生物降解滲水地膜覆蓋旱地谷子試驗

姚建民，畢昕媛，尚武平，李文婷，李瑞珍

（1.山西省農業科學院農業資源與經濟研究所，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.佳縣農業技術推廣中心，陜西佳縣719200）

地膜覆蓋是冷涼干旱地區一項重要的抗旱增產技術[1-3]。據統計，我國PE地膜年覆蓋面積為2 333萬hm2以上[2]，與此同時，地膜殘留在農田影響土壤結構造成的白色污染日益嚴重，為了通過機械回收方法解決農田白色污染問題[4-6]，新修訂的GB/13735—2017國家標準中，將地膜厚度指標由原來的0.008 mm增加到0.01 mm，由于技術回收難度大，實際回收率不高。為了從材料上徹底解決地膜的農田白色污染問題，國家出臺了《全生物降解農用地面覆蓋膜》GB/T 35795—2017標準[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：一是原材料價格高，原料價格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度小、易條狀破裂，只有當厚度≥0.01 mm時，膜才能勉強達標；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。在山西省重點研發項目（2015TN08-1）和國家重點研發計劃項目（2018YFD1001000）的資助下，通過選用大分子量PPC材料[10]與其他生物質材料復配的路徑，優選出最佳的材料配方與生產工藝，攻克了薄型全生物降解地膜縱向直角撕裂強度小和耐候性差的技術難題，研發出PPC基高強度薄型生物降解滲水地膜產品。PPC基生物降解滲水地膜[11]，厚度指標下調到0.006～0.007 mm的縱向直角撕裂強度指標達到1.1 N，高于國標GB/T 35795—2017中的0.5 N，還增強了膜的耐候性，與研制出的壟背膜覆土穴播相結合，該農藝技術模式延長了生物降解地膜使用的安全期。試驗表明，PPC基生物降解滲水地膜實用性好、單位面積用量減少30%、使用成本降低60%、農田覆蓋180 d的表觀殘留率小于40%，適宜在冷涼半干旱地區推廣應用。

本研究通過田間對比試驗，旨在探明PPC基高強度薄型生物降解滲水地膜在旱地谷子栽培中對產量成因的變化規律，為指導農業生產提供科學依據。

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，主料采用中國科學院長春應用化學研究所研發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的滲水助劑和生產工藝[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，在偏堿性和有機質豐富土壤中的膜可以降解95%左右。強度等物理機械性能指標達到國家推薦標準《GB/T 35795—2017全生物降解農用地面覆蓋薄膜》[9]。物理機械性能指標：拉伸負荷（縱向、橫向）≥1.5 N，斷裂標稱應變（縱向）≥150%、斷裂標稱應變（橫向）≥250%，直角撕裂負荷（縱向、橫向）≥0.9 N。PPC基生物降解滲水地膜的特性指標如表1所示。

表1 PPC基生物降解滲水地膜的特性指標

1.1.2 材料的執行標準與規格參數生物降解滲水地膜產品性能質量符合國標《GB/T35795—2017全生物降解農用地面覆蓋薄膜》和企標《Q/SXWTJJ SSM 02—2018可降解滲水吹塑農用地面覆蓋薄膜》。幅寬主要有：1 650、1 300、1 200、800 mm等多種規格。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格參數

1.2 田間試驗設計與殘留膜取樣

1.2.1 田間試驗設計試驗地點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，設置田間試驗，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；田間成對比較設計，間隔排列，小區面積18 m2，重復3次。

試驗地點2，山西省朔州市朔城區紅旗牧場，2019年5月3日播種晉谷21號谷子，設置田間對比試驗，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；田間成對比較設計，間隔排列，采取膜上適度覆土方式種植，大區面積3 000 m2，重復3次。

1.2.2 PPC基生物降解膜殘留膜取樣在覆蓋區均勻劃定3個以上取樣區；取樣區面積不小于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量填入記載表中；做好地面裸露部分膜的邊際標記并測量計算面積填入記載表；用平鏟和毛刷清理干凈膜上泥土和雜物；按照標記，分類精細鏟取地面膜和土壤中膜，裝入不同取樣袋；分類風干后過篩（2 mm×2 mm），取出篩中膜；再次精細清理取出膜中的雜質和泥土，風干或40℃以下烘干，輕柔拍打，去除塵土；預稱質量登記；用清水沖洗后，再次40℃以下烘干后稱質量，正式填入記載表。

1.3 壟背膜上覆土技術方法

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，農田覆蓋50 d后地面上的膜易發生裂解。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，大區對比試驗采用了壟背膜上機械覆土的技術[14]，形成了2MB-1/3鋪膜穴播機覆蓋播種模式（圖1）。

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2007進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 產量結果與PE地膜比較分析

試驗地點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鋪膜播種機穴播，2019年9月29日收獲，產量結果表明，PPC基生物降解滲水地膜覆蓋的平均單產為4 022.7 kg/hm2，比PE地膜覆蓋的4 610.5 kg/hm2減產12.75%，統計測驗產量差異未達到顯著性水平（表3）。

表3 2019年佳縣降解滲水地膜覆蓋谷子對比試驗產量結果

試驗地點2：2019年5月3日在朔城區紅旗牧場旱平地覆膜播種晉谷21號谷子，采用2MB-1/3鋪膜播種機穴播，膜上壟背處覆土，2019年10月8日收獲，產量結果表明，PPC基生物降解滲水地膜覆蓋的平均單產為5 958.0 kg/hm2，比PE滲水地膜的5 476.2 kg/hm2平均增產8.8%。統計測驗產量差異未達到顯著性水平（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產量結果

2個覆蓋處理對比試驗點的產量結果雖然有增有減，但由于區組內的變異較大，未能測驗出處理間的真實差異，說明PPC基降解滲水地膜覆蓋谷子與PE地膜覆蓋谷子的產量水平相當，沒有表現出明顯的增產或減產作用。

2.2 保水增溫和降解效應分析

2.2.1 在45 d內保水效應分析 謝家溝PPC基生物降解滲水地膜試驗田，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內僅有3次降水，降水總量4.6 mm，谷子處于嚴重干旱期（圖2）。6月4日測定結果顯示，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，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，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，說明PPC基生物降解滲水地膜20 d內有很好的保水效果；6月24日測定結果表明，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，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，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，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，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膜面發生明顯的裂解，保水性能下降（圖3）[15-16]。

總體表現是：谷子整個生育期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，20～40 cm土壤含水率比PE地膜覆蓋的平均高0.65百分點，40～60 cm土壤含水率比PE地膜覆蓋的平均低0.19百分點（圖3）。

2.2.2 在65 d內5 cm地溫的增溫效應分析 從謝家溝PPC基生物降解滲水地膜試驗田出苗期、拔節期、孕穗期3個生育時期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段有調低高溫的效應[15-16]，利于減輕極端高溫的危害[1（7]圖4、表5）。

表5 謝家溝試驗田谷子不同覆蓋處理不同生育時期5 cm地溫分析 ℃

2.2.3 覆蓋180 d降解效應分析 對佳縣謝家溝PPC基生物降解滲水地膜覆蓋試驗田地膜取樣，經過中國科學院長春應用化學研究所實驗室測定，覆蓋時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，降解度已經達到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算方法，PPC基生物降解滲水地膜覆蓋180 d，農田地面膜全面破裂、脆化，土壤中膜部分消失或分解，田間測試的樣點取樣面積1 300 mm×1 300 mm，過2 mm×2 mm篩后稱質量分析，結果表明，地面膜的質量殘留率為36.8%，土壤中膜的質量殘留率為28.8%，加權平均膜的質量殘留率為32.9%（表6）。

表6 謝家溝PPC生物降解滲水地膜覆蓋180 d田間測試結果

3 結論與討論

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合力不夠[18]易發生的一種共性現象，農田覆蓋發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合力不夠的問題，地面直觀降解方式呈現為網狀裂解。本研究觀測得知，PPC基生物降解滲水地膜50 d后開始出現較明顯的網狀龜裂，到180 d時仍未發現明顯的條狀破裂現象。

3.2 降解度與殘留率的關系問題分析

為了精準描述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量與同等面積膜的初始質量之百分比來表示膜在田間的質量殘留率。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量變化殘留程度，稱量的質量越小，殘留率就越低。降解度與殘留率呈非線性反相關，但目前降解度與殘留率還未找到明確對應的數量反相關關系。一般情況下，當分子量降到3 kg/mol左右時，地膜呈現高度蠟質脆化狀，就會出現降解度已經達到98.11%而殘留率還有36.8%的現象。

3.3 應用推廣過程前應首先做好生態學設計

PPC基生物降解滲水地膜初始裂解時間和全降解時間隨著生態環境的不同而表現不同，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到60%以上時容易發生破裂，為了改善PPC基生物降解滲水地膜的耐候性，采用2MB-1/3鋪膜穴播機在壟背處膜上覆土的農藝措施，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的時間從50 d延長到70 d以上，還伴有抑制雜草和增加作物產量的功效。PPC基生物降解滲水地膜在光照強、pH值大、土壤有機質多的環境中降解速率快，而對苗期長、封壟晚的作物和雜草多的土地，盲目應用會產生一定的技術風險。比如試驗點1中，PPC基生物降解滲水地膜沒有采用膜上覆土的生態設計覆蓋，比CK1覆蓋減產12.75%；而試驗點2采用了膜上壟背處覆土的生態設計覆蓋，比CK2覆蓋增產8.8%。因此，生產應用中需要根據地域特點、光照強度、作物種類、土壤類型、土壤酸堿度、農藝措施等，對PPC基生物降解滲水地膜針對性地進行配方和工藝的生態學設計，才能構建起良好的近地面微生態環境[20]，減少風險。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地膜覆蓋的作物產量水平相當，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勢突出，與產品的生態學設計和農藝設計相結合，具有重要的推廣應用價值。