PBAT/PPC可降解地膜在豇豆生产中的应用研究

周天美，周新伟，陆 静，李梦琳，翟维杰，董林林，陆长婴，施林林

（1国家土壤质量相城观测实验站，江苏 苏州 215155；2太仓市农业技术推广中心，江苏 太仓 215400；3江苏太湖地区农业科学研究所，江苏 苏州 215155；4太仓市新湖惠民蔬菜专业合作社，江苏 太仓 215400）

0 引言

农用地膜能有效地控制土壤的温度和湿度，减少水分和营养物流失，促进农作物高产和稳产，提高农业生产效益[1]，因此，地膜覆盖已成为粮食、蔬菜等食物生产的关键措施。同时，传统地膜不可降解，每年都会有大量的残膜留在土壤里，这些塑料碎片可在土壤中形成阻隔层[2]，使土壤中的水、气、肥等流动受阻，造成土壤结构板结，严重危害生态环境，造成白色污染。研究表明，传统聚烯烃类塑料在自然条件下极难降解，在土壤中可存在200～400年[3]。回收地膜是一种减少残留的方法，但人工拾取残膜耗时费力，即使采用机械回收，也存在回收不彻底等诸多问题[4-6]。解决这一问题的有效途径之一就是改变材料基质，研制全生物降解地膜[7]。以生物降解材料为主要原料制成的全生物可降解地膜，不仅具有普通地膜的保温保湿功能，而且在自然界中可完全被微生物降解，最终形成二氧化碳和水，对环境无污染[8]。

目前，全生物可降解地膜的应用研究较多，如申丽霞等[9]研究发现可降解膜显著提高了土壤温度和水分含量，同时加快了玉米的生育进程，提高了穗粒数、千粒重和最终产量。袁海涛等[10]的研究也表明，可降解地膜提高地表温度2～3ºC，棉花单株结铃增加1.3个，铃重增加0.7 g，棉花产量显著增加583.5 kg/hm2。上述研究基本明确了可降解地膜对大田作物的有益作用。伴随技术进步，新型可降解地膜得到长足发展，如余旺等[11]总结了常见的32种新型可降解地膜及主要成分。聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)是生物降解研究领域的热点之一[12-13]，而聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)是基于CO2和环氧丙烷合成的完全可降解塑料[14]，二者复合形成的可降解地膜兼具工业化生产能力和全生物可降解性能，具有极佳的市场应用前景，但目前针对基于PBAT和PPC可降解地膜的农学应用研究仍属空白。

本研究通过基于PBAT和PPC可降解地膜在豇豆生产中的应用，聚焦可降解地膜的保温、增产和抑草性能，并通过经济效益分析，评估基于PBAT和PPC可降解地膜在实际农业生产中的应用前景。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本研究在2021年5—8月开展于江苏省太仓市，区域地处北亚热带南部湿润气候区，日照充足，四季分明。田间试验地点位于太仓双凤镇新湖村蔬菜农业园蔬菜基地(N 31°28'39.95"，E 121°2'12.18")，土壤类型属于砂壤土，土壤有机质含量为27 g/kg，全氮1.5 g/kg，有效磷70mg/kg，速效钾220mg/kg。

1.2 试验设计

田间试验采用单因素随机区组试验设计，每个处理重复3次，小区面积均为20m×1.2m。处理为4种不同地膜覆盖处理，分别为PBAT-PPC可降解地膜处理（聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯与聚甲基乙撑碳酸酯复合，购自龙达生物新材料科技有限公司）、PBAT-PPCBioM可降解地膜处理（聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚甲基乙撑碳酸酯与可降解生物材料共复合，购自中达航有限公司）、PE常规不可降解地膜处理（聚乙烯）和NoFilm处理（无地膜覆盖），地膜厚度均为0.01mm，膜宽1.2m。

试验作物为当地常规蔬菜豇豆，品种名为‘夏翠’。种植模式为露地种植，在5月7日统一覆膜，并在5月19日进行播种，每穴2粒种子，株距30 cm，待出苗后，用剪刀剁穿地膜，引苗出膜，然后用细土封压破孔。处理间施肥量一致，在5月份施用8.25 t/hm2有机肥和360 kg/hm2三元复合肥(15:15:15)作为基肥，并在7月份进行追肥，施用复合肥150 kg/hm2。不覆膜处理在种植前喷施除草剂1次。其他管理方式均一致。

1.3 测定项目与方法

土壤地表(0～5 cm)温度测定采用地温计（精创RC-4），测定间隔1 h，测定时间从覆膜当日开始至收获完毕结束。长江下游地区雨水充沛，土壤墒情通常较好，因此本研究未对土壤湿度进行持续观测。豇豆产量计算基于每日收获量的累加。采用1m2套框测定处理内杂草鲜重，每小区测定3个平行，最终计算豇豆生育期内平均总鲜草重。地膜降解速率参照杨惠娣等[15]提出的方法进行评估，并在覆膜后每隔15天观察记录一次地膜降解情况。

1.4 统计分析

数据收集采用Microsoft Excel2016，统计分析与绘图采用R平台(https://cran.r-project.org/)。豇豆与杂草产量采用方差分析，在获得显著性后采用Tukey法进行多重比较，显著性水平取0.05。

2 结果与分析

2.1 不同地膜处理对土壤温度的影响

地膜保墒、增温和控草是蔬菜种植过程中的主要目标之一。本研究中3种地膜处理（PBAT-PPC、PBATPPC-BioM和PE）在前期（7月前）均有明显的保温作用。与不覆膜处理地表温度相比，PBAT+PPC处理前期平均增温0.9ºC，最高增温3.0ºC；PBAT-PPC-BioM处理前期平均增温0.9ºC，最高增温4.0ºC；PE处理前期平均增温0.9ºC，最高增温3.5ºC（图1）。而在后期（7月后），不同地膜增温效益有显著不同，其中PBAT+PPC处理基本与不覆膜处理接近，平均效应为-0.2ºC，PBAT-PPC-BioM处理为显著负效应，平均为-1.6ºC；而PE处理为显著正效应，平均为0.5ºC（图1）。

图1 豇豆种植期内覆膜与不覆膜处理地表温度差异比较

2.2 不同地膜处理对豇豆产量和田间杂草的影响

不同覆膜处理对豇豆的产量具有显著影响(P<0.05)，多重比较表明，PBAT-PPC处理产量最高，其次为PBAT-PPC-BioM和常规PE覆膜处理，不覆膜处理最低（图2）。PBAT-PPC处理平均产量比不覆膜对照处理高37%；PBAT-PPC-BioM处理平均产量与PE处理无显著差异，比不覆膜对照处理高22%。

图2 不同覆膜处理下豇豆产量与杂草产量

覆膜处理后杂草产量并无显著差异(P>0.05)，平均杂草产出量为1005 kg/hm2，本研究中不覆膜处理由于除草剂效应杂草产量较低，仅为658 kg/hm2。通过调研临近未覆膜和未化学除草田块，我们发现平均杂草产量可达到1821 kg/hm2，地膜覆盖具有显著的抑草效果，平均杂草产量降低45%。

2.3 可降解地膜的降解速度

覆膜后每隔15天观察地膜破裂情况，结果表明，可降解地膜的降解程度随着覆盖时间的增加而提高（表1），整体而言，PBAT-PPC-BioM地膜降解速度略高于PBAT-PPC地膜，普通PE地膜几乎无降解。本研究中尽管至豇豆收获完毕，可降解地膜降解情况仍处于4～5级水平，但地膜明显变薄，如颜料贴于地面，可顺利通过机械翻耕埋入土中，以进一步加速降解。

表1 豇豆种植期内可降解地膜降解情况

2.4 价格与成本效益分析

可降解地膜单价一般高于传统的PE地膜，本研究中两种可降解地膜单价均为每公斤40元，单位面积铺膜成本与PE地膜一致，按本地区平均人工每日150元计，每公顷铺膜成本约1125元。传统PE地膜有回收成本，且高于铺膜成本，约每公顷2250元。按照苏州市近期豇豆平均批发价格每公斤6.7元计(https://price.21food.cn/product/430.htm l)，种植户不计人工、肥料等其他成本，PBAT+PPC处理毛收入最高，其次为PE地膜和PBAT+PPC+BioM地膜。不覆地膜处理由于豇豆产量较低，尽管无地膜成本支出，但毛收入也最低（表2）。整体而言，PE地膜处理较露地种植毛收入提高19%，可降解地膜较露地提高18%～32%。

表2 不同地膜覆盖处理成本与效益分析

3 结论

综上所述，地膜覆盖有利于豇豆增产增效，基于PBAT和PPC的可降解地膜与常规PE地膜有相近的土壤保温、作物增产和田间抑草效应。基于PBAT和PPC-可降解地膜在豇豆生长期内降解等级为4～5级，基本裂解为4 cm×4 cm薄膜碎片，为后期机械翻耕还田继续降解提供了基础，具备了实际田间生产性能。同时尽管可降解地膜目前售价高于传统PE地膜，由于无回收成本和突出的增产效果，扣除材料和使用成本后，采用基于PBAT和PPC的可降解地膜的综合收益与PE地膜相当，显著高于常规露地生产。因此，基于PBAT和PPC可降解地膜在豇豆生产中有突出增产效益，且无不良环境风险，具有极大的推广价值。

4 讨论

本研究中可降解地膜与PE地膜在前期（7月份前）都有显著的保温效果，达到了地膜应用的预期。在地膜应用后期（7月份后），PE地膜由于不可降解的特性，土壤保温性能仍然较好，但7—8月过高地表温度反而易导致土壤呼吸增加、养分损耗过大，并不利于作物生长[16-17]。应用生物降解地膜后，地表温度较露地略有降低，尤其是PBAT-PPC-BioM地表温度降低较为明显（图1），其主要原因是PBAT-PPC-BioM降解较快（表1），地表杂草逐步生长（图2），有助于降低地表温度。值得注意的是，本研究中不覆盖地膜处理为避免前期杂草滋生，进行了化学防除，导致后期杂草反而低于地膜覆盖，但除草剂使用易导致食品安全和土壤生态健康等问题[18-19]。

覆膜后豇豆产量显著高于露地处理，这可能与覆膜处理具有良好的保墒和保肥性有关[20]，同时地膜覆盖后地表温度较高，干物质累积普遍高于露地，如申丽霞等研究表明地膜覆盖后玉米的株高和干物质显著高于对照[21]，罗莎等研究表明覆膜后辣椒产量显著高于不覆膜处理[22]。可降解地膜对杂草的抑制能力略低于常规PE薄膜，主要原因是后期可降解薄膜逐步降解导致杂草滋生，但二者无显著差异（图2），基于PBAT和PPC的可降解地膜仍可有效的抑制菜地杂草。

经过4个月豇豆种植期，本研究所采用可降解薄膜最终降解等级为4～5级之间，根据杨惠娣等[15]的分级依据，地膜出现均匀网状裂纹，开始变薄，无大块薄膜存在，且裂解为尺寸小于4 cm×4 cm的碎片。尽管尚未全部降解，但在后期翻耕操作过程中，可降解地膜可轻易打碎翻入土壤进行下一步降解，达到了地膜原位处理的目标。PE地膜未有明显降解迹象，需要人工回收利用。

目前可降解地膜推广利用的最大障碍是使用成本较高[23-24]，本文通过对薄膜成本、铺膜成本、地膜回收成本和增产收益的综合分析可知，采用地膜种植豇豆可有效提高单位面积毛收入。可降解地膜覆盖较露地种植毛收入提高18%～32%，而PE地膜覆盖较露地种植毛收入提高19%，主要原因是地膜覆盖后作物产量得到显著提高，产生收入足以抵消地膜使用成本。尽管常规PE处理与可降解地膜毛收入相近，但PE地膜处理后容易导致土壤微塑料积累，影响土壤健康和农产品安全[25]，因此并不推荐PE地膜的长期使用。