四種可降解地膜降解特性的比較研究

溫善菊 伍維模* 戰 勇 魏建軍 彭杰 支金虎

(1 塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾843300)

(2 新疆農墾科學院作物所，新疆石河子832000)

我國地膜技術開發和覆蓋地膜的使用是在上世紀70年代開始的，雖然比發達國家遲了20年，但發展速度很快，目前地膜覆蓋面積已居世界第一位，農用地膜的使用量每年達到100萬噸以上，并正在繼續以較高的速度發展，鄭連真等對地膜棉高產優質目標管理提出了一系列的綜合配套措施[1]。但是使用地膜在給社會帶來巨大的經濟效益的同時，也帶來了嚴重的“白色污染”[2]，地膜覆蓋栽培技術日臻完善的同時必須解決好殘膜污染問題，以使地膜栽培的所有功能能充分的發揮，從而在更大的空間改善棉花生產條件，提高棉花產量[3]。

為了解決普通地膜造成的“白色污染”問題，20世紀70年代科學家提出了降解塑料概念[4]。使用可降解地膜是解決“白色污染”的有效途徑[5]。降解地膜的降解主要包括生物降解、光降解和化學降解，這3種主要降解過程相互間具有增效、協同和連貫作用[6]。而現在研究較多的有光降解地膜、生物降解地膜、光/生物降解地膜[7]。

可降解地膜的降解性能主要取決于聚合物的結構，又受環境條件如光照、溫度、濕度、降雨等氣象因子以及土壤生物活性的影響，而這些因子之間還相互作用，因此降解過程非常復雜。本實驗通過對4種不同可降解地膜在室內的光解和田間生物降解試驗，了解不同地膜的降解特性，為生產應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 可降解地膜

分別由國內三家可降解地膜研制單位提供了4種可降解地膜，即X－1#、B－1#、B－2#和B－4#作為供試材料?？山到獾啬さ姆N類及誘導期(自覆膜日到第一個裂開出現的時間)[8]如表1所示:

1.1.2 供試土壤

土樣采集地點及時間:林灌草甸土(地點:南口農場棉花地、時間:2008年9月)。亞高山草甸土(地點:溫宿縣博孜敦煤礦、時間:2008年6月)

1.2 光解實驗設計

使用自制的3個紫外線人工加速老化實驗箱(長2.4 m，寬1.2 m，高0.4 m，安裝6只燈管，每只40 W)來開展試驗。底部放置受試膜，進行人工加速光降解實驗。薄膜裁成大小一致的方形條(長42 cm，寬33 cm)。薄膜與燈管距離20 cm，分布在膜架中央向兩邊45 cm有效光區內，箱內溫度(35±3)℃。分別1天、2天、……、15天。測定膜的失重率，比較光照同可降解地膜的降解率的關系。

失重率P(%)=(照射前的重量－照射后的重量)/照射前的重量×100%

1.3 生物降解實驗設計

參照Jakubowicz[9－10]等進行了堆肥條件下的生物降解實驗并進行改進。將風干林灌草甸土、森林土壤兩種土壤樣品過0.154 mm分樣篩，然后稱取30克放入棕色瓶中。把土壤與可降解地膜樣品放入培養瓶內，同時放入CO2吸收劑(KOH)，然后將培養瓶密封置于20℃恒溫箱內進行培養。樣品中的有機物經過生物降解作用產生的二氧化碳氣體被KOH吸收，然后用0.1 mol/L的稀鹽酸進行滴定，進而得到CO2的釋放量，用產生的CO2的量來評價可降解地膜的降解性。

1.4 測試項目及方法

紅外光譜分析:Nicolet公司MAG NA—IR750型紅外光譜儀進行測試可降解地膜的紅外圖譜，通過圖譜特征分析期降解特性[11]。

掃描電鏡分析:可降解地膜試樣用雙面膠粘在載玻片后噴碳，用掃描電子顯微鏡觀察其形貌，并分析其降解特性[12]。

2 結果分析

2.1 不同可降解地膜光降解特性測定結果

2.1.1 可降解地膜隨光照時間失重率變化分析

圖1 四種地膜降解率隨時間變化的比較

從圖1中可以看出，4種不同可降解隨著紫外燈照射時間的延長，其失重率在不斷增加。圖中圖形的寬度越寬表示該種膜在該天的降解率越大，在相同紫外光照射的條件下，到達15天的時候，降解速率最快的是北京1號，它的失重率均達達到9%以上，最低的為北京4號，僅僅為5%，從以上規律中可以得出，在紫外光的照射下，各種不同地膜的降解速率有很大的差別。可降解膜在紫外光條件下均可使其分解為小分子的化合物，由于各種地膜的主要成分不同，其降解速率亦不同，所以，紫外光對農業地膜的光降解起著重要的作用。

2.1.2 紫外線照射條件下可降解地膜紅外光譜的分析

從紅外光譜中可以看出，在陜西膜X－1#的整個光譜譜帶范圍內的吸收峰變化相對于其他的可降解地膜較小，這是因為陜西膜是全生物降解地膜，在紫外光的照射下其降解速率是最慢的，說明在光照條件下只有添加有光敏劑的可降解地膜才能發生明顯的降解。

其他各種可降解地膜在紫外光照的作用下均發生了很大的變化，分析各吸收峰的頻譜位置可以得出降解產物主要是醛、酮、酸、酯和氫過氧化物。從北京的幾種可降解膜的光譜圖中可以看出，B－2#在1 500－2 500的波段內無明顯的的吸收峰，而B－1#在1 718.45處則有一明顯得吸收峰，說明羰基或雙鍵發生斷裂，B－4#在1 500－2 500中則預后很多小的吸收峰，應該處于該位置的C=O鍵的醛和酮的官能團發生變化，這說明了誘導期為120天的可降解地膜B－2#中的很多官能團還未發生斷裂，因此，還未進入完全降解階段。誘導期為80天的B－1#則有明顯化學鍵的斷裂，說明經紫外光照后，誘導期比較短的可降解地膜已經發生了明顯的降解。2.1.3紫外線照射條件下可降解地膜的電鏡分析

從電鏡掃描圖片(圖6－9)可以看出，經過紫外線照射后，4種可降解地膜都出現不同程度的裂解，但裂解的形式不同。B－1#的降解程度最大，表面成放射狀裂痕，并出現大面積凹陷;B－2#表面雖出現大面積凹陷;B－1#的表面只有少量的破裂面;X－1#表面僅僅出現了一些凸凹不平的顆粒狀的東西。

圖2 樣品名稱:B－2#紫外線照射時間;15天

圖3 樣品名稱:B－1#紫外光照時間:15天

圖4 樣品名稱B－4#紫外光照時間:15天

圖5 樣品名稱:X－1#紫外線照射時間:15天

從下面幾種可降解地膜的電鏡圖片可以看出，不同誘導期的北京地膜的降解情況為:B－1#的降解程度最大，其次為B－2#，最后為B－4#，B－4#的表面只有少量的破裂面，而B－2#和B－1#則有很大程度的破裂，表面及其不平并有很多空洞。說明，在經紫外光照射后，B－4#和B－1#的降解程度較大。這和它的誘導期有很大的關系。對于陜西的全生物降解地膜的降解程度最不明顯，表面僅僅出現了一些凸凹不平的顆粒狀的東西。證明已經進入降解時期。

圖6 B－2#紫外光照射15天后電鏡照片

圖7 B－4#紫外光照射15天后電鏡圖片

圖8 B－1#紫外光照射15天后電鏡圖片

圖9 X－1#紫外光照射15天后電鏡圖片

2.2 不同可降解地膜生物降解特性測定結果

2.2.1 可降解地膜在亞高山草甸土壤中CO2釋放量測定結果

圖10 亞高山草甸土壤中不同地膜CO2累積量

圖11 林灌草甸土壤中不同地膜CO2累積量

由圖10中我們可以看出，在亞高山草甸土壤中，陜西X－1#CO2的累積釋放量較其他三種可降解地膜有明顯的差異，X－1#的CO2釋放量隨培養時間的增加而持續增加的，到十四周以后遞增趨勢變緩，說明X－1#膜十四周后釋放的CO2量越來越少，降解速率越來越慢，這也恰恰說明了X－1#地膜以生物降解為主，其他地膜以光降解為主。其他的各種可降解地膜CO2累積量均無明顯上升趨勢。

2.2.2 可降解地膜在林灌草甸土壤中CO2釋放量測定結果

由圖11中我們可以看出，在林灌草甸土壤中，X－1#膜的CO2累積釋放量隨時間的增加有明顯的遞增趨勢，其他的三種可降解地膜CO2累積釋放量都不是很明顯。說明X－1#在林灌草甸土中生物降解較顯著。

3 結論與討論

3.1 通過對可降解地膜失重率的分析

地膜的失重率隨光照的強度和時間的增加而增加。隨著紫外光照時間和強度的增加，地膜的降解幅度逐漸變大。各種地膜的降解率不同是由于其主要成分不同，進而影響著它在降解過程中的降解速率。同樣條件下，B－1#降解性能較好些，這與它的誘導期有直接的關系。

3.2 通過紅外光譜分析、電鏡圖片分析

由于受紫外光照射的作用，地膜表面受到破壞，使之發生降解，其結果為地膜宏觀強度降低，表面凹凸不平，表面積增大，其整體結構受到破壞。地膜的內部結構變得愈來愈蓬松，強度明顯下降，直至完全喪失強度，從而易于碎裂，最終導致地膜碎裂為小塊殘膜。降解過程未發現雜物，質量卻減輕，說明降解中產生了二氧化碳和水等。地膜降解過程大致為:小洞、邊緣破裂、變薄、降解，并且隨著光照時間的增加，薄膜樣品的質量減少百分比都逐漸增加。

3.3 生物降解實驗結果表明

在4種可降解膜中，不管是亞高山草甸土或是林灌草甸土，陜西膜X－1#的CO2的累積釋放量均明顯高于其他幾種可降解地膜，說明了X－1#的生物降解速率均高于其他幾種可降解地膜。

[1] 鄭連真，楊慶年，朱維.地膜棉高產優質目標管理的綜合配套措施[J] .塔里木農墾大學學報，1998，10(1):56－59.

[2] 王獻志，盛祝梅，葉國民，高桂.農田農地膜殘留污染現狀及對策[J] .安徽農業科學，2003(2):330－331.

[3] 支金虎，鄭德明，朱友娟.殘膜污染對棉花生產的影響及其治理[J] .塔里木大學學報.2007，19(3):66－70.

[4] 楊惠娣.塑料農膜與生態環境保護[M] .北京:化學工業出版社，2000:120－121.

[5] 胡曉蘭，梁國正.生物降解高分子材料研究進展[J] .化工新型材料，2002(3):7－10.

[6] 周藝峰，聶王焰，沙鴻飛.降解性聚乙烯地膜降解過程中力學性能和化學結構的變化[J] .高分子材料科學與工程，2000(4):79－81.

[7] 張文群，金維線，孫昭容，等.降解膜殘片與土壤耕層水分運動[J] 土壤肥料.1994，3:12－15.

[8] 南殿杰，解紅娥，李燕娥，等.覆蓋光解地膜對土壤污染及棉花生育的影響[J] 棉花學報1994，6(2):103－108.

[9] Jakubowicz I.Evaluation of Degradability of Biodegradable Po—lyethylene[J.Polym Degrad Stabil，2003，8 0(1):39－43.

[10] Shimao M.Biodegradation of Plastics[J] .Curt OpIin Biotech，2001，12(3):242－247.

[11] 劉宏偉，孫建平，惠春，徐愛蘭.紫外光照下ZnO基薄膜的光電和氣敏特性研究[J] .電子元件與材料，2005(4):13－15.

[12] 朱常英，由英才，寇小娣，徐家毅.含淀粉生物降解型塑料[J] .離子交換與吸附，2000(2):182－187.