PBAT全生物降解地膜在遼西半干旱區的降解及殘留特性

向午燕 馮 晨* 馮良山 劉 琪 張麗莉 白 偉 楊 寧 鄭家明 孫占祥

(1.遼寧省農業科學院 耕作栽培研究所， 沈陽 110161； 2.國家農業環境阜新觀測實驗站，遼寧 阜新 123100； 3.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所，北京 100081； 4.中國科學院 沈陽應用生態研究所， 沈陽 110016)

自20世紀70年代地膜覆蓋技術引入我國以來，因其具有增溫、保墑和增產等重要作用[1-4]，廣泛應用于旱作農業區[5-6]。由于農用地膜材料大部分是難以降解的聚乙烯[7-8]，隨著地膜的連年使用，越來越多的殘膜滯留于土壤中，造成了土壤板結、水肥運輸障礙、農事操作受阻以及作物減產等一系列問題[9-12]，因此，如何同時實現覆膜增產和減少殘膜污染已成為國內外學者關注的熱點。生物降解地膜因其具有可降解特性，能有效減少殘膜的污染危害，被認為是能夠解決“白色污染”問題的重要手段之一。由于生物降解地膜受作物種類和應用區域的氣候條件等因素影響較大[13]，其降解效果很難一概而論，為此，加強區域生物可降解地膜應用效果研究意義重大。

遼寧省是我國13個糧食主產省之一，春玉米種植面積每年穩定在200萬hm2以上，其中遼西地區種植面積和產量均占全省的75% 以上，對保障區域糧食安全起到至關重要的作用[14]。目前，有關該地區地膜應用方面的研究大多集中于產品研發，保墑增產效果，以及不同類型地膜篩選[4,15-17]等方面，應用生物降解地膜可以得到顯著的增溫、保墑和增產效果[17-18]，但有關該區域環境條件下生物降解地膜的降解過程和累積殘留特性尚未見報道。為此，本研究以國家農業環境阜新觀測實驗站為平臺，通過2年田間覆膜試驗，結合掃描電鏡(SEM)和傅里葉紅外光譜(FTIR)，分析PBAT全生物降解地膜(BPF)的降解及殘留指標，旨在明確全生物降解地膜在遼西半干旱區農田中的降解過程及殘留特性，以期為全生物降解地膜在該區域的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在遼寧省西北部的國家農業環境阜新觀測實驗站(遼寧省阜新市阜新蒙古族自治縣阜新鎮沙扎蘭村，42°06′ N、121°75′ E)進行，該地區屬溫帶季風大陸性氣候區，年平均氣溫7～8 ℃，5—9月日照時數1 200～1 300 h，10 ℃以上積溫2 900～3 400 ℃，無霜期135～165 d，年降水量300～500 mm，且降水變率較大，區域風蝕沙化嚴重，旱災頻繁，“十年九旱”是其基本氣候特征。

1.2 供試材料和試驗設計

1.2.1供試材料

供試農田前茬作物為玉米，本試驗開展之前未曾覆膜。農田土壤類型為褐土，試驗地土壤基本理化性質為：有機質14.8 g/kg，pH 6.03，全氮0.98 g/kg，礦質氮111 mg/kg，有效磷21 mg/kg，速效鉀75 mg/kg。

供試地膜包括2種，分別為普通PE地膜(CPF，寬900 mm，厚0.008 mm，遼寧省阜新市塑料彩印二廠)和PBAT(聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯)全生物降解地膜(BPF，寬900 mm，厚0.009 mm，巴斯夫(中國)有限公司)。

1.2.2試驗設計

地膜覆蓋試驗于2018—2019年進行，試驗處理包括普通PE地膜和PBAT全生物降解地膜覆蓋，地膜覆蓋方式為條帶覆蓋，覆蓋量為普通地膜4.6 kg/667 m2，全生物降解地膜6.7 kg/667 m2，試驗采用完全隨機設計，每個小區面積60 m2，每個處理3次重復。種植的玉米品種為‘鄭單958’，密度60 000 株/hm2，按當地常規操作，于2018和2019年春季進行旋耕滅茬，4月末覆膜和播種，9月末收獲。在玉米關鍵生育時期進行地膜田間降解情況觀察，并于次年播種前采集殘膜樣品。

1.3 測定項目和方法

1.3.1地膜田間降解過程觀測

為避免受外界干擾而影響地膜正常變化，覆膜后分別在玉米播種期、苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期選取小區中間壟作為觀察點進行降解地膜形態描述記錄，觀測2.0 m壟長、0.9 m壟寬面積的地膜的裂紋和裂縫(裂縫為地膜上出現開裂且開裂度<5 mm的破損，大裂縫則為≥5 mm的開裂和破損)。

1.3.2地膜表面形態及化學結構的測定

采用掃描電鏡(日本日立公司的SEM SU-8010)，對地膜表面的微觀結構變化進行觀察。化學結構采用全反射傅里葉變換紅外(Micro-ATR-FTIR)顯微鏡(德國布魯克有限公司生產的OPUS 7.5)，記錄每個地膜樣品的光譜，分析薄膜樣品的基團結構。每個樣品的FTIR光譜在4 000～600 cm-1范圍內，分辨率為4 cm-1。

1.3.3殘塊獲取及統計

分別于地膜覆蓋1和2年后，在各處理小區選取1 m2樣方，樣方選取在均勻地塊，避免邊行以及殘膜差別較大的地塊，具體先用鐵簽圍成1個1 m×1 m的正方形，然后向外擴展約10 cm，挖出深度約40 cm的“回”字形，“回”字中心部分即為取樣樣方，先取內部0～20 cm土層中所有殘膜，再取20～40 cm土層中殘膜，分別裝袋，之后將其帶回實驗室中清洗，清洗時應盡量去除附著在殘膜上的土，同時防止殘膜破裂，展開每個卷曲的殘膜，再進行0.5～1.0 h的浸泡，之后反復用清水沖洗，最大限度洗去殘膜上的泥土，洗凈后用濾紙吸干膜上水分，在陰涼干燥處自然晾干，直至多次稱量至恒重。再按不同土層深度以及不同規格(<4、4～25和>25 cm2)將地膜殘片進行分類并計數，個/m2；同時稱取殘膜總重，換算為單位面積殘留量，kg/hm2。

1.4 數據處理

所得數據采用Excel進行整理，紅外譜圖采用Origin 9進行作圖，其他均采用Excel作圖，使用SPSS 20.0(ANOVA)進行數據分析，處理間差異用LSD檢驗法(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同地膜的田間降解過程

由表1可知，2種地膜在覆蓋初期膜面完好無損；到苗期，普通地膜(CPF)表面未見明顯變化，全生物降解地膜(BPF)膜面完整，表面見少量機械破損，并開始出現裂紋和孔洞，約8～12個/m2；拔節期普通地膜仍無明顯變化，全生物降解地膜膜面變脆，裂紋數>30個/m2，且出現大的裂縫，進入破裂期；玉米進入抽雄期之后，普通地膜(CPF)膜面完整，只是表面有細小機械損傷，而降解膜膜面強度明顯下降，出現大范圍降解，產生降解碎片，進入崩解期；之后灌漿期—成熟期，BPF進一步降解，且部分地膜已降解為肉眼不可見，而普通PE地膜僅表面有細小機械損傷。因此，從田間實際觀察效果來看，全生物降解地膜從苗期(40 d左右)就開始出現降解，普通地膜未見明顯變化。

表1 不同地膜地表覆蓋部分降解過程及形態描述Table 1 Degradation process and morphological description of different plastic films

2.2 不同地膜的累積殘留特性

由圖1和圖2可知，覆蓋1年后，CPF在0～20 cm土層中<4、4～25和>25 cm2規格殘片的數量分別為144、8和1片/m2，BPF的3種規格殘片數量分別為185、19和0片/m2；>20～40 cm土層中，2種地膜的各規格殘片數量均比0～20 cm土層中少(<20片/m2)。覆蓋2年后，各規格殘片數量均比1年有所增加，其中，CPF殘片總數量增加80%，但BPF殘片增加輻度較小，殘片總數量增加21%，<4 cm2殘片僅增加3.4%。與覆蓋1年的結果相似，覆蓋2年的>20～40 cm土層中各規格殘片數量均比0～20 cm土層中少，見圖2。由此可見，2種地膜殘膜數量均隨著覆膜年限的增加而增加，其中，普通地膜殘片更易于累積留存于土壤中，全生物降解地膜因其具有可降解性，殘膜隨年限增加較少；各處理殘膜多集中于0～20 cm土層，且以中(4～25 cm2)和小(<4 cm2)規模殘片為主。

由表2可知，覆蓋1年后，CPF處理0～20 cm各規格殘片重量占殘膜總重比例分別為69.4%、25.3%和5.3%，>20～40 cm土層各規格殘片重量比例分別為84.3%、15.7%和0%。BPF處理0～20 cm各規格殘片重量比例分別為70.5%、29.5%和0%；>20～40 cm土層中殘片重量比例分別為100%、0%和0%。覆蓋2年后，CPF處理0～20 cm各規格殘片重量比例變為49.3%、34.6%和16.1%，>20～40 cm土層中各規格殘片重量比例分別為31.6%、34.1%和34.2%；BPF處理0～20 cm土層各規格殘片重量比例分別為52.2%、36.1%和11.7%，>20～40 cm土層殘片重量比例分別為82.9%、17.1%和0%。由此可見，與殘片數量情況一致，殘片重量也多集中于中小規格，且表層土壤中殘膜總重遠高于深層土壤。但隨著覆膜年限的增加，深層土壤中殘膜占總殘膜量的比例有所上升，其中CPF處理上升4.2個百分點，BPF處理上升0.8個百分點。

不同大寫字母表示不同地膜處理之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同殘片規格之間差異顯著(P<0.05)。下同。 Different capital letters indicate significant difference among different plastic film treatments at 0.05 level; different lowerase letters indicate significant difference among different residual size at 0.05 level. The same below.圖1 CPF和BPF覆蓋1年后0～20(a)和>20～40 cm(b)土層中不同規格殘片數量Fig.1 The number of debris of CPF and BPF in 0-20 (a) and >20-40 cm (b) soil layer for 1 year mulching

圖2 CPF和BPF覆蓋2年后0～20(a)和>20～40 cm(b)土層中不同規格殘片數量Fig.2 The number of debris of CPF and BPF in 0-20 (a) and >20-40 cm (b) soil layer for 2 years mulching

經折算，在0～20 cm土層中，覆蓋1和2年后，普通地膜殘留量分別為27.7和73.6 kg/hm2，殘塊可達153萬和277萬片/hm2，全生物降解地膜殘留量分別為39.3和57.6 kg/hm2，殘塊可達204萬和236萬片/hm2。隨著覆蓋年限增加，普通地膜和全生物降解地膜地表殘膜累積量分別增加165%和47%。

表2 各處理地膜不同規格殘片重量Table 2 Weight of residual pieces of different plastic films in each size g

2.3 殘膜膜面微觀形態和化學結構變化

由圖3可知，普通地膜(CPF)和全生物降解地膜(BPF)的新膜表面均較為平滑，均勻致密，相容性較好；而不同類型殘膜在不同土層變化程度各有不同。在0～20和>20～40 cm土層中，普通地膜殘膜表面均沾有少量外源物質，發生了一些老化，但總體來說普通地膜使用前后無明顯變化。而0～20和>20～40 cm土層中的全生物降解地膜殘膜均發生老化和降解現象，殘膜表面粗糙，裂紋很多，出現分層。尤其0～20 cm土層中殘膜表面出現大量分層和孔洞，厚度不均，有片狀物質，直徑大部分在 0.1～0.5 μm。掃描電鏡結果表明，全生物降解地膜在田間覆蓋后出現了降解，且0～20 cm土層中殘膜降解程度較大，而普通PE地膜前后無明顯變化，這也與2種地膜的田間觀測效果相一致。

由圖4可知，普通地膜(CPF)在2 915、2 850、1 471 和720 cm-1處存在4個特征吸收峰。而全生物降解地膜是以PBAT為主要原料，紅外光譜圖中1 450 cm-1處的苯環特征峰(-C6H4-)、1 750～1 675 cm-1處的羰基特征峰(-C=O)以及 2 956 cm-1處的-CH2-振動峰均為PBAT的特征峰。使用前后的紅外光譜分析可以看出，普通地膜新膜和殘膜在結構上并無變化，而全生物降解地膜羰基吸收峰變強(1 750～1 675 cm-1)，這可能是全生物降解地膜中的酯鍵發生斷裂形成羰基，地膜在微生物的作用下引發水解作用，最后導致分子鏈的斷裂，地膜發生降解，紅外光譜結果也印證了田間觀測及掃描電鏡結果。

圖3 普通地膜(CPF)和PBAT全生物降解地膜(BPF)新膜和不同土層殘膜掃描電鏡(SEM)圖像Fig.3 Scanning electron microscopy (SEM) of conventional plastic film (CPF) and biodegradable film (BPF) for new film and film residue in different soil layers

圖4 普通地膜(CPF) 和PBAT全生物降解膜(BPF)的新膜和殘膜的傅里葉紅外譜Fig.4 FTIR spectrum of new films and residual for conventional film (CPF) and biodegradable film (BPF)

3 討 論

3.1 全生物降解地膜的降解過程

適宜的可降解地膜應在兼具PE地膜(CPF)的增產和增溫保水效果的同時兼具自然降解作用。然而，由于降解地膜的性質受作物、地膜材料和環境因素影響較大[19-22]，導致其降解性能和殘留情況很難一概而論，因此，加強不同區域可降解地膜降解特性研究意義重大。何文清等[13]研究表明，生物降解地膜在覆膜30 d左右就開始出現裂縫和裂口，且膜面顏色和韌性均發生變化。曲萍等[23]發現在覆蓋28 d 后PBAT全生物降解地膜抗張強度和斷裂伸長率已下降59.3%和68.8%。本研究中供試的PBAT全生物降解地膜從苗期(40 d左右)開始出現降解，到玉米拔節期地膜降解進入破裂期，抽穗之后地膜降解進入崩解階段，降解開始時間有所延遲可能與當地半干旱氣候以及春季冷涼有關。

3.2 不同地膜的殘留特性

由于不同地區地膜的使用量及使用方式的不同，土壤中的農用地膜殘留量也存在顯著差異，對西北、西南和華北典型覆膜農區進行取樣，發現土壤中殘膜量為71.9～208.5 kg/hm2[24]，且隨著地膜覆蓋年限的增加，地膜殘留量也隨之增加。本研究也得出了相似結論，普通地膜覆蓋1和2年后在0～20 cm 土層的殘留量分別為27.7和73.6 kg/hm2，全生物降解地膜殘留量分別為39.3和57.6 kg/hm2；即普通地膜和全生物降解地膜覆蓋2年后的殘膜累積量分別較使用1年增加165%和47%。與之相應，普通地膜殘塊總數量增加80%，全生物降解地膜殘塊數量增加21%。本研究中，普通地膜使用2年的殘留重量高于使用1年的2倍多，可能主要因為在遼西半干旱區春秋季節風蝕現象嚴重，很多地表殘膜會被吹走，這也是當地未覆膜農田也會發現地膜殘塊的原因，而這種殘膜的損失與氣象因素(如風力和降水等)關系很大，因此雖然每年地膜投入量一定，但次年殘留量卻無法精確掌控，很可能出現殘留量比前一年高出2倍多的情況。而全生物降解地膜的殘膜增加率遠低于普通地膜，主要是因為其較高的可降解性，掃描電鏡和傅里葉紅外光譜分析結果也證明了這一點。

此外，本研究中殘膜分布表現為隨土層加深殘留量減少，這也與前人的研究結果相一致。嚴昌榮等[9]調查發現殘膜主要集中在土壤表層，0～10、>10～20和>20～30 cm土層殘膜分配比例分別為>50%、10%～40%和<10%；蔡金洲等[25]調查發現，南方的平原地區殘膜主要集中在0～20 cm土層，約占耕作層殘膜總量的78.9%。另一方面，本研究中隨著覆膜年限的增加，深層土壤中殘膜所占比例也有一定程度的增加。其中在>20～40 cm土層中普通地膜殘膜占總殘膜量比例由8.2%增加至12.4%，全生物降解地膜由2.9%增加至3.7%。這可能是由于表層土壤中影響殘膜分布的因素(如播種、旋耕和翻土等)較多，而深層土壤中影響殘膜變化的因素較少，殘膜所處環境相對穩定，殘膜變化趨勢表現逐漸積累，最終造成深層土壤中殘膜的比例增加，劉建國等[26]也得出了相似的結果。

總體上，隨著覆蓋年限的增加，全生物降解地膜殘膜(殘塊數和殘膜重)增長率遠遠小于普通地膜，說明與普通地膜相比，全生物降解地膜具有減少農田殘留，解決區域白色污染問題的潛力。本試驗側重全生物降解地膜在遼西地區農田中的降解過程和殘留情況，未對地膜降解動態變化進行機理研究，后續需就地膜降解影響因子，如，水、溫和微生物等方面做進一步降解機理方面的深入探討。

4 結 論

在遼西半干旱區春玉米生產中，PBAT全生物降解地膜從第40天左右開始出現降解，拔節時地膜降解進入破裂期，抽穗后進入崩解期；隨著地膜覆蓋年限的增加，殘膜量也隨之增加，普通地膜和全生物降解地膜表層殘膜累積量分別增加165%和47%，殘塊總數分別增加80%和21%。2種地膜殘留量均隨土層加深而減少，伴隨覆膜年限增加，深層土壤中殘膜占總殘膜量比例呈增加趨勢，普通地膜比例由8.2%增至12.4%，但全生物降解地膜僅由2.9%增至3.7%。覆蓋2年后，表層土壤中普通地膜和全生物降解地膜的殘片數分別為277萬和236萬片/hm2，殘膜質量分別為73.6和 57.6 kg/hm2，與普通地膜相比，PBAT全生物降解地膜可有效減少農田殘膜累積，以其替代普通地膜應用于遼西半干旱區玉米覆蓋栽培具有可行性。