赵 萍,唐永金

(西南科技大学生命科学与工程学院,中国 绵阳 621000)

至2009年,我国地膜覆盖面积达15 500 km2[1],地膜覆盖技术给农业带来巨大经济效益[2]、增加作物产量的同时,也带来土壤危害和环境污染[3-7]．普通地膜的降解性很差,随着土壤中残膜的增加,土壤团聚体含量、抗蚀指数、团聚度、土壤有机质含量、N、P、K含量、土壤微生物量均表现出降低的趋势[8],土壤通气透水性降低,作物种子发芽困难,根系生长受阻,从而引起作物减产[9]．为解决普通地膜难降解导致的生态问题,可降解地膜的研究得到人们的重视．其中,以聚乙烯(PE)为原料添加光敏剂的光降解地膜,受到广泛关注[10-16]．可降解地膜的降解产物为碎片、粉末和低分子质量化合物[17]．关于可降解地膜碎片对土壤和作物的影响已有研究[18-19],但聚乙烯粉末和低分子化合物对土壤养分有何影响,目前未见报道．生产地膜的聚乙烯目前主要以线形低密度聚乙烯(LLDPE)为主[20]．本试验用LLDPE，相对分子质量分别为5 000、3 000、2 000的聚乙烯来模拟聚乙烯地膜的降解产物,以不同用量模拟残留量,分别研究对小麦生长中期土壤养分的影响,为以聚乙烯为原料的可降解地膜的推广提供依据．

1 材料与方法

1.1 试验材料与土壤

聚乙烯:LLDPE(线形低密度聚乙烯)相对分子质量分别为5 000、3 000、2 000的聚乙烯．

小麦品种:川麦30．

试验土壤为紫色壤土,有机质质量分数ω(有机质)=2.21%、ω(全氮)=0.164%、ω(全磷)=84.8×10-5、ω(全钾)=1.91%、ω(碱解氮)=9.52%、ω(有效磷)=2.7×10-5、ω(速效钾)=7.83×10-5、 pH 8.0．

1.2 试验设计

4种聚乙烯,每种聚乙烯施用量为0、7、35、70、140、350、700、1 050和1 400 g/m2共9个用量,36个处理,随机区组设计,6次重复．

1.3 试验经过

试验于2010年10月～2011年5月在西南科技大学农场进行．盆栽试验,盆高31.5 cm,盆口直径25.7 cm．根据盆口3 cm处(装土高度)直径和盆底直径,计算得到每盆平均土壤面积为0.064 m2,按此面积和各聚乙烯降解产物设计用量,计算各处理6盆用量．根据每盆装土质量,称取6盆所装土壤质量(共计干重98.22 kg),按照每10 kg干土拌100 g油枯粉和50 g复合肥(ω(N)15%-ω(P2O5)15%-ω(K2O)15%),再拌合相应处理的聚乙烯降解产物,然后定量分装成6盆(重复)．小麦于2010年10月30日播种,11月5日定苗,每盆15株．播种和生长期间浇水,每盆定量一致,其他管理措施各处理相同．在小麦生长中期(拔节期),即2月13日用自制土壤取样器,每盆取0～15 cm处的土壤,按处理混合后,取100 g湿土用烘干法测定土壤水分．其余土壤在室内风干2个月后,在西南大学土壤农化与生命元素分析试验室分析有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量和pH值．各指标的分析方法是,有机质：重铬酸钾容量法(外加热法),碱解氮：碱水解法,有效磷：Olsen法；速效钾：pH值为7的1 mol/L NH4Ac提取-火焰光度法,pH值：1∶1土水比电极法．

1.3 数据分析方法

采用2007版Excel表进行数据分析．

2 结果与分析

2.1 聚乙烯降解产物对土壤养分、水分和pH值的影响

各施用量平均,聚乙烯降解产物对土壤养分和水分均有一定影响,但不同降解产物的影响不全相同．从图1a可以看出,聚乙烯降解产物对pH值的影响变化波动大,相对分子质量为2 000的聚乙烯处理土壤的pH值大于0处理的土壤(CK),相对分子质量为3 000处理的小于CK,而相对分子质量为5 000和LLDPE处理的与CK接近．除LLDPE外,其余降解产物均使土壤有机质含量增加(图1b),碱解氮含量略有降低(图1c)．图1d和图1f表明,使用聚乙烯降解产物土壤的速效钾和水分含量均高于CK,相对分子质量为3 000处理的最高,分别是CK的1.05、1.06倍．图1e显示,除相对分子质量为5 000处理的外,其余聚乙烯降解产物处理土壤的有效磷含量均高于CK．总体而言,聚乙烯降解产物对土壤养分和水分多为有利影响．

表示CK(0处理)的含量;表示处理的含量.图1 聚乙烯降解产物对小麦生长中期土壤养分、水分和pH值的影响

2.2 聚乙烯残留量对土壤养分、水分和pH值的影响

用聚乙烯降解产物使用量模拟残留量,4种不同相对分子质量降解产物平均,不同残留量对土壤指标的影响情况见图2a～f中散点图．利用回归方程模拟,得到各土壤指标与聚乙烯残留量的回归模型如下:

图2 聚乙烯残留量对小麦生长中期土壤养分、水分和pH值的影响

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分别代表土壤pH值、有机质、碱解氮、速效钾、有效磷和水分含量,x代表聚乙烯残留量．除水分含量(Y6)外,聚乙烯残留量与其他指标的回归方程均达到显著或极显著水平,说明这些指标用相应的方程拟合是有效的．各指标拟合方程的曲线见图2a～f．

根据图2a～f和公式(1)～(6),聚乙烯残留量(施用量)对不同土壤指标的影响不同．土壤pH值(图2a)随聚乙烯残留量增加呈对数曲线下降．碱解氮(图2c)、速效钾(图2d)随聚乙烯残留量呈二次曲线降低,但在低残留量时均高于0残留量．有机质、有效磷和水分含量随残留量呈二次曲线增加．

3 结论和讨论

本试验表明,不同聚乙烯降解产物对土壤养分指标影响不同．相对分子质量为2 000的聚乙烯降解产物明显提高土壤pH值,相对分子质量为3 000的使土壤pH值明显降低,相对分子质量为5 000的和LLDPE对土壤pH值影响很小．各聚乙烯降解产物均能提高土壤速效钾和水分含量；除LLDPE外,能提高土壤有机质含量；除相对分子质量为5 000的外,能提高有效磷含量；除LLDPE外,碱解氮含量均低于CK,但有随聚乙烯降解产物相对分子质量增加而增加的趋势．因此,聚乙烯降解产物对小麦生长中期土壤有机质、有效磷、速效钾和水分含量多有增加作用,对碱解氮含量多有降低的作用．

我国近年单位面积农田地膜覆盖量7 g/m2左右,本研究以1年残留7 g/m2,,并假设不分解减少,模拟了累计1年、5年、10年、20年、50年、100年、150年和200年的残留量对土壤的影响．结果显示各聚乙烯残留量均使土壤pH值明显降低,对土壤有机质、有效磷和水分含量多有增加作用,低残留量对碱解氮和速效钾有增加作用,高残留量对碱解氮和速效钾有降低作用．

总体而言,本研究所模拟的聚乙烯降解产物及其残留量对小麦生长中期(2月中旬)土壤养分和水分有增加作用,有利于小麦穗的分化发育,小麦平均穗长增加3.83%,小穗数增加18.75%．可降解聚乙烯地膜降解后是不同相对分子质量的聚乙烯粉末,不同于普通地膜裂解后的碎片,不会影响土壤通气透水性能,也不会阻碍作物根系生长．这些降解产物对土壤养分有不同的影响,影响机理值得进一步研究．

参考文献:

[1] 中华人民共和国农业部. 中国农业统计资料(2009)[M].北京:中国农业出版社, 2010.

[2] BRIASSOULIS D. Mechanical behavior of biodegradable agricultural films under real field conditions [J]. Polym Degrad Stab, 2006,91(6):1256-1272.

[3] 严昌荣,梅旭荣,何文清,等. 农用地膜残留污染的现状与防治[J]. 农业工程学报, 2006,22(11):269-272.

[4] 王文兴, 童 莉, 海热提. 土壤污染物来源及前沿问题[J]. 生态环境, 2005,14(1):1-5.

[5] 杜晓明, 徐 刚, 许瑞平, 等. 中国北方典型地区农用地膜污染现状调查及其防治对策[J]. 农业工程学报, 2005,21(S1):225-227.

[6] 刘伟峰,赵满全,田海清, 等.农用地膜带来的环境污染和回收技术的分析研究[J].中国农机化, 2003(5):34-35.

[7] OTAKE Y, KOBAYASHI T, ASABE H,etal. Biodegradation of low-density polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, and urea formaldehyde resin buried under soil for over 32 years[J]. J Appl Polym Sci,1995,56(13):1789-1796.

[8] 尉东海, 伦志磊, 郭 峰. 残留农膜对土壤性状的影响[J]. 生态环境, 2008,17(5):1853-1856.

[9] 解红娥, 李永山, 杨淑巧, 等. 农田残膜对土壤环境及作物生长发育的影响研究[J]. 农业环境科学学报, 2007,26(S1):153-156.

[10] EIICHI M, KATSUHISA T, AKIRA T,etal. Mechanical property and molecular weight distribution changes with photo and chemical-degradation on LDPE films [J]. Polym Degrad Stab, 2007,92(10):1948-1956.

[11] ZHAO X, LI Z W, CHEN Y,etal. Solid-phase photo atalytic degradation of polyethylene plastic under UV and solar light irradiation[J]. J Mol Catal A: Chem, 2007,268:101-106.

[12] MAILHOT B, MORLAT S, GARDETTE J,etal. Photodegradation of polypropylene nanocomposites[J]. Polym Degrad Stab, 2003,82(2):163-167.

[13] SHANG J, CHAI M, ZHU Y F. Solid-phase photocatalytic degradation of polystyrene plastic with TiO2as photocatalyst[J]. J Solid State Chem, 2003,74(1):104-110.

[14] DING S L, LIU M Z, LIU Z M,etal. Preparation and study on properties of photo-biodegradable plastic films[J]. J Lanzhou Univ:Nat Sci, 2005,41(1):64-68.

[15] 齐宇虹, 陈建华. 光/生物双降解薄膜的降解性能研究[J]. 塑料, 2007,36(4):54-58.

[16] 刘再满, 丁生龙, 柳明珠. 光/生物降解聚乙烯薄膜的光降解性能[J]. 应用化学, 2006,23 (8):875-880.

[17] 程桂荪, 刘小秧, 刘渊君, 等. 农田地膜残片允许值的研究[J]. 土壤肥料, 1991(5):27-30.

[18] 黎先发. 可降解地膜材料研究现状与进展[J]. 塑料, 2004,33(1):76-81.

[19] 程桂荪, 刘小秧, 高 松. 光降解地膜小残片积累量对土壤性质和作物产量的影响[J]. 土壤肥料, 1993(2):14-17.

[20] 夏云山. “超薄”地膜的形成与危害[J]. 生态环保, 2006(3):45.