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
DOI:10.13432/j.cnki.jgsau.2008.05.0082008年10月甘 肃 农 业 大 学 学 报第5期71～75JOURNALOFGANSUAGRICULTURALUNIVERSITY
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
222
(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170d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:TQ32,S513 文献标识码:A 文章编号:1003-4315(2008)05-0071-05
Degradationanditseffectoncorngrowthofbiodegradablemulchfilm
QIAOHai-jun1,2,HUANGGao-bao2,FENGFu-xue2,WANGLi-li2
(1.CollegeofScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2.CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)
Abstract:Theapplicationofthebiodegradablemulchfilmswasprovedtobeanefficientwaytosolvetheplasticpollutioninenvironment.Thisexperimentmainlyfocusedonthedegradationofbiodegradablemulchfilmsanditseffectoncorngrowth.Theresultsshowedthatthedegradationofbiodegradablemulchfilmsstartedwithsmallholes,thentheholesbecamebigger,andfinallybrokendowntoalotofpiecesatcropharveststage.ObservationofSEMrevealedthatthesurfaceofbiodegradablemulchfilmshadobviousflawatthistime.Biodegradablemulchfilmshadobviouseffectonsoiltemperatureandsoilwaterconserva-tionatearlystageofcorngrowth,butitseffectonraisingsoiltemperatureweakenedatthemiddleandlat-erstagesofcorngrowth.Theeffectofcoveringdegradablemulchfilmsoncornyieldswassignificant,buttherewasnoobviousdifferencecomparedtothatofordinaryfilm. Keywords:biodegradablemulchfilm;corn;degradationinfield 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,[6]
.但是,普通地膜难于在自然条件下降解,大
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[2].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.
-
72 甘 肃农业大学学报 2008年
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、60～80cm土层土壤含水量;测各处理5、10、15、20、25cm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PCL,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5m,宽3m.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N360kg/hm,纯P2O5225kg/hm.
种植方式:起垄种植,每小区3垄,每垄2行,垄面宽80cm,垄间距20cm,垄沟深15cm.玉米行距40cm,株距30cm.膜宽100cm.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50d(作物拔节期)时首先出现1～1.5cm的破孔;80d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(170d)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
Tab.1 Thesituationoffilmdegradationatdifferentexaminestages
覆膜时间/d
30
[**************]
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1～1.5cm的破孔
地膜变薄,破孔目增多、直径增大至约2.0～2.5cm
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170d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图1)(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170d后表面微观上、,
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)12.2312.6014.2316.1716.0715.4115.6917.2013.8114.1214.4515.
67
表2 各生育期土壤水分含量
Tab.2 Soilwatercontentsatdifferentgrowthstages
处理
CK
土层深度/cm
0～2020～4040～60
普通膜
60～800～2020～4040～60
生物降解膜
60～800～2020～4040～6060～80
苗期(5/17)16.9417.3918.5419.1217.3020.0419.5619.4618.7620.0819.5520.02
拔节期(6/18)抽雄期(7/16)灌浆期(8/17)成熟期(9/15)
13.5013.7318.3910.84
15.6716.4617.8916.4617.1618.1217.8815.6316.7917.7718.14
15.77
17.2718.0416.9116.5517.3918.2015.3215.6316.8917.10
19.91
17.9420.1519.9021.0319.9320.0920.1420.8620.1520.38
12.51
13.5114.7813.2312.9915.3816.3512.6015.1514.2916.69
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10000倍;b.降解后10000倍;c.降解前
1500倍;d.降解后1500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 SEMofbiodegradablemulchfilmcompositesheet
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,,,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.
74 甘 肃农业大学学报 2008年
图2 各生育期土壤温度变化曲线
Fig.2 Soiltemperaturecurveatdifferentgrowthstages
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 Theheightofcornatdifferentgrowthstages
处理生物全降解地膜
普通膜
CK
苗期(5/17)30.530.320.8
拔节期(6/15)
49.5
51.138.1
抽雄期(7/15)
115.6
115.7102.2
灌浆期(8/16)
175.2
176.1165.5
cm
成熟期(9/18)
174.1
175.0164.6
表4 不同覆膜玉米果穗的形状比较Tab.4 Comparisonofcornearforms
处理生物全降解地膜
普通膜
CK
穗长/cm18.8a18.6a18.1a
穗粗/cm15.0a15.0a
14.6a
秃顶长/cm2.3a2.0b
1.8c
穗行数/行
14a14a
14a
行粒数/个
31a30ab29b
百粒质量/g31.52a31.47a30.81b
表5 各处理玉米的产量
Tab.5 Cornyieldsofdifferenttreatments重复1
23平均值
处理
普通地膜4.5294.2814.5644.458A
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
CK3.879
3.7274.0203.875B
生物全降解地膜
4.132
4.4284.5294.363AB
残留对土壤环境影响还有待研究.
参考文献
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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