聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯生物降解膜对土壤酶活性的影响

林 青，曾 军，史应武，杨红梅，张 涛，高 雁，楚 敏，王 斌，王金鑫，孙九胜，霍向东

(1.新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物实验室，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】我国自20世纪70年代末引入地膜覆盖技术[1-2]，传统地膜分子结构非常稳定难降解，可在土壤中存留200～400年，造成严重的白色污染，同时地膜碎片在土壤中形成阻隔层，使水、气、肥等流动受阻，造成土壤结构板结，严重危害生态环境[3]。可降解地膜成为替代传统地膜、治理残膜污染和保护农田生态环境的理想材料[4]。【前人研究进展】降解塑料微生物及其相关酶的发现和分析成为研究热点，Shosuke等[5]在PET表面分离的1株新型细菌Ideonellasakaiensis201-F6，能将PET作为主要能量和碳源，并产生能水解PET和反应中间体的2种酶。Cenek等[6]发现铜绿假单胞菌、念珠菌、烟曲霉、假单胞菌有较强的酯酶和脂肪酶活性，造成PETP / LA纤维的断裂。另一方面，天然高分子型、化学合成型和微生物合成型等多种生物降解地膜也进行了研制和开发[4]。不同地膜对土壤生物化学的影响，也是评估地膜使用的重要参考，张丹等[7]发现普通地膜残膜强度超过450 kg/hm2时，土壤微生物量、微生物群落丰度和土壤酶活性显著降低，应加大残膜防治力度，降低土壤退化风险。白雪等[8]研究了普通地膜、渗水地膜、生物降解地膜和光降解地膜4种类型地膜覆盖模式对玉米农田土壤酶活性的影响，发现生物降解地膜在玉米生育前期的保温保墒作用最明显，产量最高，碱性磷酸酶和硝酸还原酶活性也最高，推荐生物降解地膜替代普通地膜应用到旱地玉米中。脲酶能促进尿素水解并形成植物重要的氮源—铵根离子，利于植物吸收利用氮素，其活性强弱可以表征土壤氮素供应动态，对促进土壤氮素循环有重要作用[9]。土壤芳基硫酸酯酶是参与土壤硫素循环的重要酶类，水解土壤中有机硫( 酯硫) 的硫酯键从而释放出植物可吸收的无机态硫[10]。土壤淀粉酶可将不溶于水的淀粉组分分解为可溶的单糖，增加易溶性营养物质，其活性反映土壤生物群落代谢状况和土壤主要营养元素碳的转化效率[11]。β-葡萄糖苷酶是纤维素酶的重要组成成分，能将纤维素分解为多糖，为土壤微生物提供糖分[12]。【本研究切入点】PBAT生物降解膜对土壤中酶活性的影响不是十分清楚。研究聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯生物降解膜对土壤酶活性的影响。【拟解决的关键问题】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生物降解膜对土壤酶活的影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

新疆农业科学院拜城试验站铺覆(Polyethylene)PE膜(市售)和PBAT生物降解膜(新疆康润洁环保科技有限公司)的番茄、玉米、甜菜、花生、马铃薯及岳普湖县岳普湖乡铺覆PE膜和PBAT生物降解膜的棉花各667 m2，在作物收获前且2种薄膜都有破损，每个处理3点土柱法采集0～30 cm耕作层土，新鲜土样冷藏运回实验室进行后续试验。

1.2 方 法

1.2.1 土壤基本理化性质

pH值(电位法，1∶5土水比)；总盐(残渣质量法)；有机质(重铬酸钾氧化-外加热法)；速效氮(碱解扩散法)；速效磷(碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法)；速效钾(乙酸铵浸提-火焰光度法)，土壤水分(铝盒烘干称重法)。

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莱宝科技有限公司(Beijing Solarbio Science & Technology Co., Ltd. )试剂盒测试，芳基硫酸酯酶采用上海朝瑞生物科技有限公司试剂盒测试，按照说明书步骤操作。

1.3 数据处理

利用WPS 2016进行数据整理和绘图，采用IBM SPSS Statistics 20对土壤性状指标进行单因素方差分析、显著性检验、多重比较、主成分分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 PBAT可降解膜与PE膜对土壤理化性质的影响

研究表明，所有种植区域土壤呈碱性，土壤有机质非常贫乏，大部分为土壤养分6级(<6 g/kg)，少数为5级(6～10 g/kg)。棉花种植区速效氮较为贫瘠。在铺覆的地膜崩解期，同种作物(除棉花外，棉花2种铺覆试验地基础条件差异较大)铺覆PBAT生物降解膜与PE膜的土壤pH、总盐、有机质、速效氮、速效磷、速效钾等理化性质之间无显著差异。表1

2.2 PBAT可降解膜与PE膜对4种土壤酶活性的影响

2.2.1 PBAT可降解膜与PE膜对土壤脲酶活性的影响

研究表明，棉花种植区域土壤尿酶活性显著低于拜城5种植物区域，除甜菜外，铺覆PBAT生物降解膜与PE膜对同种作物土壤脲酶活性的影响没有显著差异。图1

表1 铺覆PBAT可降解膜与PE膜土壤的理化性质Table 1 Soil properties of the experimental field

2.2.2 PBAT可降解膜与PE膜对土壤芳基硫酸酯酶活性的影响

研究表明，棉花种植区域土壤芳基硫酸酯酶活性显著低于拜城5种植物种植区域，同种作物铺覆PBAT生物降解膜与PE膜对土壤芳基硫酸酯酶活性没有显著影响，且在同一种植区不同作物之间土壤芳基硫酸酯酶活性差异也不显著。图2

2.2.3 PBAT可降解膜与PE膜对土壤淀粉酶活性的影响

研究表明，与其它3种酶活不同，种植于拜城地区的5种作物土壤淀粉酶活性普遍较低，而岳普湖的棉花土壤淀粉酶活性显著高于前者。但是同种作物铺覆PBAT生物降解膜与PE膜对土壤淀粉酶活性没有显著影响，且在同一种植区不同作物之间土壤淀粉酶活性差异也不显著。图3

2.2.4 PBAT可降解膜与PE膜对土壤β-葡萄糖苷酶活性的影响

研究表明，β-葡萄糖苷酶活性在不同作物间稍有差异，但铺覆PBAT生物降解膜与PE膜对同种作物土壤β-葡萄糖苷酶酶活性的影响没有显著差异。图4

2.3 PBAT可降解膜与PE膜对土壤酶活和理化性质的主成分

研究表明，前3个主成分解释样品间84.63%的变异，主成分1 (PC1)、主成分2 (PC2) 分别解释了63.30%和11.69% 的变异。以PC1、PC2 对铺覆不同膜植物样品进行排序。同种作物铺覆PBAT生物降解膜与PE膜在PC1、PC2坐标轴上距离相近，没有较大分异，而单独种植于岳普湖的棉花与其它作物距离较远，分布在完全不同的象限。土壤酶活和理化性质的差异不是由铺覆不同地膜产生，而是由种植的作物种类和种植地区因素造成。图5

2.4 PBAT可降解膜与PE膜对土壤酶活和理化性质的相关分析

研究表明，部分土壤酶活与理化性质存在相关性，芳基硫酸酯酶分别与葡萄糖苷酶、速效磷、速效钾呈显著相关(P<0.05)，与尿酶呈极显著相关(P<0.01)。速效钾也分别与芳基硫酸酯酶、葡萄糖苷酶呈显著相关(P<0.05)，与尿酶和速效磷呈极显著相关(P<0.01)。部分土壤理化性质间也存在相关性。表2

3 讨 论

新疆地处欧亚大陆腹地，是典型的干旱半干旱气候特征，虽有良好的光热资源，但常年干燥少雨，水资源缺乏与灌溉困难[13]制约农业发展[14]。地膜覆盖，通过人工物理阻隔土壤与大气间水分、热量及养分的交换传输，减少有效养分流失，改善土壤水热状况，改善作物生长的生态环境[15]，成为旱区作物增产最显著的技术[16]，因此，成为新疆农业生产的技术依赖，也使新疆成为全国地膜使用面积最广和用量最多的省份[17]。传统塑料地膜难以降解[1]。

近些年生物降解地膜逐渐成为一种替代普通 PE 地膜、解决地膜残留污染的有效措施和手段[1]，其应用对农业生产效果和生态环境影响的评价得到越来越多的关注。研究使用的聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)生物降解膜，是一种脂肪族-芳香族无规共聚酯，兼具良好的可生物降解性能和优良的力学和热学性能[18]。张敏[19]、霍向东[20]等分离筛选到能显著降解 PBAT 聚合物的微生物菌株，分别为Delftiatsuruhatensis、Sphingopyxisginsengisoli。徐松等[21]筛选到 PBAT 塑料地膜高效降解菌群 SX，并研究了其群落结构演替特征。王斌等[22]田间试验表明，番茄种植中，覆PBAT膜在30 d左右开始出现裂纹，至100 d左右50%垄面上无肉眼可见地膜，降解性能良好，同时PBAT膜处理番茄产量和土壤养分等指标与普通地膜处理差异不显著。张敏等[19]还发现，与未使用地膜土壤相比，使用 PLA/PBAT 地膜引起土壤部分细菌群落结构发生变化，林青等[23]表明，PBAT生物降解膜与传统PE膜对土壤理化性质及氮循环微生物群落的影响差异不显著。土壤酶是土壤生物地球化学循环的重要参与物质，其活性高低与土壤中可供养分循环和植物利用的营养元素的多少直接相关[24]，是农田生态系统中极为重要的生态因子。研究所选4种酶对土壤碳、氮、硫循环转化起重要作用，是评价土壤肥力的重要指标[25]，PBAT生物降解膜与传统PE膜对4种酶活性的影响没有显著差异，可以作为PBAT生物降解膜替代传统PE膜使用效果评估的参考依据。所测土壤酶活性与部分土壤理化性质呈显著、极显著相关性，与能直接被植物利用的养分速效钾、速效磷相关最紧密，这与李茜[26]、周东兴[27]等研究结果一致，表明土壤酶与速效养分间存在协同作用，共同作用于农田土壤养分循环过程。岳普湖棉花种植区过低的速效钾含量，也间接证实了试验农田土壤酶活性受限的重要原因[28]。

表2 不同作物铺覆PBAT生物降解膜与PE膜的土壤酶活和理化性质的相关性Table 2 Correlation analysis of soil enzyme activities and physical and chemical properties of PBAT biodegradable film and PE film

4 结 论

6种作物铺覆PBAT生物降解膜与传统PE膜对土壤理化性质、土壤脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶活性的影响无显著差异(P>0.05)，而不同种植区域土壤酶活性差异显著(P<0.05)，部分土壤酶活性与土壤速效钾、速效磷呈显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)相关。在作物收获前，土壤酶活性不受铺覆地膜种类影响，而与部分土壤养分含量存在显著相关性。