冯晨^,1,2, 冯良山^1,2, 刘琪³, 李昊儒³, 郑家明^1,2, 杨宁^1,2, 白伟^1,2, 张哲^1,2, 孙占祥^,1,21辽宁省农业科学院耕作栽培研究所,沈阳 110161
²国家农业环境阜新观测实验站,辽宁阜新 123100
³中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081

The Degradation Characteristics of Different Plastic Films and Their Effects on Maize Yield in Semi-Arid Area in Western Liaoning

FENG Chen^,1,2, FENG LiangShan^1,2, LIU Qi³, LI HaoRu³, ZHENG JiaMing^1,2, YANG Ning^1,2, BAI Wei^1,2, ZHANG Zhe^1,2, SUN ZhanXiang^,1,21Institute 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

通讯作者: 孙占祥,E-mail：sunzx67@163.com

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2020-12-1接受日期:2021-02-7网络出版日期:2021-05-01

基金资助:

国家自然科学基金青年基金.41807388 辽宁省兴辽英才计划.XLYC1807056 辽宁省兴辽英才计划.XLYC1907089 辽宁省兴辽英才计划.XLYC1908013 国家公益性行业.农业科研专项201503105 辽宁省“百千万人才工程”项目.2018921005 辽宁省农业科学院学科交流合作项目.2020HZ062001 农业农村部农业科研杰出人才及其创新团队

Received:2020-12-1Accepted:2021-02-7Online:2021-05-01
作者简介 About authors
冯晨,E-mail：sandyla570521@126.com。











摘要
【目的】明确不同类型可降解地膜在辽西半干旱区的降解特性及其对玉米产量的影响,为可降解地膜的区域筛选和应用提供理论依据和数据支撑。【方法】以国家农业环境阜新观测实验站为平台,采用田间试验与室内分析相结合的方法,田间试验共设置3个处理,分别为普通地膜覆盖（T1）、添加剂型降解膜覆盖（T2）和全生物降解膜覆盖（T3）。通过2年田间试验,定期进行田间观察和取样分析,测定不同地膜覆盖处理下的玉米产量,并结合扫描电镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）,对地膜表面形态、力学特性以及化学结构等指标进行测定,系统全面地分析不同类型地膜在辽西半干旱区的降解过程及程度。【结果】各覆盖处理的玉米产量无显著差异,不同类型地膜的田间降解过程表明,2种可降解地膜的降解进程相似,均从覆盖后第38天表面开始出现裂纹,第58天开始出现明显降解,T3处理的降解进程总体上快于T2处理,普通地膜几乎无降解。随着地膜在田间置留时间加长,破碎程度加剧,可降解地膜的水蒸气透过量显著增加,力学性能（最大负荷、拉伸强度和断裂标称应变）显著下降,膜面微观形态和化学结构变化显著,普通地膜覆盖处理各项指标前后变化不明显。不同类型地膜的水蒸气透过能力总体表现为T3>>T2>T1,力学性能表现为T1>T2>T3,覆盖后98 d地膜微观表面粗糙度表现为T3>T2>T1,与田间观测效果及地膜相应物理指标结果相一致。通过计算（失重法）得出可降解地膜T2和T3的当季降解率分别为37.4%和47.8%,降解残片以<4 cm²和4—25 cm²的中小规格为主。【结论】可降解地膜可在保障玉米产量的同时实现自身降解,减少农田残留。从产量、降解特性和残留率等方面综合评价,以PBAT全生物降解地膜替代普通地膜应用于辽西半干旱区玉米覆盖栽培更具潜力。
关键词： 普通地膜;可降解地膜;产量;降解特性;残留率

Abstract
【Objective】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. 【Method】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. 【Result】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 cm² and 4-25 cm² were predominant. 【Conclusion】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.
Keywords：conventional plastic film;degradable plastic film;yield;degradation characteristics;residual rate


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本文引用格式
冯晨, 冯良山, 刘琪, 李昊儒, 郑家明, 杨宁, 白伟, 张哲, 孙占祥. 辽西半干旱区不同类型地膜降解特性及其对玉米产量的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(9): 1869-1880 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.09.005
FENG Chen, FENG LiangShan, LIU Qi, LI HaoRu, ZHENG JiaMing, YANG Ning, BAI Wei, ZHANG Zhe, SUN ZhanXiang. The Degradation Characteristics of Different Plastic Films and Their Effects on Maize Yield in Semi-Arid Area in Western Liaoning[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(9): 1869-1880 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.09.005


开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

【研究意义】地膜覆盖技术自20世纪70年代引入我国以来,因其具有增温保墒^[1,2]、提高作物资源利用效率^[3,4]、增加作物产量^[5,6,7]等重要作用,广泛应用于旱作农业区^[8,9],也成为农业生产中最重要的物质生产资料之一。然而,农用地膜材料大部分为聚乙烯,其化学结构稳定并难以降解^[10,11]。随着地膜的连年使用,越来越多的残膜滞留于土壤中,导致土壤板结、水分养分运输障碍、农事操作受阻以及作物减产等一系列问题^{[12,13,14,15]}。因此,如何在达到覆膜增产效果的同时减少残膜污染已成为国内外****关注的热点,可降解地膜被认为是能够解决上述残膜问题的理想途径之一,加强可降解地膜区域应用效果及降解特性的研究意义重大。【前人研究进展】有关可降解地膜的报道大多在于分子设计、配方调控、生产工艺等可降解产品研发方面^[14],而关于可降解地膜的农田应用效果则主要集中于其增温保墒性能和对不同作物增产效果等方面,涉及作物包括玉米^[15,16,17]、花生^[18]、棉花^[19,20,21]、芋艿^[22]等多种粮食和经济作物。大多数情况下,可降解地膜覆盖下作物产量或者低于普通地膜^[18],或者与之无明显差异^[23],研究结果的不一致与作物种类、区域间环境差异以及地膜降解特性密切相关^[24]。目前,可降解地膜降解特性方面已有相关研究,如赵爱琴^[24]通过室内培养试验明确了不同土壤温度和水分对生物降解地膜降解过程的影响,得出在温度为35℃和水分为0.25 g·g^-1时地膜降解最快;吴思等^[25]也探明了PBAT生物降解地膜降解特征对不同土壤水分的响应;KIJCHAVENGKUL等^[26]通过降解试验发现生物降解地膜的降解主要是由于太阳辐射所引起的光氧降解。【本研究切入点】有关可降解地膜降解特性方面研究尚属缺乏,且已有研究大多为室内培养或单一类型地膜试验,缺少针对实际田间应用的不同类型地膜降解过程和降解程度的对比研究,基于可降解地膜膜面微观形态及化学结构变化的降解机理研究更是极少涉及。这使得我们在可降解地膜对区域环境影响方面知之甚少,从而增加了可降解地膜的推广难度。【拟解决的关键问题】本研究以国家农业环境阜新观测实验站为平台,通过2年田间试验,结合扫描电镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）,系统全面地分析不同类型地膜（普通地膜、添加剂型降解地膜、全生物降解地膜）在辽西半干旱区的降解过程及程度,明确不同类型地膜的区域降解特性,为筛选适宜地膜类型、加速可降解地膜在区域的推广应用,以及实现可降解地膜覆盖技术的可持续发展提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验设计

试验在辽宁省西北部的国家农业环境阜新观测实验站进行（辽宁省阜新市阜新蒙古族自治县阜新镇沙扎兰村,42°06′N、121°75′E）,该地区属温带季风大陆性气候区,年平均气温7℃—8℃,5月至9月份日照时数1 200—1 300 h,10℃以上积温2 900—3 400℃,无霜期135—165 d,近30年降水均值为391 mm,降水变率较大,旱灾频繁,“十年九旱”是其基本气候特征。土壤类型为褐土,土壤基本理化性质见表1。

Table 1
表1
表1供试土壤（0—20 cm）基本理化性质
Table 1Basic physical and chemical properties of tested soil (0-20 cm)

有机质 Organic matter (g·kg-1)	pH	矿质氮Mineral nitrogen (mg·kg-1)	有效磷 Available phosphorus (mg·kg-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg-1)	容重 Bulk density (g·cm-3)	全氮 Total nitrogen (g·kg-1)	全磷 Total phosphorus (g·kg-1)	全钾 Total potassium (g·kg-1)	阳离子交换量Cation exchange capacity (cmol·kg-1)
14.8	6.03	111	21	75	1.35	0.98	0.33	20	21.51

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地膜试验于2018—2019年进行,2年生育期降雨量分别为326和660 mm。试验共设置3种地膜覆盖处理,分别为普通地膜（T1,成分PE,宽900 mm,厚0.008 mm,阜新市塑料彩印二厂）,添加剂型降解地膜（T2,以PE为基质添加降解助剂,宽900 mm,厚0.008 mm,山东天壮环保科技有限公司）和全生物降解地膜（T3,成分聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）,宽900 mm,厚0.009 mm,巴斯夫有限公司）,地膜覆盖方式为条带覆盖。试验采用完全随机区组设计,每个小区面积60 m²,每个处理4次重复。种植作物为玉米,品种郑单958,种植密度60 000株/hm²,每年于4月末进行覆膜播种,9月末收获。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 玉米产量测定 玉米成熟后,每个小区随机取10 m²样区测产,用浙江托普PM-8188-A谷物水分仪（精度为标准误差0.5%以下）测定水分,按14%含水率折合成公顷产量。

1.2.2 地膜田间降解过程观测 为避免受外界干扰而影响地膜正常变化,分别在覆膜后的第0、38、58、98、118天,选取小区中间垄作为观察点进行降解地膜形态描述记录,观测2 m垄长、0.9 m垄宽面积上地膜的裂纹裂缝,并进行拍照。

1.2.3 地膜表面形态及化学结构测定 采用扫描电镜（SEM,SU-8010,Hitachi,Japan）对地膜表面形态进行观察,为了对薄膜表面进行SEM成像,将处理后的地膜样品切成4 mm宽的尺寸,黏附在载物台后,对地膜降解前后样品表面分别进行溅射喷金处理,在20 kV电镜下对各地膜表面的微观结构变化进行观察。化学结构采用全反射傅里叶变换红外（Micro-ATR-FTIR）显微镜（OPUS 7.5,Bruker,Germany）记录每个地膜样品的光谱,分析薄膜样品的基团结构。每个样品的FTIR光谱在4 000—600 cm^-1范围内,分辨率为4 cm^-1。傅里叶红外谱图能反映出聚合物分子中不同基团的振动特征。

1.2.4 地膜水蒸气透过量及力学指标测定 水蒸气透过量（WVP）是指在规定的温度、相对湿度,一定的水蒸气压差和一定厚度条件下,1 m²的试样在24 h内透过的水蒸气量。采用水蒸气透过率测试仪（W3/060 PERME,Labthink,中国）进行测定,输出压力为4—5 MPa,自动干燥过滤器的压力为0.3—0.35 MPa,温度38℃±0.68℃,相对湿度90%±2%,具体方法参照ASTM E96/E96M-2014。力学指标包括最大负荷、拉伸强度和断裂标称应变。其中最大负荷（N）是指地膜试样在一定长宽、夹具间距以及钻头速度条件下,直至断裂所测出的最大拉伸负荷;拉伸强度（kN·m^-1）是指在拉伸试验当中观测到的最大初始应力;断裂标称应变（%）为拉伸发生的位移与夹持距离的比值。力学指标使用万能试验机（XLW,Labthink,中国）进行测定,试样宽15 mm、长100 mm,夹具间距为100 mm,十字头速度为200 mm·min^-1,具体方法参照ASTM D882-2018。

1.2.5 残片统计及残留率（降解率）计算 分别于第14、38、58、98和118天,在每个处理随机选取长1 m、宽0.9 m的地膜（及其土中所有碎片）,将其带回实验室中清洗、晾干后,按规格（<4 cm²、4—25 cm²、25—81 cm²以及>81cm²）将地膜残片进行分类并计数,同时称取残膜总重。并通过以下公式计算残留率（降解率）：

$地膜残留率(\%)=\frac{m1}{m0}×100$;

$地膜降解率(\%)=\frac{(m0-m1)}{m0}×100$。

式中,m0为覆膜前地膜（长1 m、宽0.9 m）重量,m1为收获时残膜（长1 m、宽0.9 m）重量。

1.3 数据处理

所得数据采用Excel进行整理,红外光谱图采用Origin 9.0进行作图,其他均采用Excel作图。使用SPSS20.0（ANOVA）进行数据分析,处理间差异用LSD检验法（P<0.05）。

2 结果

2.1 不同类型地膜覆盖对玉米籽粒产量的影响

玉米产量随年份不同而不同,2019年玉米产量要高于2018年（图1）。2018年T1、T2和T3处理下玉米产量分别为8.4、8.8和7.1 t·hm^-2,呈现T2>T1>T3的趋势;2019年3种地膜覆盖下产量分别为12.3、11.2和11.3 t·hm^-2,呈现T1>T3≥T2的趋势。不同类型地膜之间相比,普通地膜（T1）处理玉米产量略显优势,全生物降解地膜（T3）处理产量略低,但总体上3种地膜对辽西玉米产量的影响程度相似,无显著性差异。

图1

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图12018—2019年不同地膜处理对玉米产量的影响

图中不同小写字母表示不同地膜处理之间差异显著（P<0.05）
Fig. 1Maize yield under different mulching film treatments in 2018-2019

Different lowercase letters indicate significant difference between different plastic film treatments at 0.05 level

2.2 不同类型地膜的田间降解效果

3种地膜在覆盖初期膜面完好无损,到第38天,T1处理地膜表面未见明显变化,T2、T3处理膜面完整,但表面已开始出现裂纹,T2处理裂纹数略多于且早于T3处理。到第58天,T1处理仅表面有细小机械损伤,T2、T3处理开始出现明显变化,表面裂纹裂缝增多,其中T2处理裂纹数多于T3处理,但T3处理膜面明显变脆,且出现大的裂纹裂缝,可降解地膜总体上进入破裂期。至覆膜第98天,T1处理仍无明显变化,膜面完整;T2、T3处理膜面强度显著下降,有大量裂纹裂缝,T2处理开始产生碎片,T3处理已经出现大范围降解,即崩裂期。此时,T3处理的降解进程总体上快于T2处理。覆膜第118天,T1处理仍然膜面完整,T2、T3处理膜面已成大量碎片,且部分已降解为肉眼不可见（图2,表2）。由此可见,从田间实际观察效果来看,3种地膜的降解能力大小为T3>T2>>T1,其中T1处理地膜未见降解趋势。

图2

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图2不同类型地膜的田间降解过程

Fig. 2Degradation process of different plastic mulching films in the field



Table 2
表2
表2不同类型地膜地表覆盖部分碎片化过程形态描述
Table 2Morphological description of fragmentation process of different plastic films

覆膜后天数 Days after mulching (d)	T1		T2		T3
	裂纹数 Cracks (No./m2)	形态描述 Description	裂纹数 Cracks (No./m2)	形态描述 Description	裂纹数 Cracks (No./m2)	形态描述 Description
14	0	表面未见有明显变化 No obvious change on the surface	0	表面未见有明显变化 No obvious change on the surface	0	表面未见有明显变化 No obvious change on the surface
38	0	表面未见有明显变化 No obvious change on the surface	16	膜面完整,表面出现裂纹 Intact surface with cracks	11	膜面完整,表面出现裂纹 Intact surface with cracks
58	0	膜面完整,表面有细小机械损伤 Intact surface with minor physical damage	33	表面裂纹裂缝增多 Surface cracks increased	23	膜面变脆,出现大的裂纹裂缝 Brittle surface with cracks
98	0	膜面完整,表面有细小机械损伤 Intact surface with minor physical damage	>50	膜面强度明显下降,有大量裂纹裂缝,开始产生碎片 The strength of film decreased, surface with cracks and started to produce fragments	>50	膜面强度显著下降,已经产生碎片和大范围降解 The strength of film decreased, surface with fragmentation and degradation
118	0	膜面完整,表面有细小机械损伤 Intact surface with minor physical damage	>50	强度显著下降,膜面已成大量碎片 The strength of film decreased, surface has fragmented in large quantities	>50	强度显著下降,膜面已成大量碎片,部分已完全降解（肉眼不可见） The strength of film decreased, surface had fragmented in large quantities, completely degraded was found (invisible)

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2.3 不同类型地膜力学性能和水蒸气透过量的变化

不同类型地膜的水蒸气透过能力不同,总体表现为T3>>T2>T1,其中T1处理前期和后期水蒸气透过率分别为32.08和50.71 g·m^-2·d^-1,T2处理分别为40.23和92.89 g·m^-2·d^-1,T3处理分别为906.11和983.78 g·m^-2·d^-1,各处理下前期与后期的水蒸气透过量差异均达显著水平（P<0.05）（图3）。力学性能方面,3种地膜在前期的最大负荷、拉伸强度和断裂标称应变均表现为T1≥T2>T3,其中T1处理各项指标值分别为2.66 N、0.27 kN·m^-1和346%,T2处理分别为2.69 N、0.27 kN·m^-1和369%,T3处理分别为1.86 N、0.19 kN·m^-1和286%,后期的最大负荷、拉伸强度和断裂标称应变均表现为T1>T2≥T3,其中T1处理各项指标值分别为2.58 N,0.26 kN·m^-1和320%,T2处理分别为1.36 N、0.14 kN·m^-1和137%,T3处理分别为1.28 N、0.13 kN·m^-1和139%,且T2和T3处理下前期和后期力学性能差异显著,说明T2和T3处理随着在田间置留的时间加长,地膜老化程度加大,力学性能显著下降,而T1处理并没有随时间发生明显变化（图3）。

图3

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图3不同类型地膜不同时期水蒸气透过量和力学性能的对比

不同大写字母表示不同地膜处理之间差异显著（P<0.05）,不同小写字母表示不同时期之间差异显著（P<0.05）
Fig. 3Comparison of water vapor transmission and mechanical properties of different plastic films in different periods

Different uppercase letters indicate significant difference among different plastic film treatments at 0.05 level. Different lowercase letters indicate significant difference among different period at 0.05 level

2.4 不同类型地膜的扫描电镜（SEM）和化学结构的动态变化

各地膜在覆盖前期表面较为平滑,均匀致密,相容性好。98 d后3种地膜出现差异,T1处理无显著变化,前后电镜图片基本一致;T2和T3处理表现出不同程度的老化或降解现象（图4）。其中T2处理裂纹增多,部分表面变得粗糙,出现较多粒径不均匀的碎片,直径在0.1—1.5 μm;T3处理裂纹增多,表面变得十分粗糙,并出现分层和孔洞,厚度不均,有片状物质。3种地膜的降解程度表现为T3>T2>>T1,这也与田间观测效果及地膜相应物理指标结果相一致。

图4

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图4不同类型地膜在38 d和98 d的扫描电镜（SEM）图

Fig. 4Scanning electron microscopy (SEM) of each film for 38 d and 98 d



从红外谱图的特征峰可知,T2和T3处理具有迥异的化学结构,是2种完全不同的降解地膜材料（图5）。T2处理的红外光谱中主要有4个特征吸收峰。2 915 cm^-1和 2 850 cm^-1处为C-H键的伸缩振动吸收峰;1 471 cm^-1处为亚甲基中 C-H 键的剪切振动吸收峰;720 cm^-1为-CH2-的平面摇摆振动吸收峰。在经过 98 d左右的覆盖后,添加光敏剂的T2处理地膜红外谱图中在 1 720 cm^-1处出现了新的特征吸收峰,即羰基（C=O）吸收峰,这说明T2处理地膜在田间覆盖过程中太阳光紫外线照射催化使其发生了光氧化降解,导致羰基指数增加。T3处理地膜的红外光谱图中1 450 cm^-1处的苯环特征峰（-C6H4-）、1 750—1 675 cm^-1处的羰基特征峰（-C=O）以及 2 956 cm^-1 处的-CH2-振动峰均为PBAT的特征峰,说明其主要成分是PBAT。随着覆膜时间的增加,羰基吸收峰有所增强,可能是生物降解地膜中的酯键发生断裂,-O-C被氧化形成了羰基;1 014 cm^-1处C-O-C键减弱,说明地膜中的酯键可能在微生物和水分子的作用下发生水解,引起分子链的断裂,最终导致地膜发生降解。

图5

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图5可降解地膜在38 d和98 d后傅里叶红外光谱图

Fig. 5FTIR spectrum of the films for 38 d and 98 d

2.5 不同类型地膜的残留特征及残留率

残片特征也是反映地膜降解性能的有效指标。由表3可知,不同类型地膜的残片规格及数量差异很大,普通地膜（T1）除在收获期有个别机械破损导致的残片外,在各时期都能保证膜面完整,残膜几乎仅为一整张膜。T2和T3处理因发生降解而产生不同规格的残片,其中T2处理从覆膜58 d左右开始产生残片,在覆膜58 d时,<4、4—25、25—81以及>81 cm²的残片占总数的比例分别为28%、28%、14%和29%;在覆膜98 d时,各规格残片占总数的比例分别为54%、27%、6%和12%;在覆膜118 d时,各规格残片占总数的比例分别为55%、21%、12%和12%。与T2处理相似,T3处理也从覆膜58 d开始产生残片,在覆膜58 d时,<4、4—25、25—81以及>81 cm²的残片占总数的比例分别为6%、41%、24%和29%;在覆膜98 d时,各规格残片占总数的比例分别为31%、41%、10%和17%;在覆膜118 d时,各规格残片占总数的比例分别为55%、24%、15%和6%。由此可见,无论是T2还是T3处理,残片均随覆膜时间延长而增多,且均以中小规格为主,总体上T3处理的残片数要多于T2处理。

Table 3
表3
表3不同类型地膜各时期残片规格及残片数量
Table 3Size and quantity of residual pieces of different plastic films in each period (pieces/m)

覆膜后天数 Days after mulching (d)	T1				T2				T3
	4 cm2	4-25 cm2	25-81 cm2	>81 cm2	4 cm2	4-25 cm2	25-81 cm2	>81 cm2	4 cm2	4-25 cm2	25-81 cm2	>81 cm2
14	0	0	0	1	0	0	0	1	0	0	0	1
38	0	0	0	1	0	0	0	1	0	0	0	2
58	0	0	0	1	4	4	2	4	1	7	4	5
98	0	0	0	1	18	9	2	4	9	12	3	5
118	0	1	1	1	23	9	5	5	44	19	12	5

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通过失重法计算不同类型地膜在田间的残留率（图6）,结果表明普通地膜几乎无降解,残留率98.4%,而T2和T3处理均有不同程度的降解,残留率分别为62.6%和52.2%,即不同类型地膜的田间降解率表现为T3>T2>T1。

图6

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图6不同类型地膜残留率

图中不同小写字母表示不同地膜处理之间差异显著（P<0.05）
Fig. 6The residual rate of each plastic mulching films

Different lowercase letters indicate significant difference between different plastic film treatments at 0.05 level

3 讨论

适宜的可降解地膜应该既具有与PE地膜类似的保温和保水效果,又要在产量上与其相当,同时还应具有自然降解作用。然而由于可降解地膜的降解受作物、地膜材料和环境因素影响较大^[20,21],其诱导期长短很难控制,这使得可降解地膜的增产效果很难确定。有****研究发现PBAT降解地膜覆盖下玉米可较普通地膜增产10%以上^[27],采用本研究同种添加剂型降解膜也可使玉米较普通地膜覆盖增产3.8%^[28]。本试验表明,2年普通地膜产量总体要略高于降解地膜,但差异未达显著水平。这主要是因为可降解地膜虽然在前期与普通地膜有着相似的增温保水性能,可有效减缓区域春旱对玉米的影响,但当降解地膜开始崩解时,地膜的透水性剧增,力学性能也显著下降（图3）,这使得可降解地膜后期的保水性变差,减少了土壤水分供应,进而影响了可降解地膜的增产效果。因此有关可降解地膜的增产效应还需进行长期定位研究,用以明确不同年型下不同降水量以及降水分布对覆膜玉米产量的影响。

本研究中,电镜结果说明2种降解地膜在田间覆盖98 d后,分子链发生了不同程度的断裂和氧化,因而出现了不同程度的降解。2种可降解地膜的降解机理可能不同,红外光谱图显示,T2处理在1 720 cm^-1处出现了新的特征吸收峰,也就是羰基（C=O）吸收峰^[29],这很可能是由于地膜的聚乙烯成分在太阳光照射过程中产生了过氧化自由基,过氧化自由基发生光裂解后生成C=O等基团。羰基吸收峰的出现表明T2处理地膜在太阳光照射下发生了光降解。在光照初期,力学性能下降得比较慢,这可能是因为光照初期只有一部分降解助剂（如光敏剂）敏化,降解不明显,随着光照时间的增加,越来越多自由基生成,进而引发高分子链断裂,致使地膜力学性能迅速丧失^[30,31]。全生物降解膜是以PBAT为主要原料,地膜后期结构变化显示,羰基吸收峰有所增强,而C-O-C键减弱,这说明生物降解地膜中的酯键发生断裂形成羰基,地膜可能在微生物的作用下引发水解作用,最后导致分子链的断裂,地膜发生降解。另外,一些PBAT降解菌可向PBAT结构中引入新的极性官能团,如碳碳三键（~2 350 cm^-1）、碳氮三键（~2 350 cm^-1）、碳碳双键（~3 099 cm^-1）以及羟基（3 400—3 330 cm^-1）等,极性官能团的引入可以降低塑料膜片的稳定性,有利于微生物在膜表面的附着,从而使其更易被降解^[32,33,34]。同时,全生物降解地膜因其同样暴露在太阳光下,因此光氧化降解也是同时存在的^[35]。

地膜在降解过程中会发生很多物理、化学表征变化,最典型的降解特征为重量发生损失,但重量的降低程度不能完全反映塑料的降解程度^[36],因此本研究除测定了地膜降解率（残留率）外,还对膜片表面微观特征和表面官能团等进行测定。从降解特性上来说2种可降解地膜虽然在诱导期和降解程度上非常相似,均在覆膜第58天左右开始出现明显降解,降解率均在35%以上,但我们通过田间观察发现添加剂型降解地膜部分残片韧性仍然很强,强度甚至与普通地膜相似,傅里叶光谱结果也表明添加剂型降解地膜的残片是以PE为主,由此推测该类地膜在土壤中的进一步降解可能会很困难,而全生物降解地膜残片很脆,从自身化学结构上也具备在一定时间内完全降解的条件。

4 结论

普通地膜（T1）、添加剂型降解膜（T2）和PBAT全生物降解膜（T3）覆盖对辽西半干旱区玉米产量的影响程度相似,差异不明显。就产量本身而言,应用添加剂型降解膜和全生物降解膜替代普通PE膜是可行的。

2种可降解地膜的降解进程相似,均从覆盖后第58天开始出现明显降解,普通地膜几乎无降解。随着覆盖时间的延长,可降解地膜的水蒸气透过量显著增加,力学性能（最大负荷、拉伸强度和断裂标称应变）显著下降,膜面微观形态和化学结构变化显著,普通地膜各项指标变化不明显。不同类型地膜的水蒸气透过能力总体表现为T3>>T2>T1,力学性能表现为T1>T2>T3,微观表面粗糙度表现为T3>T2>T1。

可降解地膜可在保障玉米产量的同时实现自身降解,减少农田残留,添加剂型降解地膜和全生物降解地膜的降解率分别为37.4%和47.8%,降解残片以小于4 cm²和4—25 cm²的中小规格为主。

总之,从产量、降解特性和残留率等方面综合评价,以PBAT全生物降解地膜替代普通地膜应用于辽西半干旱区玉米覆盖栽培更具潜力。

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