不同地膜的降解性能及对烟株生长和土壤环境的影响

樊俊 谭军 邓建强 彭五星 赵秀云 郑海洲 朱宗第

摘  要：針对普通地膜残膜导致农田土壤污染现象，进行了生物降解地膜、光氧降解地膜、普通地膜覆盖及露地栽培烟草的田间对比试验，研究了地膜的降解性能及对烟株生长和烤后烟叶化学成分、土壤温度、水分、酶活性和微生物群落的影响。结果表明，生物降解地膜的降解性能优于光氧降解地膜，在覆膜245 d后地膜质量损失率达59.9%。地膜覆盖的烤烟农艺性状、烟叶产量和化学成分协调性好于露地对照，其中以普通地膜效果最好，其次为生物降解地膜。在烟株生长前期，两种降解地膜处理的垄体温度、水分含量高于露地对照，差于普通地膜;在烟株生长中后期则与普通地膜差异较小。覆膜处理提高了土壤酸性磷酸酶活性，增加了土壤中细菌和真菌OTU数量。降解地膜处理提高了细菌微生物群落内物种分布的多样性和均匀度;减少了土壤真菌微生物多样性。本研究认为，生物降解地膜降解性好于光氧降解地膜，对烟株生长、土壤酶活性和微生物数量、多样性的影响与普通地膜差异不显著，应用于烟草生产是可行的。

关键词：地膜;降解;土壤温度;土壤水分;酶活性;微生物群落

中图分类号：S572.01          文章编号：1007-5119（2019）04-0022-07      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.04.004

Degradation Property of Degradable Films and Their Effects on Flue-cured Tobacco Development and Soil Ecological Environment

FAN Jun， TAN Jun， DENG Jianqiang， PENG Wuxing， ZHAO Xiuyun， ZHENG Haizhou， ZHU Zongdi

（1. Enshi Prefecture Company of Hubei Provincial Tobacco Corporation， Enshi， Hubei 445000， China; 2. College of Life Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Aiming at decreasing agricultural pollution caused by plastic films， degradation of photo-oxygen degradation and bio-degradable films and their effects on flue-cured tobacco development， soil temperature， moisture， enzyme activities and microbial community were studied and the results were compared with plastic film and open field. The results indicated that the degradation performance of bio-degradable film was better than photo-oxygen degradation film， with a mass loss rate of 59.9% after applied to flue-cured tobacco for 245 days. The development， biomass and compatibility of conventional chemical constituents of flue-cured tobacco increased markedly by film covering compared with open field， and the effects of plastic film was the best， followed by bio-degradable film， last for photo-oxygen degradation film. At the early stages of the tobacco plant growth， the temperature and moisture content of soil treated with two kinds of degradable film were higher than that of the open field， which was significantly lower than that of the plastic film. At the middle and later stages of the tobacco plant growth， it was similar to that of the plastic film. Film covering increased significantly the soil acid phosphatase activities and the OTUs of soil bacteria and fungi. In addition， the microbial diversity and evenness of soil fungi and soil bacteria were decreased and improved separately with the treatments of biodegradable film and photo-oxygen degradation film. Bio-degradable film had excellent degradability， and no significant difference in the development of flue-cured tobacco and soil enzyme activities， microbial diversity and evenness with plastic film， suggesting that it could be applied to tobacco production.

film; degradation; soil temperature; soil moisture; enzyme activity; microbial community

地膜覆蓋可有效提高地温、保蓄水土、减少养分流失、促进移栽植株的根系生长发育，是农作物重要的栽培措施之一。烟草是我国重要的经济作物，年均栽培面积达106.7万hm左右，普通地膜

基金项目：中国烟叶公司技术改进项目“不同降解地膜对比试验与示范”（2091709）

用量每年达5万多吨，大量的塑料地膜残留，严重影响了烟叶产业的可持续发展。普通农业地膜残膜难以降解，造成土壤中的水、气、肥等流动受阻，土壤结构被破坏、耕地质量下降、作物产量降低等一系列问题。目前我国地膜残留量一般在60～90 kg/hm，最高达165 kg/hm。研究表明，土壤中残膜含量达58.5 kg/hm，作物产量显著降低。此外，大量残膜积聚于耕层，严重影响机耕作业及机耕质量，在百年后残膜降解，造成土壤环境严重污染，后患无穷。因此，农业地膜残膜的污染治理问题受到各界的广泛关注。目前，治理农膜污染问题的措施，主要是从源头解决，开发出绿色环保的全降解地膜，是解决农田“白色污染”这一难题的最理想途径。近年来，新型可降解地膜（生物降解地膜和光氧降解地膜）等环保材料先后问世。有研究表明，降解地膜在光氧化、水解、土壤酶等作用下，分子链发生断裂，进而被降解成小分子，从而有效减少残膜对环境的污染。

当前烟区应用降解地膜的研究主要集中于不同类型材料的降解性能、覆盖效应的对比分析^[6，9-11]，关于应用降解地膜对烟株生长及土壤生态环境的系统研究较少。本研究选用生物降解地膜（聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯共聚物的地膜）、光氧降解地膜（聚乙烯+光敏剂的地膜）和普通地膜（聚乙烯），探讨不同降解地膜的降解性能及对植烟土壤水分、温度、酶活性和真菌微生物的影响，为可降解地膜大面积应用于烟叶生产提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  试验区概况

试验于2017年3—12月在湖北省恩施州宣恩县椒园镇凉风村进行。试验区位于北纬29°9772'，东经 109°3943'，海拔800 m，属亚热带季风湿润型山地气候。年均气温13.7 ℃，无霜期263 d，年降水量1 635.3 mm，年日照时数1 212.4 h。试验田为水改旱地，地势平坦，土壤类型为黄棕壤。试验前耕层土壤（0～20 cm）的pH值为5.37，有机质 18.5 g/kg，碱解氮105.2 mg/kg，速效钾223.3 mg/kg，速效磷18.3 mg/kg。

1.2  试验材料与设计

试验用生物降解地膜（PBAT，聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯共聚物的地膜）、光氧降解地膜（聚乙烯+光敏剂的地膜）由武汉华丽生物股份有限公司生产，普通地膜（聚乙烯）由恩施市卷烟材料厂生产，所有膜宽均为90 cm，膜厚均为0.010 mm。试验设置普通塑料地膜（PF）、生物降解地膜（BDF）、光氧降解地膜（PDF）、露地对照（NF）共4个处理，每个处理栽烟60株（4行，每行15株），设置3次重复，共栽烟720株，品种为云烟87。覆膜时间为4月18日，移栽时间为4月29日，烟株采用全生育期覆膜方式，烟叶采收完成后，地膜仍然保留进行降解程度观察，在来年翻耕时才清除。

1.3  测定项目与方法

地膜降解速度：覆膜后每隔15 d定点观察记录1次地膜降解情况。地膜降解分级指标：0级：未出现裂纹;1级：开始出现裂纹;2级：田间25%地膜出现细小裂纹;3级：地膜出现2～2.5 cm裂纹;4级：地膜出现均匀网状裂纹，无大块地膜存在;5级：地膜裂解为4 cm×4 cm以下碎片。

在移栽后0、30、150、180和245 d分别选取3处90 cm×50 cm的覆膜面积，进行地膜收集，标记后，带回实验室洗净、晾干、称其质量。在烟株“井窖”封口期、中部叶采烤期和烟叶采收结束时，选择连续3 d没有降雨、天气晴朗的上午10～11时，采用PMS-714便携式土壤水分仪测定耕层垄体水分含量、用SMART数显温度计测定耕层垄体温度，测定深度均为15 cm。每试验小区选取5株长势正常的烟株，在旺长期（6月16日）测定株高、叶数、最大叶长、最大叶宽。烟叶分小区挂牌采收，烘烤后分级、测产，选取中部叶C3F样品进行单叶重测定和主要常规化学指标分析。在烟株采收完成后，取0～20 cm耕层土壤样品测定酶活性，采用土壤DNA抽提试剂盒Fast DNA® SPIN Kit for Soil（Qbiogene， Inc. USA）提取土样的总DNA。借助

于16S rDNA和18S rDNA的通用引物来对提取的土壤总DNA进行PCR扩增，通过高通量测序技术对扩增序列进行测序比对，使用USEARCH方法，对各样品的Effective Tags进行聚类，将序列相似性达到97%的序列聚类生成操作分类单元（Operational Taxonomic Units，OTU）。

1.4  数据处理

利用DPS 7.05和Excel 2003进行数据统计分析。

2  结  果

2.1  不同地膜的降解性能

普通地膜處理，随着覆膜时间的延长，地膜破裂程度较慢，出现了少量纵向的裂纹，245 d达到降解2级（表1）;生物降解地膜处理，覆膜60 d出现小裂口，90 d出现大裂口，韧性变差，180 d垄体覆盖程度降低明显，245 d垄体残留较少，达降解5级;光氧降解地膜在覆膜40 d出现了少量小裂口，60 d出现了大裂口，韧性变差，180 d破裂成较多碎片，245 d垄体有大量残留，达降解4级。

由图1可见，随着时间的推移，普通地膜、生物降解地膜和光氧降解地膜处理残留地膜质量呈先增加再降低的趋势，在覆膜30 d后质量达到最大值，在覆膜245 d各处理地膜残留量降低达最小值，分别较初始地膜降低了11.8%、59.9%和36.0%，降解幅度最大的为生物降解地膜，其次为光氧降解地膜，普通膜最差

2.2   不同地膜覆盖对烟株生长的影响

表2示出，烟株旺长期株高、叶片数、最大叶长、最大叶宽指标表现为普通地膜>生物降解地膜>光氧降解地膜>>露地对照。生物降解地膜和光氧降解地膜处理，烘烤后中部叶单叶重分别为9.26和9.43 g，与普通膜处理相近，显著好于露地对照;烘烤后烟叶产量分别为1 248.30和1 356.90 kg/hm，低于普通膜处理，显著高于露地对照。

2.3  不同地膜覆盖对烟叶化学成分的影响

一般优质烤烟适宜的烟碱含量为1.5%～3.5%、还原糖含量为16%～18%、氯含量为0.2%～0.6%、总糖含量为18%～22%、钾含量大于2%、糖碱比为8.5～13.5。由表3可见，不同地膜处理中部叶烟碱含量差异不明显，以普通地膜处理较适宜;还原糖含量以普通地膜和生物降解地膜处理较高，覆膜处理的总糖含量均较高;钾含量差异不显著，糖碱比偏高。综合分析比较，不同地膜覆盖对烟叶化学性状的影响差异较小，较适宜的为普通膜处理。

2.4  不同地膜覆盖对土壤温度和水分的影响

图2示出，在烟株“井窖”封口时（5月16日），覆盖生物降解地膜和光氧降解地膜处理的垄体温度为21.3和23.0 ℃，较露地处理的20.7 ℃增加了0.6和2.3 ℃，但较普通膜处理的29.0 ℃降低了6.0和7.7 ℃。在中部叶采烤期（7月18日）和烟叶采收结束时（9月3日）各地膜处理垄体土壤温度差异不显著。说明在烟株生长前期，降解地膜的保温性明显低于普通膜，但较露地处理稍好;而在烟株生长中后期，降解地膜与普通地膜效果相当，稍低于露地对照，但差异不显著。

图3示出，在“井窖”封口时（5月16日），覆盖生物降解地膜和光氧降解地膜处理垄体湿度为18.7%和22.0%，较普通膜处理的22.3%降低了0.3%和3.6%，较露地处理的18.4%增加了0.3%和3.6%;在中部叶采烤期（7月18日）不同覆膜处理间垄体湿度差异不显著，均显著低于露地处理;在烟叶采收完成后，各处理间垄体湿度差异不显著。说明降解地膜在烟株生长前期有一定的保湿作用，但效果较普通膜差;而在烟株生长中后期，各覆膜处理的保湿作用非常小，更多是阻碍了水分进入垄体。

2.5  不同地膜覆盖对垄体土壤酶活性的影响

土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向，不同地膜对土壤酶活性的影响见表4。土壤中的脲酶活性，以光氧降解地膜处理最高，为14.794 mg NH-N/（g·d），其次为露地处理的

7.022 mg NH-N/（g·d），生物降解地膜处理与普通膜处理较接近，显著低于光氧降解地膜处理。酸性磷酸酶活性以普通地膜处理最高，其次为生物降解地膜处理，光氧降解地膜处理和露地处理较差。土壤中的蔗糖酶活性和纤维素酶活性均以光氧降解地膜处理最低，分别为20.223和0.008 mg葡萄糖/（g·d），其次为普通地膜处理和生物降解地膜处理，露地处理最高。综合分析比较，覆膜处理主要提高了土壤酸性磷酸酶活性，对脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性影响规律不明显。

2.6  不同地膜覆盖对垄体土壤微生物OTU数量的影响

如图4所示，真菌OTU值最高的为裸地对照处理，其次为生物降解地膜处理;细菌OTU值最高的为光氧降解地膜处理，其次为生物降解地膜处理;覆膜处理土壤微生物OTU数量为7646～8164，明显高于不覆膜处理的6948，说明地膜覆盖有利于土壤微生物数量的提高，以生物降解地膜效果较好。

2.7  不同地膜覆盖对垄体土壤微生物多样性的影响

Shannon指数是广泛应用的物种多样性指数之一，其值越高则群落中各物种具有越大的均匀度，群落物种多样性越高。由图5、6可得知，土壤真菌Shannon指数最高的为普通地膜处理，裸地不覆膜处理Shannon指数与普通膜处理接近，其次为生物降解地膜处理，光氧降解地膜处理相对最低;土壤细菌Shannon指数最高的为生物降解地膜处理，其次为光氧降解地膜处理，再次为普通地膜处理，不覆膜处理最低。综合结果表明两种降解地膜的使用降低了土壤真菌微生物多样性，增加了细菌微生物群落内物种分布的多样性和均匀度，其中生物降解地膜处理的效果好于光氧降解地膜处理。

3  讨  论

可降解地膜的降解速度和降解强度因原材料组成、产品配方、诱导期设计等的差异而表现不同。杨龙祥等研究表明，生物降解膜从覆盖15 d后便有明显降解，至120 d 揭膜时累计降解率接近70%。在烤烟生产中应用生物降解地膜，在覆膜20 d后出现细小裂缝，45 d大面积出现降解，150 d地面残留较少，而普通地膜无降解变化，地面残留量较多。本研究中的生物降解地膜在覆膜60 d后开始出现破裂，光氧降解地膜40 d出现破裂，245 d的质量损失率分别达到59.9%和36.0%，尽管不同可降解地膜的降解速度和降解强度有一定差异，但其降解过程与前人研究结果相似。本研究中，不同地膜在覆膜后，地膜质量呈先增加再降低的趋势，在覆膜30 d后各种地膜的质量较初始地膜有一定程度的提升，可能由于降解地膜裂解前的氧化、水解等因素引起，具体原因还有待探讨。

垄体地膜覆盖后，膜下大量水珠和高湿度的空气阻挡了土壤的长波辐射，抑制了土壤和大气的水热交换，改善了膜下水热循环，减小了土壤蒸发，能有效提高土壤温度和含水量。本研究中，在烟株“窖口”封口期，生物降解地膜和光氧降解地膜覆盖有助于提高垄体土壤温度和湿度，但效果差于普通地膜，说明降解地膜的保温性和保湿性还有待加强，与刘晓伟等在棉花上应用降解地膜的结论相一致，可能原因一方面为降解地膜材料透水性大于普通塑料地膜材料;另一方面降解地膜较普通地膜易破口，导致其保温保湿性差于普通地膜。在烤烟中部叶采收时期至采收结束，降解地膜的保温性与普通地膜类似，相对于露地对照有降低垄体湿度的作用，可能由于烟株生长中后期气温较高、降雨较多、烟株长势旺盛、植株垄体覆盖度高，导致地膜对垄体温度的影响不明显，而主要作用变为隔绝雨水，降低了垄体湿度;另外，覆膜处理较不覆盖处理烟株生物量大，蒸腾量也较大，也会导致覆膜处理土壤含水量较低。本研究中烤烟的生长和烤后烟叶常规化学指标表现最好的为普通地膜处理，其次为生物降解地膜和光氧降解地膜，但均显著好于露地对照，可能原因为两种降解地膜在烟株生长的前期保温性、保水性不足，对烟株早生快发不利、烟株主要农艺性状的生长发育受到一定限制等不利因素的影响。因此，后续研究需要重点提高降解地膜的保温性和保湿性，才能使其更好的应用于烟叶生产。

不同的地膜覆盖对土壤酶活性、微生物数量及活性等有重要影响。有研究表明地膜覆盖增强了土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性，却降低了过氧化氢酶和脲酶的活性。液态降解地膜覆盖棉田显著增加土壤中细菌、放线菌和真菌数量，增强土壤过氧化氢酶、脲酶、转化酶和中性磷酸酶活性。本研究中，覆膜处理显著提高了土壤酸性磷酸酶活性，与前人的研究结果一致;对脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性影响规律不明显，可能与不同地膜材料的保温保湿性和降解程度的差异有关。

土壤中微生物多样性与环境变化有很大关系，植物凋落物或残留物中碳氮的生化组成、可利用程度、土壤养分含量等均影响着土壤微生物的多样性。本研究表明烟叶采收结束后，覆膜处理土壤微生物总OTU数量明显高于不覆膜处理，这与地膜覆盖显著增加了表层土壤微生物数量的研究结论一致;另外，露地对照土壤垄体中的真菌数量最多，稍高于生物降解地膜处理，明显高于普通地膜和光氧降解地膜，说明烟田覆盖地膜有降低土壤真菌微生物的趋势，可能原因为在烟叶采收结束后，地膜覆盖对土壤保温效果不明显，反而阻碍了外界水分进入垄体，降低了真菌微生物的活性。

普通地膜覆膜处理，土壤真菌和细菌微生物多样性均好于不覆膜处理，说明覆盖普通地膜处理垄体土壤环境受外界影响变小，微生物的群落结构更加均匀和稳定，可有效提高垄体土壤微生物的均匀性和稳定性;同时，两种降解地膜处理有降低土壤真菌微生物多样性和增加细菌微生物多样性的趋势，可能与不同地膜的材料成分、结构、破裂程度等有关系，具体原因还有待进一步研究。

4  结  论

试验结果表明，生物降解地膜的降解性能优于光氧降解地膜和普通地膜。地膜覆盖的烤烟旺长期农艺性状、烤后烟叶常规化学成分协调性和产量好于露地对照，其中以普通地膜处理最好。生物降解地膜和光氧降解地膜处理在烟株生长前期对垄体的保温性、保水性差于普通地膜，高于露地对照，在烟株生长中后期则与普通地膜相当。地膜覆盖提高了土壤酸性磷酸酶活性和土壤微生物OTU数量。两种降解地膜的使用降低了土壤真菌微生物多样性，增加了细菌微生物群落内物种分布的多样性和均匀度。

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