PBAT/P34HB地膜的制備及番茄生產應用

王昊，譚臺孫嘯，曹穎，向海容，孔令娟，李立*

PBAT/P34HB地膜的制備及番茄生產應用

王昊1，譚臺孫嘯1，曹穎1，向海容3，孔令娟2*，李立1*

（1.上海海洋大學 食品學院，上海 201306；2.上海市農業技術推廣服務中心，上海 201103； 3.上海容藍實業有限公司，上海 201702）

為促進植株生長，減少地膜殘留對下茬作物產量的影響，選用聚對苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）與聚-3-羥基丁酸酯-co-4-羥基丁酸酯（P34HB）制備地膜，探究其對番茄生長的影響。將PBAT和P34HB以9∶1、8∶2、7∶3質量比共混，通過水冷造粒、吹塑生產3款具有不同力學和阻隔性能的地膜，并應用于番茄作物生產。隨著P34HB含量的增加，復合膜的拉伸強度和透濕性增強，9∶1地膜對番茄具有一定增益作用，且單壟殘留量約為16片。PBAT/P34HB（9∶1）地膜的性能滿足番茄生產，具有增益作用，并減少了地膜殘留造成的污染。

PBAT；P34HB；番茄生產；地膜殘留

地膜是農業生產中用來覆蓋地面的薄膜，不僅能提高土壤溫度、保水保肥、減少雜草生長，還能保護農作物免受害蟲侵襲及氣候變化的影響，促進植株有序生長[1]。高分子聚合物（如聚乙烯）是地膜的主要材質，但因其降解時間過長，大塊地膜殘留物被翻入土壤，導致土壤中營養成分散失，下茬作物難以扎根，農作物減產[2]。此外，未降解的薄膜碎片部分殘留在環境中[3]，可能會被引入食物鏈[4]，若將其回收利用，無疑會增加農業生產的成本。

常見用于地膜生產的聚合物分為合成與天然2類，其中具有代表性的合成聚合物有聚乳酸（PLA）[5]、聚對苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）[6]和聚羥基鏈烷酸酯（PHA）[7]等。天然聚合物有淀粉[8]、木質素[9]、纖維素[10]和透明質酸等[11]。其中PBAT分子鏈結構含有由大量的丁二酸和丁二醇交替排列形成的聚酯鏈，使其具有良好的降解性能，在力學性能上也有一定的優勢，具有和PE膜相近的保溫增產效果[12]。關于PBAT地膜的研究主要聚集于生物降解，關于增產這方面的研究很少。王斌等[13]發現，與PE膜相比，PBAT制造的地膜覆蓋下的棉花與玉米會出現不同程度的增產。

PBAT因為高生產成本和低熱力學性能限制了這種材料的使用，所以要考慮與其他聚合物復合以改善其性能[14]。P34HB作為第四代聚羥基脂肪酸酯（PHA）生物塑料，是由3-羥基丁酸酯與4-羥基丁酸酯結構單元組成的高分子材料，具有良好的生物相容性[15]，廣泛應用于生物醫藥和食品包裝方面。Li等[16]采用PBAT和P34HB熔融共混解決了PBAT固有的強度、模量和熔體黏彈性低等缺點，同時提高了強度、斷裂伸長率和熔體黏彈性。張賀等[17]在PBAT上接枝馬來酸酐（MAH），TPS/PBAT界面相容性得以改善，力學性能有所增強。

在此項研究中，制備了不同比例（9∶1、8∶2、7∶3）的PBAT/P34HB地膜，對其力學性能和阻隔性能進行了測試，并將這3款具有不同拉伸強度和水蒸氣透過率的地膜與CK（市購）地膜，一同進行番茄生產應用試驗，探究PBAT/P34HB地膜對番茄生長發育的影響及其殘膜翻耕后對下茬杭白菜出苗量的影響。

1 實驗

1.1 材料

主要材料：PBAT，德國巴斯夫D1200；P34HB，北京微構工場生物技術有限公司；開口劑（SiO2），壽光市邦澤化工有限公司；硬脂酸鈣，東莞市常平鵬科塑膠商行；ADR4400，東莞市楹圣塑膠化工有限公司；無水檸檬酸，鄭州市超凡化工有限公司；抗氧劑巴斯夫245，德國巴斯夫公司；黑色色母L95043，無錫市長虹化塑色粒有限公司。

主要儀器：ML130薄膜造粒機，中國·張家港市普瑞塑膠機械有限公司；SJM-FM1600塑料擠出吹塑薄膜輔機，大連橡膠塑料機械股份有限公司；XLW（EC）智能電子拉力試驗機，濟南蘭光機電技術有限公司；PERMATRAN-W1/50G水蒸氣透過率測試儀，美國膜康有限公司；G2-32氣體滲透測試儀，濟南蘭光機電技術有限公司；SDC-100接觸角測試儀，東莞盛鼎精密儀器有限公司；Nicolet系列傅里葉變換紅外光譜儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；VHX-900F金相顯微鏡，基恩士（中國）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 PBAT/P34HB薄膜的制備

PBAT和P34HB于80 ℃下烘烤6～8 h備用。稱取質量占總基材5%的SiO2，質量分數為1%的硬脂酸鈣，質量分數為1%的ADR4400，質量分數為0.5%的無水檸檬酸，質量分數為0.1%的抗氧劑，質量分數為4%的黑色色母，然后與不同比例的PBAT/P34HB（9∶1、8∶2、7∶3）進行物理共混，使基材與助劑攪拌均勻。待混合均勻后造粒，共混粒子于70 ℃下烘烤3 h。吹塑成膜，厚度控制在30 μm左右。

擠出裝置各個區段溫度為145、150、155、160、165、172、175、172、165、160 ℃，主機轉速為100 r/min；吹塑裝置各個區段溫度為145、150、155、160、165、172、175、172、165、160 ℃，主機轉速為80 r/min。

1.2.2 性能測試

1.2.2.1 力學性能測試

使用XLW（EC）智能電子拉力試驗機，將大小為100 mm×15 mm長條薄膜試樣，放置于間距63 mm的夾具內，將拉伸速度設置為100 mm/min，測得拉伸強度和斷裂伸長率。

1.2.2.2 水蒸氣透過率測試

使用PERMATRAN-W1/50G水蒸氣透過率測試儀，分別將直徑為100 mm的圓形試樣放置于測試腔A、B、C內，在溫度為37.8 ℃、相對濕度為100%的條件下連續測試12 h，測得水蒸氣透過率。

1.2.2.3 氧氣透過率測試

使用G2-32氣體滲透測試儀，將薄膜緊貼于檢測腔內，在溫度為23 ℃、相對濕度為50%的條件下測試2 h，測得氧氣透過率。

1.2.2.4 水接觸角測試

使用SDC-100接觸角測試儀，將薄膜樣品平置于接觸角測試儀上，用微型注射器將約3 μL的蒸餾水緩慢滴入膜表面。使用相關儀器立即捕獲水滴的形狀，WCA是基于五點擬合計算的。

1.2.3 番茄生產應用

番茄定植前2周，每667 m2翻耕土地施商品有機肥1 000 kg、復合肥50 kg作為基肥，并翻耕筑畦。定植前1天，畦面鋪設2條滴管帶，將9∶1、8∶2、7∶3與CK（市購）4種地膜各鋪設一畦，畦寬連溝1.5 m，單畦長30 m。番茄種植時，設置株行距為40 cm×70 cm。實驗在上海蔬達蔬果專業合作社七連棟大棚內進行。

1.2.3.1 植株生長發育

番茄種植3個月后，用直尺從根莖部測量到植株的最高點，記錄為株高；用直尺測量葉片的縱、橫長度，將乘積記錄為開展度；用游標卡尺測量從根莖部往上1 cm處一圈，記錄為莖粗；將一棵植株上莖節數，記錄為節數。

1.2.3.2 果實品質性狀

番茄采收前，用電子天平稱取單果的質量，記錄為單果質量；用直尺測量從果實果柄處到果實尖端的長度，記錄為果長；用游標卡尺測量果實果柄下1 cm處果實的寬度，記錄為果徑；用游標卡尺測量果實壁厚，記錄為果肉厚。

1.2.3.3 翻耕后地表殘留量

待番茄成熟收獲后，將CK、9∶1、8∶2、7∶3 共4種地膜直接翻耕入土，調查單壟范圍內地表碎膜的殘留情況。

1.2.3.4 下茬杭白菜出苗量

翻耕1個月后播種杭白菜，單壟統計下茬杭白菜的出苗情況。

1.2.4 統計分析

采用SPSS進行單因素方差分析，選擇沃勒-鄧肯檢驗進行顯著性分析（<0.05），使用Origin 2021進行分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 力學性能

地膜的力學性能測試結果如表1所示。從表1可以看出，復合膜的拉伸強度隨著共混P34HB含量的增加，由12.0 MPa升高至17.5 MPa，而斷裂伸長率則呈現相反的趨勢。這可能是由于PBAT與P34HB兩部分互不相容產生高界面黏附力，使得聚合物基體剛度增加，韌性下降。相似地，劉振濤等[18]將磷石膏（PG）與PBAT基材共混，證實PG可優化薄膜的力學性能，添加質量分數為40%的PG，薄膜的拉伸強度可達19.4 MPa。

表1 地膜的力學性能

Tab.1 Mechanical properties of mulch films

注：a、b、c上標字母代表顯著性差異，相同字母為不顯著差異（＞0.05），不同字母為顯著差異（＜0.05）。

2.2 阻隔性能

地膜的阻隔性能測試結果如表2所示。從表2可以看出，復合薄膜的水蒸氣、氧氣透過率與添加P34HB的含量呈正相關。這是由于復合薄膜中PBAT起阻氣阻濕的作用，加入P34HB后，界面相互作用減弱，空穴增多變大，使得水、氧分子進入，透濕、透氧能力隨之增強。薄膜的水接觸角則呈現出擴大趨勢。這說明添加P34HB可增強PBAT薄膜的疏水性，這可能與薄膜的相容性有關。加入P34HB增強了PBAT的結晶度，使得薄膜表面粗糙度增加[19]。

2.3 番茄產量

從圖1、2可以看出，與CK地膜相比，9∶1地膜對番茄植株生長和果實品質均有增產作用，特別是對番茄植株的株高、果實的果長和果肉厚有著明顯的促進作用。這可能是由于9∶1地膜的水蒸氣透過率較低，前期保溫固濕[20]，后期地膜崩解，增強了土壤的透氣性[21]。

表2 地膜的阻隔性能

Tab.2 Barrier properties of mulch films

注：a、b、c上標字母代表顯著性差異，相同字母為不顯著差異（＞0.05），不同字母為顯著差異（＜0.05）。

圖1 植株生長發育指標

圖2 果實品質性狀指標

2.4 地表殘留量

不同地膜由于降解性能不同，翻耕入土后的殘留量存在較大差異。待番茄采收后，進行深耕，并統計4種地膜的地表殘留，如圖3所示。可見9∶1、8∶2、7∶3地膜的殘留量均低于CK地膜，其中9∶1地膜的殘留量最少，約16片，比CK膜減少約二分之一。這可能是由于P34HB的加入使PBAT基膜具有良好的生物降解性能[22]，在鋪膜階段便已出現崩解。在質量損失預實驗中，9∶1地膜也具有良好的降解效果，后續將完善該實驗。

2.5 下茬出苗量

地膜殘留會使耕地結構發生劣化，對下茬作物生長產生消極影響，如阻礙植株扎根和營養成分的汲取等。下茬杭白菜的出苗情況如圖4、5所示，可知翻耕9∶1地膜后出苗率最高，單壟出苗量約為156株，這與翻耕后地膜殘留結果一致，9∶1地膜殘留最少，杭白菜出苗受到抑制作用較弱。夏冬等[23]研究了不同覆蓋方式對土壤肥力及番茄產量和品質的影響，得出生物可降解地膜在提高土壤肥力狀況和番茄產量方面效果最好，宜選擇田間降解率較高的地膜，有助于提高植株的出苗率和成苗率。

圖3 不同地膜地表殘留量

圖4 下茬杭白菜單壟出苗量

圖5 下茬杭白菜出苗觀測

3 結語

本研究制備了9∶1、8∶2、7∶3 3種比例的PBAT/P34HB地膜，其性能均滿足農用地膜要求。隨著P34HB含量升高，拉伸強度逐漸增強，可達17.5 MPa。此外，9∶1地膜具有良好的阻隔性能，對番茄生長發育、果實品質均有增益，且翻耕入土后地表殘留量最少，下茬杭白菜出苗量較多，有望促進農業經濟和環境的可持續發展。

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Preparation and Application of PBAT/P34HB Mulch Film in Tomato Production

WANG Hao1, TANTAI Sunxiao1, CAO Ying1, XIANG Hairong3, KONG Lingjuan2*, LI Li1*

(1. College of Food Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai Agricultural Technology Extension Service Center, Shanghai 201103, China; 3. Shanghai Ronglan Industrial Co., Ltd., Shanghai 201702, China)

The work aims to prepare mulch films with poly (terephthalate-adipate-butanediol) (PBAT) and poly (3-hydroxybutyrate)-co-4-hydroxybutyrate (P34HB) and study their effect on tomato growth, so as to promote plant growth and reduce crop yield caused by film residue. The technical route was to blend PBAT and P34HB at 9∶1, 8∶2 and 7∶3 mass ratios, and produce three mulch films with different mechanical and barrier properties through water-cooled granulation and blow molding, and then apply them to tomato production. The results showed that with the increase of P34HB content, the tensile strength and moisture permeability of the composite film were enhanced. The 9∶1 film had a certain effect on tomato production, and the residual amount of a single row was about 16 pieces. It is concluded that the performance of the PBAT/P34HB (9∶1) film can satisfy the tomato production. It has the effect of increasing production, and reduces the pollution caused by the film residue.

PBAT; P34HB; tomato production; mulch film residue

TB332

A

1001-3563(2024)07-0016-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.003

2023-10-28

上海市科技興農項目（2022-02-08-00-12-F01094）

通信作者