生物降解渗水地膜覆盖旱地谷子试验

姚建民，毕昕媛，尚武平，李文婷，李瑞珍

（1.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006；2.山西微通渗水膜生物科技有限公司，山西太原030006；3.佳县农业技术推广中心，陕西佳县719200）

地膜覆盖是冷凉干旱地区一项重要的抗旱增产技术[1-3]。据统计，我国PE地膜年覆盖面积为2 333万hm2以上[2]，与此同时，地膜残留在农田影响土壤结构造成的白色污染日益严重，为了通过机械回收方法解决农田白色污染问题[4-6]，新修订的GB/13735—2017国家标准中，将地膜厚度指标由原来的0.008 mm增加到0.01 mm，由于技术回收难度大，实际回收率不高。为了从材料上彻底解决地膜的农田白色污染问题，国家出台了《全生物降解农用地面覆盖膜》GB/T 35795—2017标准[7-9]。目前，由PBAT、PLA、PPC等生物降解材料制成的地膜还存在着诸多缺陷：一是原材料价格高，原料价格2.5×104元/t左右，是PE原料的2.5倍以上；二是密度大、伸展面积小，密度1.26～1.30 g/cm3，是PE原料（0.92 g/cm3）的1.4倍左右；三是纵向直角撕裂强度小、易条状破裂，只有当厚度≥0.01 mm时，膜才能勉强达标；四是单位面积投资成本高，单位面积使用成本约是PE膜的4倍以上；五是耐候性差，在作物苗期易条状破裂崩解，地膜的增温、保水、防草等功能过早丧失。在山西省重点研发项目（2015TN08-1）和国家重点研发计划项目（2018YFD1001000）的资助下，通过选用大分子量PPC材料[10]与其他生物质材料复配的路径，优选出最佳的材料配方与生产工艺，攻克了薄型全生物降解地膜纵向直角撕裂强度小和耐候性差的技术难题，研发出PPC基高强度薄型生物降解渗水地膜产品。PPC基生物降解渗水地膜[11]，厚度指标下调到0.006～0.007 mm的纵向直角撕裂强度指标达到1.1 N，高于国标GB/T 35795—2017中的0.5 N，还增强了膜的耐候性，与研制出的垄背膜覆土穴播相结合，该农艺技术模式延长了生物降解地膜使用的安全期。试验表明，PPC基生物降解渗水地膜实用性好、单位面积用量减少30%、使用成本降低60%、农田覆盖180 d的表观残留率小于40%，适宜在冷凉半干旱地区推广应用。

本研究通过田间对比试验，旨在探明PPC基高强度薄型生物降解渗水地膜在旱地谷子栽培中对产量成因的变化规律，为指导农业生产提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 PPC基生物降解渗水地膜材料

1.1.1 材料的性能指标PPC基生物降解渗水地膜是生物降解树脂，主料采用中国科学院长春应用化学研究所研发的大分子量聚碳酸亚丙酯PPC[12]，辅料采用聚己二酸丁二醇酯/对苯二甲酸丁二醇酯PBAT，助剂和工艺采用山西微通渗水膜生物科技有限公司生产的渗水助剂和生产工艺[13]。PPC基生物降解渗水地膜具有渗水、保水、透气、增温和可生物降解等功能。渗水有利于高效利用天然降水中的小雨量无效降水资源、提高土壤含水率、增加作物产量；透气有利于植物根系生长和好气性菌繁殖、提高土壤肥料利用率、增加作物产量；增温可以通过增加作物生育期有效积温，利于增加作物产量；可生物降解有利于消除PE地膜残留造成的白色污染。覆盖后初始裂解时间50 d左右，地面部分的膜在180 d可减少60%左右，在偏碱性和有机质丰富土壤中的膜可以降解95%左右。强度等物理机械性能指标达到国家推荐标准《GB/T 35795—2017全生物降解农用地面覆盖薄膜》[9]。物理机械性能指标：拉伸负荷（纵向、横向）≥1.5 N，断裂标称应变（纵向）≥150%、断裂标称应变（横向）≥250%，直角撕裂负荷（纵向、横向）≥0.9 N。PPC基生物降解渗水地膜的特性指标如表1所示。

表1 PPC基生物降解渗水地膜的特性指标

1.1.2 材料的执行标准与规格参数生物降解渗水地膜产品性能质量符合国标《GB/T35795—2017全生物降解农用地面覆盖薄膜》和企标《Q/SXWTJJ SSM 02—2018可降解渗水吹塑农用地面覆盖薄膜》。幅宽主要有：1 650、1 300、1 200、800 mm等多种规格。参考长度：1 300 mm×0.007 mm的PPC基生物降解渗水地膜每卷10 kg的参考长度880 m左右，800 mm×0.007 mm的PPC基生物降解渗水地膜每卷5 kg的参考长度710 m左右（表2）。

表2 生物降解渗水地膜规格参数

1.2 田间试验设计与残留膜取样

1.2.1 田间试验设计试验地点1，陕西省佳县谢家沟旱垣地，2019年5月10日覆膜播种晋谷21号谷子，设置田间试验，处理T.1 300 mm×0.007 mm生物降解渗水地膜；CK1.1 300 mm×0.007 mmPE地膜；田间成对比较设计，间隔排列，小区面积18 m2，重复3次。

试验地点2，山西省朔州市朔城区红旗牧场，2019年5月3日播种晋谷21号谷子，设置田间对比试验，处理T.1 300 mm×0.007 mm生物降解渗水地膜；CK2.1 300 mm×0.007 mm PE渗水地膜；田间成对比较设计，间隔排列，采取膜上适度覆土方式种植，大区面积3 000 m2，重复3次。

1.2.2 PPC基生物降解膜残留膜取样在覆盖区均匀划定3个以上取样区；取样区面积不小于1 m2，测量地面裸膜取样长度和膜的初始宽度，填入残留膜取样测试记载表；称取与取样面积相等的留样膜质量填入记载表中；做好地面裸露部分膜的边际标记并测量计算面积填入记载表；用平铲和毛刷清理干净膜上泥土和杂物；按照标记，分类精细铲取地面膜和土壤中膜，装入不同取样袋；分类风干后过筛（2 mm×2 mm），取出筛中膜；再次精细清理取出膜中的杂质和泥土，风干或40℃以下烘干，轻柔拍打，去除尘土；预称质量登记；用清水冲洗后，再次40℃以下烘干后称质量，正式填入记载表。

1.3 垄背膜上覆土技术方法

PPC基生物降解渗水地膜与其他生物降解地膜一样对光照敏感，都存在耐候性差和安全期短的问题，农田覆盖50 d后地面上的膜易发生裂解。为了将生物降解地膜的耐候期从50 d延长到70 d稳定过渡到作物封垄期，选用了重均分子量300 kg/mol的超大分子量分子PPC材料，大区对比试验采用了垄背膜上机械覆土的技术[14]，形成了2MB-1/3铺膜穴播机覆盖播种模式（图1）。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 产量结果与PE地膜比较分析

试验地点1：2019年5月10日在佳县谢家沟旱垣地覆膜播种晋谷21号谷子，采用2MB-1/3铺膜播种机穴播，2019年9月29日收获，产量结果表明，PPC基生物降解渗水地膜覆盖的平均单产为4 022.7 kg/hm2，比PE地膜覆盖的4 610.5 kg/hm2减产12.75%，统计测验产量差异未达到显著性水平（表3）。

表3 2019年佳县降解渗水地膜覆盖谷子对比试验产量结果

试验地点2：2019年5月3日在朔城区红旗牧场旱平地覆膜播种晋谷21号谷子，采用2MB-1/3铺膜播种机穴播，膜上垄背处覆土，2019年10月8日收获，产量结果表明，PPC基生物降解渗水地膜覆盖的平均单产为5 958.0 kg/hm2，比PE渗水地膜的5 476.2 kg/hm2平均增产8.8%。统计测验产量差异未达到显著性水平（表4）。

表4 2019年朔州红旗牧场降解渗水地膜覆盖谷子对比试验产量结果

2个覆盖处理对比试验点的产量结果虽然有增有减，但由于区组内的变异较大，未能测验出处理间的真实差异，说明PPC基降解渗水地膜覆盖谷子与PE地膜覆盖谷子的产量水平相当，没有表现出明显的增产或减产作用。

2.2 保水增温和降解效应分析

2.2.1 在45 d内保水效应分析 谢家沟PPC基生物降解渗水地膜试验田，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，从5月4日出苗到6月4日30 d内仅有3次降水，降水总量4.6 mm，谷子处于严重干旱期（图2）。6月4日测定结果显示，0～20 cm土壤含水率T处理的7.13%比CK1的5.79%高1.34百分点，20～40 cm土壤含水率T处理的9.46%比CK1的8.96%高0.5百分点，40～60 cm土壤含水率T处理的12.82%比CK1的13.25%低0.43百分点，说明PPC基生物降解渗水地膜20 d内有很好的保水效果；6月24日测定结果表明，0～20 cm土壤含水率T处理的9.9%比CK1的10.42%低0.52百分点，20～40 cm土壤含水率T处理的12.49%比CK1的11.80%高0.69百分点，40～60 cm土壤含水率T处理的14.41%比CK1的12.87%高1.54百分点，0～60 cm土壤含水率T处理的12.26%比CK1的11.70%高0.56百分点，说明PPC基生物降解渗水地膜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，累计降水量为115.4 mm，平均每次5.77 mm，日均降水仅1.7 mm，7月16日T处理的0～20 cm的土壤含水率明显较低，对地膜的观察得知，T处理的覆盖67 d膜面发生明显的裂解，保水性能下降（图3）[15-16]。

总体表现是：谷子整个生育期PPC基生物降解渗水地膜覆盖0～20 cm土壤含水率比PE地膜覆盖的平均低0.86百分点，20～40 cm土壤含水率比PE地膜覆盖的平均高0.65百分点，40～60 cm土壤含水率比PE地膜覆盖的平均低0.19百分点（图3）。

2.2.2 在65 d内5 cm地温的增温效应分析 从谢家沟PPC基生物降解渗水地膜试验田出苗期、拔节期、孕穗期3个生育时期5 cm地温情况看，T处理在8：00和20：00与CK1基本相同。从生长情况看，2019年7月14日取样测定谷子株高均为80 cm、单株干物质量T处理为6.39 g，CK1为6.36 g，说明PPC基生物降解渗水地膜与PE渗水地膜增温效应相近；但14：00的5 cm地温，T处理的明显低于CK1；2019年7月14日测定，T处理的5 cm地温51.1℃，比CK1的55.0℃低3.9℃。说明PPC基生物降解渗水地膜在高温时段有调低高温的效应[15-16]，利于减轻极端高温的危害[1（7]图4、表5）。

表5 谢家沟试验田谷子不同覆盖处理不同生育时期5 cm地温分析 ℃

2.2.3 覆盖180 d降解效应分析 对佳县谢家沟PPC基生物降解渗水地膜覆盖试验田地膜取样，经过中国科学院长春应用化学研究所实验室测定，覆盖时膜的初始表观重均分子量122 kg/mol，覆盖30 d后地面膜的表观重均分子量下降到68 kg/mol，降解度44.26%；覆盖40 d地面膜的表观重均分子量进一步下降到46 kg/mol，降解度为62.30%；覆盖50 d地面膜的表观重均分子量43 kg/mol，降解度64.750%，覆盖50 d土壤中膜的表观重均分子量也下降到54 kg/mol，降解度55.740%；覆盖110 d后地面膜的表观重均分子量5.0 kg/mol，降解度已经达到95.9%，土壤中的表观重均分子量也下降到19 kg/mol，降解度也高达78.69%；覆盖170 d地面部分膜的表观重均分子量降解到≤2.3 kg/mol、降解度为98.11%，土壤中的表观重均分子量降解到≤2.0 kg/mol、降解度为98.36%。按照降解膜的残留膜取样与计算方法，PPC基生物降解渗水地膜覆盖180 d，农田地面膜全面破裂、脆化，土壤中膜部分消失或分解，田间测试的样点取样面积1 300 mm×1 300 mm，过2 mm×2 mm筛后称质量分析，结果表明，地面膜的质量残留率为36.8%，土壤中膜的质量残留率为28.8%，加权平均膜的质量残留率为32.9%（表6）。

表6 谢家沟PPC生物降解渗水地膜覆盖180 d田间测试结果

3 结论与讨论

3.1 降解地膜的降解方式问题分析

条状破裂是各种生物降解地膜由于生物材料线性分子间结合力不够[18]易发生的一种共性现象，农田覆盖发生条状破裂后的增温、保墒和防杂草功能就会丧失。PPC基生物降解渗水地膜用助剂材料解决了生物材料线性分子间结合力不够的问题，地面直观降解方式呈现为网状裂解。本研究观测得知，PPC基生物降解渗水地膜50 d后开始出现较明显的网状龟裂，到180 d时仍未发现明显的条状破裂现象。

3.2 降解度与残留率的关系问题分析

为了精准描述PPC基生物降解渗水地膜的降解程度，用取样膜测定的分子量与膜的初始分子量之百分比来表示降解度，用田间测定一定面积上的残留膜质量与同等面积膜的初始质量之百分比来表示膜在田间的质量残留率。降解度反映分子量变小的分解程度，分子量变得越小，降解度就越高。残留率反映直观的和称量的质量变化残留程度，称量的质量越小，残留率就越低。降解度与残留率呈非线性反相关，但目前降解度与残留率还未找到明确对应的数量反相关关系。一般情况下，当分子量降到3 kg/mol左右时，地膜呈现高度蜡质脆化状，就会出现降解度已经达到98.11%而残留率还有36.8%的现象。

3.3 应用推广过程前应首先做好生态学设计

PPC基生物降解渗水地膜初始裂解时间和全降解时间随着生态环境的不同而表现不同，降解过快会过早丧失地膜的增温、保水、防草等功能[9]。PPC基生物降解渗水地膜降解度达到60%以上时容易发生破裂，为了改善PPC基生物降解渗水地膜的耐候性，采用2MB-1/3铺膜穴播机在垄背处膜上覆土的农艺措施，可以延长降解地膜的安全期[19]，将表观重均分子量降解到43 kg/mol的时间从50 d延长到70 d以上，还伴有抑制杂草和增加作物产量的功效。PPC基生物降解渗水地膜在光照强、pH值大、土壤有机质多的环境中降解速率快，而对苗期长、封垄晚的作物和杂草多的土地，盲目应用会产生一定的技术风险。比如试验点1中，PPC基生物降解渗水地膜没有采用膜上覆土的生态设计覆盖，比CK1覆盖减产12.75%；而试验点2采用了膜上垄背处覆土的生态设计覆盖，比CK2覆盖增产8.8%。因此，生产应用中需要根据地域特点、光照强度、作物种类、土壤类型、土壤酸碱度、农艺措施等，对PPC基生物降解渗水地膜针对性地进行配方和工艺的生态学设计，才能构建起良好的近地面微生态环境[20]，减少风险。PPC基生物降解渗水地膜覆盖在作物生育前期具有良好的增温保墒作用，与PE地膜覆盖的作物产量水平相当，在消除地膜残留造成的白色污染、减少地膜用量和降低单位面积地膜投资成本方面优势突出，与产品的生态学设计和农艺设计相结合，具有重要的推广应用价值。