馮晨，馮良山，劉琪，李昊儒，鄭家明，楊寧，白偉，張哲，孫占祥

遼西半干旱區(qū)不同類(lèi)型地膜降解特性及其對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

1遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，沈陽(yáng) 110161；2國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，遼寧阜新 123100；3中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081

【】明確不同類(lèi)型可降解地膜在遼西半干旱區(qū)的降解特性及其對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，為可降解地膜的區(qū)域篩選和應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。以國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站為平臺(tái)，采用田間試驗(yàn)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，田間試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理，分別為普通地膜覆蓋（T1）、添加劑型降解膜覆蓋（T2）和全生物降解膜覆蓋（T3）。通過(guò)2年田間試驗(yàn)，定期進(jìn)行田間觀察和取樣分析，測(cè)定不同地膜覆蓋處理下的玉米產(chǎn)量，并結(jié)合掃描電鏡（SEM）和傅里葉紅外光譜（FTIR），對(duì)地膜表面形態(tài)、力學(xué)特性以及化學(xué)結(jié)構(gòu)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，系統(tǒng)全面地分析不同類(lèi)型地膜在遼西半干旱區(qū)的降解過(guò)程及程度。各覆蓋處理的玉米產(chǎn)量無(wú)顯著差異，不同類(lèi)型地膜的田間降解過(guò)程表明，2種可降解地膜的降解進(jìn)程相似，均從覆蓋后第38天表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，第58天開(kāi)始出現(xiàn)明顯降解，T3處理的降解進(jìn)程總體上快于T2處理，普通地膜幾乎無(wú)降解。隨著地膜在田間置留時(shí)間加長(zhǎng)，破碎程度加劇，可降解地膜的水蒸氣透過(guò)量顯著增加，力學(xué)性能（最大負(fù)荷、拉伸強(qiáng)度和斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變）顯著下降，膜面微觀形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)變化顯著，普通地膜覆蓋處理各項(xiàng)指標(biāo)前后變化不明顯。不同類(lèi)型地膜的水蒸氣透過(guò)能力總體表現(xiàn)為T(mén)3＞＞T2＞T1，力學(xué)性能表現(xiàn)為T(mén)1＞T2＞T3，覆蓋后98 d地膜微觀表面粗糙度表現(xiàn)為T(mén)3＞T2＞T1，與田間觀測(cè)效果及地膜相應(yīng)物理指標(biāo)結(jié)果相一致。通過(guò)計(jì)算（失重法）得出可降解地膜T2和T3的當(dāng)季降解率分別為37.4%和47.8%，降解殘片以＜4 cm2和4—25 cm2的中小規(guī)格為主?？山到獾啬た稍诒Ｕ嫌衩桩a(chǎn)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自身降解，減少農(nóng)田殘留。從產(chǎn)量、降解特性和殘留率等方面綜合評(píng)價(jià)，以PBAT全生物降解地膜替代普通地膜應(yīng)用于遼西半干旱區(qū)玉米覆蓋栽培更具潛力。

普通地膜；可降解地膜；產(chǎn)量；降解特性；殘留率

0 引言

【研究意義】地膜覆蓋技術(shù)自20世紀(jì)70年代引入我國(guó)以來(lái)，因其具有增溫保墑[1-2]、提高作物資源利用效率[3-4]、增加作物產(chǎn)量[5-7]等重要作用，廣泛應(yīng)用于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[8-9]，也成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的物質(zhì)生產(chǎn)資料之一。然而，農(nóng)用地膜材料大部分為聚乙烯，其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并難以降解[10-11]。隨著地膜的連年使用，越來(lái)越多的殘膜滯留于土壤中，導(dǎo)致土壤板結(jié)、水分養(yǎng)分運(yùn)輸障礙、農(nóng)事操作受阻以及作物減產(chǎn)等一系列問(wèn)題[12-15]。因此，如何在達(dá)到覆膜增產(chǎn)效果的同時(shí)減少殘膜污染已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，可降解地膜被認(rèn)為是能夠解決上述殘膜問(wèn)題的理想途徑之一，加強(qiáng)可降解地膜區(qū)域應(yīng)用效果及降解特性的研究意義重大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有關(guān)可降解地膜的報(bào)道大多在于分子設(shè)計(jì)、配方調(diào)控、生產(chǎn)工藝等可降解產(chǎn)品研發(fā)方面[14]，而關(guān)于可降解地膜的農(nóng)田應(yīng)用效果則主要集中于其增溫保墑性能和對(duì)不同作物增產(chǎn)效果等方面，涉及作物包括玉米[15-17]、花生[18]、棉花[19-21]、芋艿[22]等多種糧食和經(jīng)濟(jì)作物。大多數(shù)情況下，可降解地膜覆蓋下作物產(chǎn)量或者低于普通地膜[18]，或者與之無(wú)明顯差異[23]，研究結(jié)果的不一致與作物種類(lèi)、區(qū)域間環(huán)境差異以及地膜降解特性密切相關(guān)[24]。目前，可降解地膜降解特性方面已有相關(guān)研究，如趙愛(ài)琴[24]通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)明確了不同土壤溫度和水分對(duì)生物降解地膜降解過(guò)程的影響，得出在溫度為35℃和水分為0.25 g·g-1時(shí)地膜降解最快；吳思等[25]也探明了PBAT生物降解地膜降解特征對(duì)不同土壤水分的響應(yīng)；Kijchavengkul等[26]通過(guò)降解試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物降解地膜的降解主要是由于太陽(yáng)輻射所引起的光氧降解?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】有關(guān)可降解地膜降解特性方面研究尚屬缺乏，且已有研究大多為室內(nèi)培養(yǎng)或單一類(lèi)型地膜試驗(yàn)，缺少針對(duì)實(shí)際田間應(yīng)用的不同類(lèi)型地膜降解過(guò)程和降解程度的對(duì)比研究，基于可降解地膜膜面微觀形態(tài)及化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的降解機(jī)理研究更是極少涉及。這使得我們?cè)诳山到獾啬?duì)區(qū)域環(huán)境影響方面知之甚少，從而增加了可降解地膜的推廣難度。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站為平臺(tái)，通過(guò)2年田間試驗(yàn)，結(jié)合掃描電鏡（SEM）和傅里葉紅外光譜（FTIR），系統(tǒng)全面地分析不同類(lèi)型地膜（普通地膜、添加劑型降解地膜、全生物降解地膜）在遼西半干旱區(qū)的降解過(guò)程及程度，明確不同類(lèi)型地膜的區(qū)域降解特性，為篩選適宜地膜類(lèi)型、加速可降解地膜在區(qū)域的推廣應(yīng)用，以及實(shí)現(xiàn)可降解地膜覆蓋技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在遼寧省西北部的國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行（遼寧省阜新市阜新蒙古族自治縣阜新鎮(zhèn)沙扎蘭村，42°06′N(xiāo)、121°75′E），該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫7℃—8℃，5月至9月份日照時(shí)數(shù)1 200—1 300 h，10℃以上積溫2 900—3 400℃，無(wú)霜期135—165 d，近30年降水均值為391 mm，降水變率較大，旱災(zāi)頻繁，“十年九旱”是其基本氣候特征。土壤類(lèi)型為褐土，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

地膜試驗(yàn)于2018—2019年進(jìn)行，2年生育期降雨量分別為326和660 mm。試驗(yàn)共設(shè)置3種地膜覆蓋處理，分別為普通地膜（T1，成分PE，寬900 mm，厚0.008 mm，阜新市塑料彩印二廠），添加劑型降解地膜（T2，以PE為基質(zhì)添加降解助劑，寬900 mm，厚0.008 mm，山東天壯環(huán)?？萍加邢薰荆┖腿锝到獾啬ぃ═3，成分聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT），寬900 mm，厚0.009 mm，巴斯夫有限公司），地膜覆蓋方式為條帶覆蓋。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積60 m2，每個(gè)處理4次重復(fù)。種植作物為玉米，品種鄭單958，種植密度60 000株/hm2，每年于4月末進(jìn)行覆膜播種，9月末收獲。

表1 供試土壤（0—20 cm）基本理化性質(zhì)

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 玉米產(chǎn)量測(cè)定 玉米成熟后，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取10 m2樣區(qū)測(cè)產(chǎn)，用浙江托普PM-8188-A谷物水分儀（精度為標(biāo)準(zhǔn)誤差0.5%以下）測(cè)定水分，按14%含水率折合成公頃產(chǎn)量。

1.2.2 地膜田間降解過(guò)程觀測(cè) 為避免受外界干擾而影響地膜正常變化，分別在覆膜后的第0、38、58、98、118天，選取小區(qū)中間壟作為觀察點(diǎn)進(jìn)行降解地膜形態(tài)描述記錄，觀測(cè)2 m壟長(zhǎng)、0.9 m壟寬面積上地膜的裂紋裂縫，并進(jìn)行拍照。

1.2.3 地膜表面形態(tài)及化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)定 采用掃描電鏡（SEM，SU-8010，Hitachi，Japan）對(duì)地膜表面形態(tài)進(jìn)行觀察，為了對(duì)薄膜表面進(jìn)行SEM成像，將處理后的地膜樣品切成4 mm寬的尺寸，黏附在載物臺(tái)后，對(duì)地膜降解前后樣品表面分別進(jìn)行濺射噴金處理，在20 kV電鏡下對(duì)各地膜表面的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀察?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)采用全反射傅里葉變換紅外（Micro-ATR-FTIR）顯微鏡（OPUS 7.5，Bruker，Germany）記錄每個(gè)地膜樣品的光譜，分析薄膜樣品的基團(tuán)結(jié)構(gòu)。每個(gè)樣品的FTIR光譜在4 000—600 cm-1范圍內(nèi)，分辨率為4 cm-1。傅里葉紅外譜圖能反映出聚合物分子中不同基團(tuán)的振動(dòng)特征。

1.2.4 地膜水蒸氣透過(guò)量及力學(xué)指標(biāo)測(cè)定 水蒸氣透過(guò)量（WVP）是指在規(guī)定的溫度、相對(duì)濕度，一定的水蒸氣壓差和一定厚度條件下，1 m2的試樣在24 h內(nèi)透過(guò)的水蒸氣量。采用水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀（W3/060 PERME，Labthink，中國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，輸出壓力為4—5 MPa，自動(dòng)干燥過(guò)濾器的壓力為0.3—0.35 MPa，溫度38℃±0.68℃，相對(duì)濕度90%±2%，具體方法參照ASTM E96/E96M-2014。力學(xué)指標(biāo)包括最大負(fù)荷、拉伸強(qiáng)度和斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變。其中最大負(fù)荷（N）是指地膜試樣在一定長(zhǎng)寬、夾具間距以及鉆頭速度條件下，直至斷裂所測(cè)出的最大拉伸負(fù)荷；拉伸強(qiáng)度（kN·m-1）是指在拉伸試驗(yàn)當(dāng)中觀測(cè)到的最大初始應(yīng)力；斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變（%）為拉伸發(fā)生的位移與夾持距離的比值。力學(xué)指標(biāo)使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（XLW，Labthink，中國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，試樣寬15 mm、長(zhǎng)100 mm，夾具間距為100 mm，十字頭速度為200 mm·min-1，具體方法參照ASTM D882-2018。

1.2.5 殘片統(tǒng)計(jì)及殘留率（降解率）計(jì)算 分別于第14、38、58、98和118天，在每個(gè)處理隨機(jī)選取長(zhǎng)1 m、寬0.9 m的地膜（及其土中所有碎片），將其帶回實(shí)驗(yàn)室中清洗、晾干后，按規(guī)格（＜4 cm2、4—25 cm2、25—81 cm2以及＞81cm2）將地膜殘片進(jìn)行分類(lèi)并計(jì)數(shù)，同時(shí)稱(chēng)取殘膜總重。并通過(guò)以下公式計(jì)算殘留率（降解率）：

式中，0為覆膜前地膜（長(zhǎng)1 m、寬0.9 m）重量，1為收獲時(shí)殘膜（長(zhǎng)1 m、寬0.9 m）重量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行整理，紅外光譜圖采用Origin 9.0進(jìn)行作圖，其他均采用Excel作圖。使用SPSS20.0（ANOVA）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，處理間差異用LSD檢驗(yàn)法（＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 不同類(lèi)型地膜覆蓋對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響

玉米產(chǎn)量隨年份不同而不同，2019年玉米產(chǎn)量要高于2018年（圖 1）。2018年T1、T2和T3處理下玉米產(chǎn)量分別為8.4、8.8和7.1 t·hm-2，呈現(xiàn)T2＞T1＞T3的趨勢(shì)；2019年3種地膜覆蓋下產(chǎn)量分別為12.3、11.2和11.3 t·hm-2，呈現(xiàn)T1＞T3≥T2的趨勢(shì)。不同類(lèi)型地膜之間相比，普通地膜（T1）處理玉米產(chǎn)量略顯優(yōu)勢(shì)，全生物降解地膜（T3）處理產(chǎn)量略低，但總體上3種地膜對(duì)遼西玉米產(chǎn)量的影響程度相似，無(wú)顯著性差異。

圖中不同小寫(xiě)字母表示不同地膜處理之間差異顯著（P＜0.05）

2.2 不同類(lèi)型地膜的田間降解效果

3種地膜在覆蓋初期膜面完好無(wú)損，到第38天，T1處理地膜表面未見(jiàn)明顯變化，T2、T3處理膜面完整，但表面已開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，T2處理裂紋數(shù)略多于且早于T3處理。到第58天，T1處理僅表面有細(xì)小機(jī)械損傷，T2、T3處理開(kāi)始出現(xiàn)明顯變化，表面裂紋裂縫增多，其中T2處理裂紋數(shù)多于T3處理，但T3處理膜面明顯變脆，且出現(xiàn)大的裂紋裂縫，可降解地膜總體上進(jìn)入破裂期。至覆膜第98天，T1處理仍無(wú)明顯變化，膜面完整；T2、T3處理膜面強(qiáng)度顯著下降，有大量裂紋裂縫，T2處理開(kāi)始產(chǎn)生碎片，T3處理已經(jīng)出現(xiàn)大范圍降解，即崩裂期。此時(shí)，T3處理的降解進(jìn)程總體上快于T2處理。覆膜第118天，T1處理仍然膜面完整，T2、T3處理膜面已成大量碎片，且部分已降解為肉眼不可見(jiàn)（圖2，表2）。由此可見(jiàn)，從田間實(shí)際觀察效果來(lái)看，3種地膜的降解能力大小為T(mén)3＞T2＞＞T1，其中T1處理地膜未見(jiàn)降解趨勢(shì)。

圖2 不同類(lèi)型地膜的田間降解過(guò)程

2.3 不同類(lèi)型地膜力學(xué)性能和水蒸氣透過(guò)量的變化

不同類(lèi)型地膜的水蒸氣透過(guò)能力不同，總體表現(xiàn)為T(mén)3＞＞T2＞T1，其中T1處理前期和后期水蒸氣透過(guò)率分別為32.08和50.71 g·m-2·d-1，T2處理分別為40.23和92.89 g·m-2·d-1，T3處理分別為906.11和983.78 g·m-2·d-1，各處理下前期與后期的水蒸氣透過(guò)量差異均達(dá)顯著水平（＜0.05）（圖3）。力學(xué)性能方面，3種地膜在前期的最大負(fù)荷、拉伸強(qiáng)度和斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變均表現(xiàn)為T(mén)1≥T2＞T3，其中T1處理各項(xiàng)指標(biāo)值分別為2.66 N、0.27 kN·m-1和346%，T2處理分別為2.69 N、0.27 kN·m-1和369%，T3處理分別為1.86 N、0.19 kN·m-1和286%，后期的最大負(fù)荷、拉伸強(qiáng)度和斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變均表現(xiàn)為T(mén)1＞T2≥T3，其中T1處理各項(xiàng)指標(biāo)值分別為2.58 N，0.26 kN·m-1和320%，T2處理分別為1.36 N、0.14 kN·m-1和137%，T3處理分別為1.28 N、0.13 kN·m-1和139%，且T2和T3處理下前期和后期力學(xué)性能差異顯著，說(shuō)明T2和T3處理隨著在田間置留的時(shí)間加長(zhǎng)，地膜老化程度加大，力學(xué)性能顯著下降，而T1處理并沒(méi)有隨時(shí)間發(fā)生明顯變化（圖3）。

表2 不同類(lèi)型地膜地表覆蓋部分碎片化過(guò)程形態(tài)描述

不同大寫(xiě)字母表示不同地膜處理之間差異顯著（P＜0.05），不同小寫(xiě)字母表示不同時(shí)期之間差異顯著（P＜0.05）

2.4 不同類(lèi)型地膜的掃描電鏡（SEM）和化學(xué)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化

各地膜在覆蓋前期表面較為平滑，均勻致密，相容性好。98 d后3種地膜出現(xiàn)差異，T1處理無(wú)顯著變化，前后電鏡圖片基本一致；T2和T3處理表現(xiàn)出不同程度的老化或降解現(xiàn)象（圖4）。其中T2處理裂紋增多，部分表面變得粗糙，出現(xiàn)較多粒徑不均勻的碎片，直徑在0.1—1.5 μm；T3處理裂紋增多，表面變得十分粗糙，并出現(xiàn)分層和孔洞，厚度不均，有片狀物質(zhì)。3種地膜的降解程度表現(xiàn)為T(mén)3＞T2＞＞T1，這也與田間觀測(cè)效果及地膜相應(yīng)物理指標(biāo)結(jié)果相一致。

圖4 不同類(lèi)型地膜在38 d和98 d的掃描電鏡（SEM）圖

從紅外譜圖的特征峰可知，T2和T3處理具有迥異的化學(xué)結(jié)構(gòu)，是2種完全不同的降解地膜材料（圖5）。T2處理的紅外光譜中主要有4個(gè)特征吸收峰。2 915 cm-1和 2 850 cm-1處為C-H鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 471 cm-1處為亞甲基中 C-H 鍵的剪切振動(dòng)吸收峰；720 cm-1為-CH2-的平面搖擺振動(dòng)吸收峰。在經(jīng)過(guò) 98 d左右的覆蓋后，添加光敏劑的T2處理地膜紅外譜圖中在 1 720 cm-1處出現(xiàn)了新的特征吸收峰，即羰基（C=O）吸收峰，這說(shuō)明T2處理地膜在田間覆蓋過(guò)程中太陽(yáng)光紫外線照射催化使其發(fā)生了光氧化降解，導(dǎo)致羰基指數(shù)增加。T3處理地膜的紅外光譜圖中1 450 cm-1處的苯環(huán)特征峰（-C6H4-）、1 750—1 675 cm-1處的羰基特征峰（-C=O）以及 2 956 cm-1處的-CH2-振動(dòng)峰均為PBAT的特征峰，說(shuō)明其主要成分是PBAT。隨著覆膜時(shí)間的增加，羰基吸收峰有所增強(qiáng)，可能是生物降解地膜中的酯鍵發(fā)生斷裂，-O-C被氧化形成了羰基；1 014 cm-1處C-O-C鍵減弱，說(shuō)明地膜中的酯鍵可能在微生物和水分子的作用下發(fā)生水解，引起分子鏈的斷裂，最終導(dǎo)致地膜發(fā)生降解。

2.5 不同類(lèi)型地膜的殘留特征及殘留率

殘片特征也是反映地膜降解性能的有效指標(biāo)。由表3可知，不同類(lèi)型地膜的殘片規(guī)格及數(shù)量差異很大，普通地膜（T1）除在收獲期有個(gè)別機(jī)械破損導(dǎo)致的殘片外，在各時(shí)期都能保證膜面完整，殘膜幾乎僅為一整張膜。T2和T3處理因發(fā)生降解而產(chǎn)生不同規(guī)格的殘片，其中T2處理從覆膜58 d左右開(kāi)始產(chǎn)生殘片，在覆膜58 d時(shí)，＜4、4—25、25—81以及＞81 cm2的殘片占總數(shù)的比例分別為28%、28%、14%和29%；在覆膜98 d時(shí)，各規(guī)格殘片占總數(shù)的比例分別為54%、27%、6%和12%；在覆膜118 d時(shí)，各規(guī)格殘片占總數(shù)的比例分別為55%、21%、12%和12%。與T2處理相似，T3處理也從覆膜58 d開(kāi)始產(chǎn)生殘片，在覆膜58 d時(shí)，＜4、4—25、25—81以及＞81 cm2的殘片占總數(shù)的比例分別為6%、41%、24%和29%；在覆膜98 d時(shí)，各規(guī)格殘片占總數(shù)的比例分別為31%、41%、10%和17%；在覆膜118 d時(shí)，各規(guī)格殘片占總數(shù)的比例分別為55%、24%、15%和6%。由此可見(jiàn)，無(wú)論是T2還是T3處理，殘片均隨覆膜時(shí)間延長(zhǎng)而增多，且均以中小規(guī)格為主，總體上T3處理的殘片數(shù)要多于T2處理。

圖5 可降解地膜在38 d和98 d后傅里葉紅外光譜圖

表3 不同類(lèi)型地膜各時(shí)期殘片規(guī)格及殘片數(shù)量

通過(guò)失重法計(jì)算不同類(lèi)型地膜在田間的殘留率（圖6），結(jié)果表明普通地膜幾乎無(wú)降解，殘留率98.4%，而T2和T3處理均有不同程度的降解，殘留率分別為62.6%和52.2%，即不同類(lèi)型地膜的田間降解率表現(xiàn)為T(mén)3＞T2＞T1。

圖中不同小寫(xiě)字母表示不同地膜處理之間差異顯著（P＜0.05）

3 討論

適宜的可降解地膜應(yīng)該既具有與PE地膜類(lèi)似的保溫和保水效果，又要在產(chǎn)量上與其相當(dāng)，同時(shí)還應(yīng)具有自然降解作用。然而由于可降解地膜的降解受作物、地膜材料和環(huán)境因素影響較大[20-21]，其誘導(dǎo)期長(zhǎng)短很難控制，這使得可降解地膜的增產(chǎn)效果很難確定。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)PBAT降解地膜覆蓋下玉米可較普通地膜增產(chǎn)10%以上[27]，采用本研究同種添加劑型降解膜也可使玉米較普通地膜覆蓋增產(chǎn)3.8%[28]。本試驗(yàn)表明，2年普通地膜產(chǎn)量總體要略高于降解地膜，但差異未達(dá)顯著水平。這主要是因?yàn)榭山到獾啬るm然在前期與普通地膜有著相似的增溫保水性能，可有效減緩區(qū)域春旱對(duì)玉米的影響，但當(dāng)降解地膜開(kāi)始崩解時(shí)，地膜的透水性劇增，力學(xué)性能也顯著下降（圖3），這使得可降解地膜后期的保水性變差，減少了土壤水分供應(yīng)，進(jìn)而影響了可降解地膜的增產(chǎn)效果。因此有關(guān)可降解地膜的增產(chǎn)效應(yīng)還需進(jìn)行長(zhǎng)期定位研究，用以明確不同年型下不同降水量以及降水分布對(duì)覆膜玉米產(chǎn)量的影響。

本研究中，電鏡結(jié)果說(shuō)明2種降解地膜在田間覆蓋98 d后，分子鏈發(fā)生了不同程度的斷裂和氧化，因而出現(xiàn)了不同程度的降解。2種可降解地膜的降解機(jī)理可能不同，紅外光譜圖顯示，T2處理在1 720 cm-1處出現(xiàn)了新的特征吸收峰，也就是羰基（C=O）吸收峰[29]，這很可能是由于地膜的聚乙烯成分在太陽(yáng)光照射過(guò)程中產(chǎn)生了過(guò)氧化自由基，過(guò)氧化自由基發(fā)生光裂解后生成C=O等基團(tuán)。羰基吸收峰的出現(xiàn)表明T2處理地膜在太陽(yáng)光照射下發(fā)生了光降解。在光照初期，力學(xué)性能下降得比較慢，這可能是因?yàn)楣庹粘跗谥挥幸徊糠纸到庵鷦ㄈ绻饷魟┟艋?，降解不明顯，隨著光照時(shí)間的增加，越來(lái)越多自由基生成，進(jìn)而引發(fā)高分子鏈斷裂，致使地膜力學(xué)性能迅速喪失[30-31]。全生物降解膜是以PBAT為主要原料，地膜后期結(jié)構(gòu)變化顯示，羰基吸收峰有所增強(qiáng)，而C-O-C鍵減弱，這說(shuō)明生物降解地膜中的酯鍵發(fā)生斷裂形成羰基，地膜可能在微生物的作用下引發(fā)水解作用，最后導(dǎo)致分子鏈的斷裂，地膜發(fā)生降解。另外，一些PBAT降解菌可向PBAT結(jié)構(gòu)中引入新的極性官能團(tuán)，如碳碳三鍵（~2 350 cm-1）、碳氮三鍵（~2 350 cm-1）、碳碳雙鍵（~3 099 cm-1）以及羥基（3 400—3 330 cm-1）等，極性官能團(tuán)的引入可以降低塑料膜片的穩(wěn)定性，有利于微生物在膜表面的附著，從而使其更易被降解[32-34]。同時(shí)，全生物降解地膜因其同樣暴露在太陽(yáng)光下，因此光氧化降解也是同時(shí)存在的[35]。

地膜在降解過(guò)程中會(huì)發(fā)生很多物理、化學(xué)表征變化，最典型的降解特征為重量發(fā)生損失，但重量的降低程度不能完全反映塑料的降解程度[36]，因此本研究除測(cè)定了地膜降解率（殘留率）外，還對(duì)膜片表面微觀特征和表面官能團(tuán)等進(jìn)行測(cè)定。從降解特性上來(lái)說(shuō)2種可降解地膜雖然在誘導(dǎo)期和降解程度上非常相似，均在覆膜第58天左右開(kāi)始出現(xiàn)明顯降解，降解率均在35%以上，但我們通過(guò)田間觀察發(fā)現(xiàn)添加劑型降解地膜部分殘片韌性仍然很強(qiáng)，強(qiáng)度甚至與普通地膜相似，傅里葉光譜結(jié)果也表明添加劑型降解地膜的殘片是以PE為主，由此推測(cè)該類(lèi)地膜在土壤中的進(jìn)一步降解可能會(huì)很困難，而全生物降解地膜殘片很脆，從自身化學(xué)結(jié)構(gòu)上也具備在一定時(shí)間內(nèi)完全降解的條件。

4 結(jié)論

普通地膜（T1）、添加劑型降解膜（T2）和PBAT全生物降解膜（T3）覆蓋對(duì)遼西半干旱區(qū)玉米產(chǎn)量的影響程度相似，差異不明顯。就產(chǎn)量本身而言，應(yīng)用添加劑型降解膜和全生物降解膜替代普通PE膜是可行的。

2種可降解地膜的降解進(jìn)程相似，均從覆蓋后第58天開(kāi)始出現(xiàn)明顯降解，普通地膜幾乎無(wú)降解。隨著覆蓋時(shí)間的延長(zhǎng)，可降解地膜的水蒸氣透過(guò)量顯著增加，力學(xué)性能（最大負(fù)荷、拉伸強(qiáng)度和斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變）顯著下降，膜面微觀形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)變化顯著，普通地膜各項(xiàng)指標(biāo)變化不明顯。不同類(lèi)型地膜的水蒸氣透過(guò)能力總體表現(xiàn)為T(mén)3＞＞T2＞T1，力學(xué)性能表現(xiàn)為T(mén)1＞T2＞T3，微觀表面粗糙度表現(xiàn)為T(mén)3＞T2＞T1。

可降解地膜可在保障玉米產(chǎn)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自身降解，減少農(nóng)田殘留，添加劑型降解地膜和全生物降解地膜的降解率分別為37.4%和47.8%，降解殘片以小于4 cm2和4—25 cm2的中小規(guī)格為主。

總之，從產(chǎn)量、降解特性和殘留率等方面綜合評(píng)價(jià)，以PBAT全生物降解地膜替代普通地膜應(yīng)用于遼西半干旱區(qū)玉米覆蓋栽培更具潛力。

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The degradation Characteristics of different plastic films and their effects on maize yield in semi-arid area in western Liaoning

1Institute of Crop Cultivation and Farming System, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161;2National Agricultural Experimental Station for Agricultural Environment, Fuxin 123100, Liaoning;3Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

【】This study clarified the degradation characteristics of degradable mulching films and their effects on maize yield in semi-arid area in western Liaoning, which may provide a basis for regional screening and application of degradable plastic films. 【】 A field study combined with laboratory analysis was conducted in National Agricultural Experimental Station for Agricultural Environment in Fuxin, with three treatments, including conventional plastic film mulching (T1), additive degradation film mulching (T2) and biodegradable film mulching (T3). Through 2 years of field experiment, the regular field observation and sampling analysis were carried out to determine the maize yield under different mulching treatments. By using scanning electron microscope (SEM) and fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the surface morphology, mechanical properties and chemical structure of the mulching film were measured. The degradation process and degree of different types of mulching film in semi-arid area in western Liaoning were systematically analyzed. 【】There was no significant difference in maize yield among different treatments, and T2 and T3 had similar degradation process, in which T2 and T3 all showed cracks from the 38th day after mulching and significant degradation from the 58th day after mulching. The degradation process under T3 treatment was generally faster than that under T2 treatment, while the conventional plastic film showed almost no degradation. As plastic film degraded, the water vapor transmittance of degradable plastic film increased significantly, while the mechanical properties (tensile load, tensile strength and elongation at break) decreased significantly. The micro-structure and chemical structure of plastic film surface changed remarkably, while these indexes of conventional plastic film did not change significantly. The water vapor transmission capacity of different plastic film was in the order of T3＞＞T2＞T1, while the mechanical properties was in order of T1＞T2＞T3, and the change of micro-structure of plastic film on the 98th day after mulching was in the order of T3＞T2＞T1, which were consistent with the field observation results and the corresponding physical indexes of mulching film. The degradation rates under T2 and T3 were 37.4% and 47.8%, respectively. The small and medium sizes of 4 cm2and 4-25 cm2were predominant. 【】Biodegradable plastic film mulching could guarantee maize yield, achieve self-degradation and reduce plastic film residue. In terms of yield, degradation characteristics and residual rate, PBAT biodegradable plastic film was more feasible to replace common plastic film for maize mulching cultivation in semi-arid areas in western Liaoning.

conventional plastic film; degradable plastic film; yield; degradation characteristics; residual rate

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.09.005

2020-12-01；

2021-02-07

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（41807388）、遼寧省興遼英才計(jì)劃（XLYC1807056，XLYC1907089，XLYC1908013）、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201503105）、遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”項(xiàng)目（2018921005）、遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科交流合作項(xiàng)目（2020HZ062001）、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)科研杰出人才及其創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

馮晨，E-mail：sandyla570521@126.com。通信作者孫占祥，E-mail：sunzx67@163.com

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）