结论与讨论
干物质是产量形成的基础，与作物产量密切相关[13-14]。在旱作区，低温和干旱是限制苗期作物生长的重要因素之一，覆膜作为一种重要的栽培技术措施，对于提高作物出苗率和干物质积累量具有重要的作用。李成虎等[14]研究表明，黑色全生物降解膜处理能有效增加谷子干物质积累量。闫立伟等[15]研究表明，在谷子种植生产中，利用黑色全生物降解膜代替普通地膜可促进干物质的积累，提高水分利用效率。本研究表明，在谷子生长前期，黑色全生物降解渗水地膜、白色全生物降解膜和黑色全生物降解膜均具有良好的促进作物生长的作用；出苗60 d后，不同覆膜处理下谷子干物质积累量出现差异，具体表现为黑色全生物降解渗水地膜>黑色全生物降解膜>白色全生物降解膜>普通地膜。不同地膜覆盖处理下，谷子千粒重间无明显差异；与普通地膜处理相比，黑色全生物降解渗水地膜、白色全生物降解膜和黑色全生物降解膜覆盖明显增加了谷子穗数、穗重和产量，其中以黑色全生物降解渗水地膜最高，分别为54.69万穗/hm2、24.12 g和5 834.26 kg/hm2。原因可能是在谷子生育前期地膜未降解，具有抑制土壤和大气之间水热交换、减少水分蒸发和改善土壤水热循环的作用，有利于苗期谷子生长和干物质积累，黑色降解渗水地膜由于具有更高的吸热、渗水性能，促进效果最好；而随着谷子生长，气温逐渐升高，地膜覆盖会在作物根系形成聚热效应，抑制根系生长发育，进而影响地上部干物质积累，全生物降解地膜可在后期降解，避免了这一现象的出现，为谷子根系生长营造了良好的生长环境，进而促进干物质积累和产量提高[16-17]。
那艺凝[18]研究表明，在实际生产中，生物降解膜能自然降解为CO2和水等物质，成为旱作区作物增产和减少残膜污染的重要技术方法之一。但是全生物降解膜由于材质、厚度和颜色等因素不同，其降解效果也存在差异[16，19]。本研究发现，不同类型地膜中，以黑色全生物降解地膜降解速率最快，普通地膜降解最慢。黑色全生物降解渗水地膜在覆膜后第40天左右进入诱导期，第43天进入开裂期，第83天左右进入大裂期，之后持续到谷子收获。白色全生物降解膜和黑色全生物降解膜在覆膜后第40天后进入诱导期，第50天前后进入开裂期，第95天前后进入大裂期，之后持续到谷子收获。而普通地膜在覆膜后100天内未降解，露天暴晒导致其老化破碎，之后持续到谷子收获。黑色全生物降解渗水地膜降解诱导期最早，原因可能是其吸热、渗水性能较好，较高的温度会加快其降解速度[19-20]。虽然全生物降解地膜在谷子收获期间仍有残留，但是这部分残膜不会影响作物根系生长和阻碍机械作业，其可在1年后被土壤微生物全部分解[20-21]。
综上，在山西省旱作谷子种植生产中，推荐利用黑色全生物降解渗水地膜替代普通地膜，既能促进谷子生长，还具有较好的降解性能，简化了残膜回收环节。