内蒙古阴山北麓马铃薯应用PBAT/PLA全生物降解地膜可行性分析

武岩，靳拓，王跃飞，贺鹏程，罗军，刘宏金∗，张雷∗，郭晓宇，陈瑞英

1. 内蒙古农牧业生态与资源保护中心，内蒙古 呼和浩特 010010；2. 农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100000；3. 乌兰察布市农业技术推广站，内蒙古 乌兰察布 012000；4. 四子王旗农业技术推广站，内蒙古 四子王旗 011800

内蒙古自20世纪70年代开始大面积推广使用地膜，90年代初期全区地膜用量5700 t，2010年达到了4.82×104t，20年间全区地膜用量增加了7.5倍（白云龙等，2015），2019年内蒙古地膜用量更是达到8.08×104t（国家统计局农村社会经济调查司，2020）。在推广新国标地膜前，中国农用地膜厚度较薄（0.004—0.008 mm），在土壤中极易破碎，回收困难，加之破碎残膜分子结构（LLDPE或LDPE）稳定，导致残膜在土壤中不断累积，对生态环境造成了不利影响。内蒙古阴山北麓作为内蒙古马铃薯主产区，随着其种植面积逐渐扩大，地膜用量不断增加，农田残膜污染问题日益突显，给农业生产和生态环境造成了严重危害（Steinmetz et al.，2016；Gao et al.，2019；严昌荣等，2014），应用全生物降解地膜成为解决农田残膜污染、保障作物产量的重要途径（马明生等，2020；苏海英等，2020）。

目前，全生物降解地膜主要类型有3种，分别是以生物降解聚合物为材料的PLA型降解地膜、以石油脂肪族共聚物为基质的 PBAT型降解地膜和PBAT、PLA共混制得的PBAT/PLA型降解地膜。PBAT/PLA全生物降解地膜可以使 PLA和 PBAT各自的缺陷得到互补，具备较好的机械性能、拉伸强度、优良的延展性和较快的降解速度，被广泛应用（Palsikowski et al.，2017；Rocha et al.，2018；Shankar et al.，2018）。PBAT/PLA材料全生物降解地膜主要成分包括聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT)、聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL)、聚羟基丁酸酯（PHB）等聚酯类物质，这些高聚物分子可在土壤微生物的作用下完全降解为水和二氧化碳（严昌荣等，2016；曲萍等，2017）。近几年，国内外对全生物降解地膜降解特性及其在玉米、棉花、向日葵、马铃薯等作物应用方面进行了大量研究，研究表明全生物降解地膜在减缓农田残膜污染、土壤增温保墒、提高作物产量方面具有显著作用（Cozzolino et al.，2020；Giordano et al.，2020；张妮等，2016；邓方宁等，2020）。由于不同全生物降解地膜原料组成和生产工艺存在差异，各地区覆膜方式、作物种类、田间管理方式和自然资源条件不同，导致全生物降解地膜降解特征及对作物的增产效果也不尽相同（Wang et al.，2019a；Wang et al.，2019b；Giordano et al.，2020；邓方宁等，2020）。前人多以当季作物生育期内降解地膜降解特征进行研究，在作物收获后降解地膜不能完全分解，针对全过程的降解特征研究还少见报道（Wang et al.，2019a；Giordano et al.，2020；张妮等，2016；邓方宁等，2020）。因此，本研究以马铃薯为研究对象，在内蒙古阴山北麓开展以 PBAT/PLA为原料的全生物降解地膜覆膜栽培试验与降解地膜填埋试验，研究分析全生物降解地膜全过程降解特征及其对马铃薯产量及经济效益的影响，为同类地区马铃薯种植推广应用全生物降解地膜提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗忽鸡图乡麻黄洼二队村（41°66′N，111°79′E），海拔1300 m，属温带大陆性季风气候，昼夜温差大，年均气温2—5 ℃，全年≥10 ℃有效积温2400 ℃，无霜期为110 d左右；区域内干旱少雨，年均降雨量在300 mm左右，主要集中在7—9月。供试土壤（0—20 cm）的基本理化性质为pH 8.5，有机质15.1 g·kg−1，全氮 0.67 g·kg−1，碱解氮 50 mg·kg−1，有效磷 10.2 mg·kg−1，速效钾 160 mg·kg−1。

1.2 试验材料

选用的3种PBAT/PLA型全生物降解地膜参数见表1。

表1 供试地膜基本情况Table 1 The information of test mulch film

1.3 试验设计

本研究分别设置了作物覆膜栽培试验和降解地膜填埋试验，其中作物覆膜栽培试验用于观测作物生育期内全生物降解地膜降解情况及降解强度，至作物收获后停止观测；降解地膜填埋试验在当季作物收获后定期监测全生物降解地膜降解强度，至降解地膜完全分解后结束监测。

1.3.1 作物覆膜栽培试验

试验于2019年5—9月、2020年5—9月进行，供试作物为马铃薯，品种为夏坡蒂。采用半高垄膜下滴灌种植方式，大行距90 cm，小行距40 cm，株距33 cm，每公顷保苗45000株，播种时施肥、铺膜、铺设滴灌带。试验共设5个处理，具体为：（1）上海弘睿全生物降解地膜，F1；（2）巴斯夫全生物降解地膜，F2；（3）兰州鑫银环全生物降解地膜，F3；（4）普通聚乙烯塑料（PE）地膜，CK；（5）露地种植作物（不覆膜），OF。每个处理3次重复，共15个小区，随机排列，小区面积约300 m2，各小区间以土垄分隔。

田间管理：播种施羊粪肥7.5 t·hm−2、施达利生物有机肥1.2 t·hm−2作基肥；施配方肥（13-17-15）150 kg·hm−2、磷酸二铵 150 kg·hm−2、硫酸钾镁 150 kg·hm−2作种肥。在生育期共进行2次中耕培土、3次病害防治、6次追肥和9次灌水，追肥结合灌水进行，全生育期共追施尿素300 kg·hm−2、硝酸钾150 kg·hm−2、硫酸钾 150 kg·hm−2、农季高液体肥 300 kg·hm−2，9月中旬测产，所有处理田间管理一致。

1.3.2 降解地膜填埋试验

试验于2019年5月和2020年5月开展，采用单因素随机区组设计，共设3个全生物降解地膜处理和1个普通PE地膜处理，编号与作物覆膜栽培试验一致。每个处理设180、365、540、730 d等4个观察期，每个观察期设3次重复，共48个小区随机排列。将3种全生物降解地膜和1种普通PE地膜裁剪成40 cm×30 cm大小，装入20目防虫网袋中，埋在长50 cm、宽50 cm、深10 cm的坑内，回填挖出的全部土壤。降解地膜填埋试验区域的覆膜、田间管理与作物覆膜栽培区相同。

1.4 样品的采集及测定项目

1.4.1 土壤样品的采集与监测

1.4.1.1 土壤温度（作物覆膜栽培试验区）

在马铃薯种植覆膜后，将 HOBO water Temp Prov 2温度记录仪埋设在10 cm土层处，每60 min记录一次土壤温度，每天土壤温度以24 h平均土壤温度为准。5个处理3次重复，共埋置15个土壤温度记录仪，在马铃薯收获前统一回收。

1.4.1.2 土壤水分（作物覆膜栽培试验区）

在每次滴灌后，用直径5 cm土钻多点采集0—10 cm土层土样，用烘干法测定土壤含水量，每次滴灌后连续采集7 d。

1.4.2 地膜样品的采集与监测

1.4.2.1 地膜保墒性能（作物覆膜栽培试验区）

采用 Labthink C360H水蒸气透过率测试仪测试，测试精度为 0.01 g·m−2·24 h−1。共 5 个地膜处理，3次重复，每个重复做10次测试，取其平均值为该地膜处理的水蒸气透过率。

1.4.2.2 地膜降解情况（作物覆膜栽培试验区）

在覆膜后0—30 d，每10天观测1次；覆膜后30—40 d，每5天观测1次；覆膜后41 d起，每3天观测1次，至诱导期结束；以后每10天观测1次，至当季作物收获后停止观测。分别记录各地膜处理达到诱导期、开裂期、大裂期、碎裂期和无膜期的准确时间，并拍照记录。地膜降解阶段分级指标参照杨惠娣等（1996）的方法，详见表2。

表2 降解地膜降解阶段分级标准Table 2 Grading standard for degradation stage of biodegradable mulching film

1.4.2.3 地膜降解强度

（1）作物覆膜栽培试验区取样

在每个覆膜小区随机选取 3个相同面积覆膜段，使用20目透明纱网罩住地膜，在覆膜后60、90、120 d取不同处理地膜样品各3块。

（2）降解地膜填埋试验区取样

在地膜埋土后180、365、540、730 d取出样品。

（3）地膜降解率

将各地膜处理裁剪出10块40 cm×30 cm的膜片，用万分之一天平称质量后取平均值作为基准值（m0）。将上述样品在室内用超声波清洗仪漂洗，室内自然风干，用万分之一天平称质量（m1），分别计算地膜降解率（申丽霞等，2012），地膜降解率（D）公式为：

1.4.3 作物样品采集与监测

1.4.3.1 作物产量（作物覆膜栽培试验区）

在马铃薯成熟后，分小区进行测产，每个小区取样面积为10 m2，测定马铃薯重量。

1.4.3.2 经济效益（作物覆膜栽培试验区）

根据马铃薯当年本地市价，分处理计算其经济效益，计算公式如下：

式中：

Pn——纯利润；

Y——马铃薯产量；

Pm——马铃薯市价；

I——投入；

A——农资投入；

R——租地人工投入；

P——地膜回收投入。

1.5 数据分析

数据运用 Microsoft Excel 2010软件和 SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果分析

2.1 不同地膜对土壤温度的影响

如图1所示，2019、2020年不同地膜覆盖下土壤温度变化趋势基本一致，表现为 5—6月土壤温度升高，7—8月达到马铃薯生育期土壤温度峰值，9月降至较低水平。不同处理间土壤温度有明显差异，在马铃薯发芽、幼苗期（5—6月）以OF处理土壤温度最低，处于10.53—21.20 ℃范围内，各降解地膜处理和普通地膜土壤温度差异较小，处于11.5—23.03 ℃范围；由表3可知，在此阶段，所有覆膜处理平均土壤温度均显著高于 OF处理（P<0.05），各降解地膜平均土壤温度未与CK形成显著差异（P>0.05）。马铃薯块茎形成和增大期（7—8月中旬）表现为CK和OF处理土壤温度较高，土壤温度保持在18.62—25.32 ℃，各降解地膜处理土壤温度有所降低，处于17.62—24.58 ℃范围；2019年各降解地膜处理平均土壤温度均低于 CK和 OF处理，未形成显著差异（P>0.05）；2020年F1和F2处理平均土壤温度显著低于 CK和 OF处理（P<0.05）（表3）。当马铃薯进入淀粉积累期和休眠期（8月中旬至收获），各处理土壤温度均呈降低趋势，处理间无显著差异（P>0.05），处于 10.44—18.75 ℃范围。

图1 不同地膜覆盖下土壤温度变化动态Fig. 1 Dynamic change of soil temperature under different mulching films

表3 不同全生物降解地膜对马铃薯不同生育期平均土壤温度的影响Table 3 Effects of different biodegradable plastic films on average soil temperature in different growth periods of potato

总体来看，覆膜可显著提高马铃薯发芽、出苗期平均土壤温度，各降解地膜表现出了在马铃薯发芽、幼苗期的增温效果和在马铃薯块茎形成、增大期降低土壤温度的特点。

2.2 不同地膜的保墒性能

3种降解地膜透湿率显著高于普通 PE地膜（P<0.05），其中以 F3 处理最高，约为 210 g·m−2·24 h−1，与F1和F2处理差异显著（P<0.05）（图2）。虽然3种降解地膜透湿率显著高于普通 PE地膜，但均符合《GB/T 35795—2017全生物降解农膜地面覆盖薄膜》标准中透湿率小于 800 g·m−2·24 h−1的要求。如图3所示，不同处理作物生育期平均土壤含水量差异显著（P<0.05），在马铃薯发芽与幼苗期（5—6月）各覆膜处理平均土壤含水量显著高于裸地处理（P<0.05），各降解地膜处理具有一定的保水性能；当马铃薯进入块茎形成与增大期（7—8月中旬），降解地膜逐渐分解，2019年 3种降解地膜处理和2020年F1、F3处理平均土壤含水量显著低于CK处理（P<0.05）；随着降雨和滴灌次数逐渐减少，在马铃薯进入淀粉积累与休眠期，各降解地膜处理平均土壤含水量与CK和OF处理均未形成显著差异（P>0.05）。

图2 各地膜处理透水性能Fig. 2 Characteristics of water permeability for different mulching film

图3 不同生育期平均土壤含水量Fig. 3 Average soil water content in different growth periods

2.3 不同地膜降解情况

作物覆膜栽培区不同地膜处理降解情况差异明显（图4）。F1、F2处理于覆膜后42—56 d进入诱导期、56—74 d进入开裂期、79—101 d进入大裂期，至作物收获前进入破碎期。F3处理于覆膜后68—84 d进入诱导期，2019年至作物收获前一直处于诱导期，2020年分别于覆膜后86、105 d进入开裂期和大裂期。CK处理在两年观测中均未出现降解情况。不同地膜降解率如表4所示，各地膜降解率随填埋天数延长逐渐增加，各降解地膜降解率均显著高于CK（P<0.05），除2020年覆膜后60 d取样时期外，其余取样时期 F1、F2地膜降解率显著高于F3（P<0.05）。普通PE地膜两年降解率分别为1.54%和1.3%。

图4 不同地膜处理降解情况Fig. 4 Degradation of different plastic film treatments

在当季作物收获后，降解地膜填埋区 2019年F1、F2处理填埋后180、365 d降解率显著高于F3（P<0.05），至填埋后365 d降解率分别达97.53%和96.88%，基本降解完全（表4）；F3处理填埋后365 d解率为85.43%，至填埋后540 d基本降解完全，降解率98.54%。2020年各地膜降解率表现与2019年不同，F1和F2处理填埋后180 d降解率显著高于F3（P<0.05），至填埋后365 d，3种降解地膜基本降解完全，降解率分别为 97.44%、98.03%和96.60%。普通PE地膜填埋至365 d和540 d降解率分别为3.47%和6.99%，产生的质量损失基本属于自然损耗。

表4 不同地膜处理降解率Table 4 Degradation intensity of different plastic film treatments

2.4 作物产量及经济效益分析

不同处理马铃薯产量差异显著（表 5），除 F3处理外，其余覆膜处理作物产量均显著高于OF处理（P<0.05）；与OF处理相比，F1和F2处理作物产量分别提高 36.85%和 38.27%。3种降解地膜处理作物产量 49.64—58.53 t·hm−2，均未与 CK形成显著差异（P>0.05）；其中以F1和F2处理作物产量较高，与CK相比作物产量分别增加4.1%和5.18%。

表5 不同地膜处理马铃薯作物产量及经济效益分析Table 5 Analysis of potato crop yield and economic benefits treated with different plastic films

内蒙古阴山北麓每公顷马铃薯种植投入在3.31—3.44万元，其中以农资投入占比最高，占总投入的61%—65%；租地和人工投入每公顷为1.2—1.4万元，其中裸地处理人工投入高于其他处理；地膜回收成本每公顷0.045万元。除F3处理外，其余覆膜处理作物产量和纯利润显著高于 OF处理（P<0.05）；3种降解地膜处理经济效益 1.56×104—2.42×104yuan·hm−2，与 CK 无显著差异（P>0.05），均能达到普通PE地膜水平。

3 讨论

3.1 全生物降解地膜对土壤温度、作物产量的影响

作物生育期土壤温度总体呈先增加后降低的趋势，在马铃薯块茎膨大期（7—8月）出现最高土壤温度，进入成熟期后逐渐下降。7—8月，普通黑色PE地膜的吸热效应能够使土壤温度保持在较高水平；裸地种植中，太阳能够直接照射到土壤表层，土壤温度与各降解地膜相比有所升高。此阶段降解地膜的分解提高了土壤通透性，表现出了在马铃薯生长前期较好的保温性能及在块茎膨大期降低土壤温度的特点，与普通PE地膜相比，全生物降解地膜生育期平均土壤温度稍低，更有利于马铃薯这种喜凉作物的生长发育（贺鹏程等，2020），这也与李海萍等（2017）研究结论一致。

本研究中，3种全生物降解地膜均能达到普通PE地膜作物产量，其中以巴斯夫和上海弘睿 2种全生物降解地膜产量较高，与普通PE地膜相比分别增加5.18%和4.1%。其他相关研究也发现了生物降解地膜对作物的增产效果，如段义忠等（2018）研究发现，与普通PE地膜相比，2种生物降解地膜显著增加了14.06%和23.96%的马铃薯产量；苏海英等（2020）通过新疆加工番茄应用全生物降解地膜可行性研究发现，山东清田和蓝山屯河生物降解地膜与普通PE地膜相比分别增产6%和2.4%。产生这种现象的原因可能是全生物降解地膜的分解补充了土壤微生物的碳源，增强了土壤微生物活性，为马铃薯的生长发育提供了有利的环境条件（Souza et al.，2018；Shen et al.，2019），其次上述中全生物降解地膜对土壤温度的调节作用也更好地满足了马铃薯前期生长发育和后期物质积累所需的温度环境。

3.2 全生物降解地膜降解性能差异

前人多以当季作物生育期内单位面积覆膜破损率和失重率进行降解性能研究，苏海英等（2020）研究发现，以PBAT为主要材料的全生物降解地膜在番茄覆膜后50—65 d进入诱导期，至作物收获后降解率达60%；张妮等（2016）研究的PLA材料全生物降解地膜在棉花覆膜后17—22 d进入诱导期，60 d进入开裂期，覆膜130 d进入破碎期；申丽霞等（2012）研究表明：光氧降解地膜和生物降解地膜在覆膜90 d后进入破碎期，降解率分别为55.48%和39.99%；夏文等（2020）研究发现：PBAT/PBS材料生物降解地膜在覆膜后120 d降解率35.49%—62.01%。本研究选用的上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜作物生育期降解情况与上述研究报道相似，其降解过程和降解机理基本一致，在作物收获前均能稳定进入破碎期，但同一时期地膜降解率较上述研究较小。除地膜厚度、材料、原料配比和自然环境影响外，裸露于地表破碎残膜的缺失是导致上述研究地膜失重率增加的主要原因。在作物覆膜栽培试验中，上海弘睿和巴斯夫降解地膜降解性能要优于兰州鑫银环，与降解地膜填埋试验结果一致。在降解地膜填埋试验中，上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜在填埋后365 d降解完全；兰州鑫银环全生物降解地膜两年分别于填埋540 d和365 d降解完全。产生以上降解差异可能与PBAT和PLA材料配比和生产工艺不同有关（Souza et al.，2018；Morro et al.，2019；Shen et al.，2019）。本研究降解地膜填埋试验区未种植马铃薯，如考虑作物生长对降解地膜的分解影响，则实际降解时间可能会提前，还需进一步研究确定。

本研究中3种PBAT/PLA全生物降解地膜不同年份降解特征也存在明显差异，2020年3种降解膜进入诱导期、开裂期和大裂期的时间均早于 2019年，分析原因可能是2020年土壤平均温度高于2019年（表3），土壤温度的升高会加快聚合物材料分子链断裂，同时提高土壤微生物活性，进一步提高了降解地膜的分解速度（Gil-Castell et al.，2016；徐松等，2018）。

应用全生物降解地膜在解决农田地膜污染、替代普通PE地膜方面具有巨大潜力，具有重要的研究意义。下一步，我们将在此研究基础上加强降解地膜降解性能研究，明确影响降解速率的环境因素和主控因子，为大面积推广应用全生物降解地膜提供科学依据。

4 结论

3种全生物降解地膜表现出了在马铃薯生育前期的增温保墒效果和在块茎膨大期降低土壤温度的特点，生育前期增温保墒性能与普通PE地膜相当，可满足马铃薯的生长需求；上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜降解情况稳定，降解性能优于兰州鑫银环全生物降解地膜；上海弘睿和巴斯夫全生物降解地膜作物产量较高，与CK相比产量分别增加4.1%和5.18%，在减缓农田地膜污染、保护耕地生态环境方面具有较好效果。