甘肅地區(qū)6 種常見可降解地膜降解能力的研究*

李崇霄，唐繼榮，賀 媛，周 濤，潘在寶，栗志強(qiáng)

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理站，蘭州 730000；2.西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

甘肅地區(qū)6 種常見可降解地膜降解能力的研究*

李崇霄1，唐繼榮1，賀 媛2，周 濤1，潘在寶2，栗志強(qiáng)2

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理站，蘭州 730000；2.西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

文章研究了甘肅地區(qū)市面上常見的6種可降解地膜的降解能力。通過黏度法測(cè)定填埋前后地膜的特性黏數(shù)變化，通過紅外光譜測(cè)定地膜填埋前后的結(jié)構(gòu)變化，通過萬能實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定地膜填埋前后的力學(xué)性能變化。結(jié)果表明，6種地膜在填埋3個(gè)月后均有不同程度的降解，但是不同的地膜品種在不同的填埋地點(diǎn)降解能力有較大的區(qū)別。

甘肅地區(qū) 可降解地膜 降解能力

地膜覆蓋具有增溫、保墑、保水等作用[1，2]，在干旱的甘肅地區(qū)被廣泛應(yīng)用[3]，甘肅地區(qū)一年的地膜使用量已經(jīng)達(dá)到了十幾萬噸。但普通的塑料地膜一般為聚乙烯，分子量大、性能穩(wěn)定、難降解、難回收，這些地膜的殘留造成耕層土壤透氣性降低，破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低耕地質(zhì)量；阻礙作物根系發(fā)育和對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收，造成減產(chǎn)。另外，還可能造成土地鹽堿化[4]。因此，解決田地殘余地膜的問題已刻不容緩。目前的解決方法主要有2個(gè)，一個(gè)是采用專門的地膜回收機(jī)械對(duì)殘余地膜進(jìn)行回收。但是，使用機(jī)械進(jìn)行回收一方面要花費(fèi)大量的人力、財(cái)力；另一方面回收的地膜也要進(jìn)行2次回收處理，仍具有很大的環(huán)境問題。另一個(gè)解決此問題的方法是使用可降解地膜來代替?zhèn)鹘y(tǒng)地膜[5]。目前，生產(chǎn)可降解地膜的廠家很多，不同廠家生產(chǎn)的地膜降解能力也有所不同，這就使得地膜的選擇上出現(xiàn)了困難。因此，文章選擇了甘肅市面上主要的6種可降解地膜，研究了經(jīng)過3個(gè)月的填埋試驗(yàn)以后降解的情況，從而分析了地膜降解能力的影響因素，為地膜的選擇和應(yīng)用提供科學(xué)的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年4～7月在甘肅省榆中縣石頭溝和臨夏農(nóng)科院實(shí)驗(yàn)田進(jìn)行。榆中縣石頭溝位于甘肅省中部，年均降雨量350 mm，蒸發(fā)量1 450 mm，年平均氣溫6.7℃，無霜期120 d左右，屬西部干旱山區(qū)，試驗(yàn)區(qū)臨夏農(nóng)科院位于E103°211′、N35°601′之間，年均降雨量537 mm，蒸發(fā)量1 198～1 745 mm；年均日照時(shí)數(shù)2 572.3 h；無霜期137 d。屬溫帶半干旱氣候。試驗(yàn)田為旱地，地勢(shì)平坦。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用甘肅地區(qū)市面上常見的6種可降解地膜，分別編號(hào)為1#～6#。

試驗(yàn)材料在試驗(yàn)區(qū)裝入防蟲袋后進(jìn)行填埋，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，共12個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積20 m2（4m×5 m）。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

地膜降解能力測(cè)試：填埋3個(gè)月后取出清洗觀察。0級(jí)：未出現(xiàn)裂紋；1級(jí)：開始出現(xiàn)裂紋；2級(jí)：田間25%地膜出現(xiàn)細(xì)小裂紋；3級(jí)：地膜出現(xiàn)2～2.5 cm裂紋；4級(jí)：地膜出現(xiàn)均勻網(wǎng)狀裂紋，無大塊地膜存在；5級(jí)：地膜裂解為4×4 cm2以下碎片。

分子量測(cè)定：降解過程是大分子斷裂成小分子的過程，其中最直觀的表征是材料的分子量變化。但由于待測(cè)材料的不確定，使用黏度法測(cè)定材料分子量時(shí)，[η]=KMα中的K與α值無法確定，無法具體確定材料的分子量，但該試驗(yàn)最終目的不是確定材料的分子量而是測(cè)定材料的分子量在降解過程中的變化情況，而對(duì)于一個(gè)確定的高分子溶液體系來說，K與α是確定不變的，此時(shí)，粘均分子量應(yīng)該與特性黏數(shù)成一定的正比關(guān)系，因此可以通過測(cè)定材料的特性黏數(shù)的變化值來分析分子量的變化值，再結(jié)合降解前后力學(xué)性能的變化從而確定材料的降解情況。采用對(duì)二甲苯作為溶劑在135℃下測(cè)定材料特性黏數(shù)。

力學(xué)性能測(cè)試：采用萬能實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定材料在填埋前后拉伸性能的變化。

結(jié)構(gòu)測(cè)試：采用Nicolet10紅外光譜測(cè)定材料結(jié)構(gòu)，樣品為固體膜樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜的降解能力研究

測(cè)定同等條件下不同地膜在分別2個(gè)填埋點(diǎn)填埋前后的分子量變化和力學(xué)能力變化，從而判斷材料的降解能力，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，6種地膜的特性黏數(shù)和力學(xué)能力在填埋以后均有所下降。其中，力學(xué)性能不論材料降解程度的高低均有極大地下降，這可能是由于在填埋過程中材料結(jié)晶性遭到了破壞而引起的。而特性黏數(shù)的下降基本可以與降解程度相對(duì)應(yīng)，說明可以用研究特性黏數(shù)的變化來判斷不同地膜的降解能力。從結(jié)果來看，不同的地膜的降解能力有較大差別。其中，3#樣品的降解能力最好，4#的降解能力最差。同種地膜在不同環(huán)境下降解能力也有所不同，在榆中的降解能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在臨夏的降解能力，這應(yīng)該是與當(dāng)?shù)氐哪杲邓恳约巴寥罈l件有關(guān)系，降水量大有利于地膜在土壤中的降解。

表1 地膜降解性能的研究

圖1 3#樣品降解前后紅外譜圖

圖2 4#樣品降解前后紅外譜圖

2.2 地膜結(jié)構(gòu)對(duì)降解能力的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同地膜的降解能力有所不同。為了確定結(jié)構(gòu)對(duì)降解能力的影響，該文選擇了降解能力最好的3#樣品和降解能力最差的4#樣品，研究了不同地膜在降解前后的紅外譜圖，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1和圖2是3#樣品和4#樣品在臨夏填埋區(qū)填埋前后的紅外譜圖。從上圖中可以看出，3#樣品的主要成分是聚酯，在填埋后酯基有所減少，說明降解的主要機(jī)理就是酯的水解。4#樣品的主要成分是聚乙烯，聚乙烯的性質(zhì)要比聚酯穩(wěn)定。因此，4#樣品的降解能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3#樣品，從譜圖也可以看出，4#樣品在填埋前后結(jié)構(gòu)變化很小。

3 結(jié)論

（1）使用黏度法測(cè)定材料在降解前后的特性黏數(shù)的方法可以較好地表征材料的降解能力。

（2）不同的材料具有不同的降解能力。該次試驗(yàn)中所選用的6種地膜中3#樣品的降解能力最好，4#樣品降解能力最差，材料的降解能力主要與材料本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)系。

（3）材料的降解能力還與所使用的環(huán)境有關(guān)，土壤條件、降水量等都會(huì)影響著地膜的降解能力。因此，在選用地膜的時(shí)候必須考慮到地膜使用環(huán)境，才能更好地發(fā)揮地膜的降解性能。

[1] 張德奇，廖允成，賈志寬．旱區(qū)地膜覆蓋技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展前景．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（1）：208～213

[2] 許香春，王朝云．國(guó)內(nèi)外地膜覆蓋栽培現(xiàn)狀及展望．中國(guó)麻業(yè)，2006，28（1）：6～11

[3] 晉小軍，李國(guó)琴，潘榮輝．甘肅高寒陰濕地區(qū)地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響．中國(guó)馬鈴薯，2004，（4）：33～35

[4] 嚴(yán)昌榮，梅旭榮，何文清，等．農(nóng)用地膜殘留污染的現(xiàn)狀與防治．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（11）：269～272

[5] 劉敏，黃占斌，楊玉姣．可生物降解地膜的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)．中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，24（9）：439～443

*資助項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部可降解地膜對(duì)比試驗(yàn)項(xiàng)目