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2020 年 6月 灌溉排水学报 第 39卷 第 6期 Jun 2020 Journal of Irrigation and Drainage No 6 Vol 39 43 文章编号 1672 3317 2020 06 0043 08 PBAT 生物 降解 地膜降解特征 对不同 土壤 水分 的响应 吴 思 1 2 高维常 2 蔡 凯 2 焦加国 1 张仕祥 3 1 南京农业大学 资源与环境科学学院 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心 南 京 210095 2 贵州省烟草科学研究院 贵阳 550001 3 中国烟草总公司郑州烟草研究院 郑州 450001 摘 要 目的 探究 土壤水分条件对地膜降解的影响 方法 以 3 种聚己二酸 对苯二甲酸丁二酯 PBAT 生物 降解地膜 为试验材料 采用室内培养试验 设 15 25 35 土壤质量含水 率 条件 研究了 各地膜 在 3 种 土壤 水 分条件下的降解特征 测定 了 羰基指数 及其相应的 土壤 微生物 酶活性 结果 以 PBAT 为主要成分的生物降解 地膜在施入土壤后均能够发生降解 扫描电镜 SEM 图像显示 生物降解地膜在培养 130 d 后出现了大量微观孔 洞 羰基指数也随着降解 时间的增加而逐渐升高 在 25 土壤 质量 含水率条件 下 各生物降解地膜降解速率最快 显著优于 15 35 的土壤质量含水率 条件 P膜 B 膜 C 这与它们的降解速 率快慢一致 对比不同土壤水分下的羰基指数 可以 看出 25 水分条件下的各地膜羰基指数最大 在此 条件下各生物降解地膜降解速率最快 降解程度最 深 而普通 PE 膜在降解前后均没有羰基产生 a 膜 A b 膜 B c 膜 C d 膜 D 图 4 各地膜 培养 0 180 d后 傅里叶红外谱图 Fig 4 FTIR spectrum of the films for 0 d and 180 d 吴思 等 PBAT 生物降解地膜降解特征对不同土壤水分的响应 47 表 1 培养 180 d后 土壤 不同质量含水率 条件下各地膜的羰基指数动态变化 Table 1 Dynamic change of carbonyl index of different mulch film under different water contents at 180 d 质量含水率 Moisture condition 地膜种类 Type of film 羰基吸收带波数 The number of ripples absorbed by the molybdenge cm 羰基吸收带 吸光度 As 参考带波数 Number of waves cm 参考带吸 光度 Ar 羰基指数 Irs 15 膜 A 1 709 98 35 6 726 43 39 1 91 05 膜 B 1 709 10 24 88 725 83 32 03 77 68 膜 C 1 708 65 25 0 725 84 32 5 76 92 25 膜 A 1 709 25 38 5 726 66 39 1 98 47 膜 B 1 707 93 27 5 725 82 34 4 79 94 膜 C 1 708 82 23 3 725 55 30 7 75 90 35 膜 A 1 709 66 34 1 726 23 40 2 84 83 膜 B 1 710 00 25 5 725 63 33 6 75 89 膜 C 1 708 96 22 1 726 01 33 3 66 37 表 2 培养 180 d时各地膜在不同质量含水率 条件下的土壤微生物活性变化 Table 2 Changes of soil microbial activity in different mulch film under different water conditions at 180 d 水分条件 Moisture condition 地膜种类 Type of film 微生物生物量碳 SMBC mg kg 1 微生物生物量氮 SMBN mg kg 1 过氧化氢酶 SCAT g d 1 g 1 脲酶 SUE g d 1 g 1 多酚氧化酶 SPPO mg d 1 g 1 15 膜 A 354 02 17 77a A 20 20 2 49aB 45 90 0 87aA 668 85 10 76aA 35 14 3 15aA 膜 B 352 44 27 23aAB 31 58 3 32aAB 44 85 1 38aA 722 38 49 23aA 28 58 2 10bB 膜 C 302 76 31 82aA 21 74 1 12aA 43 17 2 05aA 694 70 45 65aA 34 64 0 81aB 膜 D 230 21 12 62bB 25 96 4 84aB 43 94 0 89aA 685 53 31 68aA 27 16 2 13bC 25 膜 A 397 74 42 32aA 40 29 6 39aA 49 95 2 88aA 678 14 5 72aA 38 62 2 62aA 膜 B 359 32 26 05abA 27 56 4 09aA 47 01 0 34aA 634 91 18 63abAB 34 37 2 24aA 膜 C 352 03 27 55abA 30 48 4 21aA 47 77 0 85aA 634 61 42 04abA 40 60 1 81aA 膜 D 295 93 18 53bA 43 75 3 89aA 46 05 1 08aA 581 74 19 09bB 37 36 2 95aB 35 膜 A 255 49 22 82aB 20 02 3 93aB 47 11 1 20aA 601 55 19 59aB 38 72 2 51bA 膜 B 154 08 15 50bB 29 38 3 64aA 46 33 1 29aA 527 39 13 48aB 31 58 0 92cAB 膜 C 174 77 10 78bB 25 27 2 36aA 46 48 1 96aA 548 54 9 58aB 41 89 2 12abA 膜 D 159 37 20 49bC 28 01 6 61aB 44 79 0 81aA 525 09 12 27aB 46 16 1 01aA 注 小写字母代表组内 5 水平显著 大写字母代表组间 5 水平显著 Note Different small letters meant significant difference at 0 05 level among treatments different uppercase letters meant significant difference levels of 5 between groups 2 3 不同土壤水分条件下 土壤微生物生物量碳 氮 及酶活性变化 培养 180 d 时各地膜在不同 质量含水率 条件下 的土壤微生物活性变化如表 2 所示 由表 2 可知 180 d 培养结束后 不同生物降解地膜的土壤微生物 活性变化大致呈现出 25 15 35 的趋势 这与 各生物降解地膜在不同 土壤 质量含水率 梯度下的降 解情况一致 在 15 水分条件下 3 种生物降解地 膜处理下的土壤微生物生物量碳 多酚氧化酶活性 显著高于 PE 地膜处理 但土壤微生物生物量氮 过 氧化氢酶 脲酶活性均无显著差异 在 25 质量含 水率 条件下 膜 A 培养 180 d 后的土壤微生物生物 量碳 脲酶活性显著高于 PE 地膜 其余 指标 无显著 差异 35 质量含水率 条件下 PE 地膜培养 180 d 后土壤多酚氧化酶活性显著高于膜 A 膜 B 从不 同含水率来看 15 和 25 质量含水率 条件下土壤 微生物及酶活性无显著差异 但与 35 质量含水率 条件呈显著差异 3 讨 论 本研究表明 在不同土壤 质量含水率条件下 培养 180 d 后 3 种 PBAT 生物降解地膜能够发生降解 表面结构和化学结构均发生了变化 其中膜 A 降解 程度最深 而 PE 地膜培养 180 d 内未见降解 PBAT 生物降解地膜以石油基为主要原料 但降解特 性取决于物料本身的特殊结构 而并非其来源 26 土壤中各种微生物及相应的生物酶类构成了生物降 解地膜所处的生物学环境 且 存在着共生作用 即 特定的微生物执行降解环节中的某一个步骤 而其 他微生物以其产物为生 研究证明 通过 13C 同位 灌溉排水学报 48 素标记法 证明了 PBAT 生物降解地膜能够被微生物 分解蚕食 且 随 着 微生物的呼吸作用转化为 CO2 27 这些微生物分解始于地膜表面 28 可以利用聚合物 分子中的 C 作为能源 在 质量含水率 作用下 高分 子聚合物分子链发生断裂 表面积逐渐增大并出现 裂纹 分子量随之降低 生成短链分子 在土壤酶 的作用下进一步分解为寡聚片段 从而被吞噬细胞 吞噬 29 生物降解地膜的立体结构 影响了微生物分 解的速度 三维结构受材料与配方的影响 结构越 松散越 有易于微生物侵蚀 30 因此本试验各生物降 解地膜在同土壤 质量含水率 条件下降解速率表现为 膜 A 膜 B 膜 C 在不同 土壤 质量含水率 条件下 以 25 含水率 条件的地膜降解速率最高 此前 田凤飞 31 对于海 藻多糖干地膜的研究发现 在温度为 25 土壤 水分为 25 时地膜降解最快 赵爱琴 14 也得出类似 结果 淀粉基质 膜在 25 的含水率下降解速率最快 龙世方等 32 通过模型拟合发现麻纤维地膜在 25 土 壤含水率下降解最快 217 d 达到全降解 这可能是 由于土壤 含水率 较低时 微生物的活性降低 而当 土壤 含水率 增加时 诱导期会随之缩短 但土壤过 湿又会使反应速度减缓 19 降解生物降解地膜的特 征菌群是属于子囊菌门的真菌菌株 32 33 在本试验 中 由于 35 含水率 条件 下土壤湿度太大导致土壤 含氧量降低 使得真菌活性受到抑制 进而影响了 生物降解地膜的降解 19 34 诸多研究表明 35 37 微生物在有机高分子物料 的降解过程中起着重要作用 无菌 土壤 中培养的生 物降解地膜在试验 期间不能 发生降解 本试验表明 在 同一 质量 含水率 条件下 各 地膜 土壤微生物 酶 活性的变化趋势大致为膜 A 膜 B 膜 C 膜 D 与各 生物降解地膜降解速率变化趋势一致 这说明微生 物在地膜 降解 过程中 起着重要作用 15 25 质量 含水率 条件下土壤微生物及 酶活性无显著差异 但 均显著高于 35 质量 含水率 条件 说明 含水 率 条件 所引起的土壤微生物活性差异可能是造成生物降解 地膜速率差异的主要原因 4 结 论 以 PBAT 为主要成分的生物降解地膜在施入土壤 后能够发生降解 生物降解地膜在培养 180 d 后出现 了大量微观孔洞 羰基指数也随着降解时间的增加而 逐渐升高 但降解速率快慢与土壤 含水率 以及地膜组 成有关 在 25 土壤含水率条件下 各类型生物降解 地膜降解速率最快 显著优于 15 35 的土壤含水 率条 件 参考文献 1 王磊 樊廷录 赵刚 等 地膜覆盖对不同株型春玉米产量和水分利 用效率的影响 J 灌溉排水学报 2018 37 1 16 20 WANG Lei FAN Tinglu ZHAO Gang et al Effect of plastic film mulching on yield and water use efficiency of different plant type spring maize J Journal of Irrigation and Drainage 2018 37 1 16 20 2 岳德成 李青梅 韩菊红 等 覆膜时期对 3 种地膜在全膜双垄沟播 玉米田应用 效果的影响 J 灌溉排水学报 2018 37 2 30 37 YUE Decheng LI Qingmei HAN Juhong et al Application effect of three kinds of plastic film mulching in corn field of whole mulching plastic films on double ridges J Journal of Irrigation and Drainage 2018 37 2 30 37 3 STEINMETZ Z WOLLMANN C SCHAEFER M et al Plastic mulching in agriculture Trading short term agronomic benefits for long term soil degradation J Science of the Total Environment 2016 550 690 705 4 张建军 郭天文 樊廷录 等 农用地膜残留对玉米生长发育及土壤 水分运移的影响 J 灌溉排水学报 2014 33 1 100 102 ZHANG Jianjun GUO Tianwen FAN Tinglu et al The effect of the agricultural residual plastic film on maize growth and development and soil moisture movement J Journal of Irrigation and Drainage 2014 33 1 100 102 5 贺怀杰 王振华 郑旭荣 等 典型绿洲区长期膜下滴灌棉田残膜分 布现状研究 J 灌溉排水学报 2019 38 2 63 69 HE Huaijie WANG Zhenhua ZHENG Xurong et al Distribution of size and quantity of film residuals in cotton fields under film mulched drip irrigation in oasis region J Journal of Irrigation and Drainage 2019 38 2 63 69 6 KASIRAJAN S NGOUAJIO M Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural applications A review J Agronomy for Sustainable Development 2012 32 2 501 529 7 邹小阳 牛文全 许健 等 残膜对土壤水分入渗的影响及入渗模型 适用性分析 J 灌溉排水 学报 2016 35 9 1 7 12 ZOU Xiaoyang NIU Wenquan XU Jian et al Effects of residual plastic film on water infiltration and applicability analysis of infiltration models J Journal of Irrigation and Drainage 2016 35 9 1 7 12 8 张丹 刘宏斌 马忠明 等 残膜对 农田土壤养分含量及微生物特征 的影响 J 中国农业科学 2017 50 2 310 319 ZHANG Dan LIU Hongbin MA Zhongming et al Effect of residual plastic film on soil nutrient contents and microbial characteristics in the farmland J Scientia Agricultura Sinica 2017 50 2 310 319 9 赵经平 全国农业可持续发展规划 2015 2030 年 发布 J 江 西农业 2015 5 17 ZHAO Jingping National Agricultural Sustainable Development Plan 2015 2030 J Jiangxi Agriculture 2015 5 17 10 TAN Z J YI Y J WANG H Y et al Physical and degradable properties of mulching films prepared from natural fibers and biodegradable 吴思 等 PBAT 生物降解地膜降解特征对不同土壤水分的响应 49 polymers J Applied Sciences 2016 6 5 147 11 DAHMAN Y UGWU C U Production of green biodegradable plastics of poly 3 hydroxybutyrate from renewable resources of agricultural residues J Bioprocess and Biosystems Engineering 2014 37 8 1 561 1 568 12 朱晓琪 李根 姚媛媛 有机蒙脱土改性聚己二酸 对苯二甲酸丁二 酯复合材料的研究 J 广州化工 2015 43 9 90 92 99 ZHU Xiaoqi LI Gen YAO Yuanyuan Research of OMMT Modified Poly butyleneadipate co terephthalate Composites Materials J Guangzhou Chemical Industry 2015 43 9 90 92 99 13 赵彩霞 柏祥 邹国享 等 AA PTA 单体比例对 PBAT 共聚酯性能 的影响 J 化工学报 2017 68 1 452 459 ZHAO Caixia BAI Xiang ZOU Guoxiang et al Effect of monomer ratio of AA to PTA on properties of PBAT copolyesters J CIESC Journal 2017 68 1 452 459 14 赵爱琴 土壤温度和水分对生物降解地膜降解过程的影响及田间应 用 D 北京 中国农业大学 2005 ZHAO Aiqin Effects of soil moisture and temperature on the degradation of biodegradable plastic films and its filed field application D Beijing China Agricultural University 2005 15 MA Z F MA Y B QIN L Z et al Preparation and characteristics of biodegradable mulching films based on fermentation industry wastes J International Biodeterioration 2 Guizhou Academy of Tobacco Science Guiyang 550001 China 3 Zhengzhou Tobacco Research Institute of China National Tobacco Corporation Zhengzhou 450001 China Abstract Background There had been a steadily increase in use of mulching plastic films to boost crop yield by keeping top soil warming and moist while in the meantime preventing weed growth However most plastic films used in agriculture are slow or not biodegradable and their continuous use has resulted in plastic pollution One mitigation is to use biodegradable mulch films one of which is the Aliphaticearomatic biodegradable copolyester poly butylene adipate co terephthalate PBAT films While PBAT biodegradable films are mechanically and thermally durable the response of their degradation to soil environmental change is obscure Objective This paper presents the results of an experimental study on change in degradation of PBAT mulching film under different soil moisture contents The experiment was conducted in lab under three soil moistures 15 25 and 35 degradation of four PBAT biodegradable films were investigated In each treatment we measured the degradations rate soil microbial and enzymatic activities in the soil Result Films containing PBAT degraded in the soil Scanning electron microscope SEM images showed large numbers of micro holes in the films after 130 days of incubation and the carbonyl groups index increased as the experimental time elapsed When soil moisture was the same the change in microbial and enzymatic activities in soil amended with the four films was ranked in film A film B film C film D consistent with the degrading rate measured for each film indicating that microbial decomposition was the dominant degrading process Microbial and enzymatic activities under moisture of 15 and 25 were comparable both being higher than that under 35 P 0 05 indicating that the difference in microbial and enzymatic activities was instigated by soil moisture Conclusion PBAT mulch films degraded in soil and the degradation was fastest when soil moisture was 25 Soil moisture and the interior 3D structure of the film are the main factors that affect the film degradation Choosing the biodegradable mulch film for a field needs to consider the soil moisture change to ensure that the film does degrade but not too fast to compromise its service or too slow to leave residuals Key words soil moisture PBAT biodegradable film degradation characteristics 责任编辑 陆红飞