2020 年 6月 灌溉排水學(xué)報(bào) 第 39卷 第 6期 Jun 2020 Journal of Irrigation and Drainage No 6 Vol 39 43 文章編號(hào) 1672 3317 2020 06 0043 08 PBAT 生物 降解 地膜降解特征 對(duì)不同 土壤 水分 的響應(yīng) 吳 思 1 2 高維常 2 蔡 凱 2 焦加國 1 張仕祥 3 1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心 南 京 210095 2 貴州省煙草科學(xué)研究院 貴陽 550001 3 中國煙草總公司鄭州煙草研究院 鄭州 450001 摘 要 目的 探究 土壤水分條件對(duì)地膜降解的影響 方法 以 3 種聚己二酸 對(duì)苯二甲酸丁二酯 PBAT 生物 降解地膜 為試驗(yàn)材料 采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn) 設(shè) 15 25 35 土壤質(zhì)量含水 率 條件 研究了 各地膜 在 3 種 土壤 水 分條件下的降解特征 測定 了 羰基指數(shù) 及其相應(yīng)的 土壤 微生物 酶活性 結(jié)果 以 PBAT 為主要成分的生物降解 地膜在施入土壤后均能夠發(fā)生降解 掃描電鏡 SEM 圖像顯示 生物降解地膜在培養(yǎng) 130 d 后出現(xiàn)了大量微觀孔 洞 羰基指數(shù)也隨著降解 時(shí)間的增加而逐漸升高 在 25 土壤 質(zhì)量 含水率條件 下 各生物降解地膜降解速率最快 顯著優(yōu)于 15 35 的土壤質(zhì)量含水率 條件 P膜 B 膜 C 這與它們的降解速 率快慢一致 對(duì)比不同土壤水分下的羰基指數(shù) 可以 看出 25 水分條件下的各地膜羰基指數(shù)最大 在此 條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 膜在降解前后均沒有羰基產(chǎn)生 a 膜 A b 膜 B c 膜 C d 膜 D 圖 4 各地膜 培養(yǎng) 0 180 d后 傅里葉紅外譜圖 Fig 4 FTIR spectrum of the films for 0 d and 180 d 吳思 等 PBAT 生物降解地膜降解特征對(duì)不同土壤水分的響應(yīng) 47 表 1 培養(yǎng) 180 d后 土壤 不同質(zhì)量含水率 條件下各地膜的羰基指數(shù)動(dòng)態(tài)變化 Table 1 Dynamic change of carbonyl index of different mulch film under different water contents at 180 d 質(zhì)量含水率 Moisture condition 地膜種類 Type of film 羰基吸收帶波數(shù) The number of ripples absorbed by the molybdenge cm 羰基吸收帶 吸光度 As 參考帶波數(shù) Number of waves cm 參考帶吸 光度 Ar 羰基指數(shù) 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 培養(yǎng) 180 d時(shí)各地膜在不同質(zhì)量含水率 條件下的土壤微生物活性變化 Table 2 Changes of soil microbial activity in different mulch film under different water conditions at 180 d 水分條件 Moisture condition 地膜種類 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 過氧化氫酶 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 小寫字母代表組內(nèi) 5 水平顯著 大寫字母代表組間 5 水平顯著 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 不同土壤水分條件下 土壤微生物生物量碳 氮 及酶活性變化 培養(yǎng) 180 d 時(shí)各地膜在不同 質(zhì)量含水率 條件下 的土壤微生物活性變化如表 2 所示 由表 2 可知 180 d 培養(yǎng)結(jié)束后 不同生物降解地膜的土壤微生物 活性變化大致呈現(xiàn)出 25 15 35 的趨勢 這與 各生物降解地膜在不同 土壤 質(zhì)量含水率 梯度下的降 解情況一致 在 15 水分條件下 3 種生物降解地 膜處理下的土壤微生物生物量碳 多酚氧化酶活性 顯著高于 PE 地膜處理 但土壤微生物生物量氮 過 氧化氫酶 脲酶活性均無顯著差異 在 25 質(zhì)量含 水率 條件下 膜 A 培養(yǎng) 180 d 后的土壤微生物生物 量碳 脲酶活性顯著高于 PE 地膜 其余 指標(biāo) 無顯著 差異 35 質(zhì)量含水率 條件下 PE 地膜培養(yǎng) 180 d 后土壤多酚氧化酶活性顯著高于膜 A 膜 B 從不 同含水率來看 15 和 25 質(zhì)量含水率 條件下土壤 微生物及酶活性無顯著差異 但與 35 質(zhì)量含水率 條件呈顯著差異 3 討 論 本研究表明 在不同土壤 質(zhì)量含水率條件下 培養(yǎng) 180 d 后 3 種 PBAT 生物降解地膜能夠發(fā)生降解 表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變化 其中膜 A 降解 程度最深 而 PE 地膜培養(yǎng) 180 d 內(nèi)未見降解 PBAT 生物降解地膜以石油基為主要原料 但降解特 性取決于物料本身的特殊結(jié)構(gòu) 而并非其來源 26 土壤中各種微生物及相應(yīng)的生物酶類構(gòu)成了生物降 解地膜所處的生物學(xué)環(huán)境 且 存在著共生作用 即 特定的微生物執(zhí)行降解環(huán)節(jié)中的某一個(gè)步驟 而其 他微生物以其產(chǎn)物為生 研究證明 通過 13C 同位 灌溉排水學(xué)報(bào) 48 素標(biāo)記法 證明了 PBAT 生物降解地膜能夠被微生物 分解蠶食 且 隨 著 微生物的呼吸作用轉(zhuǎn)化為 CO2 27 這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 作為能源 在 質(zhì)量含水率 作用下 高分 子聚合物分子鏈發(fā)生斷裂 表面積逐漸增大并出現(xiàn) 裂紋 分子量隨之降低 生成短鏈分子 在土壤酶 的作用下進(jìn)一步分解為寡聚片段 從而被吞噬細(xì)胞 吞噬 29 生物降解地膜的立體結(jié)構(gòu) 影響了微生物分 解的速度 三維結(jié)構(gòu)受材料與配方的影響 結(jié)構(gòu)越 松散越 有易于微生物侵蝕 30 因此本試驗(yàn)各生物降 解地膜在同土壤 質(zhì)量含水率 條件下降解速率表現(xiàn)為 膜 A 膜 B 膜 C 在不同 土壤 質(zhì)量含水率 條件下 以 25 含水率 條件的地膜降解速率最高 此前 田鳳飛 31 對(duì)于海 藻多糖干地膜的研究發(fā)現(xiàn) 在溫度為 25 土壤 水分為 25 時(shí)地膜降解最快 趙愛琴 14 也得出類似 結(jié)果 淀粉基質(zhì) 膜在 25 的含水率下降解速率最快 龍世方等 32 通過模型擬合發(fā)現(xiàn)麻纖維地膜在 25 土 壤含水率下降解最快 217 d 達(dá)到全降解 這可能是 由于土壤 含水率 較低時(shí) 微生物的活性降低 而當(dāng) 土壤 含水率 增加時(shí) 誘導(dǎo)期會(huì)隨之縮短 但土壤過 濕又會(huì)使反應(yīng)速度減緩 19 降解生物降解地膜的特 征菌群是屬于子囊菌門的真菌菌株 32 33 在本試驗(yàn) 中 由于 35 含水率 條件 下土壤濕度太大導(dǎo)致土壤 含氧量降低 使得真菌活性受到抑制 進(jìn)而影響了 生物降解地膜的降解 19 34 諸多研究表明 35 37 微生物在有機(jī)高分子物料 的降解過程中起著重要作用 無菌 土壤 中培養(yǎng)的生 物降解地膜在試驗(yàn) 期間不能 發(fā)生降解 本試驗(yàn)表明 在 同一 質(zhì)量 含水率 條件下 各 地膜 土壤微生物 酶 活性的變化趨勢大致為膜 A 膜 B 膜 C 膜 D 與各 生物降解地膜降解速率變化趨勢一致 這說明微生 物在地膜 降解 過程中 起著重要作用 15 25 質(zhì)量 含水率 條件下土壤微生物及 酶活性無顯著差異 但 均顯著高于 35 質(zhì)量 含水率 條件 說明 含水 率 條件 所引起的土壤微生物活性差異可能是造成生物降解 地膜速率差異的主要原因 4 結(jié) 論 以 PBAT 為主要成分的生物降解地膜在施入土壤 后能夠發(fā)生降解 生物降解地膜在培養(yǎng) 180 d 后出現(xiàn) 了大量微觀孔洞 羰基指數(shù)也隨著降解時(shí)間的增加而 逐漸升高 但降解速率快慢與土壤 含水率 以及地膜組 成有關(guān) 在 25 土壤含水率條件下 各類型生物降解 地膜降解速率最快 顯著優(yōu)于 15 35 的土壤含水 率條 件 參考文獻(xiàn) 1 王磊 樊廷錄 趙剛 等 地膜覆蓋對(duì)不同株型春玉米產(chǎn)量和水分利 用效率的影響 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 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 韓菊紅 等 覆膜時(shí)期對(duì) 3 種地膜在全膜雙壟溝播 玉米田應(yīng)用 效果的影響 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 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 張建軍 郭天文 樊廷錄 等 農(nóng)用地膜殘留對(duì)玉米生長發(fā)育及土壤 水分運(yùn)移的影響 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 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 賀懷杰 王振華 鄭旭榮 等 典型綠洲區(qū)長期膜下滴灌棉田殘膜分 布現(xiàn)狀研究 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 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 鄒小陽 牛文全 許健 等 殘膜對(duì)土壤水分入滲的影響及入滲模型 適用性分析 J 灌溉排水 學(xué)報(bào) 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 張丹 劉宏斌 馬忠明 等 殘膜對(duì) 農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量及微生物特征 的影響 J 中國農(nóng)業(yè)科學(xué) 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 趙經(jīng)平 全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃 2015 2030 年 發(fā)布 J 江 西農(nóng)業(yè) 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 吳思 等 PBAT 生物降解地膜降解特征對(duì)不同土壤水分的響應(yīng) 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 朱曉琪 李根 姚媛媛 有機(jī)蒙脫土改性聚己二酸 對(duì)苯二甲酸丁二 酯復(fù)合材料的研究 J 廣州化工 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 趙彩霞 柏祥 鄒國享 等 AA PTA 單體比例對(duì) PBAT 共聚酯性能 的影響 J 化工學(xué)報(bào) 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 趙愛琴 土壤溫度和水分對(duì)生物降解地膜降解過程的影響及田間應(yīng) 用 D 北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 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 Method 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 責(zé)任編輯 陸紅飛