生物降解滲水地膜覆蓋旱地谷子試驗(yàn)

姚建民，畢昕媛，尚武平，李文婷，李瑞珍

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟(jì)研究所，山西太原030006；2.山西微通滲水膜生物科技有限公司，山西太原030006；3.佳縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西佳縣719200）

地膜覆蓋是冷涼干旱地區(qū)一項(xiàng)重要的抗旱增產(chǎn)技術(shù)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國PE地膜年覆蓋面積為2 333萬hm2以上[2]，與此同時(shí)，地膜殘留在農(nóng)田影響土壤結(jié)構(gòu)造成的白色污染日益嚴(yán)重，為了通過機(jī)械回收方法解決農(nóng)田白色污染問題[4-6]，新修訂的GB/13735—2017國家標(biāo)準(zhǔn)中，將地膜厚度指標(biāo)由原來的0.008 mm增加到0.01 mm，由于技術(shù)回收難度大，實(shí)際回收率不高。為了從材料上徹底解決地膜的農(nóng)田白色污染問題，國家出臺了《全生物降解農(nóng)用地面覆蓋膜》GB/T 35795—2017標(biāo)準(zhǔn)[7-9]。目前，由PBAT、PLA、PPC等生物降解材料制成的地膜還存在著諸多缺陷：一是原材料價(jià)格高，原料價(jià)格2.5×104元/t左右，是PE原料的2.5倍以上；二是密度大、伸展面積小，密度1.26～1.30 g/cm3，是PE原料（0.92 g/cm3）的1.4倍左右；三是縱向直角撕裂強(qiáng)度小、易條狀破裂，只有當(dāng)厚度≥0.01 mm時(shí)，膜才能勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)；四是單位面積投資成本高，單位面積使用成本約是PE膜的4倍以上；五是耐候性差，在作物苗期易條狀破裂崩解，地膜的增溫、保水、防草等功能過早喪失。在山西省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2015TN08-1）和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD1001000）的資助下，通過選用大分子量PPC材料[10]與其他生物質(zhì)材料復(fù)配的路徑，優(yōu)選出最佳的材料配方與生產(chǎn)工藝，攻克了薄型全生物降解地膜縱向直角撕裂強(qiáng)度小和耐候性差的技術(shù)難題，研發(fā)出PPC基高強(qiáng)度薄型生物降解滲水地膜產(chǎn)品。PPC基生物降解滲水地膜[11]，厚度指標(biāo)下調(diào)到0.006～0.007 mm的縱向直角撕裂強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到1.1 N，高于國標(biāo)GB/T 35795—2017中的0.5 N，還增強(qiáng)了膜的耐候性，與研制出的壟背膜覆土穴播相結(jié)合，該農(nóng)藝技術(shù)模式延長了生物降解地膜使用的安全期。試驗(yàn)表明，PPC基生物降解滲水地膜實(shí)用性好、單位面積用量減少30%、使用成本降低60%、農(nóng)田覆蓋180 d的表觀殘留率小于40%，適宜在冷涼半干旱地區(qū)推廣應(yīng)用。

本研究通過田間對比試驗(yàn)，旨在探明PPC基高強(qiáng)度薄型生物降解滲水地膜在旱地谷子栽培中對產(chǎn)量成因的變化規(guī)律，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 PPC基生物降解滲水地膜材料

1.1.1 材料的性能指標(biāo)PPC基生物降解滲水地膜是生物降解樹脂，主料采用中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研發(fā)的大分子量聚碳酸亞丙酯PPC[12]，輔料采用聚己二酸丁二醇酯/對苯二甲酸丁二醇酯PBAT，助劑和工藝采用山西微通滲水膜生物科技有限公司生產(chǎn)的滲水助劑和生產(chǎn)工藝[13]。PPC基生物降解滲水地膜具有滲水、保水、透氣、增溫和可生物降解等功能。滲水有利于高效利用天然降水中的小雨量無效降水資源、提高土壤含水率、增加作物產(chǎn)量；透氣有利于植物根系生長和好氣性菌繁殖、提高土壤肥料利用率、增加作物產(chǎn)量；增溫可以通過增加作物生育期有效積溫，利于增加作物產(chǎn)量；可生物降解有利于消除PE地膜殘留造成的白色污染。覆蓋后初始裂解時(shí)間50 d左右，地面部分的膜在180 d可減少60%左右，在偏堿性和有機(jī)質(zhì)豐富土壤中的膜可以降解95%左右。強(qiáng)度等物理機(jī)械性能指標(biāo)達(dá)到國家推薦標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 35795—2017全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜》[9]。物理機(jī)械性能指標(biāo)：拉伸負(fù)荷（縱向、橫向）≥1.5 N，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變（縱向）≥150%、斷裂標(biāo)稱應(yīng)變（橫向）≥250%，直角撕裂負(fù)荷（縱向、橫向）≥0.9 N。PPC基生物降解滲水地膜的特性指標(biāo)如表1所示。

表1 PPC基生物降解滲水地膜的特性指標(biāo)

1.1.2 材料的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)格參數(shù)生物降解滲水地膜產(chǎn)品性能質(zhì)量符合國標(biāo)《GB/T35795—2017全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜》和企標(biāo)《Q/SXWTJJ SSM 02—2018可降解滲水吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》。幅寬主要有：1 650、1 300、1 200、800 mm等多種規(guī)格。參考長度：1 300 mm×0.007 mm的PPC基生物降解滲水地膜每卷10 kg的參考長度880 m左右，800 mm×0.007 mm的PPC基生物降解滲水地膜每卷5 kg的參考長度710 m左右（表2）。

表2 生物降解滲水地膜規(guī)格參數(shù)

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)與殘留膜取樣

1.2.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)地點(diǎn)1，陜西省佳縣謝家溝旱垣地，2019年5月10日覆膜播種晉谷21號谷子，設(shè)置田間試驗(yàn)，處理T.1 300 mm×0.007 mm生物降解滲水地膜；CK1.1 300 mm×0.007 mmPE地膜；田間成對比較設(shè)計(jì)，間隔排列，小區(qū)面積18 m2，重復(fù)3次。

試驗(yàn)地點(diǎn)2，山西省朔州市朔城區(qū)紅旗牧場，2019年5月3日播種晉谷21號谷子，設(shè)置田間對比試驗(yàn)，處理T.1 300 mm×0.007 mm生物降解滲水地膜；CK2.1 300 mm×0.007 mm PE滲水地膜；田間成對比較設(shè)計(jì)，間隔排列，采取膜上適度覆土方式種植，大區(qū)面積3 000 m2，重復(fù)3次。

1.2.2 PPC基生物降解膜殘留膜取樣在覆蓋區(qū)均勻劃定3個(gè)以上取樣區(qū)；取樣區(qū)面積不小于1 m2，測量地面裸膜取樣長度和膜的初始寬度，填入殘留膜取樣測試記載表；稱取與取樣面積相等的留樣膜質(zhì)量填入記載表中；做好地面裸露部分膜的邊際標(biāo)記并測量計(jì)算面積填入記載表；用平鏟和毛刷清理干凈膜上泥土和雜物；按照標(biāo)記，分類精細(xì)鏟取地面膜和土壤中膜，裝入不同取樣袋；分類風(fēng)干后過篩（2 mm×2 mm），取出篩中膜；再次精細(xì)清理取出膜中的雜質(zhì)和泥土，風(fēng)干或40℃以下烘干，輕柔拍打，去除塵土；預(yù)稱質(zhì)量登記；用清水沖洗后，再次40℃以下烘干后稱質(zhì)量，正式填入記載表。

1.3 壟背膜上覆土技術(shù)方法

PPC基生物降解滲水地膜與其他生物降解地膜一樣對光照敏感，都存在耐候性差和安全期短的問題，農(nóng)田覆蓋50 d后地面上的膜易發(fā)生裂解。為了將生物降解地膜的耐候期從50 d延長到70 d穩(wěn)定過渡到作物封壟期，選用了重均分子量300 kg/mol的超大分子量分子PPC材料，大區(qū)對比試驗(yàn)采用了壟背膜上機(jī)械覆土的技術(shù)[14]，形成了2MB-1/3鋪膜穴播機(jī)覆蓋播種模式（圖1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量結(jié)果與PE地膜比較分析

試驗(yàn)地點(diǎn)1：2019年5月10日在佳縣謝家溝旱垣地覆膜播種晉谷21號谷子，采用2MB-1/3鋪膜播種機(jī)穴播，2019年9月29日收獲，產(chǎn)量結(jié)果表明，PPC基生物降解滲水地膜覆蓋的平均單產(chǎn)為4 022.7 kg/hm2，比PE地膜覆蓋的4 610.5 kg/hm2減產(chǎn)12.75%，統(tǒng)計(jì)測驗(yàn)產(chǎn)量差異未達(dá)到顯著性水平（表3）。

表3 2019年佳縣降解滲水地膜覆蓋谷子對比試驗(yàn)產(chǎn)量結(jié)果

試驗(yàn)地點(diǎn)2：2019年5月3日在朔城區(qū)紅旗牧場旱平地覆膜播種晉谷21號谷子，采用2MB-1/3鋪膜播種機(jī)穴播，膜上壟背處覆土，2019年10月8日收獲，產(chǎn)量結(jié)果表明，PPC基生物降解滲水地膜覆蓋的平均單產(chǎn)為5 958.0 kg/hm2，比PE滲水地膜的5 476.2 kg/hm2平均增產(chǎn)8.8%。統(tǒng)計(jì)測驗(yàn)產(chǎn)量差異未達(dá)到顯著性水平（表4）。

表4 2019年朔州紅旗牧場降解滲水地膜覆蓋谷子對比試驗(yàn)產(chǎn)量結(jié)果

2個(gè)覆蓋處理對比試驗(yàn)點(diǎn)的產(chǎn)量結(jié)果雖然有增有減，但由于區(qū)組內(nèi)的變異較大，未能測驗(yàn)出處理間的真實(shí)差異，說明PPC基降解滲水地膜覆蓋谷子與PE地膜覆蓋谷子的產(chǎn)量水平相當(dāng)，沒有表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)或減產(chǎn)作用。

2.2 保水增溫和降解效應(yīng)分析

2.2.1 在45 d內(nèi)保水效應(yīng)分析 謝家溝PPC基生物降解滲水地膜試驗(yàn)田，2019年5月10日到6月10日降水8次，共14 mm，平均每次1.75 mm，從5月4日出苗到6月4日30 d內(nèi)僅有3次降水，降水總量4.6 mm，谷子處于嚴(yán)重干旱期（圖2）。6月4日測定結(jié)果顯示，0～20 cm土壤含水率T處理的7.13%比CK1的5.79%高1.34百分點(diǎn)，20～40 cm土壤含水率T處理的9.46%比CK1的8.96%高0.5百分點(diǎn)，40～60 cm土壤含水率T處理的12.82%比CK1的13.25%低0.43百分點(diǎn)，說明PPC基生物降解滲水地膜20 d內(nèi)有很好的保水效果；6月24日測定結(jié)果表明，0～20 cm土壤含水率T處理的9.9%比CK1的10.42%低0.52百分點(diǎn)，20～40 cm土壤含水率T處理的12.49%比CK1的11.80%高0.69百分點(diǎn)，40～60 cm土壤含水率T處理的14.41%比CK1的12.87%高1.54百分點(diǎn)，0～60 cm土壤含水率T處理的12.26%比CK1的11.70%高0.56百分點(diǎn)，說明PPC基生物降解滲水地膜45 d仍有很好的保水效果。2019年5月10日到2019年7月16日降水20次，累計(jì)降水量為115.4 mm，平均每次5.77 mm，日均降水僅1.7 mm，7月16日T處理的0～20 cm的土壤含水率明顯較低，對地膜的觀察得知，T處理的覆蓋67 d膜面發(fā)生明顯的裂解，保水性能下降（圖3）[15-16]。

總體表現(xiàn)是：谷子整個(gè)生育期PPC基生物降解滲水地膜覆蓋0～20 cm土壤含水率比PE地膜覆蓋的平均低0.86百分點(diǎn)，20～40 cm土壤含水率比PE地膜覆蓋的平均高0.65百分點(diǎn)，40～60 cm土壤含水率比PE地膜覆蓋的平均低0.19百分點(diǎn)（圖3）。

2.2.2 在65 d內(nèi)5 cm地溫的增溫效應(yīng)分析 從謝家溝PPC基生物降解滲水地膜試驗(yàn)田出苗期、拔節(jié)期、孕穗期3個(gè)生育時(shí)期5 cm地溫情況看，T處理在8：00和20：00與CK1基本相同。從生長情況看，2019年7月14日取樣測定谷子株高均為80 cm、單株干物質(zhì)量T處理為6.39 g，CK1為6.36 g，說明PPC基生物降解滲水地膜與PE滲水地膜增溫效應(yīng)相近；但14：00的5 cm地溫，T處理的明顯低于CK1；2019年7月14日測定，T處理的5 cm地溫51.1℃，比CK1的55.0℃低3.9℃。說明PPC基生物降解滲水地膜在高溫時(shí)段有調(diào)低高溫的效應(yīng)[15-16]，利于減輕極端高溫的危害[1（7]圖4、表5）。

表5 謝家溝試驗(yàn)田谷子不同覆蓋處理不同生育時(shí)期5 cm地溫分析 ℃

2.2.3 覆蓋180 d降解效應(yīng)分析 對佳縣謝家溝PPC基生物降解滲水地膜覆蓋試驗(yàn)田地膜取樣，經(jīng)過中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)室測定，覆蓋時(shí)膜的初始表觀重均分子量122 kg/mol，覆蓋30 d后地面膜的表觀重均分子量下降到68 kg/mol，降解度44.26%；覆蓋40 d地面膜的表觀重均分子量進(jìn)一步下降到46 kg/mol，降解度為62.30%；覆蓋50 d地面膜的表觀重均分子量43 kg/mol，降解度64.750%，覆蓋50 d土壤中膜的表觀重均分子量也下降到54 kg/mol，降解度55.740%；覆蓋110 d后地面膜的表觀重均分子量5.0 kg/mol，降解度已經(jīng)達(dá)到95.9%，土壤中的表觀重均分子量也下降到19 kg/mol，降解度也高達(dá)78.69%；覆蓋170 d地面部分膜的表觀重均分子量降解到≤2.3 kg/mol、降解度為98.11%，土壤中的表觀重均分子量降解到≤2.0 kg/mol、降解度為98.36%。按照降解膜的殘留膜取樣與計(jì)算方法，PPC基生物降解滲水地膜覆蓋180 d，農(nóng)田地面膜全面破裂、脆化，土壤中膜部分消失或分解，田間測試的樣點(diǎn)取樣面積1 300 mm×1 300 mm，過2 mm×2 mm篩后稱質(zhì)量分析，結(jié)果表明，地面膜的質(zhì)量殘留率為36.8%，土壤中膜的質(zhì)量殘留率為28.8%，加權(quán)平均膜的質(zhì)量殘留率為32.9%（表6）。

表6 謝家溝PPC生物降解滲水地膜覆蓋180 d田間測試結(jié)果

3 結(jié)論與討論

3.1 降解地膜的降解方式問題分析

條狀破裂是各種生物降解地膜由于生物材料線性分子間結(jié)合力不夠[18]易發(fā)生的一種共性現(xiàn)象，農(nóng)田覆蓋發(fā)生條狀破裂后的增溫、保墑和防雜草功能就會喪失。PPC基生物降解滲水地膜用助劑材料解決了生物材料線性分子間結(jié)合力不夠的問題，地面直觀降解方式呈現(xiàn)為網(wǎng)狀裂解。本研究觀測得知，PPC基生物降解滲水地膜50 d后開始出現(xiàn)較明顯的網(wǎng)狀龜裂，到180 d時(shí)仍未發(fā)現(xiàn)明顯的條狀破裂現(xiàn)象。

3.2 降解度與殘留率的關(guān)系問題分析

為了精準(zhǔn)描述PPC基生物降解滲水地膜的降解程度，用取樣膜測定的分子量與膜的初始分子量之百分比來表示降解度，用田間測定一定面積上的殘留膜質(zhì)量與同等面積膜的初始質(zhì)量之百分比來表示膜在田間的質(zhì)量殘留率。降解度反映分子量變小的分解程度，分子量變得越小，降解度就越高。殘留率反映直觀的和稱量的質(zhì)量變化殘留程度，稱量的質(zhì)量越小，殘留率就越低。降解度與殘留率呈非線性反相關(guān)，但目前降解度與殘留率還未找到明確對應(yīng)的數(shù)量反相關(guān)關(guān)系。一般情況下，當(dāng)分子量降到3 kg/mol左右時(shí)，地膜呈現(xiàn)高度蠟質(zhì)脆化狀，就會出現(xiàn)降解度已經(jīng)達(dá)到98.11%而殘留率還有36.8%的現(xiàn)象。

3.3 應(yīng)用推廣過程前應(yīng)首先做好生態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)

PPC基生物降解滲水地膜初始裂解時(shí)間和全降解時(shí)間隨著生態(tài)環(huán)境的不同而表現(xiàn)不同，降解過快會過早喪失地膜的增溫、保水、防草等功能[9]。PPC基生物降解滲水地膜降解度達(dá)到60%以上時(shí)容易發(fā)生破裂，為了改善PPC基生物降解滲水地膜的耐候性，采用2MB-1/3鋪膜穴播機(jī)在壟背處膜上覆土的農(nóng)藝措施，可以延長降解地膜的安全期[19]，將表觀重均分子量降解到43 kg/mol的時(shí)間從50 d延長到70 d以上，還伴有抑制雜草和增加作物產(chǎn)量的功效。PPC基生物降解滲水地膜在光照強(qiáng)、pH值大、土壤有機(jī)質(zhì)多的環(huán)境中降解速率快，而對苗期長、封壟晚的作物和雜草多的土地，盲目應(yīng)用會產(chǎn)生一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。比如試驗(yàn)點(diǎn)1中，PPC基生物降解滲水地膜沒有采用膜上覆土的生態(tài)設(shè)計(jì)覆蓋，比CK1覆蓋減產(chǎn)12.75%；而試驗(yàn)點(diǎn)2采用了膜上壟背處覆土的生態(tài)設(shè)計(jì)覆蓋，比CK2覆蓋增產(chǎn)8.8%。因此，生產(chǎn)應(yīng)用中需要根據(jù)地域特點(diǎn)、光照強(qiáng)度、作物種類、土壤類型、土壤酸堿度、農(nóng)藝措施等，對PPC基生物降解滲水地膜針對性地進(jìn)行配方和工藝的生態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)，才能構(gòu)建起良好的近地面微生態(tài)環(huán)境[20]，減少風(fēng)險(xiǎn)。PPC基生物降解滲水地膜覆蓋在作物生育前期具有良好的增溫保墑作用，與PE地膜覆蓋的作物產(chǎn)量水平相當(dāng)，在消除地膜殘留造成的白色污染、減少地膜用量和降低單位面積地膜投資成本方面優(yōu)勢突出，與產(chǎn)品的生態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)和農(nóng)藝設(shè)計(jì)相結(jié)合，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。