內蒙古陰山北麓馬鈴薯應用PBAT/PLA全生物降解地膜可行性分析

武巖，靳拓，王躍飛，賀鵬程，羅軍，劉宏金?，張雷?，郭曉宇，陳瑞英

1. 內蒙古農牧業生態與資源保護中心，內蒙古 呼和浩特 010010；2. 農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100000；3. 烏蘭察布市農業技術推廣站，內蒙古 烏蘭察布 012000；4. 四子王旗農業技術推廣站，內蒙古 四子王旗 011800

內蒙古自20世紀70年代開始大面積推廣使用地膜，90年代初期全區地膜用量5700 t，2010年達到了4.82×104t，20年間全區地膜用量增加了7.5倍（白云龍等，2015），2019年內蒙古地膜用量更是達到8.08×104t（國家統計局農村社會經濟調查司，2020）。在推廣新國標地膜前，中國農用地膜厚度較薄（0.004—0.008 mm），在土壤中極易破碎，回收困難，加之破碎殘膜分子結構（LLDPE或LDPE）穩定，導致殘膜在土壤中不斷累積，對生態環境造成了不利影響。內蒙古陰山北麓作為內蒙古馬鈴薯主產區，隨著其種植面積逐漸擴大，地膜用量不斷增加，農田殘膜污染問題日益突顯，給農業生產和生態環境造成了嚴重危害（Steinmetz et al.，2016；Gao et al.，2019；嚴昌榮等，2014），應用全生物降解地膜成為解決農田殘膜污染、保障作物產量的重要途徑（馬明生等，2020；蘇海英等，2020）。

目前，全生物降解地膜主要類型有3種，分別是以生物降解聚合物為材料的PLA型降解地膜、以石油脂肪族共聚物為基質的 PBAT型降解地膜和PBAT、PLA共混制得的PBAT/PLA型降解地膜。PBAT/PLA全生物降解地膜可以使 PLA和 PBAT各自的缺陷得到互補，具備較好的機械性能、拉伸強度、優良的延展性和較快的降解速度，被廣泛應用（Palsikowski et al.，2017；Rocha et al.，2018；Shankar et al.，2018）。PBAT/PLA材料全生物降解地膜主要成分包括聚己二酸對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT)、聚乳酸（PLA）、聚己內酯（PCL)、聚羥基丁酸酯（PHB）等聚酯類物質，這些高聚物分子可在土壤微生物的作用下完全降解為水和二氧化碳（嚴昌榮等，2016；曲萍等，2017）。近幾年，國內外對全生物降解地膜降解特性及其在玉米、棉花、向日葵、馬鈴薯等作物應用方面進行了大量研究，研究表明全生物降解地膜在減緩農田殘膜污染、土壤增溫保墑、提高作物產量方面具有顯著作用（Cozzolino et al.，2020；Giordano et al.，2020；張妮等，2016；鄧方寧等，2020）。由于不同全生物降解地膜原料組成和生產工藝存在差異，各地區覆膜方式、作物種類、田間管理方式和自然資源條件不同，導致全生物降解地膜降解特征及對作物的增產效果也不盡相同（Wang et al.，2019a；Wang et al.，2019b；Giordano et al.，2020；鄧方寧等，2020）。前人多以當季作物生育期內降解地膜降解特征進行研究，在作物收獲后降解地膜不能完全分解，針對全過程的降解特征研究還少見報道（Wang et al.，2019a；Giordano et al.，2020；張妮等，2016；鄧方寧等，2020）。因此，本研究以馬鈴薯為研究對象，在內蒙古陰山北麓開展以 PBAT/PLA為原料的全生物降解地膜覆膜栽培試驗與降解地膜填埋試驗，研究分析全生物降解地膜全過程降解特征及其對馬鈴薯產量及經濟效益的影響，為同類地區馬鈴薯種植推廣應用全生物降解地膜提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于內蒙古自治區烏蘭察布市四子王旗忽雞圖鄉麻黃洼二隊村（41°66′N，111°79′E），海拔1300 m，屬溫帶大陸性季風氣候，晝夜溫差大，年均氣溫2—5 ℃，全年≥10 ℃有效積溫2400 ℃，無霜期為110 d左右；區域內干旱少雨，年均降雨量在300 mm左右，主要集中在7—9月。供試土壤（0—20 cm）的基本理化性質為pH 8.5，有機質15.1 g·kg?1，全氮 0.67 g·kg?1，堿解氮 50 mg·kg?1，有效磷 10.2 mg·kg?1，速效鉀 160 mg·kg?1。

1.2 試驗材料

選用的3種PBAT/PLA型全生物降解地膜參數見表1。

表1 供試地膜基本情況Table 1 The information of test mulch film

1.3 試驗設計

本研究分別設置了作物覆膜栽培試驗和降解地膜填埋試驗，其中作物覆膜栽培試驗用于觀測作物生育期內全生物降解地膜降解情況及降解強度，至作物收獲后停止觀測；降解地膜填埋試驗在當季作物收獲后定期監測全生物降解地膜降解強度，至降解地膜完全分解后結束監測。

1.3.1 作物覆膜栽培試驗

試驗于2019年5—9月、2020年5—9月進行，供試作物為馬鈴薯，品種為夏坡蒂。采用半高壟膜下滴灌種植方式，大行距90 cm，小行距40 cm，株距33 cm，每公頃保苗45000株，播種時施肥、鋪膜、鋪設滴灌帶。試驗共設5個處理，具體為：（1）上海弘睿全生物降解地膜，F1；（2）巴斯夫全生物降解地膜，F2；（3）蘭州鑫銀環全生物降解地膜，F3；（4）普通聚乙烯塑料（PE）地膜，CK；（5）露地種植作物（不覆膜），OF。每個處理3次重復，共15個小區，隨機排列，小區面積約300 m2，各小區間以土壟分隔。

田間管理：播種施羊糞肥7.5 t·hm?2、施達利生物有機肥1.2 t·hm?2作基肥；施配方肥（13-17-15）150 kg·hm?2、磷酸二銨 150 kg·hm?2、硫酸鉀鎂 150 kg·hm?2作種肥。在生育期共進行2次中耕培土、3次病害防治、6次追肥和9次灌水，追肥結合灌水進行，全生育期共追施尿素300 kg·hm?2、硝酸鉀150 kg·hm?2、硫酸鉀 150 kg·hm?2、農季高液體肥 300 kg·hm?2，9月中旬測產，所有處理田間管理一致。

1.3.2 降解地膜填埋試驗

試驗于2019年5月和2020年5月開展，采用單因素隨機區組設計，共設3個全生物降解地膜處理和1個普通PE地膜處理，編號與作物覆膜栽培試驗一致。每個處理設180、365、540、730 d等4個觀察期，每個觀察期設3次重復，共48個小區隨機排列。將3種全生物降解地膜和1種普通PE地膜裁剪成40 cm×30 cm大小，裝入20目防蟲網袋中，埋在長50 cm、寬50 cm、深10 cm的坑內，回填挖出的全部土壤。降解地膜填埋試驗區域的覆膜、田間管理與作物覆膜栽培區相同。

1.4 樣品的采集及測定項目

1.4.1 土壤樣品的采集與監測

1.4.1.1 土壤溫度（作物覆膜栽培試驗區）

在馬鈴薯種植覆膜后，將 HOBO water Temp Prov 2溫度記錄儀埋設在10 cm土層處，每60 min記錄一次土壤溫度，每天土壤溫度以24 h平均土壤溫度為準。5個處理3次重復，共埋置15個土壤溫度記錄儀，在馬鈴薯收獲前統一回收。

1.4.1.2 土壤水分（作物覆膜栽培試驗區）

在每次滴灌后，用直徑5 cm土鉆多點采集0—10 cm土層土樣，用烘干法測定土壤含水量，每次滴灌后連續采集7 d。

1.4.2 地膜樣品的采集與監測

1.4.2.1 地膜保墑性能（作物覆膜栽培試驗區）

采用 Labthink C360H水蒸氣透過率測試儀測試，測試精度為 0.01 g·m?2·24 h?1。共 5 個地膜處理，3次重復，每個重復做10次測試，取其平均值為該地膜處理的水蒸氣透過率。

1.4.2.2 地膜降解情況（作物覆膜栽培試驗區）

在覆膜后0—30 d，每10天觀測1次；覆膜后30—40 d，每5天觀測1次；覆膜后41 d起，每3天觀測1次，至誘導期結束；以后每10天觀測1次，至當季作物收獲后停止觀測。分別記錄各地膜處理達到誘導期、開裂期、大裂期、碎裂期和無膜期的準確時間，并拍照記錄。地膜降解階段分級指標參照楊惠娣等（1996）的方法，詳見表2。

表2 降解地膜降解階段分級標準Table 2 Grading standard for degradation stage of biodegradable mulching film

1.4.2.3 地膜降解強度

（1）作物覆膜栽培試驗區取樣

在每個覆膜小區隨機選取 3個相同面積覆膜段，使用20目透明紗網罩住地膜，在覆膜后60、90、120 d取不同處理地膜樣品各3塊。

（2）降解地膜填埋試驗區取樣

在地膜埋土后180、365、540、730 d取出樣品。

（3）地膜降解率

將各地膜處理裁剪出10塊40 cm×30 cm的膜片，用萬分之一天平稱質量后取平均值作為基準值（m0）。將上述樣品在室內用超聲波清洗儀漂洗，室內自然風干，用萬分之一天平稱質量（m1），分別計算地膜降解率（申麗霞等，2012），地膜降解率（D）公式為：

1.4.3 作物樣品采集與監測

1.4.3.1 作物產量（作物覆膜栽培試驗區）

在馬鈴薯成熟后，分小區進行測產，每個小區取樣面積為10 m2，測定馬鈴薯重量。

1.4.3.2 經濟效益（作物覆膜栽培試驗區）

根據馬鈴薯當年本地市價，分處理計算其經濟效益，計算公式如下：

式中：

Pn——純利潤；

Y——馬鈴薯產量；

Pm——馬鈴薯市價；

I——投入；

A——農資投入；

R——租地人工投入；

P——地膜回收投入。

1.5 數據分析

數據運用 Microsoft Excel 2010軟件和 SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果分析

2.1 不同地膜對土壤溫度的影響

如圖1所示，2019、2020年不同地膜覆蓋下土壤溫度變化趨勢基本一致，表現為 5—6月土壤溫度升高，7—8月達到馬鈴薯生育期土壤溫度峰值，9月降至較低水平。不同處理間土壤溫度有明顯差異，在馬鈴薯發芽、幼苗期（5—6月）以OF處理土壤溫度最低，處于10.53—21.20 ℃范圍內，各降解地膜處理和普通地膜土壤溫度差異較小，處于11.5—23.03 ℃范圍；由表3可知，在此階段，所有覆膜處理平均土壤溫度均顯著高于 OF處理（P<0.05），各降解地膜平均土壤溫度未與CK形成顯著差異（P>0.05）。馬鈴薯塊莖形成和增大期（7—8月中旬）表現為CK和OF處理土壤溫度較高，土壤溫度保持在18.62—25.32 ℃，各降解地膜處理土壤溫度有所降低，處于17.62—24.58 ℃范圍；2019年各降解地膜處理平均土壤溫度均低于 CK和 OF處理，未形成顯著差異（P>0.05）；2020年F1和F2處理平均土壤溫度顯著低于 CK和 OF處理（P<0.05）（表3）。當馬鈴薯進入淀粉積累期和休眠期（8月中旬至收獲），各處理土壤溫度均呈降低趨勢，處理間無顯著差異（P>0.05），處于 10.44—18.75 ℃范圍。

圖1 不同地膜覆蓋下土壤溫度變化動態Fig. 1 Dynamic change of soil temperature under different mulching films

表3 不同全生物降解地膜對馬鈴薯不同生育期平均土壤溫度的影響Table 3 Effects of different biodegradable plastic films on average soil temperature in different growth periods of potato

總體來看，覆膜可顯著提高馬鈴薯發芽、出苗期平均土壤溫度，各降解地膜表現出了在馬鈴薯發芽、幼苗期的增溫效果和在馬鈴薯塊莖形成、增大期降低土壤溫度的特點。

2.2 不同地膜的保墑性能

3種降解地膜透濕率顯著高于普通 PE地膜（P<0.05），其中以 F3 處理最高，約為 210 g·m?2·24 h?1，與F1和F2處理差異顯著（P<0.05）（圖2）。雖然3種降解地膜透濕率顯著高于普通 PE地膜，但均符合《GB/T 35795—2017全生物降解農膜地面覆蓋薄膜》標準中透濕率小于 800 g·m?2·24 h?1的要求。如圖3所示，不同處理作物生育期平均土壤含水量差異顯著（P<0.05），在馬鈴薯發芽與幼苗期（5—6月）各覆膜處理平均土壤含水量顯著高于裸地處理（P<0.05），各降解地膜處理具有一定的保水性能；當馬鈴薯進入塊莖形成與增大期（7—8月中旬），降解地膜逐漸分解，2019年 3種降解地膜處理和2020年F1、F3處理平均土壤含水量顯著低于CK處理（P<0.05）；隨著降雨和滴灌次數逐漸減少，在馬鈴薯進入淀粉積累與休眠期，各降解地膜處理平均土壤含水量與CK和OF處理均未形成顯著差異（P>0.05）。

圖2 各地膜處理透水性能Fig. 2 Characteristics of water permeability for different mulching film

圖3 不同生育期平均土壤含水量Fig. 3 Average soil water content in different growth periods

2.3 不同地膜降解情況

作物覆膜栽培區不同地膜處理降解情況差異明顯（圖4）。F1、F2處理于覆膜后42—56 d進入誘導期、56—74 d進入開裂期、79—101 d進入大裂期，至作物收獲前進入破碎期。F3處理于覆膜后68—84 d進入誘導期，2019年至作物收獲前一直處于誘導期，2020年分別于覆膜后86、105 d進入開裂期和大裂期。CK處理在兩年觀測中均未出現降解情況。不同地膜降解率如表4所示，各地膜降解率隨填埋天數延長逐漸增加，各降解地膜降解率均顯著高于CK（P<0.05），除2020年覆膜后60 d取樣時期外，其余取樣時期 F1、F2地膜降解率顯著高于F3（P<0.05）。普通PE地膜兩年降解率分別為1.54%和1.3%。

圖4 不同地膜處理降解情況Fig. 4 Degradation of different plastic film treatments

在當季作物收獲后，降解地膜填埋區 2019年F1、F2處理填埋后180、365 d降解率顯著高于F3（P<0.05），至填埋后365 d降解率分別達97.53%和96.88%，基本降解完全（表4）；F3處理填埋后365 d解率為85.43%，至填埋后540 d基本降解完全，降解率98.54%。2020年各地膜降解率表現與2019年不同，F1和F2處理填埋后180 d降解率顯著高于F3（P<0.05），至填埋后365 d，3種降解地膜基本降解完全，降解率分別為 97.44%、98.03%和96.60%。普通PE地膜填埋至365 d和540 d降解率分別為3.47%和6.99%，產生的質量損失基本屬于自然損耗。

表4 不同地膜處理降解率Table 4 Degradation intensity of different plastic film treatments

2.4 作物產量及經濟效益分析

不同處理馬鈴薯產量差異顯著（表 5），除 F3處理外，其余覆膜處理作物產量均顯著高于OF處理（P<0.05）；與OF處理相比，F1和F2處理作物產量分別提高 36.85%和 38.27%。3種降解地膜處理作物產量 49.64—58.53 t·hm?2，均未與 CK形成顯著差異（P>0.05）；其中以F1和F2處理作物產量較高，與CK相比作物產量分別增加4.1%和5.18%。

表5 不同地膜處理馬鈴薯作物產量及經濟效益分析Table 5 Analysis of potato crop yield and economic benefits treated with different plastic films

內蒙古陰山北麓每公頃馬鈴薯種植投入在3.31—3.44萬元，其中以農資投入占比最高，占總投入的61%—65%；租地和人工投入每公頃為1.2—1.4萬元，其中裸地處理人工投入高于其他處理；地膜回收成本每公頃0.045萬元。除F3處理外，其余覆膜處理作物產量和純利潤顯著高于 OF處理（P<0.05）；3種降解地膜處理經濟效益 1.56×104—2.42×104yuan·hm?2，與 CK 無顯著差異（P>0.05），均能達到普通PE地膜水平。

3 討論

3.1 全生物降解地膜對土壤溫度、作物產量的影響

作物生育期土壤溫度總體呈先增加后降低的趨勢，在馬鈴薯塊莖膨大期（7—8月）出現最高土壤溫度，進入成熟期后逐漸下降。7—8月，普通黑色PE地膜的吸熱效應能夠使土壤溫度保持在較高水平；裸地種植中，太陽能夠直接照射到土壤表層，土壤溫度與各降解地膜相比有所升高。此階段降解地膜的分解提高了土壤通透性，表現出了在馬鈴薯生長前期較好的保溫性能及在塊莖膨大期降低土壤溫度的特點，與普通PE地膜相比，全生物降解地膜生育期平均土壤溫度稍低，更有利于馬鈴薯這種喜涼作物的生長發育（賀鵬程等，2020），這也與李海萍等（2017）研究結論一致。

本研究中，3種全生物降解地膜均能達到普通PE地膜作物產量，其中以巴斯夫和上海弘睿 2種全生物降解地膜產量較高，與普通PE地膜相比分別增加5.18%和4.1%。其他相關研究也發現了生物降解地膜對作物的增產效果，如段義忠等（2018）研究發現，與普通PE地膜相比，2種生物降解地膜顯著增加了14.06%和23.96%的馬鈴薯產量；蘇海英等（2020）通過新疆加工番茄應用全生物降解地膜可行性研究發現，山東清田和藍山屯河生物降解地膜與普通PE地膜相比分別增產6%和2.4%。產生這種現象的原因可能是全生物降解地膜的分解補充了土壤微生物的碳源，增強了土壤微生物活性，為馬鈴薯的生長發育提供了有利的環境條件（Souza et al.，2018；Shen et al.，2019），其次上述中全生物降解地膜對土壤溫度的調節作用也更好地滿足了馬鈴薯前期生長發育和后期物質積累所需的溫度環境。

3.2 全生物降解地膜降解性能差異

前人多以當季作物生育期內單位面積覆膜破損率和失重率進行降解性能研究，蘇海英等（2020）研究發現，以PBAT為主要材料的全生物降解地膜在番茄覆膜后50—65 d進入誘導期，至作物收獲后降解率達60%；張妮等（2016）研究的PLA材料全生物降解地膜在棉花覆膜后17—22 d進入誘導期，60 d進入開裂期，覆膜130 d進入破碎期；申麗霞等（2012）研究表明：光氧降解地膜和生物降解地膜在覆膜90 d后進入破碎期，降解率分別為55.48%和39.99%；夏文等（2020）研究發現：PBAT/PBS材料生物降解地膜在覆膜后120 d降解率35.49%—62.01%。本研究選用的上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜作物生育期降解情況與上述研究報道相似，其降解過程和降解機理基本一致，在作物收獲前均能穩定進入破碎期，但同一時期地膜降解率較上述研究較小。除地膜厚度、材料、原料配比和自然環境影響外，裸露于地表破碎殘膜的缺失是導致上述研究地膜失重率增加的主要原因。在作物覆膜栽培試驗中，上海弘睿和巴斯夫降解地膜降解性能要優于蘭州鑫銀環，與降解地膜填埋試驗結果一致。在降解地膜填埋試驗中，上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜在填埋后365 d降解完全；蘭州鑫銀環全生物降解地膜兩年分別于填埋540 d和365 d降解完全。產生以上降解差異可能與PBAT和PLA材料配比和生產工藝不同有關（Souza et al.，2018；Morro et al.，2019；Shen et al.，2019）。本研究降解地膜填埋試驗區未種植馬鈴薯，如考慮作物生長對降解地膜的分解影響，則實際降解時間可能會提前，還需進一步研究確定。

本研究中3種PBAT/PLA全生物降解地膜不同年份降解特征也存在明顯差異，2020年3種降解膜進入誘導期、開裂期和大裂期的時間均早于 2019年，分析原因可能是2020年土壤平均溫度高于2019年（表3），土壤溫度的升高會加快聚合物材料分子鏈斷裂，同時提高土壤微生物活性，進一步提高了降解地膜的分解速度（Gil-Castell et al.，2016；徐松等，2018）。

應用全生物降解地膜在解決農田地膜污染、替代普通PE地膜方面具有巨大潛力，具有重要的研究意義。下一步，我們將在此研究基礎上加強降解地膜降解性能研究，明確影響降解速率的環境因素和主控因子，為大面積推廣應用全生物降解地膜提供科學依據。

4 結論

3種全生物降解地膜表現出了在馬鈴薯生育前期的增溫保墑效果和在塊莖膨大期降低土壤溫度的特點，生育前期增溫保墑性能與普通PE地膜相當，可滿足馬鈴薯的生長需求；上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜降解情況穩定，降解性能優于蘭州鑫銀環全生物降解地膜；上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜作物產量較高，與CK相比產量分別增加4.1%和5.18%，在減緩農田地膜污染、保護耕地生態環境方面具有較好效果。