溫善菊 伍維模* 戰(zhàn) 勇 魏建軍 彭杰 支金虎

(1 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾843300)

(2 新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所，新疆石河子832000)

我國(guó)地膜技術(shù)開發(fā)和覆蓋地膜的使用是在上世紀(jì)70年代開始的，雖然比發(fā)達(dá)國(guó)家遲了20年，但發(fā)展速度很快，目前地膜覆蓋面積已居世界第一位，農(nóng)用地膜的使用量每年達(dá)到100萬(wàn)噸以上，并正在繼續(xù)以較高的速度發(fā)展，鄭連真等對(duì)地膜棉高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目標(biāo)管理提出了一系列的綜合配套措施[1]。但是使用地膜在給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的“白色污染”[2]，地膜覆蓋栽培技術(shù)日臻完善的同時(shí)必須解決好殘膜污染問(wèn)題，以使地膜栽培的所有功能能充分的發(fā)揮，從而在更大的空間改善棉花生產(chǎn)條件，提高棉花產(chǎn)量[3]。

為了解決普通地膜造成的“白色污染”問(wèn)題，20世紀(jì)70年代科學(xué)家提出了降解塑料概念[4]。使用可降解地膜是解決“白色污染”的有效途徑[5]。降解地膜的降解主要包括生物降解、光降解和化學(xué)降解，這3種主要降解過(guò)程相互間具有增效、協(xié)同和連貫作用[6]。而現(xiàn)在研究較多的有光降解地膜、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決于聚合物的結(jié)構(gòu)，又受環(huán)境條件如光照、溫度、濕度、降雨等氣象因子以及土壤生物活性的影響，而這些因子之間還相互作用，因此降解過(guò)程非常復(fù)雜。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)4種不同可降解地膜在室內(nèi)的光解和田間生物降解試驗(yàn)，了解不同地膜的降解特性，為生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 可降解地膜

分別由國(guó)內(nèi)三家可降解地膜研制單位提供了4種可降解地膜，即X－1#、B－1#、B－2#和B－4#作為供試材料?？山到獾啬さ姆N類及誘導(dǎo)期(自覆膜日到第一個(gè)裂開出現(xiàn)的時(shí)間)[8]如表1所示:

1.1.2 供試土壤

土樣采集地點(diǎn)及時(shí)間:林灌草甸土(地點(diǎn):南口農(nóng)場(chǎng)棉花地、時(shí)間:2008年9月)。亞高山草甸土(地點(diǎn):溫宿縣博孜敦煤礦、時(shí)間:2008年6月)

1.2 光解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用自制的3個(gè)紫外線人工加速老化實(shí)驗(yàn)箱(長(zhǎng)2.4 m，寬1.2 m，高0.4 m，安裝6只燈管，每只40 W)來(lái)開展試驗(yàn)。底部放置受試膜，進(jìn)行人工加速光降解實(shí)驗(yàn)。薄膜裁成大小一致的方形條(長(zhǎng)42 cm，寬33 cm)。薄膜與燈管距離20 cm，分布在膜架中央向兩邊45 cm有效光區(qū)內(nèi)，箱內(nèi)溫度(35±3)℃。分別1天、2天、……、15天。測(cè)定膜的失重率，比較光照同可降解地膜的降解率的關(guān)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 生物降解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照J(rèn)akubowicz[9－10]等進(jìn)行了堆肥條件下的生物降解實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行改進(jìn)。將風(fēng)干林灌草甸土、森林土壤兩種土壤樣品過(guò)0.154 mm分樣篩，然后稱取30克放入棕色瓶中。把土壤與可降解地膜樣品放入培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)，同時(shí)放入CO2吸收劑(KOH)，然后將培養(yǎng)瓶密封置于20℃恒溫箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。樣品中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)生物降解作用產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w被KOH吸收，然后用0.1 mol/L的稀鹽酸進(jìn)行滴定，進(jìn)而得到CO2的釋放量，用產(chǎn)生的CO2的量來(lái)評(píng)價(jià)可降解地膜的降解性。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目及方法

紅外光譜分析:Nicolet公司MAG NA—IR750型紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試可降解地膜的紅外圖譜，通過(guò)圖譜特征分析期降解特性[11]。

掃描電鏡分析:可降解地膜試樣用雙面膠粘在載玻片后噴碳，用掃描電子顯微鏡觀察其形貌，并分析其降解特性[12]。

2 結(jié)果分析

2.1 不同可降解地膜光降解特性測(cè)定結(jié)果

2.1.1 可降解地膜隨光照時(shí)間失重率變化分析

圖1 四種地膜降解率隨時(shí)間變化的比較

從圖1中可以看出，4種不同可降解隨著紫外燈照射時(shí)間的延長(zhǎng)，其失重率在不斷增加。圖中圖形的寬度越寬表示該種膜在該天的降解率越大，在相同紫外光照射的條件下，到達(dá)15天的時(shí)候，降解速率最快的是北京1號(hào)，它的失重率均達(dá)達(dá)到9%以上，最低的為北京4號(hào)，僅僅為5%，從以上規(guī)律中可以得出，在紫外光的照射下，各種不同地膜的降解速率有很大的差別?？山到饽ぴ谧贤夤鈼l件下均可使其分解為小分子的化合物，由于各種地膜的主要成分不同，其降解速率亦不同，所以，紫外光對(duì)農(nóng)業(yè)地膜的光降解起著重要的作用。

2.1.2 紫外線照射條件下可降解地膜紅外光譜的分析

從紅外光譜中可以看出，在陜西膜X－1#的整個(gè)光譜譜帶范圍內(nèi)的吸收峰變化相對(duì)于其他的可降解地膜較小，這是因?yàn)殛兾髂な侨锝到獾啬?，在紫外光的照射下其降解速率是最慢的，說(shuō)明在光照條件下只有添加有光敏劑的可降解地膜才能發(fā)生明顯的降解。

其他各種可降解地膜在紫外光照的作用下均發(fā)生了很大的變化，分析各吸收峰的頻譜位置可以得出降解產(chǎn)物主要是醛、酮、酸、酯和氫過(guò)氧化物。從北京的幾種可降解膜的光譜圖中可以看出，B－2#在1 500－2 500的波段內(nèi)無(wú)明顯的的吸收峰，而B－1#在1 718.45處則有一明顯得吸收峰，說(shuō)明羰基或雙鍵發(fā)生斷裂，B－4#在1 500－2 500中則預(yù)后很多小的吸收峰，應(yīng)該處于該位置的C=O鍵的醛和酮的官能團(tuán)發(fā)生變化，這說(shuō)明了誘導(dǎo)期為120天的可降解地膜B－2#中的很多官能團(tuán)還未發(fā)生斷裂，因此，還未進(jìn)入完全降解階段。誘導(dǎo)期為80天的B－1#則有明顯化學(xué)鍵的斷裂，說(shuō)明經(jīng)紫外光照后，誘導(dǎo)期比較短的可降解地膜已經(jīng)發(fā)生了明顯的降解。2.1.3紫外線照射條件下可降解地膜的電鏡分析

從電鏡掃描圖片(圖6－9)可以看出，經(jīng)過(guò)紫外線照射后，4種可降解地膜都出現(xiàn)不同程度的裂解，但裂解的形式不同。B－1#的降解程度最大，表面成放射狀裂痕，并出現(xiàn)大面積凹陷;B－2#表面雖出現(xiàn)大面積凹陷;B－1#的表面只有少量的破裂面;X－1#表面僅僅出現(xiàn)了一些凸凹不平的顆粒狀的東西。

圖2 樣品名稱:B－2#紫外線照射時(shí)間;15天

圖3 樣品名稱:B－1#紫外光照時(shí)間:15天

圖4 樣品名稱B－4#紫外光照時(shí)間:15天

圖5 樣品名稱:X－1#紫外線照射時(shí)間:15天

從下面幾種可降解地膜的電鏡圖片可以看出，不同誘導(dǎo)期的北京地膜的降解情況為:B－1#的降解程度最大，其次為B－2#，最后為B－4#，B－4#的表面只有少量的破裂面，而B－2#和B－1#則有很大程度的破裂，表面及其不平并有很多空洞。說(shuō)明，在經(jīng)紫外光照射后，B－4#和B－1#的降解程度較大。這和它的誘導(dǎo)期有很大的關(guān)系。對(duì)于陜西的全生物降解地膜的降解程度最不明顯，表面僅僅出現(xiàn)了一些凸凹不平的顆粒狀的東西。證明已經(jīng)進(jìn)入降解時(shí)期。

圖6 B－2#紫外光照射15天后電鏡照片

圖7 B－4#紫外光照射15天后電鏡圖片

圖8 B－1#紫外光照射15天后電鏡圖片

圖9 X－1#紫外光照射15天后電鏡圖片

2.2 不同可降解地膜生物降解特性測(cè)定結(jié)果

2.2.1 可降解地膜在亞高山草甸土壤中CO2釋放量測(cè)定結(jié)果

圖10 亞高山草甸土壤中不同地膜CO2累積量

圖11 林灌草甸土壤中不同地膜CO2累積量

由圖10中我們可以看出，在亞高山草甸土壤中，陜西X－1#CO2的累積釋放量較其他三種可降解地膜有明顯的差異，X－1#的CO2釋放量隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而持續(xù)增加的，到十四周以后遞增趨勢(shì)變緩，說(shuō)明X－1#膜十四周后釋放的CO2量越來(lái)越少，降解速率越來(lái)越慢，這也恰恰說(shuō)明了X－1#地膜以生物降解為主，其他地膜以光降解為主。其他的各種可降解地膜CO2累積量均無(wú)明顯上升趨勢(shì)。

2.2.2 可降解地膜在林灌草甸土壤中CO2釋放量測(cè)定結(jié)果

由圖11中我們可以看出，在林灌草甸土壤中，X－1#膜的CO2累積釋放量隨時(shí)間的增加有明顯的遞增趨勢(shì)，其他的三種可降解地膜CO2累積釋放量都不是很明顯。說(shuō)明X－1#在林灌草甸土中生物降解較顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 通過(guò)對(duì)可降解地膜失重率的分析

地膜的失重率隨光照的強(qiáng)度和時(shí)間的增加而增加。隨著紫外光照時(shí)間和強(qiáng)度的增加，地膜的降解幅度逐漸變大。各種地膜的降解率不同是由于其主要成分不同，進(jìn)而影響著它在降解過(guò)程中的降解速率。同樣條件下，B－1#降解性能較好些，這與它的誘導(dǎo)期有直接的關(guān)系。

3.2 通過(guò)紅外光譜分析、電鏡圖片分析

由于受紫外光照射的作用，地膜表面受到破壞，使之發(fā)生降解，其結(jié)果為地膜宏觀強(qiáng)度降低，表面凹凸不平，表面積增大，其整體結(jié)構(gòu)受到破壞。地膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得愈來(lái)愈蓬松，強(qiáng)度明顯下降，直至完全喪失強(qiáng)度，從而易于碎裂，最終導(dǎo)致地膜碎裂為小塊殘膜。降解過(guò)程未發(fā)現(xiàn)雜物，質(zhì)量卻減輕，說(shuō)明降解中產(chǎn)生了二氧化碳和水等。地膜降解過(guò)程大致為:小洞、邊緣破裂、變薄、降解，并且隨著光照時(shí)間的增加，薄膜樣品的質(zhì)量減少百分比都逐漸增加。

3.3 生物降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

在4種可降解膜中，不管是亞高山草甸土或是林灌草甸土，陜西膜X－1#的CO2的累積釋放量均明顯高于其他幾種可降解地膜，說(shuō)明了X－1#的生物降解速率均高于其他幾種可降解地膜。

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