PBAT全生物降解地膜在辽西半干旱区的降解及残留特性

向午燕 冯 晨* 冯良山 刘 琪 张丽莉 白 伟 杨 宁 郑家明 孙占祥

(1.辽宁省农业科学院 耕作栽培研究所， 沈阳 110161； 2.国家农业环境阜新观测实验站，辽宁 阜新 123100； 3.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 4.中国科学院 沈阳应用生态研究所， 沈阳 110016)

自20世纪70年代地膜覆盖技术引入我国以来，因其具有增温、保墒和增产等重要作用[1-4]，广泛应用于旱作农业区[5-6]。由于农用地膜材料大部分是难以降解的聚乙烯[7-8]，随着地膜的连年使用，越来越多的残膜滞留于土壤中，造成了土壤板结、水肥运输障碍、农事操作受阻以及作物减产等一系列问题[9-12]，因此，如何同时实现覆膜增产和减少残膜污染已成为国内外学者关注的热点。生物降解地膜因其具有可降解特性，能有效减少残膜的污染危害，被认为是能够解决“白色污染”问题的重要手段之一。由于生物降解地膜受作物种类和应用区域的气候条件等因素影响较大[13]，其降解效果很难一概而论，为此，加强区域生物可降解地膜应用效果研究意义重大。

辽宁省是我国13个粮食主产省之一，春玉米种植面积每年稳定在200万hm2以上，其中辽西地区种植面积和产量均占全省的75% 以上，对保障区域粮食安全起到至关重要的作用[14]。目前，有关该地区地膜应用方面的研究大多集中于产品研发，保墒增产效果，以及不同类型地膜筛选[4,15-17]等方面，应用生物降解地膜可以得到显著的增温、保墒和增产效果[17-18]，但有关该区域环境条件下生物降解地膜的降解过程和累积残留特性尚未见报道。为此，本研究以国家农业环境阜新观测实验站为平台，通过2年田间覆膜试验，结合扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)，分析PBAT全生物降解地膜(BPF)的降解及残留指标，旨在明确全生物降解地膜在辽西半干旱区农田中的降解过程及残留特性，以期为全生物降解地膜在该区域的推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在辽宁省西北部的国家农业环境阜新观测实验站(辽宁省阜新市阜新蒙古族自治县阜新镇沙扎兰村，42°06′ N、121°75′ E)进行，该地区属温带季风大陆性气候区，年平均气温7～8 ℃，5—9月日照时数1 200～1 300 h，10 ℃以上积温2 900～3 400 ℃，无霜期135～165 d，年降水量300～500 mm，且降水变率较大，区域风蚀沙化严重，旱灾频繁，“十年九旱”是其基本气候特征。

1.2 供试材料和试验设计

1.2.1供试材料

供试农田前茬作物为玉米，本试验开展之前未曾覆膜。农田土壤类型为褐土，试验地土壤基本理化性质为：有机质14.8 g/kg，pH 6.03，全氮0.98 g/kg，矿质氮111 mg/kg，有效磷21 mg/kg，速效钾75 mg/kg。

供试地膜包括2种，分别为普通PE地膜(CPF，宽900 mm，厚0.008 mm，辽宁省阜新市塑料彩印二厂)和PBAT(聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯)全生物降解地膜(BPF，宽900 mm，厚0.009 mm，巴斯夫(中国)有限公司)。

1.2.2试验设计

地膜覆盖试验于2018—2019年进行，试验处理包括普通PE地膜和PBAT全生物降解地膜覆盖，地膜覆盖方式为条带覆盖，覆盖量为普通地膜4.6 kg/667 m2，全生物降解地膜6.7 kg/667 m2，试验采用完全随机设计，每个小区面积60 m2，每个处理3次重复。种植的玉米品种为‘郑单958’，密度60 000 株/hm2，按当地常规操作，于2018和2019年春季进行旋耕灭茬，4月末覆膜和播种，9月末收获。在玉米关键生育时期进行地膜田间降解情况观察，并于次年播种前采集残膜样品。

1.3 测定项目和方法

1.3.1地膜田间降解过程观测

为避免受外界干扰而影响地膜正常变化，覆膜后分别在玉米播种期、苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期选取小区中间垄作为观察点进行降解地膜形态描述记录，观测2.0 m垄长、0.9 m垄宽面积的地膜的裂纹和裂缝(裂缝为地膜上出现开裂且开裂度<5 mm的破损，大裂缝则为≥5 mm的开裂和破损)。

1.3.2地膜表面形态及化学结构的测定

采用扫描电镜(日本日立公司的SEM SU-8010)，对地膜表面的微观结构变化进行观察。化学结构采用全反射傅里叶变换红外(Micro-ATR-FTIR)显微镜(德国布鲁克有限公司生产的OPUS 7.5)，记录每个地膜样品的光谱，分析薄膜样品的基团结构。每个样品的FTIR光谱在4 000～600 cm-1范围内，分辨率为4 cm-1。

1.3.3残块获取及统计

分别于地膜覆盖1和2年后，在各处理小区选取1 m2样方，样方选取在均匀地块，避免边行以及残膜差别较大的地块，具体先用铁签围成1个1 m×1 m的正方形，然后向外扩展约10 cm，挖出深度约40 cm的“回”字形，“回”字中心部分即为取样样方，先取内部0～20 cm土层中所有残膜，再取20～40 cm土层中残膜，分别装袋，之后将其带回实验室中清洗，清洗时应尽量去除附着在残膜上的土，同时防止残膜破裂，展开每个卷曲的残膜，再进行0.5～1.0 h的浸泡，之后反复用清水冲洗，最大限度洗去残膜上的泥土，洗净后用滤纸吸干膜上水分，在阴凉干燥处自然晾干，直至多次称量至恒重。再按不同土层深度以及不同规格(<4、4～25和>25 cm2)将地膜残片进行分类并计数，个/m2；同时称取残膜总重，换算为单位面积残留量，kg/hm2。

1.4 数据处理

所得数据采用Excel进行整理，红外谱图采用Origin 9进行作图，其他均采用Excel作图，使用SPSS 20.0(ANOVA)进行数据分析，处理间差异用LSD检验法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同地膜的田间降解过程

由表1可知，2种地膜在覆盖初期膜面完好无损；到苗期，普通地膜(CPF)表面未见明显变化，全生物降解地膜(BPF)膜面完整，表面见少量机械破损，并开始出现裂纹和孔洞，约8～12个/m2；拔节期普通地膜仍无明显变化，全生物降解地膜膜面变脆，裂纹数>30个/m2，且出现大的裂缝，进入破裂期；玉米进入抽雄期之后，普通地膜(CPF)膜面完整，只是表面有细小机械损伤，而降解膜膜面强度明显下降，出现大范围降解，产生降解碎片，进入崩解期；之后灌浆期—成熟期，BPF进一步降解，且部分地膜已降解为肉眼不可见，而普通PE地膜仅表面有细小机械损伤。因此，从田间实际观察效果来看，全生物降解地膜从苗期(40 d左右)就开始出现降解，普通地膜未见明显变化。

表1 不同地膜地表覆盖部分降解过程及形态描述Table 1 Degradation process and morphological description of different plastic films

2.2 不同地膜的累积残留特性

由图1和图2可知，覆盖1年后，CPF在0～20 cm土层中<4、4～25和>25 cm2规格残片的数量分别为144、8和1片/m2，BPF的3种规格残片数量分别为185、19和0片/m2；>20～40 cm土层中，2种地膜的各规格残片数量均比0～20 cm土层中少(<20片/m2)。覆盖2年后，各规格残片数量均比1年有所增加，其中，CPF残片总数量增加80%，但BPF残片增加辐度较小，残片总数量增加21%，<4 cm2残片仅增加3.4%。与覆盖1年的结果相似，覆盖2年的>20～40 cm土层中各规格残片数量均比0～20 cm土层中少，见图2。由此可见，2种地膜残膜数量均随着覆膜年限的增加而增加，其中，普通地膜残片更易于累积留存于土壤中，全生物降解地膜因其具有可降解性，残膜随年限增加较少；各处理残膜多集中于0～20 cm土层，且以中(4～25 cm2)和小(<4 cm2)规模残片为主。

由表2可知，覆盖1年后，CPF处理0～20 cm各规格残片重量占残膜总重比例分别为69.4%、25.3%和5.3%，>20～40 cm土层各规格残片重量比例分别为84.3%、15.7%和0%。BPF处理0～20 cm各规格残片重量比例分别为70.5%、29.5%和0%；>20～40 cm土层中残片重量比例分别为100%、0%和0%。覆盖2年后，CPF处理0～20 cm各规格残片重量比例变为49.3%、34.6%和16.1%，>20～40 cm土层中各规格残片重量比例分别为31.6%、34.1%和34.2%；BPF处理0～20 cm土层各规格残片重量比例分别为52.2%、36.1%和11.7%，>20～40 cm土层残片重量比例分别为82.9%、17.1%和0%。由此可见，与残片数量情况一致，残片重量也多集中于中小规格，且表层土壤中残膜总重远高于深层土壤。但随着覆膜年限的增加，深层土壤中残膜占总残膜量的比例有所上升，其中CPF处理上升4.2个百分点，BPF处理上升0.8个百分点。

不同大写字母表示不同地膜处理之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示不同残片规格之间差异显著(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.图1 CPF和BPF覆盖1年后0～20(a)和>20～40 cm(b)土层中不同规格残片数量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

图2 CPF和BPF覆盖2年后0～20(a)和>20～40 cm(b)土层中不同规格残片数量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

经折算，在0～20 cm土层中，覆盖1和2年后，普通地膜残留量分别为27.7和73.6 kg/hm2，残块可达153万和277万片/hm2，全生物降解地膜残留量分别为39.3和57.6 kg/hm2，残块可达204万和236万片/hm2。随着覆盖年限增加，普通地膜和全生物降解地膜地表残膜累积量分别增加165%和47%。

表2 各处理地膜不同规格残片重量Table 2 Weight of residual pieces of different plastic films in each size g

2.3 残膜膜面微观形态和化学结构变化

由图3可知，普通地膜(CPF)和全生物降解地膜(BPF)的新膜表面均较为平滑，均匀致密，相容性较好；而不同类型残膜在不同土层变化程度各有不同。在0～20和>20～40 cm土层中，普通地膜残膜表面均沾有少量外源物质，发生了一些老化，但总体来说普通地膜使用前后无明显变化。而0～20和>20～40 cm土层中的全生物降解地膜残膜均发生老化和降解现象，残膜表面粗糙，裂纹很多，出现分层。尤其0～20 cm土层中残膜表面出现大量分层和孔洞，厚度不均，有片状物质，直径大部分在 0.1～0.5 μm。扫描电镜结果表明，全生物降解地膜在田间覆盖后出现了降解，且0～20 cm土层中残膜降解程度较大，而普通PE地膜前后无明显变化，这也与2种地膜的田间观测效果相一致。

由图4可知，普通地膜(CPF)在2 915、2 850、1 471 和720 cm-1处存在4个特征吸收峰。而全生物降解地膜是以PBAT为主要原料，红外光谱图中1 450 cm-1处的苯环特征峰(-C6H4-)、1 750～1 675 cm-1处的羰基特征峰(-C=O)以及 2 956 cm-1处的-CH2-振动峰均为PBAT的特征峰。使用前后的红外光谱分析可以看出，普通地膜新膜和残膜在结构上并无变化，而全生物降解地膜羰基吸收峰变强(1 750～1 675 cm-1)，这可能是全生物降解地膜中的酯键发生断裂形成羰基，地膜在微生物的作用下引发水解作用，最后导致分子链的断裂，地膜发生降解，红外光谱结果也印证了田间观测及扫描电镜结果。

图3 普通地膜(CPF)和PBAT全生物降解地膜(BPF)新膜和不同土层残膜扫描电镜(SEM)图像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

图4 普通地膜(CPF) 和PBAT全生物降解膜(BPF)的新膜和残膜的傅里叶红外谱Fig.4 FTIR spectrum of new films and residual for conventional film (CPF) and biodegradable film (BPF)

3 讨 论

3.1 全生物降解地膜的降解过程

适宜的可降解地膜应在兼具PE地膜(CPF)的增产和增温保水效果的同时兼具自然降解作用。然而，由于降解地膜的性质受作物、地膜材料和环境因素影响较大[19-22]，导致其降解性能和残留情况很难一概而论，因此，加强不同区域可降解地膜降解特性研究意义重大。何文清等[13]研究表明，生物降解地膜在覆膜30 d左右就开始出现裂缝和裂口，且膜面颜色和韧性均发生变化。曲萍等[23]发现在覆盖28 d 后PBAT全生物降解地膜抗张强度和断裂伸长率已下降59.3%和68.8%。本研究中供试的PBAT全生物降解地膜从苗期(40 d左右)开始出现降解，到玉米拔节期地膜降解进入破裂期，抽穗之后地膜降解进入崩解阶段，降解开始时间有所延迟可能与当地半干旱气候以及春季冷凉有关。

3.2 不同地膜的残留特性

由于不同地区地膜的使用量及使用方式的不同，土壤中的农用地膜残留量也存在显著差异，对西北、西南和华北典型覆膜农区进行取样，发现土壤中残膜量为71.9～208.5 kg/hm2[24]，且随着地膜覆盖年限的增加，地膜残留量也随之增加。本研究也得出了相似结论，普通地膜覆盖1和2年后在0～20 cm 土层的残留量分别为27.7和73.6 kg/hm2，全生物降解地膜残留量分别为39.3和57.6 kg/hm2；即普通地膜和全生物降解地膜覆盖2年后的残膜累积量分别较使用1年增加165%和47%。与之相应，普通地膜残块总数量增加80%，全生物降解地膜残块数量增加21%。本研究中，普通地膜使用2年的残留重量高于使用1年的2倍多，可能主要因为在辽西半干旱区春秋季节风蚀现象严重，很多地表残膜会被吹走，这也是当地未覆膜农田也会发现地膜残块的原因，而这种残膜的损失与气象因素(如风力和降水等)关系很大，因此虽然每年地膜投入量一定，但次年残留量却无法精确掌控，很可能出现残留量比前一年高出2倍多的情况。而全生物降解地膜的残膜增加率远低于普通地膜，主要是因为其较高的可降解性，扫描电镜和傅里叶红外光谱分析结果也证明了这一点。

此外，本研究中残膜分布表现为随土层加深残留量减少，这也与前人的研究结果相一致。严昌荣等[9]调查发现残膜主要集中在土壤表层，0～10、>10～20和>20～30 cm土层残膜分配比例分别为>50%、10%～40%和<10%；蔡金洲等[25]调查发现，南方的平原地区残膜主要集中在0～20 cm土层，约占耕作层残膜总量的78.9%。另一方面，本研究中随着覆膜年限的增加，深层土壤中残膜所占比例也有一定程度的增加。其中在>20～40 cm土层中普通地膜残膜占总残膜量比例由8.2%增加至12.4%，全生物降解地膜由2.9%增加至3.7%。这可能是由于表层土壤中影响残膜分布的因素(如播种、旋耕和翻土等)较多，而深层土壤中影响残膜变化的因素较少，残膜所处环境相对稳定，残膜变化趋势表现逐渐积累，最终造成深层土壤中残膜的比例增加，刘建国等[26]也得出了相似的结果。

总体上，随着覆盖年限的增加，全生物降解地膜残膜(残块数和残膜重)增长率远远小于普通地膜，说明与普通地膜相比，全生物降解地膜具有减少农田残留，解决区域白色污染问题的潜力。本试验侧重全生物降解地膜在辽西地区农田中的降解过程和残留情况，未对地膜降解动态变化进行机理研究，后续需就地膜降解影响因子，如，水、温和微生物等方面做进一步降解机理方面的深入探讨。

4 结 论

在辽西半干旱区春玉米生产中，PBAT全生物降解地膜从第40天左右开始出现降解，拔节时地膜降解进入破裂期，抽穗后进入崩解期；随着地膜覆盖年限的增加，残膜量也随之增加，普通地膜和全生物降解地膜表层残膜累积量分别增加165%和47%，残块总数分别增加80%和21%。2种地膜残留量均随土层加深而减少，伴随覆膜年限增加，深层土壤中残膜占总残膜量比例呈增加趋势，普通地膜比例由8.2%增至12.4%，但全生物降解地膜仅由2.9%增至3.7%。覆盖2年后，表层土壤中普通地膜和全生物降解地膜的残片数分别为277万和236万片/hm2，残膜质量分别为73.6和 57.6 kg/hm2，与普通地膜相比，PBAT全生物降解地膜可有效减少农田残膜累积，以其替代普通地膜应用于辽西半干旱区玉米覆盖栽培具有可行性。