林 青，曾 軍，史應(yīng)武，楊紅梅，張 濤，高 雁，楚 敏，王 斌，王金鑫，孫九勝，霍向東

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所/新疆特殊環(huán)境微生物實驗室，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】我國自20世紀(jì)70年代末引入地膜覆蓋技術(shù)[1-2]，傳統(tǒng)地膜分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定難降解，可在土壤中存留200～400年，造成嚴(yán)重的白色污染，同時地膜碎片在土壤中形成阻隔層，使水、氣、肥等流動受阻，造成土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境[3]?？山到獾啬こ蔀樘娲鷤鹘y(tǒng)地膜、治理殘膜污染和保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的理想材料[4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】降解塑料微生物及其相關(guān)酶的發(fā)現(xiàn)和分析成為研究熱點，Shosuke等[5]在PET表面分離的1株新型細(xì)菌Ideonellasakaiensis201-F6，能將PET作為主要能量和碳源，并產(chǎn)生能水解PET和反應(yīng)中間體的2種酶。Cenek等[6]發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌、念珠菌、煙曲霉、假單胞菌有較強(qiáng)的酯酶和脂肪酶活性，造成PETP / LA纖維的斷裂。另一方面，天然高分子型、化學(xué)合成型和微生物合成型等多種生物降解地膜也進(jìn)行了研制和開發(fā)[4]。不同地膜對土壤生物化學(xué)的影響，也是評估地膜使用的重要參考，張丹等[7]發(fā)現(xiàn)普通地膜殘膜強(qiáng)度超過450 kg/hm2時，土壤微生物量、微生物群落豐度和土壤酶活性顯著降低，應(yīng)加大殘膜防治力度，降低土壤退化風(fēng)險。白雪等[8]研究了普通地膜、滲水地膜、生物降解地膜和光降解地膜4種類型地膜覆蓋模式對玉米農(nóng)田土壤酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)生物降解地膜在玉米生育前期的保溫保墑作用最明顯，產(chǎn)量最高，堿性磷酸酶和硝酸還原酶活性也最高，推薦生物降解地膜替代普通地膜應(yīng)用到旱地玉米中。脲酶能促進(jìn)尿素水解并形成植物重要的氮源—銨根離子，利于植物吸收利用氮素，其活性強(qiáng)弱可以表征土壤氮素供應(yīng)動態(tài)，對促進(jìn)土壤氮素循環(huán)有重要作用[9]。土壤芳基硫酸酯酶是參與土壤硫素循環(huán)的重要酶類，水解土壤中有機(jī)硫( 酯硫) 的硫酯鍵從而釋放出植物可吸收的無機(jī)態(tài)硫[10]。土壤淀粉酶可將不溶于水的淀粉組分分解為可溶的單糖，增加易溶性營養(yǎng)物質(zhì)，其活性反映土壤生物群落代謝狀況和土壤主要營養(yǎng)元素碳的轉(zhuǎn)化效率[11]。β-葡萄糖苷酶是纖維素酶的重要組成成分，能將纖維素分解為多糖，為土壤微生物提供糖分[12]?！颈狙芯壳腥朦c】PBAT生物降解膜對土壤中酶活性的影響不是十分清楚。研究聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯生物降解膜對土壤酶活性的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究土壤脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶活性，分析PBAT生物降解膜對土壤酶活的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院拜城試驗站鋪覆(Polyethylene)PE膜(市售)和PBAT生物降解膜(新疆康潤潔環(huán)?？萍加邢薰?的番茄、玉米、甜菜、花生、馬鈴薯及岳普湖縣岳普湖鄉(xiāng)鋪覆PE膜和PBAT生物降解膜的棉花各667 m2，在作物收獲前且2種薄膜都有破損，每個處理3點土柱法采集0～30 cm耕作層土，新鮮土樣冷藏運(yùn)回實驗室進(jìn)行后續(xù)試驗。

1.2 方 法

1.2.1 土壤基本理化性質(zhì)

pH值(電位法，1∶5土水比)；總鹽(殘渣質(zhì)量法)；有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀氧化-外加熱法)；速效氮(堿解擴(kuò)散法)；速效磷(碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法)；速效鉀(乙酸銨浸提-火焰光度法)，土壤水分(鋁盒烘干稱重法)。

1.2.2 土壤酶活性

土壤脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶采用北京索萊寶科技有限公司(Beijing Solarbio Science & Technology Co., Ltd. )試劑盒測試，芳基硫酸酯酶采用上海朝瑞生物科技有限公司試劑盒測試，按照說明書步驟操作。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用WPS 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用IBM SPSS Statistics 20對土壤性狀指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析、顯著性檢驗、多重比較、主成分分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PBAT可降解膜與PE膜對土壤理化性質(zhì)的影響

研究表明，所有種植區(qū)域土壤呈堿性，土壤有機(jī)質(zhì)非常貧乏，大部分為土壤養(yǎng)分6級(<6 g/kg)，少數(shù)為5級(6～10 g/kg)。棉花種植區(qū)速效氮較為貧瘠。在鋪覆的地膜崩解期，同種作物(除棉花外，棉花2種鋪覆試驗地基礎(chǔ)條件差異較大)鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜的土壤pH、總鹽、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀等理化性質(zhì)之間無顯著差異。表1

2.2 PBAT可降解膜與PE膜對4種土壤酶活性的影響

2.2.1 PBAT可降解膜與PE膜對土壤脲酶活性的影響

研究表明，棉花種植區(qū)域土壤尿酶活性顯著低于拜城5種植物區(qū)域，除甜菜外，鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對同種作物土壤脲酶活性的影響沒有顯著差異。圖1

表1 鋪覆PBAT可降解膜與PE膜土壤的理化性質(zhì)Table 1 Soil properties of the experimental field

2.2.2 PBAT可降解膜與PE膜對土壤芳基硫酸酯酶活性的影響

研究表明，棉花種植區(qū)域土壤芳基硫酸酯酶活性顯著低于拜城5種植物種植區(qū)域，同種作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對土壤芳基硫酸酯酶活性沒有顯著影響，且在同一種植區(qū)不同作物之間土壤芳基硫酸酯酶活性差異也不顯著。圖2

2.2.3 PBAT可降解膜與PE膜對土壤淀粉酶活性的影響

研究表明，與其它3種酶活不同，種植于拜城地區(qū)的5種作物土壤淀粉酶活性普遍較低，而岳普湖的棉花土壤淀粉酶活性顯著高于前者。但是同種作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對土壤淀粉酶活性沒有顯著影響，且在同一種植區(qū)不同作物之間土壤淀粉酶活性差異也不顯著。圖3

2.2.4 PBAT可降解膜與PE膜對土壤β-葡萄糖苷酶活性的影響

研究表明，β-葡萄糖苷酶活性在不同作物間稍有差異，但鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜對同種作物土壤β-葡萄糖苷酶酶活性的影響沒有顯著差異。圖4

2.3 PBAT可降解膜與PE膜對土壤酶活和理化性質(zhì)的主成分

研究表明，前3個主成分解釋樣品間84.63%的變異，主成分1 (PC1)、主成分2 (PC2) 分別解釋了63.30%和11.69% 的變異。以PC1、PC2 對鋪覆不同膜植物樣品進(jìn)行排序。同種作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜在PC1、PC2坐標(biāo)軸上距離相近，沒有較大分異，而單獨種植于岳普湖的棉花與其它作物距離較遠(yuǎn)，分布在完全不同的象限。土壤酶活和理化性質(zhì)的差異不是由鋪覆不同地膜產(chǎn)生，而是由種植的作物種類和種植地區(qū)因素造成。圖5

2.4 PBAT可降解膜與PE膜對土壤酶活和理化性質(zhì)的相關(guān)分析

研究表明，部分土壤酶活與理化性質(zhì)存在相關(guān)性，芳基硫酸酯酶分別與葡萄糖苷酶、速效磷、速效鉀呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與尿酶呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。速效鉀也分別與芳基硫酸酯酶、葡萄糖苷酶呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與尿酶和速效磷呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。部分土壤理化性質(zhì)間也存在相關(guān)性。表2

3 討 論

新疆地處歐亞大陸腹地，是典型的干旱半干旱氣候特征，雖有良好的光熱資源，但常年干燥少雨，水資源缺乏與灌溉困難[13]制約農(nóng)業(yè)發(fā)展[14]。地膜覆蓋，通過人工物理阻隔土壤與大氣間水分、熱量及養(yǎng)分的交換傳輸，減少有效養(yǎng)分流失，改善土壤水熱狀況，改善作物生長的生態(tài)環(huán)境[15]，成為旱區(qū)作物增產(chǎn)最顯著的技術(shù)[16]，因此，成為新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)依賴，也使新疆成為全國地膜使用面積最廣和用量最多的省份[17]。傳統(tǒng)塑料地膜難以降解[1]。

近些年生物降解地膜逐漸成為一種替代普通 PE 地膜、解決地膜殘留污染的有效措施和手段[1]，其應(yīng)用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效果和生態(tài)環(huán)境影響的評價得到越來越多的關(guān)注。研究使用的聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)生物降解膜，是一種脂肪族-芳香族無規(guī)共聚酯，兼具良好的可生物降解性能和優(yōu)良的力學(xué)和熱學(xué)性能[18]。張敏[19]、霍向東[20]等分離篩選到能顯著降解 PBAT 聚合物的微生物菌株，分別為Delftiatsuruhatensis、Sphingopyxisginsengisoli。徐松等[21]篩選到 PBAT 塑料地膜高效降解菌群 SX，并研究了其群落結(jié)構(gòu)演替特征。王斌等[22]田間試驗表明，番茄種植中，覆PBAT膜在30 d左右開始出現(xiàn)裂紋，至100 d左右50%壟面上無肉眼可見地膜，降解性能良好，同時PBAT膜處理番茄產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分等指標(biāo)與普通地膜處理差異不顯著。張敏等[19]還發(fā)現(xiàn)，與未使用地膜土壤相比，使用 PLA/PBAT 地膜引起土壤部分細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，林青等[23]表明，PBAT生物降解膜與傳統(tǒng)PE膜對土壤理化性質(zhì)及氮循環(huán)微生物群落的影響差異不顯著。土壤酶是土壤生物地球化學(xué)循環(huán)的重要參與物質(zhì)，其活性高低與土壤中可供養(yǎng)分循環(huán)和植物利用的營養(yǎng)元素的多少直接相關(guān)[24]，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的生態(tài)因子。研究所選4種酶對土壤碳、氮、硫循環(huán)轉(zhuǎn)化起重要作用，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)[25]，PBAT生物降解膜與傳統(tǒng)PE膜對4種酶活性的影響沒有顯著差異，可以作為PBAT生物降解膜替代傳統(tǒng)PE膜使用效果評估的參考依據(jù)。所測土壤酶活性與部分土壤理化性質(zhì)呈顯著、極顯著相關(guān)性，與能直接被植物利用的養(yǎng)分速效鉀、速效磷相關(guān)最緊密，這與李茜[26]、周東興[27]等研究結(jié)果一致，表明土壤酶與速效養(yǎng)分間存在協(xié)同作用，共同作用于農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)過程。岳普湖棉花種植區(qū)過低的速效鉀含量，也間接證實了試驗農(nóng)田土壤酶活性受限的重要原因[28]。

表2 不同作物鋪覆PBAT生物降解膜與PE膜的土壤酶活和理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 2 Correlation analysis of soil enzyme activities and physical and chemical properties of PBAT biodegradable film and PE film

4 結(jié) 論

6種作物鋪覆PBAT生物降解膜與傳統(tǒng)PE膜對土壤理化性質(zhì)、土壤脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶活性的影響無顯著差異(P>0.05)，而不同種植區(qū)域土壤酶活性差異顯著(P<0.05)，部分土壤酶活性與土壤速效鉀、速效磷呈顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)相關(guān)。在作物收獲前，土壤酶活性不受鋪覆地膜種類影響，而與部分土壤養(yǎng)分含量存在顯著相關(guān)性。