聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯生物降解膜對土壤酶活性的影響

林 青，曾 軍，史應武，楊紅梅，張 濤，高 雁，楚 敏，王 斌，王金鑫，孫九勝，霍向東

(1.新疆農業科學院微生物應用研究所/新疆特殊環境微生物實驗室，烏魯木齊 830091；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】我國自20世紀70年代末引入地膜覆蓋技術[1-2]，傳統地膜分子結構非常穩定難降解，可在土壤中存留200～400年，造成嚴重的白色污染，同時地膜碎片在土壤中形成阻隔層，使水、氣、肥等流動受阻，造成土壤結構板結，嚴重危害生態環境[3]。可降解地膜成為替代傳統地膜、治理殘膜污染和保護農田生態環境的理想材料[4]。【前人研究進展】降解塑料微生物及其相關酶的發現和分析成為研究熱點，Shosuke等[5]在PET表面分離的1株新型細菌Ideonellasakaiensis201-F6，能將PET作為主要能量和碳源，并產生能水解PET和反應中間體的2種酶。Cenek等[6]發現銅綠假單胞菌、念珠菌、煙曲霉、假單胞菌有較強的酯酶和脂肪酶活性，造成PETP / LA纖維的斷裂。另一方面，天然高分子型、化學合成型和微生物合成型等多種生物降解地膜也進行了研制和開發[4]。不同地膜對土壤生物化學的影響，也是評估地膜使用的重要參考，張丹等[7]發現普通地膜殘膜強度超過450 kg/hm2時，土壤微生物量、微生物群落豐度和土壤酶活性顯著降低，應加大殘膜防治力度，降低土壤退化風險。白雪等[8]研究了普通地膜、滲水地膜、生物降解地膜和光降解地膜4種類型地膜覆蓋模式對玉米農田土壤酶活性的影響，發現生物降解地膜在玉米生育前期的保溫保墑作用最明顯，產量最高，堿性磷酸酶和硝酸還原酶活性也最高，推薦生物降解地膜替代普通地膜應用到旱地玉米中。脲酶能促進尿素水解并形成植物重要的氮源—銨根離子，利于植物吸收利用氮素，其活性強弱可以表征土壤氮素供應動態，對促進土壤氮素循環有重要作用[9]。土壤芳基硫酸酯酶是參與土壤硫素循環的重要酶類，水解土壤中有機硫( 酯硫) 的硫酯鍵從而釋放出植物可吸收的無機態硫[10]。土壤淀粉酶可將不溶于水的淀粉組分分解為可溶的單糖，增加易溶性營養物質，其活性反映土壤生物群落代謝狀況和土壤主要營養元素碳的轉化效率[11]。β-葡萄糖苷酶是纖維素酶的重要組成成分，能將纖維素分解為多糖，為土壤微生物提供糖分[12]。【本研究切入點】PBAT生物降解膜對土壤中酶活性的影響不是十分清楚。研究聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯生物降解膜對土壤酶活性的影響。【擬解決的關鍵問題】研究土壤脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶活性，分析PBAT生物降解膜對土壤酶活的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆農業科學院拜城試驗站鋪覆(Polyethylene)PE膜(市售)和PBAT生物降解膜(新疆康潤潔環保科技有限公司)的番茄、玉米、甜菜、花生、馬鈴薯及岳普湖縣岳普湖鄉鋪覆PE膜和PBAT生物降解膜的棉花各667 m2，在作物收獲前且2種薄膜都有破損，每個處理3點土柱法采集0～30 cm耕作層土，新鮮土樣冷藏運回實驗室進行后續試驗。

1.2 方 法

1.2.1 土壤基本理化性質

pH值(電位法，1∶5土水比)；總鹽(殘渣質量法)；有機質(重鉻酸鉀氧化-外加熱法)；速效氮(堿解擴散法)；速效磷(碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法)；速效鉀(乙酸銨浸提-火焰光度法)，土壤水分(鋁盒烘干稱重法)。

1.2.2 土壤酶活性

土壤脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶采用北京索萊寶科技有限公司(Beijing Solarbio Science & Technology Co., Ltd. )試劑盒測試，芳基硫酸酯酶采用上海朝瑞生物科技有限公司試劑盒測試，按照說明書步驟操作。

1.3 數據處理

利用WPS 2016進行數據整理和繪圖，采用IBM SPSS Statistics 20對土壤性狀指標進行單因素方差分析、顯著性檢驗、多重比較、主成分分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 PBAT可降解膜與PE膜對土壤理化性質的影響

研究表明，所有種植區域土壤呈堿性，土壤有機質非常貧乏，大部分為土壤養分6級(<6 g/kg)，少數為5級(6～10 g/kg)。棉花種植區速效氮較為貧瘠。在鋪覆的地膜崩解期，同種作物(除棉花外，棉花2種鋪覆試驗地基礎條件差異較大)鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜的土壤pH、總鹽、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀等理化性質之間無顯著差異。表1

2.2 PBAT可降解膜與PE膜對4種土壤酶活性的影響

2.2.1 PBAT可降解膜與PE膜對土壤脲酶活性的影響

研究表明，棉花種植區域土壤尿酶活性顯著低于拜城5種植物區域，除甜菜外，鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對同種作物土壤脲酶活性的影響沒有顯著差異。圖1

表1 鋪覆PBAT可降解膜與PE膜土壤的理化性質Table 1 Soil properties of the experimental field

2.2.2 PBAT可降解膜與PE膜對土壤芳基硫酸酯酶活性的影響

研究表明，棉花種植區域土壤芳基硫酸酯酶活性顯著低于拜城5種植物種植區域，同種作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對土壤芳基硫酸酯酶活性沒有顯著影響，且在同一種植區不同作物之間土壤芳基硫酸酯酶活性差異也不顯著。圖2

2.2.3 PBAT可降解膜與PE膜對土壤淀粉酶活性的影響

研究表明，與其它3種酶活不同，種植于拜城地區的5種作物土壤淀粉酶活性普遍較低，而岳普湖的棉花土壤淀粉酶活性顯著高于前者。但是同種作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對土壤淀粉酶活性沒有顯著影響，且在同一種植區不同作物之間土壤淀粉酶活性差異也不顯著。圖3

2.2.4 PBAT可降解膜與PE膜對土壤β-葡萄糖苷酶活性的影響

研究表明，β-葡萄糖苷酶活性在不同作物間稍有差異，但鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對同種作物土壤β-葡萄糖苷酶酶活性的影響沒有顯著差異。圖4

2.3 PBAT可降解膜與PE膜對土壤酶活和理化性質的主成分

研究表明，前3個主成分解釋樣品間84.63%的變異，主成分1 (PC1)、主成分2 (PC2) 分別解釋了63.30%和11.69% 的變異。以PC1、PC2 對鋪覆不同膜植物樣品進行排序。同種作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜在PC1、PC2坐標軸上距離相近，沒有較大分異，而單獨種植于岳普湖的棉花與其它作物距離較遠，分布在完全不同的象限。土壤酶活和理化性質的差異不是由鋪覆不同地膜產生，而是由種植的作物種類和種植地區因素造成。圖5

2.4 PBAT可降解膜與PE膜對土壤酶活和理化性質的相關分析

研究表明，部分土壤酶活與理化性質存在相關性，芳基硫酸酯酶分別與葡萄糖苷酶、速效磷、速效鉀呈顯著相關(P<0.05)，與尿酶呈極顯著相關(P<0.01)。速效鉀也分別與芳基硫酸酯酶、葡萄糖苷酶呈顯著相關(P<0.05)，與尿酶和速效磷呈極顯著相關(P<0.01)。部分土壤理化性質間也存在相關性。表2

3 討 論

新疆地處歐亞大陸腹地，是典型的干旱半干旱氣候特征，雖有良好的光熱資源，但常年干燥少雨，水資源缺乏與灌溉困難[13]制約農業發展[14]。地膜覆蓋，通過人工物理阻隔土壤與大氣間水分、熱量及養分的交換傳輸，減少有效養分流失，改善土壤水熱狀況，改善作物生長的生態環境[15]，成為旱區作物增產最顯著的技術[16]，因此，成為新疆農業生產的技術依賴，也使新疆成為全國地膜使用面積最廣和用量最多的省份[17]。傳統塑料地膜難以降解[1]。

近些年生物降解地膜逐漸成為一種替代普通 PE 地膜、解決地膜殘留污染的有效措施和手段[1]，其應用對農業生產效果和生態環境影響的評價得到越來越多的關注。研究使用的聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)生物降解膜，是一種脂肪族-芳香族無規共聚酯，兼具良好的可生物降解性能和優良的力學和熱學性能[18]。張敏[19]、霍向東[20]等分離篩選到能顯著降解 PBAT 聚合物的微生物菌株，分別為Delftiatsuruhatensis、Sphingopyxisginsengisoli。徐松等[21]篩選到 PBAT 塑料地膜高效降解菌群 SX，并研究了其群落結構演替特征。王斌等[22]田間試驗表明，番茄種植中，覆PBAT膜在30 d左右開始出現裂紋，至100 d左右50%壟面上無肉眼可見地膜，降解性能良好，同時PBAT膜處理番茄產量和土壤養分等指標與普通地膜處理差異不顯著。張敏等[19]還發現，與未使用地膜土壤相比，使用 PLA/PBAT 地膜引起土壤部分細菌群落結構發生變化，林青等[23]表明，PBAT生物降解膜與傳統PE膜對土壤理化性質及氮循環微生物群落的影響差異不顯著。土壤酶是土壤生物地球化學循環的重要參與物質，其活性高低與土壤中可供養分循環和植物利用的營養元素的多少直接相關[24]，是農田生態系統中極為重要的生態因子。研究所選4種酶對土壤碳、氮、硫循環轉化起重要作用，是評價土壤肥力的重要指標[25]，PBAT生物降解膜與傳統PE膜對4種酶活性的影響沒有顯著差異，可以作為PBAT生物降解膜替代傳統PE膜使用效果評估的參考依據。所測土壤酶活性與部分土壤理化性質呈顯著、極顯著相關性，與能直接被植物利用的養分速效鉀、速效磷相關最緊密，這與李茜[26]、周東興[27]等研究結果一致，表明土壤酶與速效養分間存在協同作用，共同作用于農田土壤養分循環過程。岳普湖棉花種植區過低的速效鉀含量，也間接證實了試驗農田土壤酶活性受限的重要原因[28]。

表2 不同作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜的土壤酶活和理化性質的相關性Table 2 Correlation analysis of soil enzyme activities and physical and chemical properties of PBAT biodegradable film and PE film

4 結 論

6種作物鋪覆PBAT生物降解膜與傳統PE膜對土壤理化性質、土壤脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶活性的影響無顯著差異(P>0.05)，而不同種植區域土壤酶活性差異顯著(P<0.05)，部分土壤酶活性與土壤速效鉀、速效磷呈顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)相關。在作物收獲前，土壤酶活性不受鋪覆地膜種類影響，而與部分土壤養分含量存在顯著相關性。