聚乙烯降解產(chǎn)物對小麥生長中期土壤養(yǎng)分、水分和pH值的影響

趙 萍,唐永金

(西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,中國 綿陽 621000)

至2009年,我國地膜覆蓋面積達(dá)15 500 km2[1],地膜覆蓋技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益[2]、增加作物產(chǎn)量的同時(shí),也帶來土壤危害和環(huán)境污染[3-7]．普通地膜的降解性很差,隨著土壤中殘膜的增加,土壤團(tuán)聚體含量、抗蝕指數(shù)、團(tuán)聚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、N、P、K含量、土壤微生物量均表現(xiàn)出降低的趨勢[8],土壤通氣透水性降低,作物種子發(fā)芽困難,根系生長受阻,從而引起作物減產(chǎn)[9]．為解決普通地膜難降解導(dǎo)致的生態(tài)問題,可降解地膜的研究得到人們的重視．其中,以聚乙烯(PE)為原料添加光敏劑的光降解地膜,受到廣泛關(guān)注[10-16]．可降解地膜的降解產(chǎn)物為碎片、粉末和低分子質(zhì)量化合物[17]．關(guān)于可降解地膜碎片對土壤和作物的影響已有研究[18-19],但聚乙烯粉末和低分子化合物對土壤養(yǎng)分有何影響,目前未見報(bào)道．生產(chǎn)地膜的聚乙烯目前主要以線形低密度聚乙烯(LLDPE)為主[20]．本試驗(yàn)用LLDPE，相對分子質(zhì)量分別為5 000、3 000、2 000的聚乙烯來模擬聚乙烯地膜的降解產(chǎn)物,以不同用量模擬殘留量,分別研究對小麥生長中期土壤養(yǎng)分的影響,為以聚乙烯為原料的可降解地膜的推廣提供依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與土壤

聚乙烯:LLDPE(線形低密度聚乙烯)相對分子質(zhì)量分別為5 000、3 000、2 000的聚乙烯．

小麥品種:川麥30．

試驗(yàn)土壤為紫色壤土,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω(有機(jī)質(zhì))=2.21%、ω(全氮)=0.164%、ω(全磷)=84.8×10-5、ω(全鉀)=1.91%、ω(堿解氮)=9.52%、ω(有效磷)=2.7×10-5、ω(速效鉀)=7.83×10-5、 pH 8.0．

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4種聚乙烯,每種聚乙烯施用量為0、7、35、70、140、350、700、1 050和1 400 g/m2共9個(gè)用量,36個(gè)處理,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),6次重復(fù)．

1.3 試驗(yàn)經(jīng)過

試驗(yàn)于2010年10月～2011年5月在西南科技大學(xué)農(nóng)場進(jìn)行．盆栽試驗(yàn),盆高31.5 cm,盆口直徑25.7 cm．根據(jù)盆口3 cm處(裝土高度)直徑和盆底直徑,計(jì)算得到每盆平均土壤面積為0.064 m2,按此面積和各聚乙烯降解產(chǎn)物設(shè)計(jì)用量,計(jì)算各處理6盆用量．根據(jù)每盆裝土質(zhì)量,稱取6盆所裝土壤質(zhì)量(共計(jì)干重98.22 kg),按照每10 kg干土拌100 g油枯粉和50 g復(fù)合肥(ω(N)15%-ω(P2O5)15%-ω(K2O)15%),再拌合相應(yīng)處理的聚乙烯降解產(chǎn)物,然后定量分裝成6盆(重復(fù))．小麥于2010年10月30日播種,11月5日定苗,每盆15株．播種和生長期間澆水,每盆定量一致,其他管理措施各處理相同．在小麥生長中期(拔節(jié)期),即2月13日用自制土壤取樣器,每盆取0～15 cm處的土壤,按處理混合后,取100 g濕土用烘干法測定土壤水分．其余土壤在室內(nèi)風(fēng)干2個(gè)月后,在西南大學(xué)土壤農(nóng)化與生命元素分析試驗(yàn)室分析有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值．各指標(biāo)的分析方法是,有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀容量法(外加熱法),堿解氮：堿水解法,有效磷：Olsen法；速效鉀：pH值為7的1 mol/L NH4Ac提取-火焰光度法,pH值：1∶1土水比電極法．

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用2007版Excel表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．

2 結(jié)果與分析

2.1 聚乙烯降解產(chǎn)物對土壤養(yǎng)分、水分和pH值的影響

各施用量平均,聚乙烯降解產(chǎn)物對土壤養(yǎng)分和水分均有一定影響,但不同降解產(chǎn)物的影響不全相同．從圖1a可以看出,聚乙烯降解產(chǎn)物對pH值的影響變化波動大,相對分子質(zhì)量為2 000的聚乙烯處理土壤的pH值大于0處理的土壤(CK),相對分子質(zhì)量為3 000處理的小于CK,而相對分子質(zhì)量為5 000和LLDPE處理的與CK接近．除LLDPE外,其余降解產(chǎn)物均使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加(圖1b),堿解氮含量略有降低(圖1c)．圖1d和圖1f表明,使用聚乙烯降解產(chǎn)物土壤的速效鉀和水分含量均高于CK,相對分子質(zhì)量為3 000處理的最高,分別是CK的1.05、1.06倍．圖1e顯示,除相對分子質(zhì)量為5 000處理的外,其余聚乙烯降解產(chǎn)物處理土壤的有效磷含量均高于CK．總體而言,聚乙烯降解產(chǎn)物對土壤養(yǎng)分和水分多為有利影響．

表示CK(0處理)的含量;表示處理的含量.圖1 聚乙烯降解產(chǎn)物對小麥生長中期土壤養(yǎng)分、水分和pH值的影響

2.2 聚乙烯殘留量對土壤養(yǎng)分、水分和pH值的影響

用聚乙烯降解產(chǎn)物使用量模擬殘留量,4種不同相對分子質(zhì)量降解產(chǎn)物平均,不同殘留量對土壤指標(biāo)的影響情況見圖2a～f中散點(diǎn)圖．利用回歸方程模擬,得到各土壤指標(biāo)與聚乙烯殘留量的回歸模型如下:

圖2 聚乙烯殘留量對小麥生長中期土壤養(yǎng)分、水分和pH值的影響

Y1= -0.03ln(x)+7.005 (r=0.780*),

(1)

Y2= -2×10-6x2+0.005x+23.29 (r=0.903**),

(2)

Y3= 5×10-6x2-0.041x+419.4 (r=0.786*),

(3)

Y4= 2×10-5x2-0.031x+538.8 (r=0.769*),

(4)

Y5= -4×10-6x2+0.016x+183.5 (r=0.917**),

(5)

Y6= -3×10-7x2+0.001x+22.16 (r=0.534).

(6)

在(1)～(6)式中,Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6分別代表土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷和水分含量,x代表聚乙烯殘留量．除水分含量(Y6)外,聚乙烯殘留量與其他指標(biāo)的回歸方程均達(dá)到顯著或極顯著水平,說明這些指標(biāo)用相應(yīng)的方程擬合是有效的．各指標(biāo)擬合方程的曲線見圖2a～f．

根據(jù)圖2a～f和公式(1)～(6),聚乙烯殘留量(施用量)對不同土壤指標(biāo)的影響不同．土壤pH值(圖2a)隨聚乙烯殘留量增加呈對數(shù)曲線下降．堿解氮(圖2c)、速效鉀(圖2d)隨聚乙烯殘留量呈二次曲線降低,但在低殘留量時(shí)均高于0殘留量．有機(jī)質(zhì)、有效磷和水分含量隨殘留量呈二次曲線增加．

3 結(jié)論和討論

本試驗(yàn)表明,不同聚乙烯降解產(chǎn)物對土壤養(yǎng)分指標(biāo)影響不同．相對分子質(zhì)量為2 000的聚乙烯降解產(chǎn)物明顯提高土壤pH值,相對分子質(zhì)量為3 000的使土壤pH值明顯降低,相對分子質(zhì)量為5 000的和LLDPE對土壤pH值影響很?。骶垡蚁┙到猱a(chǎn)物均能提高土壤速效鉀和水分含量；除LLDPE外,能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量；除相對分子質(zhì)量為5 000的外,能提高有效磷含量；除LLDPE外,堿解氮含量均低于CK,但有隨聚乙烯降解產(chǎn)物相對分子質(zhì)量增加而增加的趨勢．因此,聚乙烯降解產(chǎn)物對小麥生長中期土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和水分含量多有增加作用,對堿解氮含量多有降低的作用．

我國近年單位面積農(nóng)田地膜覆蓋量7 g/m2左右,本研究以1年殘留7 g/m2,,并假設(shè)不分解減少,模擬了累計(jì)1年、5年、10年、20年、50年、100年、150年和200年的殘留量對土壤的影響．結(jié)果顯示各聚乙烯殘留量均使土壤pH值明顯降低,對土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和水分含量多有增加作用,低殘留量對堿解氮和速效鉀有增加作用,高殘留量對堿解氮和速效鉀有降低作用．

總體而言,本研究所模擬的聚乙烯降解產(chǎn)物及其殘留量對小麥生長中期(2月中旬)土壤養(yǎng)分和水分有增加作用,有利于小麥穗的分化發(fā)育,小麥平均穗長增加3.83%,小穗數(shù)增加18.75%．可降解聚乙烯地膜降解后是不同相對分子質(zhì)量的聚乙烯粉末,不同于普通地膜裂解后的碎片,不會影響土壤通氣透水性能,也不會阻礙作物根系生長．這些降解產(chǎn)物對土壤養(yǎng)分有不同的影響,影響機(jī)理值得進(jìn)一步研究．

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