首页 > 分享 > 不同地膜覆盖对土壤质量和大蒜产量及品质的影响

不同地膜覆盖对土壤质量和大蒜产量及品质的影响

花匠小妙招
2024-11-08 19:54

摘要: 为探讨不同地膜覆盖方式对大蒜种植系统中土壤质量与大蒜产量的影响, 确定大蒜种植中的最佳地膜管理模式. 基于2021年设置在江苏省农业科学院大蒜种植系统的不同地膜覆盖试验, 研究大蒜种植体系中无地膜处理（CK）、黑色聚乙烯地膜处理（HPE）、黑色聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）/秸秆复合地膜处理（HSJ）和白色PBAT地膜处理（BJ）对土壤质量及大蒜产量变化的影响. 结果表明：①不同地膜覆盖处理下, 土壤理化性质和细菌、真菌数量发生显著变化, 并间接改善土壤质量. 相较不覆膜处理, BJ处理土壤质量指数提升70%, 综合效果最好, 其次是HPE和HSJ处理, 分别提升52%和36%. 随机森林模型分析发现, 土壤有机质和全氮是影响土壤质量的主要因素. ②不同地膜覆盖显著提高蒜头直径和大蒜单头质量, 且处理间无显著差异, 其中HSJ处理大蒜产量提高效果最好, 分别比CK、HPE和BJ处理提高了46%、19%和6%. ③相关性分析表明, 地膜覆盖下土壤质量指数与大蒜鳞茎淀粉含量、蒜头直径、大蒜单头质量显著相关. 研究结果从大蒜种植过程中覆盖地膜选择的角度, 为高质量与高产量农田结合发展提供了科学依据.

SHI Yue1,2,LUAN Lu2,JIANG Xi-zhi3,XU Lei3,YE Ying-cong1,ZHANG Qin1,JIANG Yu-ji2

Abstract: To determine the optimal film management technique for garlic planting, this study aimed to investigate the effects of various film cover methods on soil quality and garlic yield in garlic cropping systems. To achieve these goals, trials with different film cover methods were conducted at the Jiangsu Academy of Agricultural Sciences in Nanjing. To investigate the impact of changes in soil quality and garlic yield, we set up four treatments: no film treatment (CK), black polyethylene film treatment (HPE), black poly(butylene- adipate-co-terephthalate) (PBAT) with straw composite film treatment (HSJ), and white PBAT film treatment (BJ) in a garlic cropping system. Our results indicated that specific mulch coverings had a positive effect on both soil quality and garlic yield. The film cover treatments resulted in significant changes in soil physicochemical properties and bacterial and fungal biomasses and indirectly improved soil quality. Compared to that under the no film treatment, the BJ treatment boosted soil quality by 70%, with the most significant impact, followed by that under the HPE and HSJ treatments, with improvements of 52% and 36%. Random forest modeling indicated that soil organic matter and total nitrogen were the most important factors influencing soil quality. The different film covers significantly increased the diameter of garlic bulbs and single quality. The HSJ treatment exhibited the most significant increase in garlic yield, with 46%, 19%, and 6% improvement compared to that in the CK, HPE, and BJ treatments, respectively. Correlation analysis showed that soil quality under film cover was significantly correlated with the starch content of garlic bulbs, garlic diameter, and single quality. This study highlights that selecting the appropriate mulch film aids in the production of garlic and helps to develop farmland that produces both high-quality and high-yield crops.

Key words:fully degradable mulch mulching microbial gene copies soil enzymatic activities soil quality garlic yield

2022年世界人口突破80亿, 全球粮食安全和农产品稳产保供成为本世纪最大的挑战之一. 2023年中央一号文件重点指出“抓紧抓好粮食和重要农产品稳产保供”, 并严格抓紧“耕地保护和粮食安全”责任考核制度. 蔬菜稳定供给对经济社会发展全局具有重要意义. 我国是世界上最大的农用地膜消费国, 农作物覆膜面积近200亿m2, 地膜使用量为145万t, 占全球总量的75%[1]. 农用地膜作为重要的农业生产资料, 被广泛使用在农产品集约化生产过程中, 在增加农作物产量、提高品质、保障农产品供给等方面发挥了重要作用[2]. 在种植过程中, 地膜覆盖能够改变土壤温度、减少蒸散量和抑制杂草生长, 温度与水热环境变化通过增加植物根系生物量提高了土壤有机质含量和养分可利用性, 从而提高农产品产量与品质. 但常用地膜的主要成分是聚乙烯（PE）, 属于高分子化合物, 自然条件下很难降解, 而且地膜管理不当, 会对土壤质量造成不容忽视的危害. 农田土壤中残留的塑料薄膜和碎屑作为一种新型农业污染物[3], 会导致严重的塑料污染问题. 塑料残膜不仅导致了土壤水肥流通和气体交换等受阻, 土壤结构破坏, 土壤吸湿性和通透性降低, 严重破坏了农田土壤质量[4], 而且影响了出苗导致作物减产, 对农业可持续生产构成了潜在的负面影响[5 ~ 7]. 农业农村部和生态环境部联合印发《关于进一步加强农用薄膜监管执法工作的通知》, 强调要促进农用薄膜科学使用回收, 防治农田“白色污染”.

聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）作为一种新兴的且全生物降解的地膜材料, 在保持土壤温度和蓄水量同时, 又能实现生物降解需求[8]. 有研究表明, 相比于PE地膜, PBAT地膜表现出最高程度的降解, 其降解速率取决于薄膜材质的厚度与密度[9]. 在作物产量方面, PBAT地膜保温和保水功能对大蒜生长发育的促进作用与PE地膜一致, 是解决蒜田PE地膜污染的有效替代品[10]. 在土壤质量方面, PBAT地膜覆盖的土壤理化性质与PE地膜相比, 无明显差异, 但PBAT地膜经过土壤环境与自然环境降解为H2O和CO2, 避免PE地膜造成微塑料残余问题[11], 有效提高了农田土壤质量. PBAT作为目前全生物降解地膜最具前景的材料, 为降低其生产成本, 扩大应用范围, PBAT复合地膜广受研究者的青睐. 采用材料复配与成型工艺, 通过添加小麦秸秆粉末, 制备了性能更为优良的PBAT/秸秆基全生物降解地膜[12]. PBAT/秸秆基全生物降解复合地膜不仅降低了PBAT地膜成本, 还能消耗秸秆废弃物.

大蒜具有较高的营养价值和经济价值, 作为已知最古老的栽培蔬菜之一在世界各地广泛种植. 在大蒜生长过程中, 地下产物器官鳞茎具有很强的养分吸收与储存能力[13]. 大蒜在排水良好, 湿度适宜, 有机物含量高的土壤中生长较好, 地膜的保水保肥优势对于提高大蒜产量极为重要[14]. 有研究表明, 覆盖地膜能够显著促进大蒜各部分生长, 并提高大蒜产量和单头鳞茎质量[15]. 本研究在大蒜种植体系下, 对比PE地膜与全生物降解地膜（白色PBAT和黑色PBAT/秸秆复合）, 探讨如何在提升土壤质量的同时, 保证大蒜产量和品质安全, 实现农业生态系统的可持续发展. 围绕上述问题, 本文依托江苏省农业科学院设置的不同地膜覆盖试验, 提出拟解决的科学问题：①不同地膜覆盖措施如何影响土壤性质?②不同地膜覆盖措施如何影响土壤质量和酶活性?③不同地膜覆盖下土壤质量与大蒜产量和品质的关系?本试验通过探究农业种植过程中地膜覆盖对土壤质量与大蒜生产的影响, 兼顾提升土壤质量的同时, 有针对性地提高农作物产量, 以实现耕地产能提升和农业生态系统可持续发展.

1 材料与方法1.1 试验区概况与试验设计

试验点位于江苏省南京市江苏省农业科学院（东经118.78°, 北纬32.07°）. 该地区属于亚热带季风湿润气候区, 年平均温度15.4℃, 年平均降水量1 106 mm. 土壤类型为粉砂壤土. 本试验开始前表层土壤（0 ~ 20 cm）基本理化性质：pH 5.98, ω（有机质）15.36 g·kg-1, ω（全氮）0.97 g·kg-1, 容重1.23 g·cm-3, 土壤含水量14.92%.

本试验开始于2021年10月, 试验小区种植单季大蒜, 播种行距为23 cm, 株距为12~13 cm, 种植密度为320 000株·hm-2. 试验小区面积16 m × 1.7 m, 四面设置保护行（行宽20 cm）, 随机区组设置4个不同处理：①不覆膜（CK）；②黑色聚乙烯塑料地膜（HPE）；③黑色PBAT + 20%小麦秸秆复合地膜（HJ）；④白色PBAT地膜（BJ）, 每个处理3次重复. 农业中常用地膜为白色和黑色, PBAT材质添加20%小麦秸秆后地膜颜色为黄色, 无法制成100%透明度的白色复合地膜, 所以试验采用黑色PBAT/秸秆基全生物降解复合地膜. 大蒜播种期前, 全试验地一次性均匀施入土壤有机肥底肥5 000 kg·hm-2（腐殖质, 粪便）和N-P2O5-K2O（N∶P∶K为15∶15∶15）颗粒复合肥2 500 kg·hm-2, 并翻耕混匀, 试验期间不再施入任何肥料, 播种时覆盖地膜. 本次试验从2022年10月整地开始到2023年5月收获, 整个大蒜生育期长达200 ~ 240 d.

1.2 样品采集与分析

土壤样品和植株样品采集于2023年5月大蒜收获期. 各试验小区内按照S型取样法用土钻取土10个样点, 取土深度0 ~ 20 cm, 混匀后装入干冰盒中的密封塑料袋保藏, 并立即带回实验室. 采集的土样分为两份, 一份风干后测定土壤理化性质；一份于-80℃保存, 用于测定土壤细菌和真菌基因拷贝数. 每个小区人工采收大蒜鳞茎10株, 采集后立即带回实验室测定大蒜指标.

1.3 地膜参数测定

对大蒜种植中期到大蒜收获期不同地膜降解情况进行对比, 设定单位面积（45 cm × 45 cm）的观测点, 垂直于地膜上方处拍照, 观测不同地膜破损率（图 1和表 1）.

（a）大蒜种植示意, （b）大蒜种植中期地膜破损状况, （c）大蒜收获时地膜破损状况图 1 大蒜种植中不同薄膜覆盖下地膜破损状况Fig. 1 Mulch breakage and garlic growing conditions under different film mulches in garlic planting

表 1 不同处理中地膜参数1）Table 1 Film parameters under different treatments

1.4 土壤性质、酶活性和大蒜产量与品质测定

土壤酸碱度（pH）采用电位计法测定[16]（水∶土= 2.5∶1）, 土壤有机碳（SOC）的测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[17], 土壤全氮（TN）采用凯氏定氮法测定[18], 土壤全磷（TP）采用Na2CO3熔融法测定[19], 土壤全钾（TK）采用火焰光度法[20], 土壤有效磷（AP）采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定[21], 有效钾（AK）采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定, 阳离子交换量（CEC）采用乙酸钠-火焰光度法测定, 土壤容重（BD）和土壤含水量（SMC）采用环刀法测定[22]. 土壤脲酶（UE）活性采用靛酚蓝比色法测定[23], 土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（NAG）活性采用96微孔酶标板荧光分析法测定[24], 土壤酸性磷酸酶（ACP）活性采用磷酸苯二钠比色法测定[25].

鳞茎直径为单个蒜头直径；大蒜鳞茎单头质量为单个蒜头质量；大蒜瓣数为单个蒜头瓣数；大蒜淀粉含量采用分光光度法测定；大蒜可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定.

1.5 荧光定量PCR

采用荧光定量PCR法测定细菌16S rRNA基因和真菌18S rRNA基因ITS序列的拷贝数, 反应在ABI7500荧光定量PCR仪上进行. 反应体系为：qPCR 2 × Mix 12.5 μL, 上下游引物（10 μmol·L-1）各0.5 μL, Template DNA 2 μL, 最后用超纯水（ddH2O）补至25 μL. 荧光定量PCR均采用两步法进行, 细菌16S rRNA基因选用515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′）和907R（5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′）引物扩增[26], PCR条件为：95℃ 15 s；57 ℃ 20 s；72℃ 20 min, 40个循环, 荧光定量PCR扩增效率为98.25%, r2为0.999. 真菌ITS序列选用ITS1F（5′-CTTGGTCATTT AGAGGAAGTAA-3′）和ITS2R（5′- GCTGCGTTCTTC ATCGATGC-3′）引物扩增[27], PCR条件为：95℃ 15 s, 62℃ 20 s, 72℃ 20 min, 40个循环, 荧光定量PCR扩增效率为90.50%, r2为0.999.

1.6 土壤质量评价

对土壤样品进行土壤质量指标选择. 选择与土壤酶活性显著相关指标（P < 0.05）, 并对已选指标进行主成分分析, 选择高加权因子载荷的绝对值在最高因子载荷10%的指标, 进行土壤质量计算[28, 29].

指标数据标准化：在农田土壤中, 当指标数值越大, 反映该农田土壤质量越优时, 则该指标定性为正向指标；当指标数值越大, 反映该农田土壤健康越差时, 则该指标定性为逆向指标.

(1)

(2)

式中, Pij为指标参数Pi在0~1之间的线性得分；j为指标；Pi为原始指标值；Pmax为原始指标最大值；Pmin为原始指标最小值.

土壤质量指标-雷达面积法：土壤质量指标-面积算法计算SQI[30, 31], 土壤质量计算选择土壤化学（SOC、TN、TP、TK、AP、pH、CEC）、物理（SAW、BD）和生物（细菌基因拷贝数、真菌基因拷贝数）指标. 土壤质量计算[32]：

(3)

(4)

式中, Pi为原始指标值, PSQI为标准化指标值, Pmax为原始指标最大值, n为指标数量, SQI为土壤质量指数.

1.7 统计分析

数据分析使用了Excel和IBM SPSS 24.0.采用单因素方差分析（ANOVA）、邓肯检验和多重比较方法对土壤质量和大蒜产量进行LSD检验, 并进行多重比较（P < 0.05）, 结果显示为平均值±标准差值. 使用R包（randomForest）进行随机森林（random forest model）分析, 利用SPSS 24.0软件进行Pearson相关性分析和方差分析, 使用R绘制相关性热图. 本试验数据图绘制使用GraphPad Prism 8.

2 结果与分析2.1 不同地膜覆盖对土壤性质的影响

在大蒜覆膜种植中土壤理化性质受不同地膜处理影响显著（图 2）[33]. 与CK和HPE处理相比, 全生物降解地膜（HSJ和BJ）处理下土壤pH分别显著提高至6.87和6.93（P < 0.05）. 地膜（HPE、HSJ和BJ）处理下SOC和TN含量显著提高（P < 0.05）, 且变化趋势遵循CK < HPE < HSJ < BJ的排序. 较CK处理, HPE、HSJ和BJ处理下SOC含量分别提高了8%、18%和45%, TN含量分别提高12%、23%和45%. 与CK处理相比, HPE处理下土壤ω（TP）升高至0.75 g·kg-1, HSJ和BJ处理的ω（TP）升高至0.67 g·kg-1和0.70 g·kg-1, HPE处理分别显著提高了土壤TK和SAW含量3%和51%（P < 0.05）. 3种地膜处理相较于CK, 仅HPE处理ω（TK）升高了0.60 g·kg-1. 3种地膜覆盖处理均提高土壤AP含量, 其中HPE处理下ω（AP）的提高效果最为明显, 其次为全生物降解地膜（HSJ和BJ）处理, 分别为48.27 mg·kg-1和50.89 mg·kg-1.

同一组柱形图上不同小写字母表示不同处理间差异显著（ P < 0. 05）图 2 不同地膜覆盖下土壤理化指标Fig. 2 Soil physicochemical properties under different film mulches

2.2 不同地膜覆盖对土壤微生物数量和酶活性的影响

不同地膜覆盖改变了土壤中细菌和真菌数量. 荧光定量PCR结果显示（图 3）, 不同地膜覆盖处理下细菌和真菌基因拷贝数差异明显. 与CK处理相比, HPE和HSJ处理下土壤细菌基因拷贝数显著下降（P < 0.05）, 分别降低至2.51×106 copies·g-1 和2.93×106 copies·g-1, 而BJ处理下细菌基因拷贝数上升至4.40 × 106 copies·g-1. 与CK处理相比, 不同地膜覆盖处理（HPE、HSJ和BJ）下土壤真菌基因拷贝数都显著提高（P < 0.05）, 且变化趋势遵循黑色地膜处理（HPE和HSJ） < 白色地膜处理（BJ）的排序, 其中HPE和HSJ分别提高了2.12倍和1.96倍, BJ处理提高了4.57倍.

（a）细菌, （b）真菌, （c）脲酶活性, （d）土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性, （e）土壤酸性磷酸酶活性；同一组柱形图上不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05）图 3 不同地膜覆盖下土壤微生物基因拷贝及酶活性Fig. 3 Soil microorganisms gene copies and soil enzyme activities under different film mulches

土壤酶活性作为反映土壤质量的重要表征, 不同地膜覆盖处理改变了土壤酶活性（图 3）. 与CK相比, HPE和BJ处理降低了UE活性28%和41%. 与CK处理相比, NAG活性在HPE和HSJ处理中显著提升, 分别提升了2.70 μmol·（d·g）-1和1.14 μmol·（d·g）-1. HPE、HSJ和BJ处理显著降低了ACP活性, 且黑膜处理（HPE和HSJ） > 白膜处理（BJ）, 其中HPE、HSJ和BJ处理分别降低了48%、51%和61%.

2.3 不同地膜覆盖对土壤质量的影响

通过对土壤指标与土壤酶活性的相关性分析（图 4）, 根据显著性（P < 0.05）, 选取土壤pH、有机碳、全氮、TP、TK、速效磷、SMC和真菌基因拷贝数进行主成分分析（表 2）, 保留主成分中最高因子载荷10%内的土壤pH、有机碳、TN、TP、TK、速效磷、SMC和真菌基因拷贝数作为土壤质量计算指标. 采用土壤质量指标-雷达面积法对大蒜种植不同地膜覆盖处理下的土壤质量进行评价（图 5）. 结果表明, 不同地膜覆盖处理下土壤质量差异显著（P < 0.05）, 土壤质量指数遵循BJ > HPE > HSJ > CK的排序. 与CK处理相比, 地膜覆盖处理（HPE、HSJ和BJ）的土壤质量指数显著提高了52%、36%和70%. 采用随机森林法分析影响土壤质量潜在因子的重要性（图 6）, 结果显示, TP（16.90%）、TN（10.70%）、SOC（10.54%）、AP（7.80%）、CEC（6.16%）、真菌基因拷贝数（17.51%）和细菌基因拷贝数（4.44%）以及ACP活性（15.98%）和UE活性（11.29%）对土壤质量影响显著（P < 0.05）.

UE表示脲酶, NAG表示N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶, ACP表示酸性磷酸酶, Bcopy表示细菌基因拷贝数, Fcopy表示真菌基因拷贝数, 下同；圆形表示正相关, 方形表示负相关, 面积大小表示相关性大小；*和**分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平上差异显著图 4 土壤指标与土壤酶活性相关性Fig. 4 Correlations between soil indicators and soil enzymatic activities

表 2 主成分分析因子载荷、特征值和累计方差贡献率Table 2 Principal component analysis of factor loading, eigenvalues, and cumulative variance contribution rates

雷达图中, 虚线环内表示不同处理下雷达图面积；环上的数值表示雷达图轴标签, 对应指标pH、TK、SWC、AP、TP、TN、SOC和Fcopy的取值范围图 5 大蒜种植中不同薄膜覆盖下土壤质量指数-雷达面积Fig. 5 Soil quality under different film mulches in garlic planting

（a）大蒜种植中不同薄膜覆盖下土壤质量指数（SQI）, （b）随机森林对土壤性质、酶活与土壤质量的贡献率预测；同一组柱形图上不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05）；方块表示土壤理化性质, 圆圈表示细菌和真菌基因拷贝数, 三角形表示土壤酶活性；*和**分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平上差异显著图 6 土壤质量指数及其因子贡献率预测Fig. 6 Predicting soil quality indices and contributing factors

2.4 不同地膜覆盖对大蒜产量与品质的影响

为衡量不同地膜覆盖下大蒜产量和品质情况, 共选择了大蒜鳞茎淀粉含量和可溶性糖含量、蒜头直径、大蒜单头质量、瓣数和大蒜产量这6个指标作为衡量标准（图 7）. 地膜覆盖（HPE、HSJ和BJ）处理显著提高了大蒜蒜头直径和单头质量（P < 0.05）, 其中BJ处理显著高于HSJ处理（P < 0.05）, 鳞茎直径上升了2.5%；HPE处理对大蒜单头质量影响显著低于全生物降解地膜（HSJ和BJ）处理16%和11%（P < 0.05）. 与CK处理相比, 覆膜处理（HPE、HSJ和BJ）未能显著提高大蒜鳞茎淀粉含量与可溶性糖含量. HSJ处理下大蒜产量的提高效果最明显, 分别比CK、HPE和BJ处理提高了46%、19%和6%；与CK相比, HSJ处理下蒜头直径和单头质量分别提升了14%和46%. 相关性分析表明（图 8）, pH、SOC、TN、ACP活性和真菌基因拷贝数与大蒜鳞茎质量均呈显著相关（r为0.59 ~ 0.72, P < 0.05）. 大蒜蒜头直径与AP、TP、SWC、UE活性、ACP活性、NAG活性和真菌基因拷贝数显著相关（r为0.72 ~ 0.59, P < 0.05）；大蒜淀粉含量与CEC（r = -0.74, P < 0.01）极显著负相关关系；大蒜瓣数与ACP活性正相关（r = 0.65, P < 0.05）；大蒜可溶性糖与SOC和TN（r为-0.69和-0.71, P < 0.05）显著负相关, 与ACP活性（r = 0.62, P < 0.05）显著正相关关系.

同一组柱形图上不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0. 05）图 7 不同地膜覆盖下大蒜产量与品质Fig. 7 Garlic yield and quality under different film mulches

圆形表示正相关, 方形表示负相关, 面积大小表示相关性大小；*和**分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平上差异显著图 8 土壤理化性质和土壤酶活性与大蒜产量和品质（大蒜淀粉含量、可溶性糖含量、蒜头直径、鳞茎单头质量、瓣数）相关性Fig. 8 Correlations between soil properties, enzymatic activities and garlic yield and quality (starch content, soluble sugar content, garlic diameter, garlic single quality, and petals of garlic)

通过相关性分析探究大蒜种植下不同地膜覆盖中土壤质量评分与大蒜生产指数之间的联系（图 9）. 结果表明, 土壤质量指数与蒜头直径、大蒜鳞茎单头质量和大蒜产量（r为0.60 ~ 0.65, P为0.02 ~ 0.04）显著正相关, 与大蒜鳞茎淀粉含量（r = -0.66, P = 0.02）显著负相关, 与大蒜鳞茎可溶性糖含量和瓣数相关性不显著（P > 0.05）.

实线表示拟合的普通最小二乘（OLS）线性回归, 曲线之间表示95%的置信区度图 9 大蒜种植下不同地膜覆盖中土壤质量指数与大蒜品质和产量关系Fig. 9 Relationship between soil quality index with garlic yield and quality under different film mulches in garlic planting

3 讨论3.1 不同地膜覆盖对土壤性质的影响

与CK相比, 地膜覆盖通过改善土壤水环境和提高土壤温度, 进而促进土壤养分吸收与碳固存量来提高SOC含量[34, 35]. 同时, BJ地膜还能通过100%透光率为植物和土壤中光养微生物提供适宜的生存环境, SOC含量较CK提升了45%；HSJ处理则可以分解地膜中秸秆成分作为SOC的新来源, SOC含量提升了18%. 由于覆膜过程减少了土壤氮素的流失, 促进氮素在土壤表层的积累[36], 而HSJ和BJ处理下全生物降解地膜在降解过程中通过提高微生物数量, 加快土壤碳氮等养分元素积累. 本研究表明大蒜根部生长对于磷钾肥的吸收并不积极, 长期种植大蒜的土壤会积累大量P和K, 而地膜覆盖又加剧了磷钾元素的积累, 这在HPE处理下最显著, 其土壤TP和TK分别比CK升高了0.17 g·kg-1和0.60 g·kg-1. 有研究表明, 地膜覆盖对田间土壤理化指标的影响主要通过对土壤水热环境的改善[37, 38], 本试验中PE膜和PBAT膜覆盖都提高了SWC和BD, 但仅HPE处理下SWC比CK显著提高了51%（图 2）. 这可能是由于土壤采样时间在大蒜收获后, HSJ和BJ处理下全生物降解地膜产生了不同程度降解, 破损度分别为20%和60%（图 1和表 1）, 保水保温功能基本丧失.

土壤微生物能够通过分解和利用土壤营养物质推动物质循环与养分运移, 所以细菌和真菌数量是土壤质量的重要指标[39]. 有研究表明, 相比于无覆盖地膜, 长期地膜覆盖处理促进了土壤团聚体形成, 改善了土壤通气性, 促进了细菌和真菌的生长繁殖[40]. 本研究中不同地膜覆盖对土壤微生物数量差异的影响主要体现在地膜颜色上, 地膜覆盖均有利于土壤真菌数量增加, 且白色地膜（BJ）处理真菌数量约是黑色地膜（HPE和HSJ）处理的2倍. HPE和HSJ处理下土壤细菌的基因拷贝数显著降低, 可能是由于黑色地膜透光率较低, HPE和HSJ分别为6.1%和27.3%, 导致光养细菌失去必需的生存条件而无法存活, 而白色地膜透光率为100%, 细菌数量显著提高.

3.2 不同地膜覆盖对土壤酶活性和土壤质量的影响

不同地膜覆盖通过影响土壤理化性质和微生物数量, 间接调节了土壤酶活性和土壤质量[41, 42]. 土壤酶活性能有效解释不同地膜覆盖下土壤性质改变所引起的土壤质量变化, 本研究选择参与土壤N、C和P循环的土壤UE、NAG和ACP作为衡量土壤质量的标准[43]. 本试验中不同覆膜下UE活性均下降与TN含量上升的变化不一致, 这与作物的种类有关, 大蒜可以通过分泌含有巯基的有机化合物与土壤UE活性位点结合, 降低尿素的分解速率, 抑制了UE活性, 提高氮素利用效率, 减少土壤氮损失[44]. 地膜覆盖（HPE、HSJ和BJ）处理提高了NAG活性, NAG活性的变化与收获期地膜破损度有关, 高湿高温环境促进了土壤碳分解与循环. ACP主要来源之一是细菌分泌物, 受细菌数量的影响[45], HPE和HSJ处理下ACP活性与细菌数量变化趋势一致, 分别降低了48%和51%, 但BJ处理下ACP活性降低, 与细菌数量变化不同, 这可能是BJ处理提高了土壤pH, 抑制了ACP活性.

地膜覆盖是调节土壤水分、肥力、气体和热量条件的重要措施之一[46]. 相较于不覆膜, 不同地膜覆盖（HPE、HSJ和BJ）在短期内通过改变水热条件, 调节土壤SOC、N、P和K等营养物质含量, 改变土壤结构, 丰富了细菌和真菌数量, 分别提高了土壤质量指数52%、36%和70%[47]. 与HPE处理相比, 全生物降解地膜在降解过程中不仅提高了微生物活性, 还消除了地膜残余对于土壤质量的不利影响. 不同的全生物降解地膜差异在于BJ处理的100%透光率并不抑制杂草, 为更多的植物和微生物提供生存条件, 改善了整个土壤环境, 所以BJ处理土壤质量最优.

3.3 不同地膜覆盖下土壤质量对大蒜产量和品质的影响

提升作物产量是地膜被广泛应用的主要原因. 与不覆膜处理相比, 地膜覆盖对于大蒜产量的影响主要体现在土壤小气候的变化. 地膜覆盖减少了土壤水分流失与蒸发, 提高了SOC积累与储存, 减少了土壤N、P、K元素流失, 从而提高作物生产力（图 8）. 良好的土壤质量使得大蒜能在不同发育期积累更多的干物质, 进而提高蒜头直径、单头质量和大蒜产量[48]. 本试验中大蒜淀粉含量与土壤质量指数为负相关（图 9）, 其原因可能是地膜覆盖会显著提前大蒜成熟期[48], 本试验中不同处理的大蒜一起收获时, 地膜处理中已成熟的大蒜鳞茎积累的淀粉又被重新消耗. 大蒜可溶性糖含量与土壤质量指数并无显著关系, 这可能是大蒜中可溶性糖主要由采收后大蒜鳞茎中淀粉水解而来[49], 由于大蒜采收后较短时间内只有少量淀粉水解成可溶性糖, 无法准确反映其与土壤质量之间的关系. 4种处理中大蒜产量和土壤质量指数显著相关, 与不覆膜相比, 覆盖地膜显著提高了大蒜产量与土壤质量. 虽然HPE处理土壤质量指数较HSJ处理提高了11%, 但大蒜产量指数较HSJ处理降低19%, 对于农业生产优势不强. 全生物降解地膜（BJ和HSJ）处理中, 大蒜产量和土壤质量差异源于地膜透光率. BJ处理较高的土壤质量指数并不只服务于大蒜生长, 而HSJ处理由于其长期避光环境, 可能抑制了杂草生长, 减少了作物生长中的养分竞争, 所以大蒜产量最高.

4 结论

本研究基于江苏省大蒜种植中常用的耕作模式——地膜覆盖, 探究了常规塑料膜（PE）与全生物降解膜（PBAT地膜和PBAT/秸秆地膜）对土壤质量与大蒜产量和品质的影响. 结果表明, 大蒜种植过程中地膜覆盖通过调节土壤理化性质和微生物数量, 直接影响土壤质量指数, 尤其是全生物降解地膜（HSJ和BJ处理）提升了土壤质量指数36%和70%, 进而提高了蒜头直径、大蒜鳞茎单头质量与大蒜产量. 与CK相比, HSJ处理下蒜头直径、鳞茎单头质量和大蒜产量分别提高了14%、46%和46%, 提高效果最明显. 相比不覆膜和HPE处理, HSJ和BJ处理同时提高了土壤质量指数和大蒜产量, 其中BJ处理土壤质量指数最优, 而HSJ处理大蒜产量最高. 本研究为地膜覆盖种植管理过程中地膜选择提供参考, 对土壤健康管护和农产品稳产保供具有重要意义.