2025, Vol. 46
2. 宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室, 银川 750021;
3. 平罗县农业机械化综合服务中心, 平罗 753400;
4. 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室, 银川 750021;
5. 省部共建西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地, 银川 750021
2. State Key Laboratory of Efficient Utilization of Coal and Green Chemical Industry, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;
3. Pingluo County Comprehensive Service Center of Agricultural Mechanization, Pingluo 753400, China;
4. Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystems in Northwestern China, Ministry of Education, Yinchuan 750021, China;
5. Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwestern China, Yinchuan 750021, China
在农业生产中地膜的应用可减少杂草、控制土壤温度和防止水分蒸发损失[1], 进而提高产量和收益[2].然而传统地膜的成分主要是聚乙烯和聚氯乙烯[3], 不易降解, 长时间残留在土壤中, 会降低土壤透气性、蓄水性, 阻碍作物根系发育和养分吸收[4, 5], 影响土壤质量及作物生长[6].陈利军等[7]研究表明, 残膜污染严重破坏土壤结构, 导致土壤物理性能和根系水肥吸收能力下降.为解决地膜“白色污染”问题, 国家提出“减量、代替、回收”的研究方向[8].全生物降解地膜因和聚乙烯（PE）地膜具有相似的增温保墒增产等作用[9, 10], 又可以被微生物降解, 逐渐成为常规PE地膜重要的替代品[11, 12].
然而, 全生物降解地膜是否能够真正完全降解, 一直是众多学者重点探讨的问题.全生物降解地膜的降解率受多种因素影响, 例如：塑料本身的性质和形态、土壤温度湿度、土壤中微生物组成以及光照强度等[13, 14].有学者通过田间试验探究了全生物降解地膜的降解情况, 如李玲等[15]比较了不同全生物降解地膜的降解特征及其对湖南省马铃薯产量的影响, 发现4种全生物降解地膜都有良好的降解特性, 可缓解农田白色污染, 有利于改善农田生态环境.苏海英等[16]发现不同公司生产的全生物降解地膜其降解时间也不尽相同.武岩等[17]研究了PBAT/PLA全生物降解地膜的降解特征, 发现不同全生物降解地膜进入破碎期的时间不同, 同时降解率也有所差异.将全生物降解地膜应用在小麦生产中, 有研究发现[18, 19]：全生物降解地膜覆盖于小麦上, 其保温保墒效果与普通地膜差异不显著.有研究分析了不同公司生产的全生物降解地膜[20], 结果表明, 弘睿降解地膜和天野处理比天壮处理早进入降解期.以上研究大多从宏观角度判断地膜可能破碎或者开裂, 但不能说明地膜真正发生了降解.基于此, 有学者通过扫描电镜、傅里叶红外光谱以及热重等手段来探究地膜降解特征[21, 22].牛暗秋等[23]发现, 覆盖在土壤表面的地膜分子结构中的分子链断裂更快, 氧化程度更高, 相对分子质量和力学性能也下降更快, 表面结构出现较大的破坏. 聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）是研究较多的一种全生物降解地膜, PBAT是以对苯二甲酸、己二酸和丁二醇酯为原料, 采用直接酯化或酯交换法制备, 易于加工, 可用于生产农用薄膜[24]. 管彤晖等[25]采用红外光谱研究了包埋在土壤中PBAT地膜的降解特征, 发现PBAT地膜C—O吸收峰的峰强减弱, 发生了分子级降解.汪敏等[26]研究了PBAT/秸秆基地膜, 发现其覆盖120 d后其物理化学性质发生了变化, 逐步发生了降解.全生物降解地膜的生物降解主要是在微生物作用下, 大分子聚合物分解为CO2、CH4和H2O及所含元素的矿化为无机盐等小分子物质[27, 28].全生物降解地膜覆盖在土壤表面, 经过分化作用或者物理化学作用等在土壤中破碎, 但这不代表地膜真正进行了生物降解过程.Tosin等[29]研究认为：地膜与土壤混合后会消失, 这可能只是一种物理降解, 是地膜的碎片化或是产生了微塑料[30], 而不是其生物降解的证据.呼吸测量技术可以推断全生物降解地膜的矿化程度.综上所述, 结合田间试验和室内试验分析全生物降解地膜降解特征可以充分验证其降解能力.
本文以PBAT这种全生物降解地膜材料为研究对象, 通过田间试验和室内培养试验, 采用可视化分析和呼吸测量技术, 结合地膜的表观特征、微观特征以及CO2释放特征, 综合判析PBAT全生物降解地膜的物理分解和生化降解特征, 以期为全生物降解地膜替代传统PE地膜解决地膜污染问题提供数据支持和理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况田间试验在宁夏回族自治区石嘴山市平罗县盈丰植保专业合作社进行, 石嘴山市地处东经105°57′42″~106°58′02″和北纬38°36′18″~39°51′13″之间.属于温带大陆性气候, 日照充足, 温差大, 蒸发强烈.年平均气温2.8~16.0℃, 历年平均降水量173.2 mm, 多年平均蒸发量为1 755 mm, 无霜期为171 d.地势平坦, 土壤肥沃, 耕作层深厚, 研究区概况如图 1所示.室内试验在宁夏大学生态环境学院实验室进行.
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图 1 研究区概况 Fig. 1 Overview of the study area |
供试西红柿由盈丰植保专业合作社提供, 品种为柿丰收128（Solanum lycopersicum L.）.供试地膜为PBAT全生物降解地膜和PE地膜, PBAT由弗润德力公司提供, 基本信息如表 1所示.
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表 1 供试地膜基本信息 Table 1 Basic information of test mulch |
1.2.2 室内试验供试材料
供试地膜同田间试验相同, 供试土壤取自田间试验土壤, 基本理化性质如表 2所示.供试树叶（SY）为冬青卫矛.供试材料元素含量如表 3所示.
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表 2 供试土壤基本理化性质 Table 2 Basic physical and chemical properties of soil tested |
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表 3 供试材料元素含量 Table 3 Test material element content |
1.3 试验设计 1.3.1 田间试验
田间试验分为西红柿小区覆盖试验和地膜包埋试验.
田间试验设置全生物降解地膜覆盖处理（PBAT）和普通地膜处理（PE）, 每个处理3次重复, 共6个试验小区, 每个试验小区长15 m, 宽7 m, 随机排列.自覆膜开始, 每隔30 d观测其开裂情况, 计算面积损失和失重率.
地膜包埋试验：将供试地膜裁剪成40 cm×30 cm的膜片（每种裁12片, 每个采样期取样3片）, 做好标记, 装入100目网袋中, 埋入10 cm深土层（田间试验区）, 分别于填埋后30、60、90和110 d分别取样, 每个取样期, 每个处理取样3片.取出后, 观测地膜表观特征、失重率及微观特征.
1.3.2 室内试验室内试验共设4个处理, 包括PBAT全生物降解地膜（PBAT）、PE地膜（PE）、空白土壤（CK）和树叶（SY）.每个处理3次重复, 每个批次12个处理单元.试验在干燥器中（室温、含水率25%）进行, 在干燥器底部放入300 g土壤, 同时加入地膜（以含碳量决定地膜材料的添加量, 每300 g的土壤中加入含0.5g碳的膜材料）.试验材料具体含碳量见表 3.通过添加适当体积的磷酸铵溶液修正土壤C∶N为10∶1~20∶1.加入蒸馏水, 保持土壤的含水率为田间持水量的70%（试验开始后, 每日称重, 加蒸馏水保证土壤含水率）.将30 mL 0.5 mol·L-1 KOH置于100 mL烧杯中, 将50 mL蒸馏水置于100 mL烧杯中, 同时置于容器内的穿孔板上；密封容器, 并将其置于暗室或橱柜中.采用KOH吸收法测定CO2含量, 前2~3周每3~4 d一次, 之后每1~3周一次, 试验周期为90 d.用0.05 mol·L-1盐酸滴定剩余的氢氧化钾至酚酞终点, 计算CO2的含量.
1.4 测定项目及方法 1.4.1 地膜面积损失试验结束对固定观察框拍照, 最后利用Photoshop和Image Pro Plus6.0软件, 进行地膜覆盖度的识别与计算.地膜覆盖面积的损失率（%）=1-地面覆盖面积百分比[31, 32].
1.4.2 地膜失重率在未覆膜前按40 cm×30 cm裁取各处理的新膜3块, 用万分之一天平称重后取平均值, 作为基准值（A0）, 于覆膜后至生育期结束, 每隔30 d在各小区内随机裁取40 cm×30 cm的地膜3块, 在室内用超声波清洗仪漂洗, 漂洗后在室内自然风干.用万分之一天平称重（A1）, 计算地膜质量损失率, 计算公式为：质量损失率=（A0-A1）/A0×100%[33].
1.4.3 扫描电镜分析取微量地膜样品直接粘到导电胶上, 并使用Oxford Quorum SC7620溅射镀膜仪喷金45s, 喷金电流为10 mA；随后使用ZEISS GeminiSEM300扫描电子显微镜拍摄样品形貌, 分别放大到500、1 000、5 000及1万倍影像, 观测其微观特征的变化.
1.4.4 傅里叶红外光谱分析利用Nicolet iS 10红外光谱仪, 采样KBr压片, 测试范围为400~4 000 cm-1, 分辨率为4 cm-1, 扫描次数为32次, 测定吸光度, 绘制吸光度曲线.
1.4.5 热重分析利用Meeeler tga2（瑞士）热分析仪, 以10.00 ℃·min-1的加热速率进行升温加热, 温度范围为30~800℃, 分析地膜样品在不同温度下的失重特征.
1.4.6 CO2测定采用KOH吸收法测定CO2含量, 通过从测试材料干燥器中产生的CO2量减去空白土壤中产生的平均CO2量来计算从测试材料中产生的CO2净产量.生物降解百分比由基于碳含量的CO2净产量与理论CO2产量之间的比率计算得出.
2 结果与讨论 2.1 地膜宏观特征变化情况 2.1.1 地膜表观开裂情况如图 2所示, PBAT处理60 d时表面开裂明显, 110 d时表面有明显面积损失, 说明PBAT全生物降解地膜在60 d时已经开始破解. PE处理60 d时表观无变化, 110 d时表观有极少裂缝, 几乎无破损.说明PE地膜覆盖110 d后, 其机械性能表现良好.农用塑料薄膜覆盖在土壤表面, 在外力等多种因素作用下可能会破碎, 破碎往往在降解的早期阶段起重要作用, 并可由机械性质的物理力引起, 温度、紫外线辐射和外力作用可以加速材料的降解过程[34].
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图 2 地膜表观开裂情况 Fig. 2 Surface cracking of plastic film |
利用Photoshop和Image Pro Plus 6.0软件计算PBAT全生物降解地膜和PE地膜覆盖110 d后面积损失率.PBAT处理110 d后地膜面积损失率为27.92%, PE处理110 d后地膜面积损失率是0.60%, 即PBAT全生物降解地膜损失率远大于PE地膜. PBAT全生物降解地膜破解面积较大是物理反应以及生化反应等多重反应作用的结果[35], 面积损失率结果与开裂程度一致.总之, 从宏观角度分析, PBAT全生物降解地膜随着覆盖天数增加, 其破解或降解程度随之增大, 但这是生物降解的前兆, 并不是生物降解的确凿证据.该计算方法只能初步判读地膜开裂程度, 无法区分地膜是否真正降解, 探究地膜是否降解需进一步试验验证.
2.1.3 地膜质量损失地膜覆盖作物后, 定期采样, 并计算失重率, 表 4为不同地膜随着覆盖天数变化地膜质量损失率的信息统计.
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表 4 地膜损失率/% Table 4 Weight loss rate of mulch film/% |
表 4可知, 随着覆膜天数增加地膜失重率增加, 且PE地膜失重率低于PBAT全生物降解地膜失重率.地膜覆盖110 d时PBAT全生物降解地膜的失重率为19.04%, 其失重率与武岩等[17]研究结果相比较低, 与夏文等[36]研究中的PBAT/PBS全生物降解地膜失重率更接近.该PBAT全生物降解地膜存在一定程度的破碎或降解, 但其破解程度一般, 覆盖110 d失重率仅达到1/5, 表明其经过西红柿一个生育周期的覆盖并未分解完全.有学者认为这种质量损失与增塑剂甘油的损失有关[37].覆盖在土壤表面的地膜翻耕后进入土壤, 在土壤微生物的作用下可能会发生进一步降解, 但究竟PBAT地膜是否能够真正降解, 简单的表观分析法无法满足对地膜降解特征的全面剖析, 因此本研究进一步通过微观分析方式深入探究PBAT地膜降解特征.
2.2 田间包埋地膜微观特征变化情况 2.2.1 扫描电镜分析为探究地膜包埋在土壤中的降解特征, 分析包埋地膜微观变化情况, 对PE地膜和PBAT地膜进行扫描电镜分析, 结果如图 3所示, 其分别为PE地膜和PBAT地膜覆盖0 d和110 d的扫描电镜图, 放大倍数分别为1 000、2 000、5 000和10 000.从中可知, PE地膜包埋110 d后表面出现少量气泡, 无明显变化；PBAT地膜降解前表面有细小气泡, 覆盖110 d后, 出现气泡分解区域, 该区域与周边其他区域相比, 明显变得粗糙, 出现片状物质, 依据放大10 000倍图像, 发现地膜层状结构和裂缝更加明显, 吴思等[38]研究发现PBAT地膜覆盖130 d后裂纹加深, 这与本研究相似, PBAT地膜均发生了表面侵蚀, 出现裂痕, 表面侵蚀可能是化学水解造成的分子链断裂的结果.
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图 3 包埋地膜扫描电镜图 Fig. 3 Scanning electron microscope image of embedded film |
对包埋0 d和110 d的PBAT地膜样品和PE地膜样品进行傅里叶变换红外光谱分析, 图 4反映了降解地膜聚合物分子中各基团的振动特征.分析其中PBAT地膜红外光谱特征, 在2 958 cm-1附近出现了—CH3和—CH2拉伸模式的吸收峰, 说明PBAT全生物降解地膜发生诺里什Ⅰ型反应, 包埋110 d后, 1 454 cm-1附近的苯环骨架伸缩振动谱带对应的吸收峰也增强, 说明苯环结构发生了改变[39], 1 710 cm-1和1 724 cm-1附近为C=O的强吸收峰, PBAT 110 d羰基吸收峰相对变宽、增强, 推测PBAT全生物降解地膜的酯键断裂生成了羰基[38], 1 019 cm-1处的C—O—C基团伸缩振动吸收峰随PBAT地膜覆盖时间推移也随之增强, 这些典型特征峰的改变说明PBAT地膜包埋110 d后结构发生了很大变化, 苯环结构和酯基均断裂, 这与汪敏等[40]研究结果不同, 推测是PBAT地膜在光氧化水解酶和Norrish I型反应的作用下经历了分子链的断裂[41].
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图 4 PBAT地膜和PE地膜傅里叶红外光谱图 Fig. 4 Fourier infrared spectra of PBAT and PE film |
PE地膜的主成分为聚乙烯, 聚乙烯的红外光谱特征是2 800~3 000 cm-1附近出现C—H键的伸缩振动吸收峰, 1 468 cm-1附近出现—CH2—基团的变形振动吸收峰, 720 cm-1附近出现—CH2—基团的弯曲振动吸收峰, 地膜包埋过程中以上特征峰均未发生改变, 证明其结构未改变, 这一结果与扫描电镜结果一致.
2.2.3 热重分析为进一步了解地膜包埋后其热稳定性变化, 对包埋0 d和110 d的PBAT地膜样品进行热重分析.图 5为PBAT地膜样品的TG曲线, 在0 d~110 d的样品均出现4个热失重阶段.PBAT地膜0 d和110 d起始失重温度分别为352.9 ℃和352.8 ℃, 终止温度分别为735.1 ℃和715.6 ℃, 即PBAT地膜包埋0 d和110 d起始失重温度相近, 但包埋110 d终止温度较低, 说明PBAT全生物降解地膜可能发生水解、氧化、化学反应等过程, 分子量降低, 从有序晶体结构转变为无定形结构, 热稳定性变差.PBAT 0 d最终灰分为11.25%, PBAT 110 d最终灰分为22.99%, 即PBAT地膜包埋110 d后其有机组分含量小于包埋0 d, 推测PBAT地膜包埋过程中可能部分有机组分经过生化和水解等作用而发生了降解[42].这与上述SEM和FTIR研究结果一致.
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图 5 PBAT地膜包埋试验的TG曲线 Fig. 5 TG curve of PBAT film embedding test |
室内试验通过简单的呼吸测量技术（即监测CO2的排放）跟踪不同待测材料的降解.由表 5可知, 培养过程中树叶的CO2累计释放量最高, 达110.73 mg, PBAT地膜的CO2累计释放量接近于树叶, 为105.99 mg, 二者之间无显著差别.而PE地膜的CO2累计释放量为16.69 mg, 与CK（14.52 mg）接近, 二者均显著低于SY和PBAT的CO2累计释放量.
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表 5 CO2累计释放量1） Table 5 Accumulated CO2 production |
为明确试验期间CO2变化趋势, 以试验天数为横坐标, 不同处理CO2累计增加量的均值为纵坐标, 绘制CO2累计变化量趋势图, 具体如图 6所示.PBAT和SY试验组在前两周CO2增加速率较大, 此后开始平缓, 说明前两周PBAT地膜和树叶降解度率快, 且SY试验组CO2产生量始终高于PBAT试验组, 说明在试验期间, 树叶降解度更高；PE处理和CK处理在试验前20 d, CO2累计增加曲线几乎重合, 之后略高于CK处理, 说明在整个试验期间PE地膜CO2产生量极少.
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图 6 CO2变化趋势 Fig. 6 Trend of CO2 change |
通过从测试材料干燥器中产生的CO2量减去空白土壤中产生的平均CO2量来计算从测试材料中产生的CO2净产量, CO2净产生量/CO2理论产生量=矿化率, 图 7是试验组矿化率趋势.
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图 7 材料矿化率 Fig. 7 Material mineralization rate |
由图 7可知, 在试验期间内, CO2矿化率大小为：SY > PBAT > PE, 最终的矿化率分别是19.24%、18.30%和0.44%, 试验90 d时树叶、PBAT地膜和PE地膜均未消失, 且全生物可降解地膜的矿化性能与树叶相当.但试验条件下, 供试材料均没有消失. CO2的释放规律表明, 物理降解伴随着最终的生物降解, 即PBAT地膜不是转化为肉眼看不见的微塑料, 而是真正转化为CO2.
全生物降解地膜在与土壤接触时, 经历生物降解过程而消失.生物降解通常依赖微生物环境中的胞外酶或胞内酶进行.以上酶可以是内切酶, 切割链内的内部键, 导致分子量迅速下降；也可以是外切酶, 依次切割末端单体单元, 导致分子量不太剧烈地直接变化.两者都导致链断裂, 使聚合物链被切割成更小的片段[43].在某些条件下, 微生物通过摄入、咀嚼和排泄来促进聚合物的降解.所有这些途径都是聚合物降解的潜在途径.有研究发现, PBAT薄膜在土壤中培养后, 丝状真菌和不同形态的单细胞生物在表面广泛定植[44].决定聚合物可降解性或生物可降解性的一个因素是存在的化学键的性质.聚烯烃的化学结构在其骨架中只含有C—C单键.这一特性使它们特别不易降解, 而且聚烯烃的C—C单键使它们具有疏水性[45].因此它们不容易被水解降解.PBAT的生物降解可以看作是微生物酶作用下的水解过程, 在此过程中, 非结晶部分的BA结构比结晶部分的BT结构降解得更快[46].PBAT在土壤和堆肥条件下, 在水、生物和酶的作用下可降解为CO2和H2O等小分子[47].因此, 相比传统聚乙烯地膜, PBAT地膜更易于降解.试验材料与土壤接触时, 土壤中的水分和微生物等作用于PBAT全生物降解地膜材料, 从而实现生物降解, 且对水有更大亲和力的地膜材料会呈现出更高的生物降解率.
3 结论（1）宏观上, PBAT地膜覆盖60 d已经开始破裂, PBAT处理110 d后地膜面积损失率为27.92%, 质量损失率达到19.04%；PE处理110 d后地膜面积损失率是0.60%, 质量损失率为2.80%.
（2）微观上, 综合SEM、FTIR图谱以及热重分析, 在包埋110 d后, PE地膜无明显变化, 而PBAT表面结构发生很大变化, 层状结构更加明显, 酯基结构发生改变, 热稳定性变差.
（3）通过室内培养试验, 各材料的CO2矿化率大小为：SY > PBAT > PE, 最终的矿化率分别是19.24%、18.30%、0.44%, PBAT地膜的物理降解伴随着生物降解, 真正转化为CO2, 而PE地膜几乎无分解.
（4）本研究从宏观到微观探究PBAT型全生物降解地膜降解特征, 包埋地膜是与表观覆盖地膜同期开展的新膜, 没有完全模拟地膜从表观覆盖到包埋土壤的全过程, 略有不足, 若能在作物生育期结束将地膜裁剪再埋入土壤, 测定其微观变化, 可能更具指导意义.
（5）PBAT地膜在土壤中虽然发生了生物降解, 但90 d的试验周期内地膜并不能完全消失, 若探究其完全矿化所需时间, 则需要进一步延长培养时间.
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