不同地膜的降解性能及對煙株生長和土壤環(huán)境的影響

樊俊 譚軍 鄧建強(qiáng) 彭五星 趙秀云 鄭海洲 朱宗第

摘??要：針對普通地膜殘膜導(dǎo)致農(nóng)田土壤污染現(xiàn)象，進(jìn)行了生物降解地膜、光氧降解地膜、普通地膜覆蓋及露地栽培煙草的田間對比試驗，研究了地膜的降解性能及對煙株生長和烤后煙葉化學(xué)成分、土壤溫度、水分、酶活性和微生物群落的影響。結(jié)果表明，生物降解地膜的降解性能優(yōu)于光氧降解地膜，在覆膜245 d后地膜質(zhì)量損失率達(dá)59.9%。地膜覆蓋的烤煙農(nóng)藝性狀、煙葉產(chǎn)量和化學(xué)成分協(xié)調(diào)性好于露地對照，其中以普通地膜效果最好，其次為生物降解地膜。在煙株生長前期，兩種降解地膜處理的壟體溫度、水分含量高于露地對照，差于普通地膜;在煙株生長中后期則與普通地膜差異較小。覆膜處理提高了土壤酸性磷酸酶活性，增加了土壤中細(xì)菌和真菌OTU數(shù)量。降解地膜處理提高了細(xì)菌微生物群落內(nèi)物種分布的多樣性和均勻度;減少了土壤真菌微生物多樣性。本研究認(rèn)為，生物降解地膜降解性好于光氧降解地膜，對煙株生長、土壤酶活性和微生物數(shù)量、多樣性的影響與普通地膜差異不顯著，應(yīng)用于煙草生產(chǎn)是可行的。

關(guān)鍵詞：地膜;降解;土壤溫度;土壤水分;酶活性;微生物群落

中圖分類號：S572.01 ?????????文章編號：1007-5119（2019）04-0022-07 ?????DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.04.004

Degradation Property of Degradable Films?and Their?Effects?on Flue-cured Tobacco Development and Soil Ecological Environment

FAN Jun， TAN Jun， DENG Jianqiang， PENG Wuxing， ZHAO Xiuyun， ZHENG Haizhou， ZHU Zongdi

（1. Enshi Prefecture Company of Hubei Provincial Tobacco Corporation， Enshi， Hubei 445000， China; 2. College of Life Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Aiming at decreasing agricultural pollution caused by plastic films， degradation of photo-oxygen degradation?and bio-degradable films and their effects on flue-cured tobacco development， soil temperature， moisture， enzyme activities and microbial community were studied and the?results were compared with?plastic film and open field. The results indicated that the degradation performance of bio-degradable film was better than photo-oxygen degradation film， with?a?mass loss rate of 59.9% after applied to flue-cured tobacco for?245 days. The development， biomass and compatibility of conventional chemical constituents of flue-cured tobacco increased markedly by film covering compared with open field， and the effects of plastic film was the best， followed by bio-degradable film， last for photo-oxygen degradation film. At?the early stages?of the tobacco plant growth， the temperature and moisture content of soil treated with two kinds of degradable film were higher than that of the open field， which was significantly lower than that of the plastic film. At?the middle and later stages?of the tobacco plant growth， it was similar to that of the plastic film. Film covering increased significantly the soil acid phosphatase activities?and the OTUs of soil bacteria and fungi. In addition， the microbial diversity and evenness of soil fungi and soil bacteria were decreased and improved separately with the treatments?of biodegradable film and photo-oxygen degradation film. Bio-degradable film had excellent degradability， and no significant difference in the development of flue-cured tobacco and soil enzyme activities， microbial diversity and evenness with plastic film， suggesting?that it could be applied to tobacco production.

film; degradation; soil temperature; soil moisture; enzyme activity; microbial community

地膜覆蓋可有效提高地溫、保蓄水土、減少養(yǎng)分流失、促進(jìn)移栽植株的根系生長發(fā)育，是農(nóng)作物重要的栽培措施之一。煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，年均栽培面積達(dá)106.7萬hm左右，普通地膜

基金項目：中國煙葉公司技術(shù)改進(jìn)項目“不同降解地膜對比試驗與示范”（2091709）

用量每年達(dá)5萬多噸，大量的塑料地膜殘留，嚴(yán)重影響了煙葉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。普通農(nóng)業(yè)地膜殘膜難以降解，造成土壤中的水、氣、肥等流動受阻，土壤結(jié)構(gòu)被破壞、耕地質(zhì)量下降、作物產(chǎn)量降低等一系列問題。目前我國地膜殘留量一般在60～90 kg/hm，最高達(dá)165 kg/hm。研究表明，土壤中殘膜含量達(dá)58.5 kg/hm，作物產(chǎn)量顯著降低。此外，大量殘膜積聚于耕層，嚴(yán)重影響機(jī)耕作業(yè)及機(jī)耕質(zhì)量，在百年后殘膜降解，造成土壤環(huán)境嚴(yán)重污染，后患無窮。因此，農(nóng)業(yè)地膜殘膜的污染治理問題受到各界的廣泛關(guān)注。目前，治理農(nóng)膜污染問題的措施，主要是從源頭解決，開發(fā)出綠色環(huán)保的全降解地膜，是解決農(nóng)田“白色污染”這一難題的最理想途徑。近年來，新型可降解地膜（生物降解地膜和光氧降解地膜）等環(huán)保材料先后問世。有研究表明，降解地膜在光氧化、水解、土壤酶等作用下，分子鏈發(fā)生斷裂，進(jìn)而被降解成小分子，從而有效減少殘膜對環(huán)境的污染。

當(dāng)前煙區(qū)應(yīng)用降解地膜的研究主要集中于不同類型材料的降解性能、覆蓋效應(yīng)的對比分析^[6，9-11]，關(guān)于應(yīng)用降解地膜對煙株生長及土壤生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)研究較少。本研究選用生物降解地膜（聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯共聚物的地膜）、光氧降解地膜（聚乙烯+光敏劑的地膜）和普通地膜（聚乙烯），探討不同降解地膜的降解性能及對植煙土壤水分、溫度、酶活性和真菌微生物的影響，為可降解地膜大面積應(yīng)用于煙葉生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗區(qū)概況

試驗于2017年3—12月在湖北省恩施州宣恩縣椒園鎮(zhèn)涼風(fēng)村進(jìn)行。試驗區(qū)位于北緯29°9772'，東經(jīng)?109°3943'，海拔800 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤型山地氣候。年均氣溫13.7 ℃，無霜期263 d，年降水量1 635.3 mm，年日照時數(shù)1 212.4 h。試驗田為水改旱地，地勢平坦，土壤類型為黃棕壤。試驗前耕層土壤（0～20 cm）的pH值為5.37，有機(jī)質(zhì)?18.5 g/kg，堿解氮105.2 mg/kg，速效鉀223.3 mg/kg，速效磷18.3 mg/kg。

1.2 ?試驗材料與設(shè)計

試驗用生物降解地膜（PBAT，聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯共聚物的地膜）、光氧降解地膜（聚乙烯+光敏劑的地膜）由武漢華麗生物股份有限公司生產(chǎn)，普通地膜（聚乙烯）由恩施市卷煙材料廠生產(chǎn)，所有膜寬均為90 cm，膜厚均為0.010 mm。試驗設(shè)置普通塑料地膜（PF）、生物降解地膜（BDF）、光氧降解地膜（PDF）、露地對照（NF）共4個處理，每個處理栽煙60株（4行，每行15株），設(shè)置3次重復(fù)，共栽煙720株，品種為云煙87。覆膜時間為4月18日，移栽時間為4月29日，煙株采用全生育期覆膜方式，煙葉采收完成后，地膜仍然保留進(jìn)行降解程度觀察，在來年翻耕時才清除。

1.3 ?測定項目與方法

地膜降解速度：覆膜后每隔15 d定點(diǎn)觀察記錄1次地膜降解情況。地膜降解分級指標(biāo)：0級：未出現(xiàn)裂紋;1級：開始出現(xiàn)裂紋;2級：田間25%地膜出現(xiàn)細(xì)小裂紋;3級：地膜出現(xiàn)2～2.5 cm裂紋;4級：地膜出現(xiàn)均勻網(wǎng)狀裂紋，無大塊地膜存在;5級：地膜裂解為4 cm×4 cm以下碎片。

在移栽后0、30、150、180和245 d分別選取3處90 cm×50 cm的覆膜面積，進(jìn)行地膜收集，標(biāo)記后，帶回實驗室洗凈、晾干、稱其質(zhì)量。在煙株“井窖”封口期、中部葉采烤期和煙葉采收結(jié)束時，選擇連續(xù)3 d沒有降雨、天氣晴朗的上午10～11時，采用PMS-714便攜式土壤水分儀測定耕層壟體水分含量、用SMART數(shù)顯溫度計測定耕層壟體溫度，測定深度均為15 cm。每試驗小區(qū)選取5株長勢正常的煙株，在旺長期（6月16日）測定株高、葉數(shù)、最大葉長、最大葉寬。煙葉分小區(qū)掛牌采收，烘烤后分級、測產(chǎn)，選取中部葉C3F樣品進(jìn)行單葉重測定和主要常規(guī)化學(xué)指標(biāo)分析。在煙株采收完成后，取0～20 cm耕層土壤樣品測定酶活性，采用土壤DNA抽提試劑盒Fast DNA? SPIN Kit for Soil（Qbiogene， Inc. USA）提取土樣的總DNA。借助

于16S rDNA和18S rDNA的通用引物來對提取的土壤總DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增，通過高通量測序技術(shù)對擴(kuò)增序列進(jìn)行測序比對，使用USEARCH方法，對各樣品的Effective Tags進(jìn)行聚類，將序列相似性達(dá)到97%的序列聚類生成操作分類單元（Operational Taxonomic Units，OTU）。

1.4 ?數(shù)據(jù)處理

利用DPS 7.05和Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 ?結(jié)??果

2.1 ?不同地膜的降解性能

普通地膜處理，隨著覆膜時間的延長，地膜破裂程度較慢，出現(xiàn)了少量縱向的裂紋，245 d達(dá)到降解2級（表1）;生物降解地膜處理，覆膜60 d出現(xiàn)小裂口，90 d出現(xiàn)大裂口，韌性變差，180 d壟體覆蓋程度降低明顯，245 d壟體殘留較少，達(dá)降解5級;光氧降解地膜在覆膜40 d出現(xiàn)了少量小裂口，60 d出現(xiàn)了大裂口，韌性變差，180 d破裂成較多碎片，245 d壟體有大量殘留，達(dá)降解4級。

由圖1可見，隨著時間的推移，普通地膜、生物降解地膜和光氧降解地膜處理殘留地膜質(zhì)量呈先增加再降低的趨勢，在覆膜30 d后質(zhì)量達(dá)到最大值，在覆膜245 d各處理地膜殘留量降低達(dá)最小值，分別較初始地膜降低了11.8%、59.9%和36.0%，降解幅度最大的為生物降解地膜，其次為光氧降解地膜，普通膜最差

2.2 ??不同地膜覆蓋對煙株生長的影響

表2示出，煙株旺長期株高、葉片數(shù)、最大葉長、最大葉寬指標(biāo)表現(xiàn)為普通地膜>生物降解地膜>光氧降解地膜>>露地對照。生物降解地膜和光氧降解地膜處理，烘烤后中部葉單葉重分別為9.26和9.43 g，與普通膜處理相近，顯著好于露地對照;烘烤后煙葉產(chǎn)量分別為1 248.30和1 356.90 kg/hm，低于普通膜處理，顯著高于露地對照。

2.3 ?不同地膜覆蓋對煙葉化學(xué)成分的影響

一般優(yōu)質(zhì)烤煙適宜的煙堿含量為1.5%～3.5%、還原糖含量為16%～18%、氯含量為0.2%～0.6%、總糖含量為18%～22%、鉀含量大于2%、糖堿比為8.5～13.5。由表3可見，不同地膜處理中部葉煙堿含量差異不明顯，以普通地膜處理較適宜;還原糖含量以普通地膜和生物降解地膜處理較高，覆膜處理的總糖含量均較高;鉀含量差異不顯著，糖堿比偏高。綜合分析比較，不同地膜覆蓋對煙葉化學(xué)性狀的影響差異較小，較適宜的為普通膜處理。

2.4 ?不同地膜覆蓋對土壤溫度和水分的影響

圖2示出，在煙株“井窖”封口時（5月16日），覆蓋生物降解地膜和光氧降解地膜處理的壟體溫度為21.3和23.0 ℃，較露地處理的20.7 ℃增加了0.6和2.3 ℃，但較普通膜處理的29.0 ℃降低了6.0和7.7 ℃。在中部葉采烤期（7月18日）和煙葉采收結(jié)束時（9月3日）各地膜處理壟體土壤溫度差異不顯著。說明在煙株生長前期，降解地膜的保溫性明顯低于普通膜，但較露地處理稍好;而在煙株生長中后期，降解地膜與普通地膜效果相當(dāng)，稍低于露地對照，但差異不顯著。

圖3示出，在“井窖”封口時（5月16日），覆蓋生物降解地膜和光氧降解地膜處理壟體濕度為18.7%和22.0%，較普通膜處理的22.3%降低了0.3%和3.6%，較露地處理的18.4%增加了0.3%和3.6%;在中部葉采烤期（7月18日）不同覆膜處理間壟體濕度差異不顯著，均顯著低于露地處理;在煙葉采收完成后，各處理間壟體濕度差異不顯著。說明降解地膜在煙株生長前期有一定的保濕作用，但效果較普通膜差;而在煙株生長中后期，各覆膜處理的保濕作用非常小，更多是阻礙了水分進(jìn)入壟體。

2.5 ?不同地膜覆蓋對壟體土壤酶活性的影響

土壤酶活性反映了土壤中各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向，不同地膜對土壤酶活性的影響見表4。土壤中的脲酶活性，以光氧降解地膜處理最高，為14.794 mg NH-N/（g·d），其次為露地處理的

7.022 mg NH-N/（g·d），生物降解地膜處理與普通膜處理較接近，顯著低于光氧降解地膜處理。酸性磷酸酶活性以普通地膜處理最高，其次為生物降解地膜處理，光氧降解地膜處理和露地處理較差。土壤中的蔗糖酶活性和纖維素酶活性均以光氧降解地膜處理最低，分別為20.223和0.008 mg葡萄糖/（g·d），其次為普通地膜處理和生物降解地膜處理，露地處理最高。綜合分析比較，覆膜處理主要提高了土壤酸性磷酸酶活性，對脲酶、蔗糖酶和纖維素酶活性影響規(guī)律不明顯。

2.6 ?不同地膜覆蓋對壟體土壤微生物OTU數(shù)量的影響

如圖4所示，真菌OTU值最高的為裸地對照處理，其次為生物降解地膜處理;細(xì)菌OTU值最高的為光氧降解地膜處理，其次為生物降解地膜處理;覆膜處理土壤微生物OTU數(shù)量為7646～8164，明顯高于不覆膜處理的6948，說明地膜覆蓋有利于土壤微生物數(shù)量的提高，以生物降解地膜效果較好。

2.7 ?不同地膜覆蓋對壟體土壤微生物多樣性的影響

Shannon指數(shù)是廣泛應(yīng)用的物種多樣性指數(shù)之一，其值越高則群落中各物種具有越大的均勻度，群落物種多樣性越高。由圖5、6可得知，土壤真菌Shannon指數(shù)最高的為普通地膜處理，裸地不覆膜處理Shannon指數(shù)與普通膜處理接近，其次為生物降解地膜處理，光氧降解地膜處理相對最低;土壤細(xì)菌Shannon指數(shù)最高的為生物降解地膜處理，其次為光氧降解地膜處理，再次為普通地膜處理，不覆膜處理最低。綜合結(jié)果表明兩種降解地膜的使用降低了土壤真菌微生物多樣性，增加了細(xì)菌微生物群落內(nèi)物種分布的多樣性和均勻度，其中生物降解地膜處理的效果好于光氧降解地膜處理。

3 ?討??論

可降解地膜的降解速度和降解強(qiáng)度因原材料組成、產(chǎn)品配方、誘導(dǎo)期設(shè)計等的差異而表現(xiàn)不同。楊龍祥等研究表明，生物降解膜從覆蓋15 d后便有明顯降解，至120 d 揭膜時累計降解率接近70%。在烤煙生產(chǎn)中應(yīng)用生物降解地膜，在覆膜20 d后出現(xiàn)細(xì)小裂縫，45 d大面積出現(xiàn)降解，150 d地面殘留較少，而普通地膜無降解變化，地面殘留量較多。本研究中的生物降解地膜在覆膜60 d后開始出現(xiàn)破裂，光氧降解地膜40 d出現(xiàn)破裂，245 d的質(zhì)量損失率分別達(dá)到59.9%和36.0%，盡管不同可降解地膜的降解速度和降解強(qiáng)度有一定差異，但其降解過程與前人研究結(jié)果相似。本研究中，不同地膜在覆膜后，地膜質(zhì)量呈先增加再降低的趨勢，在覆膜30 d后各種地膜的質(zhì)量較初始地膜有一定程度的提升，可能由于降解地膜裂解前的氧化、水解等因素引起，具體原因還有待探討。

壟體地膜覆蓋后，膜下大量水珠和高濕度的空氣阻擋了土壤的長波輻射，抑制了土壤和大氣的水熱交換，改善了膜下水熱循環(huán)，減小了土壤蒸發(fā)，能有效提高土壤溫度和含水量。本研究中，在煙株“窖口”封口期，生物降解地膜和光氧降解地膜覆蓋有助于提高壟體土壤溫度和濕度，但效果差于普通地膜，說明降解地膜的保溫性和保濕性還有待加強(qiáng)，與劉曉偉等在棉花上應(yīng)用降解地膜的結(jié)論相一致，可能原因一方面為降解地膜材料透水性大于普通塑料地膜材料;另一方面降解地膜較普通地膜易破口，導(dǎo)致其保溫保濕性差于普通地膜。在烤煙中部葉采收時期至采收結(jié)束，降解地膜的保溫性與普通地膜類似，相對于露地對照有降低壟體濕度的作用，可能由于煙株生長中后期氣溫較高、降雨較多、煙株長勢旺盛、植株壟體覆蓋度高，導(dǎo)致地膜對壟體溫度的影響不明顯，而主要作用變?yōu)楦艚^雨水，降低了壟體濕度;另外，覆膜處理較不覆蓋處理煙株生物量大，蒸騰量也較大，也會導(dǎo)致覆膜處理土壤含水量較低。本研究中烤煙的生長和烤后煙葉常規(guī)化學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)最好的為普通地膜處理，其次為生物降解地膜和光氧降解地膜，但均顯著好于露地對照，可能原因為兩種降解地膜在煙株生長的前期保溫性、保水性不足，對煙株早生快發(fā)不利、煙株主要農(nóng)藝性狀的生長發(fā)育受到一定限制等不利因素的影響。因此，后續(xù)研究需要重點(diǎn)提高降解地膜的保溫性和保濕性，才能使其更好的應(yīng)用于煙葉生產(chǎn)。

不同的地膜覆蓋對土壤酶活性、微生物數(shù)量及活性等有重要影響。有研究表明地膜覆蓋增強(qiáng)了土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶的活性，卻降低了過氧化氫酶和脲酶的活性。液態(tài)降解地膜覆蓋棉田顯著增加土壤中細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量，增強(qiáng)土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和中性磷酸酶活性。本研究中，覆膜處理顯著提高了土壤酸性磷酸酶活性，與前人的研究結(jié)果一致;對脲酶、蔗糖酶和纖維素酶活性影響規(guī)律不明顯，可能與不同地膜材料的保溫保濕性和降解程度的差異有關(guān)。

土壤中微生物多樣性與環(huán)境變化有很大關(guān)系，植物凋落物或殘留物中碳氮的生化組成、可利用程度、土壤養(yǎng)分含量等均影響著土壤微生物的多樣性。本研究表明煙葉采收結(jié)束后，覆膜處理土壤微生物總OTU數(shù)量明顯高于不覆膜處理，這與地膜覆蓋顯著增加了表層土壤微生物數(shù)量的研究結(jié)論一致;另外，露地對照土壤壟體中的真菌數(shù)量最多，稍高于生物降解地膜處理，明顯高于普通地膜和光氧降解地膜，說明煙田覆蓋地膜有降低土壤真菌微生物的趨勢，可能原因為在煙葉采收結(jié)束后，地膜覆蓋對土壤保溫效果不明顯，反而阻礙了外界水分進(jìn)入壟體，降低了真菌微生物的活性。

普通地膜覆膜處理，土壤真菌和細(xì)菌微生物多樣性均好于不覆膜處理，說明覆蓋普通地膜處理壟體土壤環(huán)境受外界影響變小，微生物的群落結(jié)構(gòu)更加均勻和穩(wěn)定，可有效提高壟體土壤微生物的均勻性和穩(wěn)定性;同時，兩種降解地膜處理有降低土壤真菌微生物多樣性和增加細(xì)菌微生物多樣性的趨勢，可能與不同地膜的材料成分、結(jié)構(gòu)、破裂程度等有關(guān)系，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

4 ?結(jié)??論

試驗結(jié)果表明，生物降解地膜的降解性能優(yōu)于光氧降解地膜和普通地膜。地膜覆蓋的烤煙旺長期農(nóng)藝性狀、烤后煙葉常規(guī)化學(xué)成分協(xié)調(diào)性和產(chǎn)量好于露地對照，其中以普通地膜處理最好。生物降解地膜和光氧降解地膜處理在煙株生長前期對壟體的保溫性、保水性差于普通地膜，高于露地對照，在煙株生長中后期則與普通地膜相當(dāng)。地膜覆蓋提高了土壤酸性磷酸酶活性和土壤微生物OTU數(shù)量。兩種降解地膜的使用降低了土壤真菌微生物多樣性，增加了細(xì)菌微生物群落內(nèi)物種分布的多樣性和均勻度。

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