四种可降解地膜降解特性的比较研究

2012-08-08温善菊伍维模魏建军彭杰支金虎

塔里木大学学报 2012年1期

温善菊伍维模* 战勇魏建军彭杰支金虎

(1 塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔843300)

(2 新疆农垦科学院作物所，新疆石河子832000)

我国地膜技术开发和覆盖地膜的使用是在上世纪70年代开始的，虽然比发达国家迟了20年，但发展速度很快，目前地膜覆盖面积已居世界第一位，农用地膜的使用量每年达到100万吨以上，并正在继续以较高的速度发展，郑连真等对地膜棉高产优质目标管理提出了一系列的综合配套措施[1]。但是使用地膜在给社会带来巨大的经济效益的同时，也带来了严重的“白色污染”[2]，地膜覆盖栽培技术日臻完善的同时必须解决好残膜污染问题，以使地膜栽培的所有功能能充分的发挥，从而在更大的空间改善棉花生产条件，提高棉花产量[3]。

为了解决普通地膜造成的“白色污染”问题，20世纪70年代科学家提出了降解塑料概念[4]。使用可降解地膜是解决“白色污染”的有效途径[5]。降解地膜的降解主要包括生物降解、光降解和化学降解，这3种主要降解过程相互间具有增效、协同和连贯作用[6]。而现在研究较多的有光降解地膜、生物降解地膜、光/生物降解地膜[7]。

可降解地膜的降解性能主要取决于聚合物的结构，又受环境条件如光照、温度、湿度、降雨等气象因子以及土壤生物活性的影响，而这些因子之间还相互作用，因此降解过程非常复杂。本实验通过对4种不同可降解地膜在室内的光解和田间生物降解试验，了解不同地膜的降解特性，为生产应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 可降解地膜

分别由国内三家可降解地膜研制单位提供了4种可降解地膜，即X－1#、B－1#、B－2#和B－4#作为供试材料。可降解地膜的种类及诱导期(自覆膜日到第一个裂开出现的时间)[8]如表1所示:

1.1.2 供试土壤

土样采集地点及时间:林灌草甸土(地点:南口农场棉花地、时间:2008年9月)。亚高山草甸土(地点:温宿县博孜敦煤矿、时间:2008年6月)

1.2 光解实验设计

使用自制的3个紫外线人工加速老化实验箱(长2.4 m，宽1.2 m，高0.4 m，安装6只灯管，每只40 W)来开展试验。底部放置受试膜，进行人工加速光降解实验。薄膜裁成大小一致的方形条(长42 cm，宽33 cm)。薄膜与灯管距离20 cm，分布在膜架中央向两边45 cm有效光区内，箱内温度(35±3)℃。分别1天、2天、……、15天。测定膜的失重率，比较光照同可降解地膜的降解率的关系。

失重率P(%)=(照射前的重量－照射后的重量)/照射前的重量×100%

1.3 生物降解实验设计

参照Jakubowicz[9－10]等进行了堆肥条件下的生物降解实验并进行改进。将风干林灌草甸土、森林土壤两种土壤样品过0.154 mm分样筛，然后称取30克放入棕色瓶中。把土壤与可降解地膜样品放入培养瓶内，同时放入CO2吸收剂(KOH)，然后将培养瓶密封置于20℃恒温箱内进行培养。样品中的有机物经过生物降解作用产生的二氧化碳气体被KOH吸收，然后用0.1 mol/L的稀盐酸进行滴定，进而得到CO2的释放量，用产生的CO2的量来评价可降解地膜的降解性。

1.4 测试项目及方法

红外光谱分析:Nicolet公司MAG NA—IR750型红外光谱仪进行测试可降解地膜的红外图谱，通过图谱特征分析期降解特性[11]。

扫描电镜分析:可降解地膜试样用双面胶粘在载玻片后喷碳，用扫描电子显微镜观察其形貌，并分析其降解特性[12]。

2 结果分析

2.1 不同可降解地膜光降解特性测定结果

2.1.1 可降解地膜随光照时间失重率变化分析

图1 四种地膜降解率随时间变化的比较

从图1中可以看出，4种不同可降解随着紫外灯照射时间的延长，其失重率在不断增加。图中图形的宽度越宽表示该种膜在该天的降解率越大，在相同紫外光照射的条件下，到达15天的时候，降解速率最快的是北京1号，它的失重率均达达到9%以上，最低的为北京4号，仅仅为5%，从以上规律中可以得出，在紫外光的照射下，各种不同地膜的降解速率有很大的差别。可降解膜在紫外光条件下均可使其分解为小分子的化合物，由于各种地膜的主要成分不同，其降解速率亦不同，所以，紫外光对农业地膜的光降解起着重要的作用。

2.1.2 紫外线照射条件下可降解地膜红外光谱的分析

从红外光谱中可以看出，在陕西膜X－1#的整个光谱谱带范围内的吸收峰变化相对于其他的可降解地膜较小，这是因为陕西膜是全生物降解地膜，在紫外光的照射下其降解速率是最慢的，说明在光照条件下只有添加有光敏剂的可降解地膜才能发生明显的降解。

其他各种可降解地膜在紫外光照的作用下均发生了很大的变化，分析各吸收峰的频谱位置可以得出降解产物主要是醛、酮、酸、酯和氢过氧化物。从北京的几种可降解膜的光谱图中可以看出，B－2#在1 500－2 500的波段内无明显的的吸收峰，而B－1#在1 718.45处则有一明显得吸收峰，说明羰基或双键发生断裂，B－4#在1 500－2 500中则预后很多小的吸收峰，应该处于该位置的C=O键的醛和酮的官能团发生变化，这说明了诱导期为120天的可降解地膜B－2#中的很多官能团还未发生断裂，因此，还未进入完全降解阶段。诱导期为80天的B－1#则有明显化学键的断裂，说明经紫外光照后，诱导期比较短的可降解地膜已经发生了明显的降解。2.1.3紫外线照射条件下可降解地膜的电镜分析

从电镜扫描图片(图6－9)可以看出，经过紫外线照射后，4种可降解地膜都出现不同程度的裂解，但裂解的形式不同。B－1#的降解程度最大，表面成放射状裂痕，并出现大面积凹陷;B－2#表面虽出现大面积凹陷;B－1#的表面只有少量的破裂面;X－1#表面仅仅出现了一些凸凹不平的颗粒状的东西。

图2 样品名称:B－2#紫外线照射时间;15天

图3 样品名称:B－1#紫外光照时间:15天

图4 样品名称B－4#紫外光照时间:15天

图5 样品名称:X－1#紫外线照射时间:15天

从下面几种可降解地膜的电镜图片可以看出，不同诱导期的北京地膜的降解情况为:B－1#的降解程度最大，其次为B－2#，最后为B－4#，B－4#的表面只有少量的破裂面，而B－2#和B－1#则有很大程度的破裂，表面及其不平并有很多空洞。说明，在经紫外光照射后，B－4#和B－1#的降解程度较大。这和它的诱导期有很大的关系。对于陕西的全生物降解地膜的降解程度最不明显，表面仅仅出现了一些凸凹不平的颗粒状的东西。证明已经进入降解时期。

图6 B－2#紫外光照射15天后电镜照片

图7 B－4#紫外光照射15天后电镜图片

图8 B－1#紫外光照射15天后电镜图片

图9 X－1#紫外光照射15天后电镜图片

2.2 不同可降解地膜生物降解特性测定结果

2.2.1 可降解地膜在亚高山草甸土壤中CO2释放量测定结果

图10 亚高山草甸土壤中不同地膜CO2累积量

图11 林灌草甸土壤中不同地膜CO2累积量

由图10中我们可以看出，在亚高山草甸土壤中，陕西X－1#CO2的累积释放量较其他三种可降解地膜有明显的差异，X－1#的CO2释放量随培养时间的增加而持续增加的，到十四周以后递增趋势变缓，说明X－1#膜十四周后释放的CO2量越来越少，降解速率越来越慢，这也恰恰说明了X－1#地膜以生物降解为主，其他地膜以光降解为主。其他的各种可降解地膜CO2累积量均无明显上升趋势。

2.2.2 可降解地膜在林灌草甸土壤中CO2释放量测定结果

由图11中我们可以看出，在林灌草甸土壤中，X－1#膜的CO2累积释放量随时间的增加有明显的递增趋势，其他的三种可降解地膜CO2累积释放量都不是很明显。说明X－1#在林灌草甸土中生物降解较显著。

3 结论与讨论

3.1 通过对可降解地膜失重率的分析

地膜的失重率随光照的强度和时间的增加而增加。随着紫外光照时间和强度的增加，地膜的降解幅度逐渐变大。各种地膜的降解率不同是由于其主要成分不同，进而影响着它在降解过程中的降解速率。同样条件下，B－1#降解性能较好些，这与它的诱导期有直接的关系。

3.2 通过红外光谱分析、电镜图片分析

由于受紫外光照射的作用，地膜表面受到破坏，使之发生降解，其结果为地膜宏观强度降低，表面凹凸不平，表面积增大，其整体结构受到破坏。地膜的内部结构变得愈来愈蓬松，强度明显下降，直至完全丧失强度，从而易于碎裂，最终导致地膜碎裂为小块残膜。降解过程未发现杂物，质量却减轻，说明降解中产生了二氧化碳和水等。地膜降解过程大致为:小洞、边缘破裂、变薄、降解，并且随着光照时间的增加，薄膜样品的质量减少百分比都逐渐增加。