PBAT/P34HB地膜的制備及番茄生產(chǎn)應(yīng)用

王昊，譚臺(tái)孫嘯，曹穎，向海容，孔令娟，李立*

PBAT/P34HB地膜的制備及番茄生產(chǎn)應(yīng)用

王昊1，譚臺(tái)孫嘯1，曹穎1，向海容3，孔令娟2*，李立1*

（1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306；2.上海市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，上海 201103； 3.上海容藍(lán)實(shí)業(yè)有限公司，上海 201702）

為促進(jìn)植株生長(zhǎng)，減少地膜殘留對(duì)下茬作物產(chǎn)量的影響，選用聚對(duì)苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）與聚-3-羥基丁酸酯-co-4-羥基丁酸酯（P34HB）制備地膜，探究其對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響。將PBAT和P34HB以9∶1、8∶2、7∶3質(zhì)量比共混，通過(guò)水冷造粒、吹塑生產(chǎn)3款具有不同力學(xué)和阻隔性能的地膜，并應(yīng)用于番茄作物生產(chǎn)。隨著P34HB含量的增加，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和透濕性增強(qiáng)，9∶1地膜對(duì)番茄具有一定增益作用，且單壟殘留量約為16片。PBAT/P34HB（9∶1）地膜的性能滿(mǎn)足番茄生產(chǎn)，具有增益作用，并減少了地膜殘留造成的污染。

PBAT；P34HB；番茄生產(chǎn)；地膜殘留

地膜是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用來(lái)覆蓋地面的薄膜，不僅能提高土壤溫度、保水保肥、減少雜草生長(zhǎng)，還能保護(hù)農(nóng)作物免受害蟲(chóng)侵襲及氣候變化的影響，促進(jìn)植株有序生長(zhǎng)[1]。高分子聚合物（如聚乙烯）是地膜的主要材質(zhì)，但因其降解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大塊地膜殘留物被翻入土壤，導(dǎo)致土壤中營(yíng)養(yǎng)成分散失，下茬作物難以扎根，農(nóng)作物減產(chǎn)[2]。此外，未降解的薄膜碎片部分殘留在環(huán)境中[3]，可能會(huì)被引入食物鏈[4]，若將其回收利用，無(wú)疑會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。

常見(jiàn)用于地膜生產(chǎn)的聚合物分為合成與天然2類(lèi)，其中具有代表性的合成聚合物有聚乳酸（PLA）[5]、聚對(duì)苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）[6]和聚羥基鏈烷酸酯（PHA）[7]等。天然聚合物有淀粉[8]、木質(zhì)素[9]、纖維素[10]和透明質(zhì)酸等[11]。其中PBAT分子鏈結(jié)構(gòu)含有由大量的丁二酸和丁二醇交替排列形成的聚酯鏈，使其具有良好的降解性能，在力學(xué)性能上也有一定的優(yōu)勢(shì)，具有和PE膜相近的保溫增產(chǎn)效果[12]。關(guān)于PBAT地膜的研究主要聚集于生物降解，關(guān)于增產(chǎn)這方面的研究很少。王斌等[13]發(fā)現(xiàn)，與PE膜相比，PBAT制造的地膜覆蓋下的棉花與玉米會(huì)出現(xiàn)不同程度的增產(chǎn)。

PBAT因?yàn)楦呱a(chǎn)成本和低熱力學(xué)性能限制了這種材料的使用，所以要考慮與其他聚合物復(fù)合以改善其性能[14]。P34HB作為第四代聚羥基脂肪酸酯（PHA）生物塑料，是由3-羥基丁酸酯與4-羥基丁酸酯結(jié)構(gòu)單元組成的高分子材料，具有良好的生物相容性[15]，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥和食品包裝方面。Li等[16]采用PBAT和P34HB熔融共混解決了PBAT固有的強(qiáng)度、模量和熔體黏彈性低等缺點(diǎn)，同時(shí)提高了強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和熔體黏彈性。張賀等[17]在PBAT上接枝馬來(lái)酸酐（MAH），TPS/PBAT界面相容性得以改善，力學(xué)性能有所增強(qiáng)。

在此項(xiàng)研究中，制備了不同比例（9∶1、8∶2、7∶3）的PBAT/P34HB地膜，對(duì)其力學(xué)性能和阻隔性能進(jìn)行了測(cè)試，并將這3款具有不同拉伸強(qiáng)度和水蒸氣透過(guò)率的地膜與CK（市購(gòu)）地膜，一同進(jìn)行番茄生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)，探究PBAT/P34HB地膜對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響及其殘膜翻耕后對(duì)下茬杭白菜出苗量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

主要材料：PBAT，德國(guó)巴斯夫D1200；P34HB，北京微構(gòu)工場(chǎng)生物技術(shù)有限公司；開(kāi)口劑（SiO2），壽光市邦澤化工有限公司；硬脂酸鈣，東莞市常平鵬科塑膠商行；ADR4400，東莞市楹圣塑膠化工有限公司；無(wú)水檸檬酸，鄭州市超凡化工有限公司；抗氧劑巴斯夫245，德國(guó)巴斯夫公司；黑色色母L95043，無(wú)錫市長(zhǎng)虹化塑色粒有限公司。

主要儀器：ML130薄膜造粒機(jī)，中國(guó)·張家港市普瑞塑膠機(jī)械有限公司；SJM-FM1600塑料擠出吹塑薄膜輔機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司；XLW（EC）智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；PERMATRAN-W1/50G水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀，美國(guó)膜康有限公司；G2-32氣體滲透測(cè)試儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；SDC-100接觸角測(cè)試儀，東莞盛鼎精密儀器有限公司；Nicolet系列傅里葉變換紅外光譜儀，賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司；VHX-900F金相顯微鏡，基恩士（中國(guó)）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 PBAT/P34HB薄膜的制備

PBAT和P34HB于80 ℃下烘烤6～8 h備用。稱(chēng)取質(zhì)量占總基材5%的SiO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的硬脂酸鈣，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的ADR4400，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的無(wú)水檸檬酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的抗氧劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的黑色色母，然后與不同比例的PBAT/P34HB（9∶1、8∶2、7∶3）進(jìn)行物理共混，使基材與助劑攪拌均勻。待混合均勻后造粒，共混粒子于70 ℃下烘烤3 h。吹塑成膜，厚度控制在30 μm左右。

擠出裝置各個(gè)區(qū)段溫度為145、150、155、160、165、172、175、172、165、160 ℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min；吹塑裝置各個(gè)區(qū)段溫度為145、150、155、160、165、172、175、172、165、160 ℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速為80 r/min。

1.2.2 性能測(cè)試

1.2.2.1 力學(xué)性能測(cè)試

使用XLW（EC）智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，將大小為100 mm×15 mm長(zhǎng)條薄膜試樣，放置于間距63 mm的夾具內(nèi)，將拉伸速度設(shè)置為100 mm/min，測(cè)得拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

1.2.2.2 水蒸氣透過(guò)率測(cè)試

使用PERMATRAN-W1/50G水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀，分別將直徑為100 mm的圓形試樣放置于測(cè)試腔A、B、C內(nèi)，在溫度為37.8 ℃、相對(duì)濕度為100%的條件下連續(xù)測(cè)試12 h，測(cè)得水蒸氣透過(guò)率。

1.2.2.3 氧氣透過(guò)率測(cè)試

使用G2-32氣體滲透測(cè)試儀，將薄膜緊貼于檢測(cè)腔內(nèi)，在溫度為23 ℃、相對(duì)濕度為50%的條件下測(cè)試2 h，測(cè)得氧氣透過(guò)率。

1.2.2.4 水接觸角測(cè)試

使用SDC-100接觸角測(cè)試儀，將薄膜樣品平置于接觸角測(cè)試儀上，用微型注射器將約3 μL的蒸餾水緩慢滴入膜表面。使用相關(guān)儀器立即捕獲水滴的形狀，WCA是基于五點(diǎn)擬合計(jì)算的。

1.2.3 番茄生產(chǎn)應(yīng)用

番茄定植前2周，每667 m2翻耕土地施商品有機(jī)肥1 000 kg、復(fù)合肥50 kg作為基肥，并翻耕筑畦。定植前1天，畦面鋪設(shè)2條滴管帶，將9∶1、8∶2、7∶3與CK（市購(gòu)）4種地膜各鋪設(shè)一畦，畦寬連溝1.5 m，單畦長(zhǎng)30 m。番茄種植時(shí)，設(shè)置株行距為40 cm×70 cm。實(shí)驗(yàn)在上海蔬達(dá)蔬果專(zhuān)業(yè)合作社七連棟大棚內(nèi)進(jìn)行。

1.2.3.1 植株生長(zhǎng)發(fā)育

番茄種植3個(gè)月后，用直尺從根莖部測(cè)量到植株的最高點(diǎn)，記錄為株高；用直尺測(cè)量葉片的縱、橫長(zhǎng)度，將乘積記錄為開(kāi)展度；用游標(biāo)卡尺測(cè)量從根莖部往上1 cm處一圈，記錄為莖粗；將一棵植株上莖節(jié)數(shù)，記錄為節(jié)數(shù)。

1.2.3.2 果實(shí)品質(zhì)性狀

番茄采收前，用電子天平稱(chēng)取單果的質(zhì)量，記錄為單果質(zhì)量；用直尺測(cè)量從果實(shí)果柄處到果實(shí)尖端的長(zhǎng)度，記錄為果長(zhǎng)；用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)果柄下1 cm處果實(shí)的寬度，記錄為果徑；用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)壁厚，記錄為果肉厚。

1.2.3.3 翻耕后地表殘留量

待番茄成熟收獲后，將CK、9∶1、8∶2、7∶3 共4種地膜直接翻耕入土，調(diào)查單壟范圍內(nèi)地表碎膜的殘留情況。

1.2.3.4 下茬杭白菜出苗量

翻耕1個(gè)月后播種杭白菜，單壟統(tǒng)計(jì)下茬杭白菜的出苗情況。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS進(jìn)行單因素方差分析，選擇沃勒-鄧肯檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析（<0.05），使用Origin 2021進(jìn)行分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

地膜的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度隨著共混P34HB含量的增加，由12.0 MPa升高至17.5 MPa，而斷裂伸長(zhǎng)率則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這可能是由于PBAT與P34HB兩部分互不相容產(chǎn)生高界面黏附力，使得聚合物基體剛度增加，韌性下降。相似地，劉振濤等[18]將磷石膏（PG）與PBAT基材共混，證實(shí)PG可優(yōu)化薄膜的力學(xué)性能，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的PG，薄膜的拉伸強(qiáng)度可達(dá)19.4 MPa。

表1 地膜的力學(xué)性能

Tab.1 Mechanical properties of mulch films

注：a、b、c上標(biāo)字母代表顯著性差異，相同字母為不顯著差異（＞0.05），不同字母為顯著差異（＜0.05）。

2.2 阻隔性能

地膜的阻隔性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，復(fù)合薄膜的水蒸氣、氧氣透過(guò)率與添加P34HB的含量呈正相關(guān)。這是由于復(fù)合薄膜中PBAT起阻氣阻濕的作用，加入P34HB后，界面相互作用減弱，空穴增多變大，使得水、氧分子進(jìn)入，透濕、透氧能力隨之增強(qiáng)。薄膜的水接觸角則呈現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢(shì)。這說(shuō)明添加P34HB可增強(qiáng)PBAT薄膜的疏水性，這可能與薄膜的相容性有關(guān)。加入P34HB增強(qiáng)了PBAT的結(jié)晶度，使得薄膜表面粗糙度增加[19]。

2.3 番茄產(chǎn)量

從圖1、2可以看出，與CK地膜相比，9∶1地膜對(duì)番茄植株生長(zhǎng)和果實(shí)品質(zhì)均有增產(chǎn)作用，特別是對(duì)番茄植株的株高、果實(shí)的果長(zhǎng)和果肉厚有著明顯的促進(jìn)作用。這可能是由于9∶1地膜的水蒸氣透過(guò)率較低，前期保溫固濕[20]，后期地膜崩解，增強(qiáng)了土壤的透氣性[21]。

表2 地膜的阻隔性能

Tab.2 Barrier properties of mulch films

注：a、b、c上標(biāo)字母代表顯著性差異，相同字母為不顯著差異（＞0.05），不同字母為顯著差異（＜0.05）。

圖1 植株生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)

圖2 果實(shí)品質(zhì)性狀指標(biāo)

2.4 地表殘留量

不同地膜由于降解性能不同，翻耕入土后的殘留量存在較大差異。待番茄采收后，進(jìn)行深耕，并統(tǒng)計(jì)4種地膜的地表殘留，如圖3所示。可見(jiàn)9∶1、8∶2、7∶3地膜的殘留量均低于CK地膜，其中9∶1地膜的殘留量最少，約16片，比CK膜減少約二分之一。這可能是由于P34HB的加入使PBAT基膜具有良好的生物降解性能[22]，在鋪膜階段便已出現(xiàn)崩解。在質(zhì)量損失預(yù)實(shí)驗(yàn)中，9∶1地膜也具有良好的降解效果，后續(xù)將完善該實(shí)驗(yàn)。

2.5 下茬出苗量

地膜殘留會(huì)使耕地結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，對(duì)下茬作物生長(zhǎng)產(chǎn)生消極影響，如阻礙植株扎根和營(yíng)養(yǎng)成分的汲取等。下茬杭白菜的出苗情況如圖4、5所示，可知翻耕9∶1地膜后出苗率最高，單壟出苗量約為156株，這與翻耕后地膜殘留結(jié)果一致，9∶1地膜殘留最少，杭白菜出苗受到抑制作用較弱。夏冬等[23]研究了不同覆蓋方式對(duì)土壤肥力及番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，得出生物可降解地膜在提高土壤肥力狀況和番茄產(chǎn)量方面效果最好，宜選擇田間降解率較高的地膜，有助于提高植株的出苗率和成苗率。

圖3 不同地膜地表殘留量

圖4 下茬杭白菜單壟出苗量

圖5 下茬杭白菜出苗觀(guān)測(cè)

3 結(jié)語(yǔ)

本研究制備了9∶1、8∶2、7∶3 3種比例的PBAT/P34HB地膜，其性能均滿(mǎn)足農(nóng)用地膜要求。隨著P34HB含量升高，拉伸強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，可達(dá)17.5 MPa。此外，9∶1地膜具有良好的阻隔性能，對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)品質(zhì)均有增益，且翻耕入土后地表殘留量最少，下茬杭白菜出苗量較多，有望促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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Preparation and Application of PBAT/P34HB Mulch Film in Tomato Production

WANG Hao1, TANTAI Sunxiao1, CAO Ying1, XIANG Hairong3, KONG Lingjuan2*, LI Li1*

(1. College of Food Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai Agricultural Technology Extension Service Center, Shanghai 201103, China; 3. Shanghai Ronglan Industrial Co., Ltd., Shanghai 201702, China)

The work aims to prepare mulch films with poly (terephthalate-adipate-butanediol) (PBAT) and poly (3-hydroxybutyrate)-co-4-hydroxybutyrate (P34HB) and study their effect on tomato growth, so as to promote plant growth and reduce crop yield caused by film residue. The technical route was to blend PBAT and P34HB at 9∶1, 8∶2 and 7∶3 mass ratios, and produce three mulch films with different mechanical and barrier properties through water-cooled granulation and blow molding, and then apply them to tomato production. The results showed that with the increase of P34HB content, the tensile strength and moisture permeability of the composite film were enhanced. The 9∶1 film had a certain effect on tomato production, and the residual amount of a single row was about 16 pieces. It is concluded that the performance of the PBAT/P34HB (9∶1) film can satisfy the tomato production. It has the effect of increasing production, and reduces the pollution caused by the film residue.

PBAT; P34HB; tomato production; mulch film residue

TB332

A

1001-3563(2024)07-0016-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.003

2023-10-28

上海市科技興農(nóng)項(xiàng)目（2022-02-08-00-12-F01094）

通信作者