山西旱作區不同類型地膜對谷子產量影響及降解性能研究

楊振興，周懷平*，解文艷，劉志平，何文清，劉琪，王悅

（1.山西農業大學資源環境學院，太原 030031；2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

地膜是我國農業生產中重要的物質資料之一，具有保墑增溫、促進作物生長的作用，可提高糧食單產20%~30%，對保障我國糧食安全作出了重大貢獻。目前，我國高寒冷涼、干旱及半干旱區域的地膜覆蓋面積近2 000萬hm。然而，地膜的原材料大部分為聚乙烯材質，其化學結構穩定，在土壤中無法進行分解，因此，造成了大量物質殘留，地膜污染問題隨著覆蓋年限的延長而越發嚴重。生物降解地膜最終分解后將成為不會對環境產生惡劣影響的低分子化合物及其摻混物，因此受到國內外學者的廣泛關注，也成為解決地膜污染問題的主要途徑之一。因此，開展降解材料改性合成及在不同地域生物降解地膜應用研究，對我國農業生產具有重要指導意義。目前，關于降解材料的改性、合成、降解產品研發都有相關研究報道，王貴林等將羥基磷灰石（HA）用硅烷偶聯劑KH570處理后與PPC共混，制成了生物相容性好、可生物降解的復合材料。陳小英等的研究表明，使用聚乳酸（PLA）與聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）合成時，隨著PLA用量的增加，PBAT/PLA共混物的拉伸強度明顯提高，斷裂伸長率下降。楊冰等研究發現，PBAT/PLA共混材料在PLA含量低于70%時，可以實現較好的吹膜過程，且薄膜材料的拉伸強度為39.59 MPa，斷裂伸長率不低于137%。田間降解地膜應用效果研究主要集中在地膜覆蓋對土壤水熱變化及作物增產的影響，鄧路等的研究結果顯示，不同類型地膜處理較不覆膜均可顯著提高作物生物量，而覆膜處理間生物量有差異但不顯著，土壤含水量與土壤溫度會隨著生物地膜的降解與PE膜差異變大。當前，針對山西旱作區不同類型降解地膜田間降解化學結構變化、物理指標以及微觀形態變化研究較為缺乏，特別是在谷子這一作物上的研究更是極少涉及。本研究在山西旱作區以谷子為種植作物，結合掃描電鏡（SEM）、傅里葉紅外光譜（FT?IR）等理化結構分析，研究不同類型地膜降解過程，明確降解地膜的區域耐候性，為篩選適宜本區域使用的降解地膜類型提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與試驗設計

試驗布設在山西省朔州市紅旗農牧場（39°12′N、112°25′E），該區域屬溫帶大陸性季風型氣候，年均氣溫7.3℃。全年日照時數2 862.6 h，無霜期100~140 d。年平均降水量435.1 mm，全年降水少且分配不均，蒸發量大，風沙大，干旱發生一般三年兩遇。試驗區屬典型雨養旱作區，無灌溉條件。

不同類型地膜試驗于2020年布置，共設計4個處理，分別為覆蓋3種不同類型地膜處理和不覆膜處理（LD），地膜類型分別是普通地膜（PE，主成分為PE，寬800 mm，厚0.006 mm，山西民生塑料制品有限公司生產），復合型降解型地膜（PP，主成分為PLA/PBAT，寬800 mm，厚0.008 mm，山東天壯環保科技有限公司生產），全生物降解型地膜（PB，主成分為PBAT，寬800 mm，厚0.008 mm，通過將PBAT、有機改性蒙脫土、可降解阻水劑、有機物添加劑、無機物添加劑根據配方比例混勻后在150~170℃下擠出造粒，得到改性母粒，將制備的改性料通過吹膜機吹膜，得到自制PBAT全生物降解薄膜）。考慮到機械覆膜作業方便，小區采用大區設計，每個處理面積667 m，樣品采集時將處理小區等分為3個列區作為重復。各試驗處理施肥量一致，為750 kg?hm，播種前將復合肥進行撒施，旋耕鎮壓后覆膜穴播，播種密度為42萬株?hm，谷子品種為晉谷59號。

1.2 測定項目與方法

谷子產量測定。谷子成熟后，各處理等分為3個列區，每個列區取20 m的谷穗，進行晾曬脫殼稱質量，估算單位面積籽粒產量。

地膜樣品采集。根據不同降解時期，在每個覆膜處理中采用25 cm×20 cm定制不銹鋼方框進行地膜樣品采集，隨機選取3個單位面積內的地膜樣品沿不銹鋼方框進行切割、剝離、清洗、曬干，根據試驗指標對樣品進行物理和化學分析。

水蒸氣透過量測定。采用水蒸氣透過率測試儀（W3/060 PERME，Labthink中國）測定試樣在24 h內透過的水蒸氣量。

力學指標測定。采用電子萬能測試機（AG-1，Zwick/Roell Germany）測定寬15 mm、長100 mm的試樣，具體方法參照GB/T 1040.1—2006。

電鏡掃描測定。采用掃描電鏡（SU-8010，Hita?chi，Japan）測定寬4 mm的試樣，對樣條表面進行噴金處理，在加速電壓為20 kV，工作距離為5~7 mm下進行觀測。

化學結構測定。采用全反射傅里葉變換紅外顯微鏡（FTS2000，Digilab，America）測定，取烘干試樣平鋪于檢測支架上，設定掃描范圍600~4 000 cm，分辨率4 cm下進行顯微鏡檢測。采用全自動X射線衍射儀（Cary60，Agilent，America）測定，設定波長0.154 nm，電流20 mA，掃描速度8°·min下檢測。

酸值測定。稱取0.1 g碎片狀薄膜溶于20 mL三氯甲烷中，在65℃油浴鍋中加熱回流使其完全溶解，冷卻至室溫后將其中的雜質色過濾，向其中滴入3滴溴酚藍指示劑，然后用已經標定好的0.047 mol·L的氫氧化鈉/乙醇溶液（鄰苯二甲酸氫鉀標定）滴定，溶液顏色由黃色變為藍色且30 s不變色則視為滴定終點，讀取消耗的滴定液的體積。

碎片統計與降解率計算。分別在0、30、60、90、150 d在每個覆膜處理中隨機選取長25 cm、寬20 cm單位面積內的地膜樣品，進行清洗曬干后，對地膜碎片進行分類計數（<2、2~5、5~10、>10 cm）并稱質量。通過以下公式計算降解率：

式中：0為覆膜前地膜質量，g；1為收獲后地膜質量，g。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2016進行數據處理和圖表制作，紅外光譜圖采用Origin 9.0進行制作，采用SPSS 19軟件進行數據方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同地膜覆蓋對谷子產量的影響

地膜覆蓋對于作物產量有著顯著的增產效果。由圖1可以看出，覆PE、PP、PB膜后，谷子籽粒產量分別為 6.25、6.16、6.05 t?hm，較不覆蓋處理分別增產34.7%、32.7%和30.3%。覆膜各處理谷子籽粒產量均顯著高于不覆蓋處理（<0.05）。而從覆膜各處理間籽粒產量結果來看，不同類型地膜處理間產量并無顯著性差異。原因在于不同類型地膜前期均可以有效提高谷子苗期土壤溫度和保持土壤水分，促進作物生長發育，而到谷子封壟后，雖然PP、PB類型降解地膜開始裂解，增溫保墑作用減弱，但對作物后期生長和籽粒產量影響不明顯。

圖1 2020年不同覆膜處理對谷子產量的影響Figure 1 Effects of different film mulching treatments on millet yield in 2020

2.2 不同地膜水蒸氣透過量和力學性能的變化

水蒸氣透過量是測試地膜保水性能的重要指標，從圖2可以看出，PE膜具有較好的保水性與穩定性，水蒸氣透過率覆膜初期為64.97 g?m?d，覆膜150 d水蒸氣透過率為200.57 g?m?d。PP膜與PB膜受材質影響，覆膜初期水蒸氣透過率分別為789.72、851.20 g?m?d，隨著覆膜時間的增加，地膜保水性能逐漸減弱，水蒸氣透過率隨之增大，PP膜鋪設150 d后，水蒸氣透過率達到971.82 g?m?d，而PB膜鋪設90 d后水蒸氣透過率為各處理最高，達到1 203.33 g?m?d，且90 d后采集的樣品不再具備測試條件。從不同采樣時期水蒸氣透過率來看，PP膜與PB膜水蒸氣透過率均顯著高于PE膜（<0.05）。

圖2 不同類型地膜水蒸氣透過量與力學性能變化Figure 2 Changes of water vapor transmission and mechanical properties of different types of mulch film

從拉伸強度指標來看，PP膜和PB膜具有良好的塑性變形的應力，PP膜在覆膜初期拉伸強度為各類型地膜中最高，達到53.77 MPa，PE膜拉伸強度最低，為27.95 MPa。隨著覆膜時間的增加，各類型地膜拉伸強度均出現不同程度的降低，PE膜較為穩定，隨著時間的增加發生的改變較小。PP膜鋪設150 d后，拉伸強度較試驗初降低了38%，PB膜變化最為明顯，隨著覆膜時間的增加，材質降解程度加大，拉伸強度衰減嚴重，在覆膜90 d后，拉伸強度較覆膜初降低了66%，且后期采集的樣品不再具備測試條件。

從撕裂強度指標可以看出，PE膜撕裂強度為各類型地膜中最高，覆膜初期為152.21 kN?m，PB膜撕裂強度最低，為110.81 kN?m。各類型地膜撕裂強度隨著覆膜時間的增加，材料強度均出現衰減，PP膜鋪設150 d后撕裂強度較試驗初降低了51%。PB膜鋪設90 d后撕裂強度較試驗初降低了41%，且后期采集的樣品不再具備測試條件。PE膜最為穩定，并沒有隨著時間的變化發生明顯的改變。

從斷裂標稱應變指標來看，各類型地膜測定結果變化趨勢與撕裂強度變化趨于一致。PE膜斷裂標稱應變率為各類型中最高，且較為穩定，PP膜與PB膜隨著覆膜時間的增加，在試驗后期出現較為明顯的降低。

2.3 不同類型地膜電鏡掃描與化學結構變化

通過電鏡掃描發現（圖3），各類型地膜在覆蓋初期材料表面較為平滑，材料間相容性較好，結構均勻密實。隨著覆膜時間的增加，各類型地膜發生了不同程度的變化，PE膜由于主要成分為聚乙烯，材料合成后無顯著變化，覆膜前后電鏡圖照片基本一致，PP膜為PLA和PBAT合成，在60 d后細微裂紋出現增多，隨后結構表面變得粗糙，出現了不均勻的碎片，直徑在0.2~2.0 μm之間，但整體結構還保持完整，在覆膜150 d后降解現象不明顯。PB膜主成分為PBAT，添加了自制的助劑，在降解效果上顯著優于PP膜，在覆膜30 d后，材料出現裂紋，隨后出現結構分層，隨著覆膜時間的增加，材料出現了大量的孔洞和片狀物質，在覆膜150 d后基本裂解，殘留物較少。3種地膜的降解結果呈現出PB膜>PP膜>PE膜，這與力學性能指標結果相一致。

圖3 不同類型地膜在不同時期的電鏡掃描圖Figure 3 Scanning electron microscope（SEM）of different types of plastic film in different periods

圖4 不同降解地膜傅里葉紅外光譜圖Figure 4 Fourier infrared spectra of different degradable mulch films

從X射線圖可以看出（圖5），PP膜中含有PLA和PBAT兩種不同類型的材質，因此與以PBAT為主成分的PB膜在結晶度上出現差異，兩種不同類型降解地膜的結晶度都呈現出先升高后降低的變化趨勢，結晶度增加主要由于PBAT在易于降解的非晶區發生斷鏈，可釋放先前纏解在非晶區中的聚合物鏈，斷鏈的PBAT可以進行結晶相重組，而隨著PBAT交聯結構斷裂和分子鏈進一步斷鏈，結晶度又逐漸降低。而隨著覆膜時間的增加，PB膜的主要結晶峰較覆膜初期有所增加，也與PBAT材質在非晶區斷鏈重組有關。

圖5 不同降解地膜X射線衍射曲線Figure 5 X-ray diffraction curves of different degradable mulching films

2.4 不同類型地膜田間降解及殘留率

地膜碎片是反映地膜降解性能的直觀指標。由表1可以看出，不同類型的地膜碎片規格和數量差異很大，PE膜主要材質為聚乙烯，分子結構穩定，在覆膜的各個階段都能保持膜面的完整，除收獲期有個別破損，其他階段都為一張整膜。不同類型降解地膜由于合成材質有所區別，降解時間和碎片數量出現較大差異。PP膜在60 d開始出現少量碎片，2、2~5、5~10、>10 cm的碎片占總數的比例分別為0、0、50%和50%，在覆膜90 d時，各規格碎片占總數的比例分別為30.7%、38.5%、15.4%和15.4%，在覆膜150 d后，各規格碎片占總數的比例分別為39.1%、34.7%、13%和13%。PB膜從30 d開始產生碎片，2、2~5、5~10、>10 cm的碎片占總數的比例為0、55%、22%和22%，在覆膜60 d時，各規格碎片占總數的比例分別為59.5%、21.6%、10.8%和8.1%，隨著覆膜時間的增加，PB膜破碎程度加重，在覆膜150 d時，2、2~5、5~10、>10 cm的碎片占總數的比例為70.3%、16.7%、13%和0%。由此可見，不同類型降解地膜處理碎片會隨著覆膜時間的延長而增加，均以中小規格為主，PB膜的碎片明顯多于PP膜的。

表1 不同時期降解地膜碎片規格和數量Table 1 Specifications and quantity of degradable plastic film fragments in different periods

圖6 地膜不同降解時間后酸值Figure 6 Acid value of mulch film after different degradation time

圖7 不同類型地膜降解率Figure 7 Degradation rate of different types of mulch film

2.5 不同類型地膜成本及效益分析

成本是影響可降解地膜應用推廣的重要因素，由表2可見，PE膜由于吹膜厚度低于PP、PB膜，因此，地膜用量較兩種降解地膜減少22.5 kg?hm。同時，PE膜市場化程度高，生產成本低，地膜使用成本分別較PP、PB膜減少825、975 元?hm。但是，覆蓋PE地膜地塊，收獲后還需進行地膜撿拾回收，每公頃需要增加22.5個單位的人工成本，以市場價每人100元?d計算，地膜回收較其他處理需多支出2 250元?hm。2020年谷子收購價為3.6元?kg，因此得出，不覆蓋種植收益最低，為16 716.76元?hm，覆膜各處理去除成本后，PP膜與PB膜處理收益均高于PE膜處理。因此，無論從農田環境保護，還是經濟效益來看，使用降解地膜是促進農業可持續發展的有利措施。

表2 不同類型地膜成本及效益情況Table 2 Costs and benefits of different types of mulch film

3 討論

隨著材料合成技術的提升，可降解地膜的增溫保墑效果與PE膜越來越接近，作物產量也與其基本相當，錢亞光等的研究表明，6種不同類型降解地膜與普通地膜處理下玉米產量無顯著差異，較不覆蓋處理玉米產量平均提高15.22%。胡宏亮等的研究表明，使用PBAT為主要降解材料的地膜可較普通地膜玉米增產10%以上。本試驗結果表明，覆膜可以顯著提高作物產量，較不覆蓋處理平均增產32.6%，不同類型降解地膜谷子產量與PE膜處理間無顯著差異。受氣候環境、合成技術以及作物種類影響，同種材質在不同區域表現不同。本研究中降解地膜使用PBAT為主要原材料，但針對作物生長需求不同，降解助劑配方、螯合比例均有所不同，因此降解時間也不相同。本研究所用PBAT膜前期與普通地膜都具有良好的增溫性和保水性，隨著覆膜時間的延長，降解地膜較早出現裂解（30 d），覆膜60 d時，水蒸氣透過量顯著高于PE膜，90 d后降解地膜不再具備保水作用，后期增加了土壤水分蒸發，從而對作物產量產生一定的影響。

地膜在降解過程中其理化性狀都會發生改變，而最典型的特征就是質量發生損失，可以直觀地看出地膜降解的程度。白雪等的研究表明，普通地膜在收獲時有微小的裂痕，可能與地膜使用壽命有關，屬于正常消耗，土表地膜完整，沒有發生降解。本研究中，PE膜處理表現與其研究結論一致。兩種降解地膜均表現出降解特性，而PB膜處理從自身化學結構上要優于PP膜，在覆膜后期基本裂解成小塊，具備在一定時間內完全降解的條件。

4 結論

（1）就谷子產量而言，普通地膜（PE）、PLA/PBAT復合型降解膜（PP）和PBAT全生物降解膜（PB）覆蓋對山西旱地谷子產量較不覆蓋處理均有顯著的增產作用，各覆膜處理間產量差異不顯著。因此，降解地膜與普通地膜在農田應用中效果已趨于一致。

（2）兩種不同類型的可降解地膜覆蓋后均出現降解，但降解時期不同，PP膜在覆蓋60 d后開始出現降解，PB膜在覆蓋30 d后開始出現降解，普通地膜基本無降解。隨著覆蓋時間的增加，2種可降解地膜水蒸氣透過量顯著增加，力學性能（拉伸強度、撕裂強度和斷裂標稱應變）顯著下降，微觀形態和化學結構變化顯著，微觀表面粗糙度表現為PB膜>PP膜>PE膜，普通地膜變化不明顯。

（3）PB膜在保障谷子產量的同時降解效果最佳，農田殘留最少，覆膜150 d后降解率達到74.8%，水分是影響地膜降解的主要因素之一，PB膜由于原材料較PP膜含有更多的酯鍵以及親水基團，因此降解能力優于PP膜。

（4）從谷子產量、地膜物理性能、化學結構和降解殘留度等方面綜合評價，PBAT全生物降解地膜在確保谷子產量的同時具有良好的降解效果，可作為PE膜的替代品應用于晉北地區旱地谷子生產中。