生物全降解地膜的降解过程及其对玉米生长的影响

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DO I : 10 . 13432 / j. cnki . jgsau . 2008 . 05 . 008 2008 年 10 月 甘 　肃 　农 　业 　大 　学 　学 　 报 第 5 期 71 ～ 75 JO U RN A L O F G A NS U A G RICU L T U RA L U NI VERSI T Y

第43 卷 双 月 刊

生物全降解地膜的降解过程及其对玉米生长的影响
乔海军
1, 2

, 黄高宝 , 冯福学 , 王利立

2

2

2

( 1 .甘肃农业大学理学院 , 甘 肃 兰州 　730070 ; 2 .甘肃农业大学农学院 , 甘 肃 兰州 　730070) 　　摘要 : 生物全降解地膜可以有效解决白色污 染问题 , 试验研究 了生物全降 解地膜的降 解过程及 其对玉米生 长 的影响 . 结果表明 : 生物全降解地膜的降解过程由破孔出现开始 , 然后逐渐变大并出现 裂口 , 到 作物收获 时 , 暴露 在 地表 的地膜大量破碎成小块 ; 扫描电子显微镜( SEM) 观察表明 : 田间降解 170 d 后 , 生物全 降解降解 地膜表面开 始 出现 大小不等的孔洞 ; 生物全降解地膜在玉米生长 前期保 温 、保 水的效 果显著 , 到中 后期增 温作用 不明显 ; 覆盖 生 物全降解地膜具有极显著增产效果 , 与普通地膜 之间差异不显著 . 　　关键词 : 生物全降解地膜 ; 玉米 ; 田间降解 　　中图分类号 :T Q 32 , S 513 　　　　文献标识码 :A 　　　　 　文章编号 : 1003-4315( 2008) 05-0071 -05

Degradation and its ef fect on co rn g row th of biodeg radable mulch film
QIAO H ai-jun1 , 2 , H UANG Gao-bao 2 , F ENG F u-xue2 , WANG Li-li2
( 1 .College o f Science , G ansu A g ricultural U niver sity , La nzho u 730070 , China ; 2. Co lleg e of A g ro no my , G ansu A g ricultural U niver sity , L anzhou 730070 , China)

　　Abstract : T he application of t he biodeg radable mulch f ilm s w as proved to be an ef ficient w ay t o solve the plast ic po llution in envi ro nment . T his experiment m ainly f ocused on the deg radatio n of bio deg radable mulch film s and i ts eff ect o n corn g row th . T he result s show ed that t he deg radatio n of biodeg radable m ulch film s st arted w it h sm all holes , t hen t he holes became bigg er , and f inally broken dow n to a lot o f pieces at cro p harve st stage . Observatio n o f SEM revealed t hat t he surface o f biodeg radable m ulch film s had obvio us flaw at t his time . Biodeg radable m ulch f ilms had obvious eff ect on soil temperat ure and soil w ater conservation a t early stage o f corn g row th , but i ts ef fect on rai si ng soil temperature weakened at t he middle and later st ages of co rn g row th . T he eff ect of covering degradable mulch fi lms on co rn yields w as sig nif icant , but there w as no obvious dif ference co mpared t o that of o rdinary film . 　　Key words : bi odeg radable m ulch fi lm ; corn ; deg radation in f ield 　　地膜覆盖是一项用人工方法改善农作物生长环 境的栽培技术 , 具有明显的保温 、 保墒和增产增收的 效果
[ 1]

有与普通膜类似的保温和保水效果 , 还具有自然降 解作用[ 3] . 根据引起降解的客观条件和机理 , 降解地 膜可分为光降解地膜 、生物降解地膜和光/ 生物降解 地膜 . 光降解地膜由于埋土部分无法降解 , 降解速率 很难准确控制 , 故应用受到一定限制 ; 光/ 生物降解 地膜主要是加速了地膜中能降解部分的降解过程 , 不能解决根本问题[ 4] . 只有生物降解地膜可有效解 决地膜的环境污染问题[ 5] . 生物降解地膜可在自然 环境中通过微生物的生命活动而降解 , 其在土壤中 降解的关键是看土壤中是否存在分解该聚合物的微 生物种类 , 以及聚合物的表面结构和组分
[ 6]

. 但是 , 普通地膜难于在自然条件下降解 , 大
[ 2]

量使用会造成严重的“ 白色污染” , 使用可降解地膜 是解决“ 白色污染” 的有效途径 . 生物降解地膜具

作者简介 : 乔海军( 1976 -) , 男 , 陕 西子洲 人 , 讲 师 , 主要 从事材 料化 学 、有机化学的教学与研究工作 . 通讯作者 : 黄高宝( 1965 ) , 男 , 甘肃天水 人 , 教授 , 博士生导 师 , 主要 从事多熟种植 、耕作制度 、水肥高效利用和宏观 农业的教 学与研究工作 . 收稿日期 : 2007 -11-22

. 目前对

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生物降解地膜的研究尚处于试验阶段 , 本试验采用 的生物全降解地膜由淀粉/ 聚己内酯( PCL) /石蜡/ 其它助剂组成 , 力学性能和耐水性较普通淀粉膜有 较大改善 . 本试验通过生物全降解地膜 、 普通地膜与 露地对照 , 研究了生物全降解地膜在使用过程中的 保温 、 保墒和增产效果 , 及其田间降解情况 , 为生物 全降解地膜的研制 、 推广应用以及地膜覆盖技术可 持续发展提供理论依据 .

用剪刀剁穿地膜 , 引苗出膜 , 然后用细土封压破孔 . 　　于各生育期( 播种期 、 出苗期 、 拔节期 、抽雄期 、 灌浆期 、 成熟期) 测各处理 0 ～ 20 、 20 ～ 40 、40 ～ 60 、 60 ～ 80 cm 土层土壤含水量 ; 测各处理 5 、10 、 15 、 20 、 25 cm 土 层温度 ; 测量玉米株高 ; 观察地膜 破损状 况; 观察生物全降解膜的外在形态及微观结构 . 土壤 含水量用烘干法测量 , 土壤温度用角制地温计测量 , 生物降解膜的微观结构用扫描电子显微镜 ( SEM ) ( JSM-5600LV 日本电子 光学公 司 美国 Kevex 公 司) 观察 . 作物收获后 , 测定产量和室内考种 , 比较各 处理的玉米穗长 、穗粗 、 穗行数 、行粒数和百粒质量 . 　　 2006 年 4 月 17 日播种 , 10 月 4 日收获 .

1　 材料与方法
1. 1 　材料 　　普通地膜 : 市售 , 主要成分为聚乙烯 ; 生物全降 解地膜 : 南京环绿降解塑料公司提供 , 由质量分数为 20 %左右淀粉 , 30 %以上 PC L , 5 %～ 10 %的石蜡 及其他助剂组成 . 玉米品种 : 郑单 958 亲本 . 肥料 : 尿 素、 过磷酸钙 . 1. 2 　试验方案 　　小区实验在甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农 业大学试验农场进行 , 土壤类型为灌淤土 . 　　试验小区长 5 m , 宽 3 m . 设不覆膜 、 覆普通膜 、 覆生物降解膜 3 个处理 , 3 次重复 , 随机排列 . 氮 、磷 ( 作基肥) 施量分别为纯 N 360 kg/ hm , 纯 P2 O 5 225 kg / hm . 　　种植方式 : 起垄种植 , 每小区 3 垄 , 每垄 2 行 , 垄 面宽 80 cm , 垄间距 20 cm , 垄沟深 15 cm . 玉米行距 40 cm , 株距 30 cm . 膜宽 100 cm . 采用穴播 , 每穴点 2 ～ 3 粒种籽 , 播后覆膜 , 膜两边用土压紧 . 待出苗后
2 2

2　 结果与分析
2. 1　 生物全降解地膜的田间降解情况 　　生物全降解膜的降解情况见表 1 . 从生物全降 解地膜的降解过程看 , 作物苗期 , 发现部分破损和少 量破孔 , 可能由于铺膜时的人为因素( 膜边缘拉得较 紧) 或者光照强烈以及大风等因素所致 , 但整体降解 较慢 ; 地膜覆盖 50 d( 作物拔节期) 时首先出现 1 ～ 1. 5cm 的破 孔 ; 80 d 时 , 地 膜破 孔目增 多 , 直 径增 大 , 部分破孔周围出现裂口 , 韧性减小 ; 随后呈现加 速破裂的趋势 ; 到作物收获时( 170 d) 垄上基本无完 整地膜 , 大量破碎成为小块地膜 , 破碎的小块地膜很 薄很脆 , 已无韧性 ; 垄边 埋土部分仍然 具有一定韧 性 , 没有出现破孔 , 但已经变薄 、变脆 , 表面出现棕黄 色斑点 , 降解趋势明显 .

表 1 　各观测时期地 膜破裂情况 T ab . 1 　 T he situation of film deg radatio n a t differ ent ex amine stages 覆膜时间/ d 30 50 60 80 119 150 170 生育期 苗期 拔节期 拔节期 抽雄期 乳熟期 完熟期 收获后 降解情况 地膜部分破损 , 少量破孔 地膜变薄 , 出现少量直径约 1 ～ 1 . 5 cm 的破孔 地膜变薄 , 破孔目增多 、直径增大至约 2 . 0～ 2. 5 cm 地膜继续变薄 、变脆 , 断裂伸长率变差 , 破孔目增多 、直径增大 , 部分破 孔周围出现裂口 继续变薄 、变脆 , 断裂伸长率变差 , 出现大量较大的裂口 继续从裂口出破碎成为小块地膜 , 部分破碎地膜已无断裂伸长率 大量破碎成为小块地膜 , 部分细碎的地膜很薄很脆

2. 2 　生物全降解地膜的微观结构 　　从生物全降解地膜的外在形态来看 , 降解前膜 表面均匀致密 , 经田间降解 170 d 后其表面变粗糙 , 有纹裂 , 出现大量黄色斑点 , 膜表面空隙明显增多 . 图 1 是生物降解地膜表面的 SEM 照片 , 图 1 ( c) 和

( a) 显示生物降解地膜降解前表面微观上没有太多 明显的淀粉颗粒 , 说明生物全降解地膜组分材料的 相间相容性较好 , 体系基本均匀 . 图1( b) 和( d) 显 示生物全降解地膜经田间降解 170 d 后表面微观上 出现大小不一的极为明显的孔洞 、 凹凸 , 这说明生物

73 第 5 期 　　　　　　　　　　　乔海军等 : 生物全降解地膜的降解过程及其对玉米生长的影响 　　　　　　　　　　　　

全降解地膜在光照 、 温度 、水分 、大风等自然环境条 件及微生物作用下具有较好的生物降解性 . 2. 3 　生物全降解地膜对土壤含水量和土壤温度的 影响 　　表 2 表明 , 在苗期 5 月 13 日 , 覆膜处理均比对 照的含水量略高 , 覆膜处理之间差异不大 , 同一处理 的各土层的含水量从上向下有升高趋势 . 在拔节期

6 月 18 日 , 覆膜处理的含水量明显高于对照 , 普通 膜较生物降解膜的表层含水量略高 , 深层含水量差 异不大 , 同一处理的各土层的含水量从上向下略有 增高 . 在拔节期前 , 玉米生物学产量较小 , 蒸腾耗水 虽小 , 由于河西地区光照强烈 , 土壤蒸发量较大 , 从 苗期至拔节期 , 土壤含水量明显降低 , 此时覆膜处理 显示保墒优势
[ 7]

.
% 收后( 10/ 4) 12 . 23 12 . 60 14 . 23 16 . 17 16 . 07 15 . 41 15 . 69 17 . 20 13 . 81 14 . 12 14 . 45 15 . 67

表 2 　各生育期土壤水分含量 T ab . 2 　Soil w ater co ntents at different g row th stages 处理 CK 土层深度/ cm 0 ～ 20 20 ～ 40 40 ～ 60 普通膜 60 ～ 80 0 ～ 20 20 ～ 40 40 ～ 60 生物降解膜 60 ～ 80 0 ～ 20 20 ～ 40 40 ～ 60 60 ～ 80 苗期( 5/ 17) 16 . 94 17 . 39 18 . 54 19 . 12 17 . 30 20 . 04 19 . 56 19 . 46 18 . 76 20 . 08 19 . 55 20 . 02 拔节期( 6/ 18) 抽雄期( 7/ 16) 灌 浆期( 8/ 17) 成熟期( 9/ 15) 13 . 50 13 . 73 18 . 39 10 . 84 15 . 67 16 . 46 17 . 89 16 . 46 17 . 16 18 . 12 17 . 88 15 . 63 16 . 79 17 . 77 18 . 14 15 . 77 17 . 27 18 . 04 16 . 91 16 . 55 17 . 39 18 . 20 15 . 32 15 . 63 16 . 89 17 . 10 19 . 91 17 . 94 20 . 15 19 . 90 21 . 03 19 . 93 20 . 09 20 . 14 20 . 86 20 . 15 20 . 38 12 . 51 13 . 51 14 . 78 13 . 23 12 . 99 15 . 38 16 . 35 12 . 60 15 . 15 14 . 29 16 . 69

然较强 , 降解膜虽已破裂较为严重 , 仍具有一定的保 墒作用 , 但这种作用略小于普通膜 . 　　 图 2 表明 , 各处理在玉米全生育期 , 覆膜处理不 同深度的土壤温度均比露地明显增高 , 并随着土层 的加深 , 土壤温度逐渐降低 . 覆膜处理 , 在玉米生育 前期具有明显的增温效果 . 地膜覆盖后土壤上部热 能增加 , 主要原因 : 一是塑膜阻碍近地气层的热量交 换 , 蓄积了太阳辐射能量 ; 二是塑膜抑制土壤水分蒸 发[ 8] . 　　 从播种期至拔节期 , 覆膜处理土壤温度高于对
注: a. 降解前 10 000 倍 ; b. 降解后 10 000 倍 ; c. 降解前 1 500 倍 ; d. 降解后 1 500 倍 .

照 , 但这种差异逐渐缩小 , 抽雄期以后各处理的土壤 温度已基本相同 . 抽雄期后期开始 , 生物全降解膜已 经进入脆化期 , 逐渐开始降解 , 此时玉米各项生态指 标普遍增大 , 覆盖率大 , 冠层内的温度受到抑制 , 覆 盖地膜在此时增温作用已不明显
[ 9]

图 1 　生物降解地膜表面扫描电镜照片 Fig . 1 　SEM of bio deg radable mulch film compo site sheet

　　在抽雄期 7 月 16 日 , 覆膜处理的含水量明显高 于对照 , 由于 6 月下旬后 , 植株蒸腾增大 , 日照增长 , 土壤蒸发量较大 , 表现 出水分亏缺 . 在灌浆期 8 月 17 日 , 由于 8 月 11 日进行灌水 , 覆膜处理之间与对 照之间的含水量以及同一处理的不同层次间差别均 不大 . 在成熟期 9 月 15 日 , 覆膜处理的土壤含水量 仍大于对照 , 此时虽已立秋 , 但河西地区土壤蒸发仍

, 因而到抽雄期

以后各处理的土壤温度已基本相同 . 从灌浆期至成 熟期 , 气温降低 , 地膜覆盖又显示增温效果 , 由于此 时生物全降解膜已开始破裂 , 其增温作用略小于普 通膜 . 据姚渝丽等研究
[ 10]

, 普通膜与降解膜下的土

壤热特性变化基本一致 , 虽然降解膜的增温效应小 于普通膜 , 但保温效应优于普通膜 .

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图 2 　各生育期土壤温度变化曲线 Fig . 2 　So il temper ature cur ve at different g row th stages

2. 4 　生物全降解地膜对玉米植株性状的影响 　　从表 3 可以看出 , 玉米的株高随生育期的出现 而增加 , 但这种趋势逐渐减缓 , 至灌浆期和成熟期 , 株高已基本无变化 . 在各生育期 , 覆膜处理的株高与 对照间均表现出显著差异 , 拔节期普通地膜与生物 全降解地膜间也差异显著 . 由于生物全降解膜在灌 浆期以后才出现大面积降解 , 因此普通膜和生物降 解膜之间差异并不大 , 两种覆膜处理的株高始终基 本相同 .

2. 5　 生物全降解地膜对玉米果穗的形状和产量的 影响 　　 从表 4 可以看出 , 各处理之间的穗长 、 穗粗和穗 行数差异不显著 ; 各处理之间的秃顶长差异显著 ; 生 物全降解膜的行粒数与对照间表现出显著差异 , 覆 膜处理的百粒质量与对照间差异显著 . 　　 表 5 各处理产量多重比较的结果表明 , 覆盖地 膜具有极显著增产效果 , 覆膜处理之间差异不显著 .

75 第 5 期 　　　　　　　　　　　乔海军等 : 生物全降解地膜的降解过程及其对玉米生长的影响 　　　　　　　　　　　　 表 3 　不同覆膜各生育 期玉米的株高 Tab . 3 　T he heig ht o f cor n at different g ro wth stage s 处理 生物全降解地膜 普通膜 CK 苗期( 5/ 17) 30 . 5 30 . 3 20 . 8 拔节期( 6/ 15) 49 . 5 51 . 1 38 . 1 抽雄期( 7/ 15) 115 . 6 115 . 7 102 . 2 灌浆期( 8/ 16) 175 . 2 176 . 1 165 . 5 cm 成熟期( 9/ 18) 174 . 1 175 . 0 164 . 6

表 4 　不同覆膜玉米果 穗的形状比较 T ab . 4 　Co mpa rison of co rn ea r fo rms 处理 生物全降解地膜 普通膜 CK 穗长/ cm 18 . 8
a a

穗粗/ cm 15 . 0
a a

秃顶长/ cm 2. 3
a b

穗行数/ 行 14
a a

行粒数/ 个 31
a

百粒质量/ g 31 . 52 a 31 . 47 a 30 . 81b

18 . 6 18 . 1a

15 . 0 14 . 6a

2. 0 1. 8c

14 14a

30 29 b

ab

表 5 　各处理玉米的产量 T ab . 5 　Co rn yields of different trea tments 重复 1 2 3 平均值 处理 普通地膜 4. 529 4. 281 4. 564 4. 458A kg

程中失重率 、 红外光谱 、 粘均分子等的定量研究 . 6)虽然生物全降 解地膜可 有效解决 “ 白色污 染” 问题 , 但其降解的时效性 、 可控制及降解产物及
CK 3. 879 3. 727 4. 020 3. 875 B

生物全降解地膜 4. 132 4. 428 4. 529 4. 363 AB

残留对土壤环境影响还有待研究 .
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3　 讨论与结论
　　 1)从生物全降解地膜降解过程看 , 玉米拔节期 生物全降解地膜开始出现少量小洞 , 随着生育进程 地膜逐渐变薄 、变脆 , 至收获时 , 大部分地膜破碎成 为小块 . 垄边埋土部分降解滞后于地面部分 , 但降解 趋势明显 . 2)SEM 测试结果表明 : 生物全降解地膜材料 的相间相容性较好 , 降解前后表面的微观结构发生 明显的变化 , 降解后材料出现明显缺陷 . 3)生物全降解地膜和普通地膜的保水和保温 效果基本相同 . 生物全降解地膜在玉米生育前期保 水效果明显 , 在生育中期保温效果不明显 , 而在生育 前期和后期保温效果明显 . 4)生物全降解地膜和普通地膜均使玉米生育 期提前 , 植株较高 . 覆盖生物全降解地膜具有显著增 产效果 , 与普通地膜之间差异不显著 . 　　5)本文仅就生物全降解地膜在降解过程中出 现孔洞的时间 、大小 、数量及微观结构进行了研究 , 为了进一步探索降解机理 , 还有待进行其在降解过

  本文关键词：生物全降解地膜的降解过程及其对玉米生长的影响，，由笔耕文化传播整理发布。