不同生物降解膜對土壤質(zhì)量的影響

程萬莉 王磊 王淑英 馬明生 黨翼 趙剛 樊廷錄

摘要：選用巴斯夫、金發(fā)和鑫富3種不同生物降解地膜進行埋設(shè)試驗，以探討生物降解膜降解產(chǎn)物對土壤質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，埋設(shè)233 d后，巴斯夫膜降解速度最快，3種膜的降解產(chǎn)物均未引起土壤養(yǎng)分含量降低、生物活性下降和重金屬污染，參與不同生物降解膜降解的微生物種類不同。在觀測期內(nèi)，3種降解膜均未對土壤質(zhì)量造成負面影響。

關(guān)鍵詞：生物降解膜；土壤養(yǎng)分；土壤生物活性；重金屬

中圖分類號：TQ323.8 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2018）05-0027-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2018.05.009

Effects of Different Biodegradable Film on Soil Quality

CHENG Wanli 1，2， WANG Lei 1，2， WANG Shuying 1，2， MA Mingsheng 1，2， DANG Yi 1，2， ZHAO Gang 1，2， FAN Tinglu 1，2

（1. Institute of Dryland Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070，China； 2.Key Laboratory of Efficient Water Utilization in Dryland Agriculture of Gansu Province，Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：In this paper， 3 kinds of different biodegradable film of BASF， Kingfa and Xinfu were used in embedding experiments to investigate the effect of degradation products of biodegradable films on soil quality. The results showed that after 233 days of embedment， degradation of BASF film was the fastest， the degradation products of all three kinds of films did not decrease the soil nutrient content or soil bioactivity nor cause the heavy metal accumulated， and the functional microorganisms were different in involving the degradation of different biodegradable films. The three kinds of degradation films selected did not have negative effects on soil quality during the observation period.

Key words：Biodegradable film；Soil nutrient；Soil bioactivity；Heavy metal

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用地膜的歷史已有20多年，20世紀80年代中期以來，我國地膜覆蓋面積累計超過2 000萬hm2，位居世界第1。然而地膜在自然條件下很難降解或分解，且廢舊地膜回收量有局限性，使用量的25%～33%殘留在土壤，造成土壤質(zhì)量下降，作物減產(chǎn)[1 - 3 ]。加之回收后處理不當，廢舊地膜會因與飼料和秸稈摻雜而影響到家畜腸胃健康甚至導致畜禽死亡，同時還會造成農(nóng)村環(huán)境“視覺污染”[4 ]。據(jù)調(diào)查，甘肅農(nóng)田中廢舊地膜殘留量達到90～135 kg/hm2[5 ]。尋找傳統(tǒng)聚乙烯地膜的替代品是根治地膜污染的理想途徑[6 ]，可降解地膜的研究和推廣對于可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護具有重要的意義。

降解地膜在失去增溫保墑功能后的一定時間內(nèi)，在環(huán)境因素下可降解為對環(huán)境無污染的小分子物質(zhì)。根據(jù)降解條件和機理一般分為光降解地膜、生物降解地膜和光/生物降解地膜3種[7 ]。生物降解地膜是指在自然環(huán)境中通過微生物（細菌、真菌、放線菌等）作用降解的一類塑料薄膜，其主要作用機理是微生物通過生物物理—生物化學作用，利用微生物的酶將高分子聚合物碎片化，再被細菌等微生物分解、消化、吸收，最終形成水和二氧化碳的過程[8 ]。生物降解地膜最終降解底物無害無污染，倍受農(nóng)業(yè)科技工作者關(guān)注。然而由于農(nóng)田環(huán)境土壤緩沖性能強，不同配方生物降解地膜降解后對農(nóng)田土壤環(huán)境、土壤肥力和生物活性的影響未知。因此，我們根據(jù)多年篩選結(jié)果，選用3種功能期基本能滿足玉米生長需求的地膜材料，在實驗室水熱可控條件下進行了相關(guān)觀測，以期為生物地膜配方材料選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試地膜分別由巴斯夫中國股份有限公司、廣東金發(fā)科技有限公司、杭州鑫富科技有限公司提供，地膜厚度均為0.01 mm。供試蚯蚓為太平2號，供試土壤采自甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蘭州試驗田。

1.2 試驗方法

試驗在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院旱地農(nóng)業(yè)研究所實驗室進行。設(shè)8個處理，3次重復。選用3種材料地膜，按照每年120 kg/hm2的殘留量，一次性埋入5 a殘留量，試驗方案見表1。為模擬農(nóng)田地膜殘留實況，埋設(shè)前地膜均被剪成5 cm×10 cm和8 cm×10 cm的小塊，將其與土壤充分混勻后裝入長、寬、高分別為40、30、20 cm的培養(yǎng)盒內(nèi)。對蚯蚓進行7 d環(huán)境適應(yīng)性培養(yǎng)后與地膜一起裝入培養(yǎng)盒中，置于控溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)。為保證蚯蚓最佳生長環(huán)境，并符合降解膜功能期內(nèi)環(huán)境溫度，將培養(yǎng)箱溫度設(shè)置為20 ℃，每7 d澆水1次，有蚯蚓的處理每次加水1.5 L，無蚯蚓的處理加水1.0 L。試驗于2016年11月10日埋設(shè)，2017年6月28日取樣，樣品分成2份，1份自然風干，用于理化性狀及重金屬元素測定；另1份裝于無菌樣袋中，用于土壤微生物數(shù)量及酶活性測定。

1.3 測定項目與方法

土壤全氮、全磷、速效磷用AA3連續(xù)流動注射儀法，全鉀、速效鉀用火焰光度計法，堿解氮用堿解擴散法，土壤水溶性鹽用電導法，有機質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法，pH用酸度計測定。可培養(yǎng)微生物用平板培養(yǎng)法，熒光素二乙酸酯水解酶用熒光素二乙酸法測定[9 ]。鉛、鎘、鉻用火焰分光光度法測定。參照土壤無機污染物的環(huán)境質(zhì)量第二級標準（表2）[10 ]。

2 結(jié)果與分析

2.1 埋設(shè)233 d后的降解性能觀測

生物降解膜降解性能受水分、溫度、空氣等環(huán)境條件的影響。由圖1可以看出，在相同的水熱環(huán)境條件下，BN降解程度最大，培養(yǎng)盒表層降解量小于下層。這主要是因為培養(yǎng)盒內(nèi)環(huán)境容量小，澆水后水分下滲，盒底土壤水分含量高，提高了微生物活性，加速了膜的降解。由此可知水分是影響降解膜降解速度的主要因素。

2.2 不同生物降解地膜對土壤養(yǎng)分的影響

生物降解膜對土壤養(yǎng)分的影響主要與降解膜組分原料密切有關(guān)。由表3可知，埋設(shè)233 d后，不同配方降解地膜對土壤養(yǎng)分的影響總體呈現(xiàn)出加蚯蚓的處理大于不加蚯蚓的處理，對pH、有機質(zhì)、全氮、全鉀和速效鉀的質(zhì)量分數(shù)無顯著影響，但對堿解氮和全磷、速效磷的質(zhì)量分數(shù)影響顯著。堿解氮BN處理顯著低于其它處理，這主要是由于BN處理膜降解量最大，降解過程土壤微生物消耗氮素更多。速效磷含量降解膜處理均顯著低于對照，且3種降解膜間無顯著性差異，這可能是因為參與膜降解的微生物生長繁殖過程需吸收大量磷元素。

2.3 不同生物降解膜對土壤生物性狀的影響

加蚯蚓是為了觀測生物降解膜分解過程產(chǎn)物對土壤微生物是否會有負面影響。但在試驗后60 d所有處理的蚯蚓均死亡，這可能是因為培養(yǎng)箱內(nèi)空氣流動性差，氧氣不足，土壤中有機物含量少，蚯蚓所需食物不足所致。蚯蚓的死亡是由環(huán)境條件造成的，并非降解產(chǎn)物的影響。

土壤微生物是生物降解地膜降解性能的決定性因素。由圖2可知，土壤中的可培養(yǎng)微生物數(shù)量總體表現(xiàn)為加蚯蚓的處理高于不加蚯蚓的，而各處理間放線菌數(shù)量變化不顯著。從圖2 a、2 b和2 c可以看出，與對照相比，添加降解膜的處理中，除XE、XN處理細菌數(shù)量顯著降低，真菌數(shù)量高于對照外，其他處理均與對照差異不顯著。這可能是因為參與地膜降解的微生物種類因地膜原料組合不同而不同，參與金發(fā)和巴斯夫降解主要微生物為細菌，而參與鑫富地膜降解的為真菌。

熒光素二乙酸酯水解酶（FDA）能被廣泛存在于土壤中的酯酶、蛋白酶與脂肪酶等非專一性酶類水解，且其活性與微生物活性之間的相關(guān)性比其它更顯著，是已被公認的快速、有效反映土壤微生物活性的重要指標。由圖2 d可知，加蚯蚓的處理FDA活性高于不加蚯蚓的，但所有埋設(shè)生物降解地膜的處理與不加膜處理差異不顯著，說明供試生物降解膜的降解產(chǎn)物不會降低土壤FDA酶活性。

2.4 不同生物降解地膜對土壤重金屬含量的影響

重金屬是重要的土壤無機污染物，其超標會造成環(huán)境污染，危害植物生長，進而影響人體健康。從圖3可知，與對照相比，所有添加地膜的處理重金屬含量無差異，且均未超標，即供試生物降解膜沒有對土壤帶來重金屬污染。

3 小結(jié)

通過對不同配方降解膜埋設(shè)后的土壤養(yǎng)分和生物活性的分析可知，土壤水分含量越高，生物降解膜降解越快。參與生物降解膜的微生物類群因降解膜原料的不同而不同。降解產(chǎn)物不會影響土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量和熒光素二乙酸酯水解酶活性。在觀測期內(nèi)，生物降解膜的降解產(chǎn)物不會增加土壤重金屬含量，降低土壤養(yǎng)分，對土壤質(zhì)量無影響。

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（本文責編：陳 偉）