生物降解地膜降解特性及其应用对辣椒生长发育的影响

杨 雅 李 涛 朱建强 范先鹏 张志毅* 夏 颖 唐芷馨

(1.湖北省农业科学院 植保土肥研究所/国家农业环境潜江观测实验站/湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心/农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站,武汉 430064;2.十堰市农业生态环境保护站,湖北 十堰 442000;3.长江大学 农学院,湖北 荆州 434000;4.University of California,Davis,College of Letter and Science,Davis 95616,USA)

20世纪70年代,农用地膜覆盖技术被引入中国并迅速得到推广应用[1]。地膜覆盖具有保温、保墒、抗虫、防病和抑草等作用,有利于作物生长发育,提高作物产量和效益[2]。大量研究证实,地膜覆盖能够有效提高玉米[3]、马铃薯[4]以及水稻[5]等作物的产量。农用地膜的主要成分为聚乙烯或聚氯乙烯,在自然环境中具有稳定性高和降解缓慢等特点[6]。部分地区地膜回收不及时,大量残膜存留于耕地中[7],出现破坏土壤结构、增加残膜回收劳动强度和阻碍秸秆再次资源化利用等负面影响[8-9]。生物降解地膜与普通聚乙烯地膜的保墒和保温等效果相近[10-12],同时具有翻入土壤后能够快速自然降解的特点[13]。因此,应用全生物降解地膜成为解决农田残膜污染和保障作物产量的重要途径之一[14]。

鉴于农用地膜材料力学性能、加工性能、热性能、降解周期和生产成本等综合因素,可降解地膜所采用的原料主要为聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)和淀粉基生物降解地膜等[15]。全生物降解地膜增温、保墒效果和降解过程受降解材质、作物类型以及区域气候等条件影响[10]。赵爱琴等[16]研究表明,淀粉基可降解地膜(50%淀粉、30%聚乙烯醇及其他助剂组成)在覆膜后20 d开始出现2～3 cm裂纹,30～40 d裂解成块状,于玉米成熟期无明显地膜存在。曲萍等[17]在亚热带湿润气候玉米田实验表明,在覆膜28 d后PBAT全生物降解地膜抗张强度和断裂伸长率降低50%以上。而辽西半干旱农田降解试验表明,PBAT全生物降解地膜从玉米苗期(40 d左右)开始出现降解,拔节时地膜降解已进入破裂期,抽穗之后进入崩解期[18]。干旱地区,PBAT-PBS(聚丁二酸丁二醇酯)(山东天壮环保科技有限公司)和PBAT-PLA(山东天野生物降解科技有限公司)生物地膜诱导期仅有30 d,覆膜50 d后达到破裂期,70 d后达到崩裂状态,而PBAT(上海弘睿生物科技有限公司)直至覆膜后126 d才进入破碎期[19]。

武汉是湖北省重要蔬菜产地,也是主要地膜使用区域。随着种植年限增加,地膜污染残留和回收成为当地亟需解决的现实问题,推广使用全生物可降解地膜是从源头解决地膜残留污染的重要途径[20]。但已有研究主要集中于北方干旱和半干旱区域,而关于南方湿润区辣椒作物上全生物降解地膜的应用效果与降解特性尚不清楚。本研究选用不同降解材质的全生物可降解地膜产品,以湖北省武汉市辣椒种植农田为试验对象,通过大田试验研究全生物可降解地膜的增温、降解特性和产量效应,以期为地膜污染防控和全生物可降解地膜在湿润区域的推广提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

辣椒覆膜种植大田试验地位于湖北省武汉市洪山区(114°18′36.5″ E,30°28′56.2″ N)。属于北亚热带季风性(湿润)气候区,年平均温度15.8～17.5 ℃,年均降雨量1 150～1 450 mm。试验点土壤类型为黄棕壤,质地较粘,按国际制土壤质地土壤分类法[21],试验点土壤粘粒、粉粒和砂粒含量依次为27.4%、51.2%和21.4%,属于粉砂质粘土。基础土壤(0～20 cm)pH 8.18,有机质、全氮和全磷在土壤中含量分别为1.56%、0.12%和0.08%。

1.2 试验处理

1.2.1田间试验设置

辣椒覆膜种植试验采用随机区组设计,共设6个处理,3次重复,每个小区面积为30 m2。处理分别为不覆膜(CK),覆聚乙烯地膜(PE)、全生物降解地膜I(BM1)、全生物降解地膜Ⅱ(BM2)、全生物降解地膜Ⅲ(BM3)和全生物降解地膜Ⅳ(BM4)。本试验所采用的全生物可降解地膜标注的功能期或诱导期符合GB/T 35795—2017[22]中规定的Ⅱ类。供试地膜主要成分和规格见表1。

表1 供试地膜概况Table 1 Survey of test film

供试作物为辣椒,品种为‘国宾’(河南鼎优农业科技有限公司)。采用垄作种植,垄间距30 cm,垄面宽120 cm,定植株距40 cm,定植密度48 000株/hm2。各处理施肥量保持一致,N、P2O5和K2O含量分别为270、135和360 kg/hm2,全部作基肥一次性施入。试验所用氮、磷和钾肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512.1%)和氯化钾(K2O 60%)。2021-03-24进行人工覆膜和移栽。

1.2.2埋土降解试验设置

埋土降解试验地位于湖北省潜江市浩口镇柳州村(112°37′50.66″ E,30°22′31.9″ N)。属亚热带季风气候,年均温16.1 ℃,年平均降水量1 096.7 mm。试验开始前将供试地膜裁剪成60 cm×60 cm大小,称重后备用(记作m0)。人工挖出长×宽×深=60 cm×60 cm×20 cm的土方,2021-04-29分别将裁剪后地膜平铺放置在20和10 cm深度,土壤分层回填。分别于埋土后第30、60、75和90天将地膜挖出,去除附着在地膜样品上的泥土,展开后放入水中浸泡1 h左右后进行清洗;初步清洗后,再使用超声波清洗器进行进一步的清洗,用滤纸吸干残留地膜样品上的水分,在阴凉干燥处自然晾干,称重(记作m30、m60、m75和m90)。降解率计算公式如下:

(1)

式中:m0为埋入地膜起始重量,g;mx为埋土x天后地膜的重量,g。

1.3 田间监测和样品采集分析

1.3.1当地气象资料收集

辣椒生育期内武汉市日降雨、最高气温和最低气温数据来自天气网[23]。为清晰表征武汉市降雨情况,将天气分为5级,0、1、2、3和4分别对应晴天、阴天或多云、小雨、中雨和暴雨。

1.3.2土壤温度监测

辣椒生育期0～93 d内,采用精度为±0.1 ℃的直角玻璃地温计(武强县星瀚仪器仪表厂)监测5、10和15 cm土层温度。土壤温度从覆膜当天起,每隔7 d在8:00、14:00和17:00记录。

1.3.3辣椒农艺性状及产量测定

1)辣椒农艺性状的测定。开花结果期和成熟期在每小区随机选取5株辣椒植株并测量其茎粗、茎高、根冠比、地上部质量、地下部质量、叶面纵横比和SPAD值。

2)产量的测定。从辣椒开始有成熟的辣椒果实时开始采摘,一直采到辣椒生育期结束,分别记录不同处理小区的辣椒产量。辣椒采摘日期分别2021-05-21、2021-06-08和2021-06-29。

1.3.4生物降解膜降解性能的评测

每个小区选定一厢进行观测,每7 d观测一次。记录供试地膜破损情况和不同降解阶段出现日期。地膜降解分级指标参照杨惠娣等[24]的方法分为5个阶段:A阶段(诱导期):开始出现1～2 cm裂纹;B阶段(开裂期):出现20～50 cm裂缝;C阶段(大裂期):地膜出现20～50 cm裂缝,数量增多;D阶段(碎裂期):地膜出现均匀网状裂纹,无大块地膜存在;E阶段(无膜期):基本无地膜存在。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010和DPS 7.05统计分析软件进行数据处理和显著性水平分析,用Origin 2018进行作图。

采用一级动力学模型、Elovich模型、双常数模型和抛物线扩散方程对埋土后地膜的降解率进行拟合,并通过决定系数(R2)比较各模型的适用性程度。R2愈大则拟合愈好。以下为各模型表达式:

一级动力学方程

y=a×(1-exp(-b×x))

(2)

Elovich模型

y=a+b×ln(x)

(3)

双常数方程

y=a×x(b)

(4)

抛物线扩散方程

y=a+b×x(1/2)

(5)

式中:x为时间,d;y地膜降解率,%;a和b为动力学模型的参数。

2 结果与分析

2.1 辣椒生育过程气温变化

覆膜期间,武汉市均以阴天或多云天气为主,雨天较少(图1)。最高气温和最低气温整体波动上升。覆膜后0～30 d气温较低,期间日最高气温介于12～25 ℃,日最低气温介于3～18 ℃。2021-04-28后(覆膜约30～35 d),气温波动升高。因此,辣椒生育前期气温较低,是地膜发挥保温效果的关键期。

根据降雨量将天气分为5级,0、1、2、3和4分别对应晴天、阴天或多云、小雨、中雨和暴雨。Weather conditions are divided into 5 levels based on rainfall and 0,1,2,3 and 4 correspond to sunny,overcast sky or cloudy,light rain,moderate rain and rainstorm,respectively.

2.2 不同地膜覆盖对土壤温度的影响

根据整个覆膜过程收集的土壤温度数据可得到不同地膜覆盖对土壤温度的影响。从图2(a)～(i)可以看出,覆膜后不同土层温度整体波动上升,这与气温的变化趋势基本一致。各土层温度均表现为14:00和17:00时段温度高于8:00时段。在覆膜后0～58 d,各处理土壤温度差异明显,覆膜处理土壤温度高于CK处理。覆膜后58～93 d各处理间温度差异缩小,部分降解膜处理土壤温度接近CK处理,保温效果减弱。

BM1,全生物降解地膜Ⅰ;BM2,全生物降解地膜Ⅱ;BM3,全生物降解地膜Ⅲ;BM4,全生物降解地膜Ⅳ;PE,聚乙烯地膜;CK,不覆膜。T为覆膜天数;M为不同处理;T×M为覆膜天数和不同处理间的交互作用。*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01)。BM1,total biodegradable mulch Ⅰ;BM2,total biodegradable mulch Ⅱ;BM3,total biodegradable mulch Ⅲ;BM4,total biodegradable mulch Ⅳ;PE,polyvinyl mulch;CK,without mulching film.T is days of film mulching;M is different treatments;T×M is the interactions between days of mulching and different treatments.* indicates significant difference at P<0.05 level;** indicates significant difference at P<0.01 level.

根据温度变化曲线和每日气温变化分别计算0～58 d和58～93 d的平均温度。0～5 cm土层不同时间土壤温度均值见图3。0～58 d期间,8:00时段仅BM1和BM4土壤均温显著高于CK(P<0.05);14:00和17:00时段,各覆膜处理土壤温度均显著高于CK(P<0.05)。相比CK,BM2、BM3和BM40～5 cm土壤均温提高了3.2～5.3 ℃,其增温效果与PE相当。58～93 d,8:00和14:00时段BM3和BM4显著高于CK处理(P<0.05),增温幅度为1.5～3.3 ℃。

同一时段不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters at same period indicate significant differences among treatments at P<0.05.

5～10 cm土层的0～58和58～93 d土壤均温见图4。0～58 d,8:00时段,覆膜处理的温度均高于CK但不显著;14:00和17:00时段,各覆膜处理土壤温度均显著高于CK(P<0.05),并且BM2、BM3、BM4处理与PE的土壤均温无明显差异。说明BM2、BM3和BM4能够增加辣椒生育前期土壤5～10 cm温度,均温提高了3.6～4.7 ℃。58～93 d,8:00时段覆膜处理土壤温度与CK处理无显著差异;14:00时段,仅BM2、BM3、BM4和PE显著高于CK处理,其中降解膜处理均温提高了1.9～3.0 ℃;17:00时段,仅BM3和PE均温显著高于CK处理(P<0.05)。

图4 5～10 cm土层均温变化Fig.4 Mean temperature changes in the 5 to 10 cm soil layer

10～15 cm土层的0～58 d和58～93 d土壤温度均值见图5。0～58 d,各时段仅BM4和PE土壤均温显著高于CK(P<0.05);14:00和17:00时段,BM2、BM3、BM4和PE土壤温度均显著高于CK(P<0.05),其中BM2提高了约2.1 ℃,BM3、BM4和PE提高了约4.2 ℃。58～93 d,各处理在不同时间段与CK处理无显著差异。

图5 10～15 cm土层均温变化Fig.5 Mean temperature changes in the 10 to 15 cm soil layer

由此可见,地膜覆盖主要提高辣椒生育前期14:00和17:00时段0～5和5～10 cm土层土壤温度,随着气温升高,对辣椒生育后期和10～15 cm土层的增温效果减弱。整体上,供试降解地膜中BM3和BM4对土壤的增温效果与PE相当,并优于其他降解膜。

2.3 地膜降解性能

由表2可知,BM1地膜降解过快,覆膜44 d后达到开裂期,第79天达到无膜期。BM2和BM4诱导期相近,出现在覆膜后79～93 d;开裂期和大裂期在93～121 d;辣椒收获完成时未达到无膜期。BM3降解速度低于BM2和BM4,其诱导期、开裂期、大裂期、碎裂期和无膜期分别在腹膜后第51、79、93、107和149天。除BM1外,各降解膜诱导期到碎裂期的周期约50 d,说明诱导期可以作为评估全生物降解地膜重要参数。

表2 降解膜进入不同降解阶段的时间Table 2 The time of degradation mulch films reached different degradation stages d

埋土后地膜降解率如图6(a)和(b)所示,4种降解地膜的降解率随埋土时间增加而增加,PE膜相对稳定。其中,埋土30 d时,10和20 cm土层处BM1降解率分别为27.9%和16.3%。埋土60 d时,各土层BM1均达到完全降解,BM2、BM3和BM4降解率均表现为前期缓慢而后期迅速升高。埋土90 d时,10 cm处地膜降解率排序为BM2>BM3>BM4,降解率依次为96.9%、77.9%和39.7%;埋土20 cm处地膜降解率则表现为BM2≈BM3>BM4,降解率依次为90.4%、83.2%和57.1%。PE膜埋土10和20 cm后,其重量均表现为缓慢降低,在90 d时,2个土层深度PE膜降解膜均低于6.0%。

图6 地膜埋土后的降解率变化Fig.6 Change of degradation rate after mulch embedding

拟合模型如表3所示。根据R2数值越大拟合效果越好,可以选择双常数方程作为最佳拟合模型。通过双常数模型分别计算出地膜降解率达到50%(T50)和95%(T95)所需的时间。

由表4可知,使用寿命符合II类的全生物降解地膜埋土后的降解速度存在明显差异。BM2和BM3埋土后能够迅速降解,降解率达到50%和95%所需的时间分别在58～76和92～107 d。BM4埋土后降解速度低于其它降解膜,降解率达到50%和95%所需的时间分别在84～115和119～196 d。对于不同埋土深度而言,埋土20 cm增加了BM4的降解速率,降解率达到50%和95%所需时间分别缩短了31和77 d。BM2和BM3降解率受埋土深度的影响较小。

表4 地膜降解所需时间 Table 4 Degradation time of plastic film d

2.4 不同地膜覆盖对辣椒生长发育的影响

不同地膜覆盖对辣椒的生长发育影响并不相同。从表5可以看出,在辣椒开花结果期,除BM2的茎粗和BM3的茎高外,各处理辣椒茎粗和茎高无显著差异。除BM3根冠比值和地下部质量显著高于CK外,其他处理间无显著差异。各处理的地上部质量、叶面纵横比和SPAD数值相近。

在辣椒成熟期,覆膜处理的辣椒茎粗均显著高于CK,由高到低依次为BM4>BM2>PE>BM1≈BM3。对于茎高来说,BM1、BM2、BM4和PE处理茎高显著高于CK。除BM1外,各处理根冠比无显著差异。辣椒干物质量主要受BM4的影响,BM4地下部质量和地上部质量分别比CK增加2.6和8.2 g。各处理叶面纵横比和SPAD值整体上比较接近,分别在2.2和62.3左右。综上所述,地膜覆盖主要影响成熟期辣椒生长指标,BM4主要提高成熟期茎粗、茎高、地下部质量和地上部质量,并且其对辣椒生育的促进效果接近或者优于PE和其它降解地膜。

2.5 辣椒产量

不同地膜覆盖对辣椒产量的影响存在差异。由表6可以看出,覆盖地膜对辣椒第一次采摘的产量影响较小。除BM2外,覆膜处理第二次采摘辣椒累计产量均高于CK。其中,BM2、BM3和BM4辣椒产量与PE相近,比CK提高4 150.0～6 141.0 kg/hm2。第三次采摘时,BM2、BM3和BM4与PE辣椒累计产量均显著高于CK。其中,BM4和PE比CK分别提高11 305.3和11 096.8 kg/hm2,BM2和BM3比CK分别提高8 336.5和8 399.4 kg/hm2。BM1辣椒累计产量介于CK和覆膜处理之间,这可能与BM1过早降解有关。

表6 辣椒累计产量Table 6 Cumulative production of pepper (Fresh) kg/hm3

3 讨 论

3.1 全生物降解地膜增温效果受降解材质影响

全生物降解地膜有效使用寿命与作物生育期相匹配是作物高产的保证。生物降解地膜有效使用寿命是指从铺膜作业开始直到出现影响保温和保墒作用时的总天数,有效使用寿命与生物降解地膜本身材料、当地气候、土壤、海拔高度和作物等有关[22]。本研究区域位于武汉市,属于长江流域,该地区露地种植辣椒的育苗时间一般在2～3月,定植时间在清明前后[25]。武汉市2～4月月均气温较低,5月份后气温会逐渐升高,因此武汉市在辣椒生育前期(移栽后约2个月)是地膜发挥保温效果的关键期。本研究中,不同降解地膜均提高了辣椒移栽后0～58 d各土层温度,其中0～5 cm提高3.2～5.3 ℃,5～10 cm提高3.6～4.7 ℃,10～15 cm提高2.1～4.2 ℃。而随着覆膜天数增加,全生物降解地膜I受材质的影响在覆膜后51 d达到碎裂期。本研究所用全生物降解地膜的降解材质主要包括淀粉、PBAT、PLA和PHA等。淀粉分子间存在较强的氢键作用,具有热塑性、力学性质和强吸湿性,淀粉基制备的可降解地膜降解周期较短[15]。PBAT、PLA和PHA等合成聚合物降解膜具有更高的稳定性[26]。BM1为淀粉基生物降解地膜,BM2、BM3和BM4均为PBAT、PLA(或PHA)基降解地膜。BM1虽然满足0～58 d保温作用,但是由于过早降解(覆膜后44 d开裂期),辣椒生育后期保温效果降低,导致生长发育受阻和产量下降。BM2、BM3和BM4诱导期在51～93 d,开裂期在79～107 d,保证了辣椒整个生育期的温度。

可降解地膜覆盖能显著提供土壤耕作层的温度,促进作物生长发育,其作用与普通地膜相当。本研究表明,地膜覆盖显著提高辣椒生育前期0～5和5～10 cm土层温度,其中14:00时段各地膜平均温度最高。与CK处理相比,地膜覆盖土壤温度增加4 ℃左右。而随着气温的逐渐升高,辣椒生育后期各地膜保温效果均有所下降。其中,PBAT、PLA和PHA等材质的降解地膜保温效果优于淀粉基降解地膜。较高的土壤温度提高了辣椒成熟期茎粗、茎高、地下部质量和地上部质量。本研究中,BM4处理保温效果与PE相近,其辣椒茎粗、茎高、地下部质量以及地上部质量显著高于CK,分别提高3.2 cm、6.4 cm、2.6 g和8.2 g。

3.2 降解地膜材质与降解周期是选择适宜降解地膜重要依据

不同降解地膜降解周期很大程度与降解材质构成有关[27-28],降解地膜降解周期需要与辣椒生育周期相匹配。Wang等[29]研发的淀粉/PE共混物光降解地膜在玉米和棉花田的降解周期为46～64 d。钟雨越[30]研究表明,高直链淀粉膜的厚度主要受淀粉浓度控制,其中淀粉浓度对膜厚度控制率为67.04%,浓度越高,薄膜越厚。本研究中,BM1可降解膜厚度为0.02 mm,为该生产厂商现有工艺下能够达到的最薄淀粉基可降解地膜。尽管BM1处理可降解膜厚度高于其他处理,但是其降解速度依然高于其他处理。BM1田面覆盖下51 d达到碎裂期,79 d达到无膜期,埋土条件下60 d完全降解,这与Wang等[29]的研究结果一致。淀粉基可降解地膜能够实现作物收获时完全生物降解,但是由于降解过早,与辣椒生长发育不匹配,不适用于辣椒栽培。

PBAT、PHA和PLA等人工合成生物降解材料通常具有更长降解周期,但降解材料配比和生产工艺会显著影响降解速率。PLA生物可降解地膜17～22 d到诱导期,60 d左右到破裂期,130 d几乎无膜[31]。PBAT+PLA型可降解地膜在覆膜后62 d进入诱导期,覆膜后74和97 d时,达到开裂期和大裂期[32]。相同原料的可降解地膜在埋土条件下降解周期同样差异巨大。例如,上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜在填埋365 d后降解完全,兰州鑫银环全生物降解地膜于填埋365～540 d完全降解[33]。本研究中,地表覆盖下BM2、BM3和BM4诱导期分别为93、51和79 d,在121、93和107 d达到大裂期,149 d时基本无膜或完全碎裂;在埋土20 cm条件下,BM2、BM3和BM4降解达到95%所需时间分别为95、94和119 d。地表覆盖和埋土条件下降解周期的差异带来辣椒生长与产量的不同。实际生产中,应该从降解地膜的材质和降解周期(诱导期、大裂期、碎裂期和无膜期)这2个方面进行选择。通过比较各处理辣椒生育期生长指数和辣椒产量得出,适宜湿润区覆膜辣椒栽培的全生物可降解地膜为诱导期约为79 d的PBAT和PHA聚合型全生物可降解地膜。

4 结 论

PBAT和PHA等聚合类降解膜诱导期在覆膜后51～93 d,辣椒成熟期处于碎裂期或无膜期,降解周期基本与辣椒生长发育周期一致。辣椒栽培中,应选择PBAT和PHA等聚合类降解膜。

辣椒栽培中应该在确定材质基础上选择适宜的诱导期和翻埋深度。本研究结合辣椒生长发育指标和埋土后降解性能得出,适宜南方湿润条件辣椒栽培的可降解地膜诱导期应该在79 d左右,并且在辣椒全部收获后达到碎裂期或无膜期,辣椒收获后地膜埋土10～20 cm可满足降解地膜的快速降解需求。