生物可降解地膜（精选7篇）
生物可降解地膜 篇1
地膜覆盖可以保墒、节水、减少杂草生长、促进植物提早成熟等,所以地膜覆盖在新疆农业种植上广泛应用[1]。但随着地膜用量逐年增大,废旧地膜回收利用却严重滞后,农田“白色污染”[2,3,4]不断加剧,逐步成为新疆农业可持续发展和农民持续增收的重要制约因素[5]。玉米是伊犁州的主要农作物,近年来,地膜技术在玉米种植上广泛应用,玉米大田地膜污染问题也日渐突出,本试验在伊犁州巩留县选择典型玉米种植地块0.46hm2,选择6种全生物可降解地膜和1 种常规PE膜,探讨降解地膜的降解特性和对作物产量的影响,最终选择出适合当地玉米田的降解地膜类型,为彻底解决地膜污染问题提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
巩留县属于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州,位于新疆西北部,地理坐标为:N42°54′~43°38′,E81°34′~83°35′,属北温带大陆性半干旱气候类型,年均气温7.4℃,最高气温37~39℃,无霜期约145d,昼夜温差平均13~16℃。春迟秋早,冬长夏短,四季分明,日照充足。年日照时数2 731.7h,年降水量270~280mm。
1.2 材料
试验所需玉米种子来源于巩留县种子站,参试玉米为新陆早54。
1.3 方法
1.3.1试验设计
2015年在巩留县城镇玉米田进行试验,试验共7个处理,选用6种生物降解膜,分别为处理1、处理2、处理3、处理4、处理5、处理6,以普通地膜(PE膜)作对照,地膜宽度为1.40m,厚度为0.008mm。灌溉为大水漫灌,试验各小区采用随机排列法,3次重复,试验地四周设保护行,试验地共0.46hm2。
1.3.2测定项目及方法
生育期测定土壤温度,收获时定点测产。用SPSS17.0进行方差分析及其LSD多重比较,用Origin8.5做图。
2 结果与分析
2.1 降解地膜对巩留县玉米田土壤温度的影响差异
由图1可知,地膜覆盖下10cm土层土壤温度表现为:苗期>大喇叭口期>成熟期;在整个生长期,常规地膜下的土壤温度相对较高,但是在成熟期,各地膜间地温差距变小。
2.2 降解地膜对玉米产量影响
由图2可知,处理1、处理2、处理3、处理4、处理5、处理6和CK的产量分别是4 600.5、4 728.0、4 891.5、4 963.5、5 364.0、5 400.0和5 346.0kg·hm-2;通过方差分析可知,处理5、处理6两种降解地膜和CK(PE膜)产量差异不显著,但是显著高于其它处理。
2.3 玉米产量与土壤温度的关系分析
由图3可知,在玉米苗期、大喇叭口期和成熟期土壤温度与玉米产量存在显著线性关系,R2分别为0.67、0.82 和0.64,在苗期,温度每增长1℃,产量增加400.8kg·hm-2,在大喇叭口期,温度每增长1℃,产量增加410.39kg·hm-2,在成熟期,温度每增长1℃,产量增加705.5kg·hm-2。
3 结论
处理5和处理6在玉米产量方面与普通PE膜无差异,其它降解地膜显著减产,减产幅度为8.4%~14.1%。
大田土壤温度与玉米产量呈正相关关系。在成熟期地温对玉米产量影响最大,温度每增长1℃,产量增加705.5kg·hm-2。
参考文献
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生物可降解地膜 篇2
酶催化生物可降解聚酯的合成与研究进展
生物可降解聚酯是一种新型高分子聚合材料,可通过发酵、化学方法和酶催化来合成.本文综述了酶催化下通过缩聚、酯交换、内酯开环聚合等方法合成此类聚酯.酶催化合成生物可降解聚酯是一种新型的技术,可以在温和条件下高效合成,有着传统方法难以比拟的.优势.
作 者：张建设 于九皋 吴颖 马骁飞 Zhang Jianshe Yu Jiugao Wu Ying Ma Xiafei 作者单位：天津大学理学院化学系,天津,300072 刊 名：化学通报（印刷版） ISTIC PKU英文刊名：CHEMISTRY 年，卷(期)： 71(3) 分类号：O6 关键词：生物可降解聚酯 酶催化 合成生物可降解地膜 篇3
随着农用地膜的广泛应用,大量废弃残膜在环境中难降解造成环境污染日益引人关注,田间残留的地膜碎片导致土壤理化性质恶化[3],同时给地下水和周边环境带来污染,因此有必要对地膜在环境中的降解特性及其规律进行研究,以便指导企业生产出对环境友好、易降解的地膜,减少地膜对环境的污染和危害。
为减少环境危害,可降解地膜的研究引起了广泛关注,其应用也已经日益广泛。目前国内外其研究主要集中在地膜在土壤、堆肥、光照条件下的降解情况[4,5,6,7,8],但对于地膜在水环境中的降解研究还比较少,而土壤中的地膜会随风吹落或地表径流进入水体,对水环境造成污染,因此有必要开展这方面的研究工作,为以后生产出环境友好型地膜提供理论参考。
1实验部分
1.1材料
普通聚乙烯地膜(厚度:0.006mm),市购,绵阳开元塑料有限责任公司;光降解地膜(厚度:0.002mm,含硬脂酸铁光敏剂),西南科技大学罗学刚教授自主研发生产;玉米淀粉生物降解地膜(厚度:0.020mm,含玉米淀粉),市购; 淀粉接枝共聚物类(SBC)生物降解地膜(厚度:0.02mm,含玉米淀粉,己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物PBAT),广东上九生物降解塑料有限公司。
1.2实验方法
用直径80mm的塑料材质多孔悬浮球,将不同种类的地膜剪成小片放在悬浮球中,然后再将装有地膜的悬浮球放入渔网中,加重一起放入西南科技大学污水处理厂的好氧曝气池液面下,该污水厂污水主要来自学生和教职工生活污水及学校周边居民生活排水。
地膜降解一定时间后,取出并用蒸馏水洗涤干净,真空干燥至恒重。通过测量降解前后的重量、红外光谱、扫描电镜(SEM),对比研究不同材质地膜的降解程度和降解性能[9,10,11,12,13]。
2结果与讨论
2.1失重率
采用重量损失法测定降解性能[14], 本实验采用失重率表示,其计算公式为:
dW=(W0 -W)/W0×100%
其中: W0 、W分别为降解前后薄膜的重量, dW为失重率。
4种地膜在曝气池中降解30天后的失重率如表1所示。
由表1可以看出,经过30天的曝气池的好氧生物降解,聚乙烯地膜重量变化不明显,光降解地膜稍有变化,而添加了玉米淀粉的生物降解地膜失重率比光降解地膜大,与以上3种地膜相比,SBC添加了PBAT共聚物的热塑性生物降解地膜则有较明显的变化,其失重率达到13.65%。玉米淀粉地膜与SBC地膜都属于生物降解地膜,都有易被微生物降解的淀粉成分,但除此外,SBC地膜还添加了PBAT共聚物,PBAT共聚物也是易降解的高分子物质,由于淀粉与PBAT混合后的协同作用,使得该种地膜在4种地膜中最易被微生物降解,显示了较高的生物降解性能。
2.2红外光谱分析
由于SBC地膜厚度大且不易透光,不能直接测试,所以选择研磨后再测试。称量研磨后的10mg 粉末地膜样品,与KBr混合压片进行测定。其它3种地膜的厚度适合以薄膜的形式直接测试,测定范围均是4000～400cm-1。
2.2.1 聚乙烯和光降解地膜降解前后的红外谱图
图1是聚乙烯地膜降解前后的红外谱图比较,由此图得知,降解后比降解前多了921.2、1643.2cm-1 3个峰。1643.2cm-1处是表示C=O的伸缩振动,921.2cm-1处为C-O-H或C-O-C基团的伸缩振动引起,说明在好氧生物降解的过程中发生了聚乙烯被氧化的化学反应。从图2可以看出,1735.6、2379.7cm-1两处峰降解后明显变小,且发生了蓝移,分别移到了1643.3、2324.1cm-1。1735.6cm-1处代表C=O基团,2379.7cm-1处是光敏剂的谱带,说明光降解地膜在水中降解过程中光敏剂性状发生了明显变化,其他组分未发生明显变化。
2.2.2 玉米淀粉地膜降解前后的红外谱图
从图3可以看出, 1640.3、2661.7、3245.4cm-1处降解后较降解前都明显增强了,1640.3cm-1谱带可能是淀粉变形开链结构中C=O基团伸缩振动的表征,2661.7cm-1处对应的是OH伸缩振动,3245.4cm-1谱带则是淀粉多聚物中分子间氢键的OH伸缩振动所显示的峰宽增强,表明淀粉地膜在水中性状发生了变化。
2.2.3 SBC地膜降解前后的红外谱图
查看SBC地膜降解前的红外谱图(图4),3399.5cm-1处有较强的-OH吸收峰,降解后移到了3418.9cm-1处,红移了19.4cm-1,且降解后峰明显增强;代表CH伸缩振动的谱带由降解前的2851.4cm-1、2920.7cm-1分别红移到了2874.6cm-1、2957.8cm-1,峰也增大较多,而3418、2957、2874cm-1是PBAT的吸收峰,所以这种地膜降解过程中PBAT组成部分发生了明显降解。谱图显示其他峰位置几乎无变化,但峰强度较降解前都有明显增加,例如代表R-C=O伸缩振动的1715cm-1,代表C-O的对称伸缩振动的1271cm-1,730cm-1处是PBAT中BT连段上苯环CH面内弯曲振动吸收,577.3、1103.9、1715.1cm-1是淀粉的吸收峰[10],因此淀粉组分的性状在降解过程中也发生了变化。表征CaCO3组分的874.2cm-1特征谱带有所增强,这可能与随着地膜发生降解CaCO3组分对红外辐射的敏感性增强有关。
由以上几种地膜降解前后的红外谱图比较可看出,SBC地膜红外谱图降解前后变化最大,表明在好氧微生物的作用下,该种地膜降解最明显,其次是淀粉地膜,在水中微生物的作用下也发生了一定程度的降解,而光降解地膜和聚乙烯地膜因不含可生物降解成分,所以谱图变化不明显。
2.3地膜的扫面电镜分析
从图5可看出,聚乙烯地膜和光降解地膜降解前地膜都很平整,降解后都无孔洞出现,但是显示发生了一定程度的机械变形和破损,表明有生物侵蚀的痕迹。玉米淀粉地膜降解前添加的淀粉母粒均匀分散在基体中,降解后的图片显示淀粉由于降解而从基体脱落致使淀粉颗粒明显减少且颗粒变小,但未见孔洞出现。SBC地膜,降解后基体发生团聚,且明显出现许多大小不一的孔洞。
3结论
生物可降解地膜 篇4
1 PHBV与天然纤维非织造复合材料
羟基丁酸-羟基戊酸共聚酯 (PHBV) 是以淀粉为原料, 由微生物发酵的热塑性高分子聚酯, 根据相关资料显示[2,3,4], 其具有良好的生物可降解性、生物组织相容性和抗凝血性等独特的优点, 在工业、农业、包装、生物医学等领域有着广泛的应用前景。它原料来源丰富, 自然界广泛存在, 是人类取之不尽用之不竭的资源, 而且PHBV是以淀粉为原料, 对环境不会造成污染, 可以在环境自然降解。但是由于PHBV的热稳定性较差, 熔融加工窗口窄, 特别是它的样品在室温存放过程中会逐渐显示明显的脆性, 这很大程度地限制了其产业化加工和应用。目前的专家学者正尝试以PHBV为基体, 淀粉或纤维素为增强体加工成复合材料, 已达到预期的目的, 可以替代聚乙烯薄膜, 同时无环境污染。M.Avella, G.La Rota等采用蒸汽爆炸法将麦秆纤维进行处理后, 与PHBV热压复合制备麦秆纤维PHBV复合材料, 纤维长度2~3mm, 最高重量比30%, 研究结果表明:将麦秆纤维采用蒸汽爆炸法处理后, 可减少纤维中木质素、半纤维素的含量, 并引起相结构的变化, 使其更具反应活性, 从而改善复合材料两相间的界面粘结性能以及短纤维在基体中的均匀分散性。麦秆纤维具有成核剂的作用, 可提高复合材料中PHBV相的结晶速率, 但对其结晶度基本上无影响。与纯PHBV相比, 复合材料的杨氏模量、玻璃化温度Tg提高, 而拉伸断裂强度、拉伸断裂伸长率略有降低, 生物降解性、熔融温度基本保持不变。
2 麻丝非织造复合材料
主要以亚麻和蚕丝的工业下脚为原料通过非织造方法制作地膜。亚麻是天然纤维素纤维[5], 蚕丝是天然蛋白质纤维, 都可自然降解, 降解产物不污染环境, 蚕丝分解产生的蛋白质可以改善土壤特性, 提高土壤含氮量。地膜的生产采用两种不同方法进行。生产的全亚麻非织造布地膜浸渍不同浓度的丝胶溶液, 烘干后对其性能进行检测, 确定最佳丝胶浓度为15‰。制成的样品性能为:断裂强度33N, 厚度0.1203mm, 回潮率3.9%, 透湿率2165g/ (m2·h) 。在自然状态下均能发生降解, 土埋60d后, 浸渍法地膜的降解率分别为20%。通过扫描电镜图像可看出麻纤维从束状分解成多根单纤维。红外光谱吸收图表明亚麻大分子链发生断裂, 大分子有解聚现象发生。在完全降解前, 地膜会分解成散纤维状态, 不会因片状结构而造成土壤板结。地膜的部分降解产物能提高土壤的氮元素含量, 地膜降解后使土壤全氮含量提高了11.8%。
3 稻秸秆提取纤维非织造材料
常用秸秆纤维[6]的提取一般都采用氢氧化钠对秸秆的蒸煮制浆, 其方法既高耗能, 同时对环境的污染较大, 现实验采用了两种不同的处理方法来制取稻秸秆纤维, 分别又对不同方法提取的稻秸秆纤维制作了农用地膜, 通过对纤维性能和地膜性能的比较, 选择较优的处理方法。处理稻秸秆的第一种方法是用氢氧化钠和硫化钠共混对稻秸秆进行蒸煮。第二种方法是碱-酶复合法提取稻秸秆纤维, 由于酶为漆酶酶粉, 其活性很低, 若果直接处理稻秸秆的话, 其脱胶的效果很差。所以先用低浓度的碱对稻秸秆进行预处理, 此步处理的主要目的是稻秸秆膨胀, 分散开来, 为下一步的酶处理做准备。通过对碱处理时间、处理温度和碱浓度以及酶的处理时间、处理温度、酶浓度和p H值对纤维的长度、宽度和纤维素含量影响的讨论, 综合分析等得到的最佳方案为:碱浓度为2%, 碱处理时间为10min, 碱处理温度为为95℃, 酶处理时间为60min, 酶处理温度为50℃, 酶浓度为1.5%, p H值为5。提取的稻秸秆纤维平均长度为18.6mm, 纤维宽度为44.6um, 纤维素含量为68.53%。采用了酶处理, 由于碱浓度、碱处理时间和处理温度都比较低, 对纤维的损伤比较小, 并且漆酶只降解木质素而不损伤纤维素纤维, 因此改善了单根纤维的强力, 因此地膜的断裂强度有所增加。由上述的结果可以看出碱-酶复合法提取稻秸秆纤维的方法较好, 并且由于酶是蛋白质物质, 其废液对环境无污染, 可推广使用。
4 稻秸秆纤维与废蚕丝非织造复合材料
利用秸秆提取纤维并用非织造技术生产农用地膜, 对原料选取、配比方案及对田间性能的测试, 综合分析得出最佳方案为:废丝量为4.02g/m2, 平方米克重为80g/m2, 粘合剂浓度为8%。制成的样品主要性能为:横向断裂强度为35N, 纵向断裂强度为32N, 厚度为0.2641mm, 透湿率为2346g/m2·h, 回潮率为5.6%。天然非织造布地膜有较好的保温性, 对表层土壤的最大增温可达3.6℃, 增温效果随土壤深度的增加而减小, 白天的增温效果好于晚上, 环境温度高的增温效果好于环境温度低的增温效果。保湿试验证明, 非织造布地膜覆盖后能减少土壤水分蒸发量, 比露天少, 有明显的保湿作用。保湿实验证明[6], 非织造布地膜覆盖后能减少水分的蒸发量, 在土壤基础含水率为26.7%的情况下, 覆盖非织造布地膜土壤的含水量减少7.5%, 比塑料地膜的5.2%略小, 具有明显的保湿作用。土壤降解试验证明, 秸秆纤维农业地膜在自然状态下能发生降解, 土埋30d后, 地膜发生降解, 土埋40d后, 降解率十分明显, 通过扫描电镜图像可看出秸秆纤维从束状分解成多根单纤维, 有大部分的纤维消失。红外光谱吸收图表明纤维大分子链发生断裂, 大分子有解聚现象发生。在完全降解前, 地膜会分解成散纤维状态, 不会因为片状结构而造成土壤板结。因为地膜中含有废蚕丝而且稻草纤维中含有大量的钾元素, 所以地膜的部分降解产物能提高土壤的氮和钾元素的含量, 在非织造布地膜被土埋30d后, 土壤的全氮含量增加1.0%, 全钾含量增加0.17%;土埋40d后含氮量增加1.5%, 含钾量增加0.22%。
5 麻地膜非织造材料
根据资料显示[7,8,9], 环保型麻地膜, 在农业应用中具有保水、保温, 防草等效果, 在合理栽培条件下优于塑料地膜, 但目前对环保型麻地膜降解特性及降解后对作物和土壤影响的研究中, 还存在不少空白。本试验重点研究可降解麻地膜的降解特性及降解后对作物和土壤的影响, 研究结果如下:
5.1 地表覆盖麻地膜, 需要6~7个月可以完全降解, 麻
地膜强力的变化在前期和后期变化速率快, 中期相对缓慢, 延伸率在前期略有增加, 后期降低;埋入土壤中的麻地膜, 2个月内可以完全降解, 前期变化缓慢, 后期变化迅速。
5.2 土壤肥力影响麻地膜的降解, 高肥力有利于地表
和土壤中麻地膜的降解, 在高肥力的土壤中, 土壤放线菌和细菌的数量增多, 与麻地膜单周降解率呈显著正相关。
5.3 麻地膜生产技术应用于红麻农作物生产, 麻地膜
降解后, 促进红麻各生理指标的增长, 包括株高、茎粗、皮厚、地上鲜重、地上干重、群体叶面积指数等, 麻地膜降解可以明显增加皮厚、群体叶面积指数、地上鲜重和干重。麻地膜覆盖8年和6年的红麻收获产量相对于对照增加12.8%和8.7%, 鲜茎出麻率增加4.4%和7.0%。
5.4 麻地膜降解后, 有利于土壤含水量的提高, 降低土
壤容重达4%左右;提高土壤有机质、速效磷、速效钾的含量。
5.5 麻地膜降解促进土壤微生物的增长。麻地膜降解
提高土壤部分酶的活性, 包括土壤蔗糖酶、纤维素酶和酸性磷酸酶, 且其酶活之间呈显著正相关。
6 结语
进入21世纪后, 人们对环境友好型的材料的开发和研究越来越重视。可生物降解农用地膜的研究也成为科学工作者研究的对象。以天然纤维为原料制成的非织造可生物降解的复合材料, 逐渐能满足人们的要求, 若能在规定的时间内完全降解, 提高土壤的肥力的同时, 又能达到除草的目的, 同时废弃物无环境污染, 是该领域研究的关键。
摘要：虽然农用地膜应用是一项优良的农业增产技术, 但残留地膜污染田地的问题却十分突出, 我国农用地膜使用量位居世界前列, 因此研究和解决我国农用地膜的生物降解问题迫在眉睫, 现尝试对非织造农用地膜的各种降解方法做一剖析, 以期能为关注该领域的学者和相关行业的同仁们提供参考。
关键词：非织造材料,生物降解,PHBV,亚麻纤维,蚕丝纤维,稻秸杆纤维
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生物可降解地膜 篇5
关键词：氧化-生物双降解,地膜,实验报告
1 试验设计及实施方法
试验采用对比法设计, 全膜覆土穴播技术栽培, 小区面积88m2 (宽4.4×20m) 。指示品种为先玉335号。设11个处理, 即处理①:普通地膜 (膜厚0.008mm) , 顶凌覆膜;处理②:普通地膜 (膜厚0.008mm) , 秋覆膜;处理③:双降解地膜 (甘肃1号, 膜厚0.008mm) , 顶凌覆膜;处理④:双降解地膜 (甘肃1号, 膜厚0.008mm) , 秋覆膜;处理⑤:双降解地膜 (甘肃2号, 膜厚0.008mm) , 顶凌覆膜;处理⑥:双降解地膜 (甘肃2号, 膜厚0.008mm) , 秋覆膜;处理⑦:双降解地膜 (甘肃1号, 膜厚0.006mm) , 顶凌覆膜;处理⑧:双降解地膜 (甘肃1号, 膜厚0.006mm) , 秋覆膜;处理⑨:双降解地膜 (甘肃2号, 膜厚0.006mm) , 顶凌覆膜;处理⑩:双降解地膜 (甘肃2号, 膜厚0.006mm) , 秋覆膜;处理11:双降解地膜 (双降解示范膜, 膜厚0.006mm) , 秋覆膜。
2 试验地基本情况与田间管理
试验设在静宁县灵芝乡东庄村1队, 土壤为黄绵土, 海拔1 879m, 前茬马铃薯, 试验地肥力均匀, 地势平坦, 地力中上, 前茬收后, 机耕深翻后旋耕机旋耕一次。试验于2015年11月10日秋覆膜, 次年3月8日顶凌覆膜, 施优质农家肥3 000~4000kg/667m2, 底施尿素20kg/667m2, 普钙50kg/667m2, 4月7日播种。出苗后及时查苗、补苗。在玉米拔节期追施尿素8kg/667m2, 其它管理同当地大田。
3 结果与分析
1) 不同处理对玉米生育期及抗性、经济性状的影响, 各处理的玉米生育期、抗性、植株性状以及经济性状与普通地膜都没有明显差异。
2) 产量结果。由最终产量表明, 处理 (3) 折合产600kg/667m2, 产量最高;处理 (2) 折合产564kg/667m2, 产量最低;各处理产量最高与最低之间相差36kg/667m2, 与普通地膜 (膜厚0.008mm) 处理①秋覆膜、处理②顶凌覆膜之间产量在30kg范围内, 说明各处理与普通地膜对产量都没有明显的差异。
3) 各处理生物-氧化双降解膜在田间降解情况。从表1的记载可以看出生物-氧化双降解膜地膜的降解过程, 秋覆膜由于暴露在露天的时间较长, 受到光照、风力、雨水的破坏较大, 从目测来看秋覆膜均有不同程度的轻微破损, 但从风化降解的角度来看这种现象应忽略。在苗期, 发现部分破损和少量破孔, 可能由于铺膜时的人为因素 (膜边缘拉得较紧) 或者大风等因素所致, 但整体降解较慢;玉米拔节期后出现鱼眼状大小的的小孔;以后小孔逐渐增多, 直径增大, 部分破孔周围出现裂口, 韧性减小, 但是各处理降解不太明显;直到作物收获时垄上人为因素影响地膜易破裂, 最明显的是处理11双降解地膜 (双降解示范膜, 膜厚0.006mm) 有明显分化降解成碎末状的小块, 其余各处理没有明显降解。
4) 生物-氧化双降解地膜对土壤含水量和土壤温度的影响。由表2表明, 在各个处理的秋覆膜和顶凌覆膜中, 测定的播种后10天、拔节期、大喇叭口期、收获期四个生育时期的土壤温度在9:00、12:30、16:30连续四天的平均值和土壤含水量在0~10cm、10~20cm、20~30cm之间没有显著差异, 说明各种氧化-生物双降解地膜与普通膜之间对土壤含水量和土壤温度没有明显差异。
4 结论
试验结果表明, 各种降解膜不论是秋覆膜还是顶凌覆膜在今年降雨多且日照少的情况下, 氧化-生物双降解地膜和普通地膜的保水和保温效果基本相同, 玉米拔节期生物双降解地膜开始出现少量小洞, 随着生育进程地膜逐渐变薄、变脆, 至收获时, 人为因素宜破裂, 最明显的是处理11双降解地膜 (双降解示范膜, 膜厚0.006mm) , 收获期前, 有明显分化降解成碎末状的小块, 适宜小面积示范推广, 其余四种降解膜还有待进一步试验研究。
参考文献
生物可降解地膜 篇6
新疆位于西北干旱区,地膜覆盖对土壤具有明显的保湿保温的作用,并且可以有效地治理杂草,从而促进农作物增产[1,2]。自从20世纪90年代新疆引入膜下滴灌技术,地膜带来“白色革命”,极大提高新疆农业经济发展。目前膜下滴灌广泛应用于棉花、番茄、玉米等种植,极大提高了当地居民收入[3]。由于普通塑料地膜更好的经济性,使得新疆普遍采用不可降解的普通塑料地膜,这种地膜主要成分为聚乙烯或聚氯乙烯,都具有极高的稳定性,降解速度非常缓慢,据估计降解需要100年的时间[4]。长期膜下滴灌使大量地膜碎片残存在土壤中,形成不同程度不同层次的隔层,影响土壤的透气性,阻碍根对养分和水分的吸收。新疆未采取有效的残膜回收技术,尤其是超薄地膜的使用,这种地膜相对容易破碎,薄膜碎片残存于地下30cm以内并逐年递增,使土壤容重减小,破坏土壤团粒结构。若任其发展势必会造成农作物减产并且导致严重土壤污染[5]。因此,发展适应于新疆特殊气候条件下的可降解地膜已经成为解决土壤残膜污染的重要方法[6]。
20世纪70年代,欧美科学家首先提出降解塑料的概念,1973年英国科学家格里芬提出生物降解的概念,Otey等将其进一步发展,提出“双降解”的概念,随之产生了光生物双降解地膜[7,8]。中国在20世纪90年代降解塑料成为研究热点,不断有新型可降解地膜产生。随着可降解地膜生产技术日渐成熟,降解地膜的研究也进入田间试验示范阶段[9]。李仙岳[10]等研究了不同厚度生物降解膜在葵花方面的应用,得出生物降解膜覆盖与普通塑料地膜具有相似的应用效果,刘群[11]等研究了生物降解膜在玉米种植的应用,前期效果与普通塑料地膜相似,由于后期降解膜的降解,保温保墒效果降低。申丽霞[12]等研究了生物降解地膜在玉米上的应用,也得出生物降解膜和普通塑料地膜具有类似的应用效果。前人的研究主要集中在研究降解膜在玉米、葵花等上的应用,多数位于内地,然而很少研究完全生物降解膜在新疆地区膜下滴灌的应用。笔者针对新疆特殊气候条件,研究两种不同厚度生物降解地膜在膜下滴灌棉花上的大田应用,针对完全生物降解地膜对土壤温度和水分的影响进行研究,为生产中使用完全生物降解膜代替普通塑料地膜提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2015年4月至11月在石河子大学节水灌溉试验站(85°59′47″E,44°19′28″N海拔412m)进行,试验站位于新疆石河子市西郊石河子大学农试场二连,平均地面坡度6‰,年平均日照时数达2 865h,≥10℃积温为3 463.5℃,无霜期170d,多年平均降雨量207 mm,平均蒸发量1 660 mm,地下水埋深大于10m,土壤质地为中壤土,0~100cm层的平均体积质量及田间持水率(质量含水率)分别为1.60g/cm3和18.65%。
1.2 试验设计
采用小区试验,设置普通塑料地膜(PE)、A型完全生物降解地膜厚0.010 mm(BD1)、B型完全生物降解地膜厚0.012mm(BD2)以及无膜(CK)4个处理,各处理3次重复,随机排列组合,每个小区面积为108m2(18m×6m)。膜下滴灌棉田棉花种植模式为1膜2带4行,平均株距11cm,理论留苗密度250 000株/hm2。4月21日播种(干播湿出),5月5日出全苗,5月16日定苗,9月10日开始采摘。全生育期共施肥量832kg/hm2(尿素和磷酸钾铵按照2∶1的比例进行滴灌随水追施),喷缩节安化控4次。灌溉水源为当地深层地下水,矿化度低于0.3g/L,所有处理灌水量相同,为4 500m3/hm2,灌溉方式为膜下有压滴灌。其他种植管理方式与大田生产相同。
试验用完全生物降解地膜为金发科技股份有限公司生产,膜宽都是80cm,膜厚分别为0.010和0.012mm;主要成分是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)这种地膜由自然界存在的微生物如细菌、霉菌(真菌)和藻类的作用而引起降解(无需人工添加剂),降解后产生天然物质,如水、二氧化碳和生物质。供试验棉花品种为新陆早21号,适合新疆自然生态特点和“矮密早”栽培模式要求,具有良好的稳定性和适应性;聚乙烯普通塑料地膜由新疆天业股份有限公司生产,膜厚0.008mm;单翼迷宫式滴灌带由新疆天业股份有限公司生产,滴头间距30cm,滴头设计流量2.6L/h。
1.3 测定项目和方法
1.3.1 土壤温度
采用曲管地温计对不同处理的土壤温度进行观测,分别观测地下5、10、15、20cm处的温度,第一个月测定时间为08∶00至20∶00每隔两个小时观测一次,从覆盖当天起每隔5d测定一次,之后测定时间为08∶00,14∶00,20∶00三个时间点,每隔7d测定一次。
1.3.2 土壤水分
采用取土烘干法测定质量含水率,水平方向分别在滴灌带下、窄行和宽行中间测定,垂直方向则每隔10cm取一个样取至1m。测定时间为棉花播种第2天,然后每个10d测定一次,含水量采用申孝军方法进行加权平均计算,根据不同深度土壤容重换算成土壤储水量。
1.3.3 气象数据
在距试验地300m处设自动气象站,每隔30s测量一次,记录降水、气温、湿度、太阳辐射、大气压等气象指标。
1.4 数据分析
所有数据采用Microsoft Excel 2007进行处理及绘图。使用Microsoft Excel 2007在P<0.05下进行方差分析。
2 试验结果分析
2.1 不同覆盖处理对土壤温度的影响
2.1.1 土壤温度的日变化
图1表示棉花生育期内的气温和降雨,气温为每十日平均值。图2表示5月7(播种后15天)日不同覆膜处理不同深度土壤地温的日变化。从图2中可以看出土壤温度随着时间推移逐渐升高,其中5到10cm处温度达到最大值后又逐渐降低。地下5cm处16∶00(北京时间,下同)温度较8∶00时刻地温提高平均108.3%,但在20∶00时刻地温又出现降低,降幅达到33.6%,并且在地下10cm处出现了相似的规律,但温度的增幅和降幅分别为76.7%和15%,地下10cm处温度的波动幅度明显与地下5cm较小。地下15和20cm处土壤温度的变化较上层土壤明显趋于平稳。地下15cm和地下20cm处的地温增幅(8∶00与16∶00相比)分别为39.2%和17.7%,并且在16∶00至20∶00的这个时段内,并未出现降低反而出现了增长。可以看出5和10cm处地温最高值出现在16∶00,15cm深度地温最高值出现在18∶00,20cm深度地温极值出现在20∶00,总体上地温极值随着深度的增加出现了滞后现象。两种完全生物降解地膜和普通地膜的地温高于裸地,地下5cm处BD1、BD2、普通塑料地膜覆盖(厚度分别为0.010、0.012和0.008mm)较无覆盖地温提升8.1%、6.9%和14.8%。普通塑料地膜对于地温的提高作用最强,BD1增温作用强于BD2但之间没有显著性差异(P<0.05)。地下10和15cm处地温与地下5cm处地温具有相似的规律,但在地下20cm处覆膜处里与不覆膜没有显著性差异(P<0.05)。由此可以看出地膜覆盖的增温效应主要集中在地表至地下15cm深度内。完全生物降解地膜与普通塑料地膜具有相似的增温作用,从地膜的增温方面看可以代替普通塑料地膜使用。
2.1.2 土壤温度的周变化
图3表示不同覆膜处理5和10cm深度土壤温度的周变化,分别为一天中不同时刻5和10cm处土壤温度的平均值。地膜覆盖主要对地表至地下15cm内土壤温度产生影响(图2)。因此主要研究地下5和10cm处地温的周变化。从图3可以看出土壤温度在播种后35天内波动较大,最高与最低土壤温度相差15.1℃,这主要是由于较大的气象变化引起地温的波动(图1),并且棉花植被覆盖较小气象因素是主要的影响因素。之后气温稳中有升,地温则相应升高则得以印证。在播种后65d内,地下5cm处覆盖BD1、BD2和LPE与无覆盖(CK)相比温度提高了2.3、2.1和3.5℃。覆盖完全生物降解地膜可以显著地提高土壤温度,与之相比普通塑料地膜的增温效应更加明显(增长57.1%)。地下10cm具有相似的作用,与对照相比BD1、BD2和LPE提高0.9、0.8和2.1℃,但增温作用与地下5cm相比明显降低。播种65d后3种覆膜处理5和10cm深度土壤温度都较为接近但比无覆盖高,这是由于随棉花生长,植被覆盖成为影响土壤温度的主要因素,地膜的保温作用逐渐消失;而在前期气象因素是影响地温的主要因素,地膜的保温作用影响显著。本试验所采用完全生物降解地膜在播种后65d内均未出现破坏性降解,具有和普通塑料地膜相似的保温作用,从地膜的降解性能来说,在棉花前期未出现大面积降解,完全满足棉花生长对温度的要求,可以代替普通塑料地膜的使用。
2.2 不同覆盖处理对土壤水分的影响
图4表示的是不同覆盖处理下土壤水分随时间的变化。土壤水分在播种后第2d不同地下深度的土壤水分基本一致。在地下0~10cm处,土壤水分波动较大,完全生物降解地膜和普通塑料地膜的土壤水分没有明显差异(P<0.05),但均高于裸地。说明完全生物地膜与普通塑料地膜具有相同的保墒效果。土壤水分在播种后45d内一直降低是由于,新疆膜下滴灌棉花在苗期和吐絮期内不进行灌溉。地下10~50cm处,完全生物降解地膜和普通塑料地膜土壤水分无显著差异(P<0.05),但均多于无覆盖土壤水分,这是由于植物根系较短以及覆膜阻碍深层土壤水分的蒸发,使得地下10~50cm处土壤水分波动较小,覆膜的保墒效果得以体现。但是,在地下50~100cm处,土壤水分随时间增长波动较小,4种处理的土壤水分互有高低,差异性不明显,这是由于蒸发作用主要影响地表至地下50cm处土壤水分,覆膜并不能对这一范围内的土壤水分产生影响。由此说明完全生物降解膜和普通塑料地膜在保持水分上具有相似的作用,并且能在土壤0~50cm处产生影响,因此从保墒的方面来说,完全生物降解膜可以取代普通塑料地膜。
3 讨论
使用生物降解地膜代替普通塑料地膜可应用与农业生产中,因为二者在保持土壤水分和提高土壤温度具有相似的作用[12]。兰印超[13]等的研究表明可降解地膜覆盖能够提高地下5~20cm的土壤温度以及地表至40cm处的土壤水分。张永明[14]等研究表明,地膜覆盖可以明显提高地下5~15cm处的地温,在没有降解时与普通地膜相比具有相近的保温作用。王星[15]等的研究表明,可降解地膜与普通塑料地膜具有相近的作用。王鑫[16]等研究表明,在玉米生长前期,可降解地膜的保水保墒作用显著。在本研究中,完全生物可降解地膜为保证足够的韧性和强度,满足新疆地区大面积机械作业要求,使用的地膜厚度较厚,与上述专家使用的降解地膜相比较厚。在地温的日变化以及周变化中,完全生物可降解地膜均较普通塑料地膜的保温效果差,这是由于特殊的材料和膜厚造成,但作用仅仅在地下5cm处较为明显。膜厚度的增加使得降解速度减慢,因此完全生物降解地膜前期的保水效果与普通塑料地膜相近,在棉花灌水阶段内(蕾期和花铃期)地膜对对土壤水分的影响很小,这是由于高频率灌水造成的,而此时也是完全生物降解地膜快速降解阶段。因此从对于棉花生长至关重要的水和温两方面来说,完全生物降解地膜完全可以代替普通塑料地膜进行推广应用。
4 结语
可生物降解塑料发展动向 篇7
随着塑料工业的迅速发展,当前世界塑料总产量已超过1.8亿t,但因废塑料难于降解,而成为环境垃圾。有资料表明,城市固体废弃物中塑料的质量分数已达10%以上,体积分数则在30%左右。发展可降解塑料能减少白色污染,有显著的经济效益和社会效益。
现生产降解塑料的主要国家有美国、意大利、德国、加拿大、日本、中国等。随着PLA等可生物降解塑料材料的应运而生,在原有聚乙烯等传统不可降解塑料制品中加入适量PLA等生物材料制成的塑料制品,既可部分实现生物降解,原有的力学性能又没有明显的改变。这一技术突破为解决废旧塑料制品污染找到了一条新途径,也为塑料价值链带来了新机遇。
生物塑料和普通塑料共混使用,在日本已经比较普遍。如丰田汽车公司的塑料零部件中,30%使用了可生物降解塑料,70%为传统塑料。这样既提高了塑料部件的可降解程度,成本增加又不是很大,市场接受起来也相对容易一些。日本处理塑料垃圾采用焚烧的方式,部分使用生物塑料无疑减少了CO2的排放量,对环境更加友好。
生物塑料的耐高温性能不好,很多生物塑料在50~55℃就会变形,其应用领域和适用范围因此受到很大限制。而且,生物塑料一般来说都很脆,抗冲击性能不好,难以在汽车零部件等对抗冲性要求较高的领域使用。进一步改善生物降解塑料产品性能,将其推广到电子产品,甚至是汽车材料领域,才能真正使生物塑料获得大规模推广应用。
美国普立万公司一直在为提高生物塑料的耐高温性能而努力。该公司推出了其开发的、改善了材料抗冲击性并可在100℃以上加工使用的可生物降解塑料技术。耐高温产品的推出,使生物塑料在家用塑料制品中大规模应用成为可能。普立万与全球领先的家居和办公室配件供应商合作推出了可生物降解的浴室配件。该产品采用了普立万开发的PHBV(聚羟基丁酸戊酸共聚酯)为基础的生物降解材料,让牙刷架、浴室盒、浴室杯、定量分配器、肥皂盒及浴桶等在保留原有设计和质量标准的情况下更加环保。
日本东丽公司与昭和公司合作开发的以PLA和纤维素为主要成分的PLA生物塑料耐热温度已经达到150℃,美国伊士曼公司和日本昭和高分子公司推出的生物法聚丁二酸丁二酯已经可以作为家用电器和电子仪器等的包装材料。总之,可生物降解塑料的耐高温性能正在逐步提升,进一步推广应用的条件正在逐步成熟。
据美国BCC研究公司发表的预测报告,认为到2012年全球可生物降解聚合物市场年均增长率为17.3%。2007年需求量达到了5.41亿磅(24.5万t),预计到2012年市场将增加到超过12亿磅(54.6万t)。相对较高和缺乏有效混配的基础设施。北美的可生物降解聚合物市场不如欧洲和亚洲发展得快,但具有发展潜力。美国市场的主要驱动力是环境法规的推动,最近用可生物降解聚合物代替石油基塑料正在增长。
在推广的初始阶段,生物塑料很需要政策的支持。一些发达国家采用的办法是,政府出面规定商场和超市必须采用经PLA等生物料料改性、具有可降解性能的塑料薄膜制品,这样的政府调节行为,对推动生物塑料产业和相关的传统塑料/生物塑料改性及其制品加工业的良性发展是十分必要的。
为积极推动生物降解塑料、践行绿色奥运的理念,奥运会期间,在使用一次性餐具场所将全部使用生物降解塑料餐具,以解决传统塑料袋造成的环境污染问题。这无疑将是我国大力推广生物塑料应用的一个良好开端。
目前在我国国标GB/T19277-2003中已明确体现这一理念。生物降解塑料所采用的原料大部分采用可再生的资源,使塑料制品的对有限的石油资源的依赖度大大降低,发展前景十分看好。
生物法合成新型高分子材料生物聚酯已经成为一个新材料生产、开发和应用的方向,该领域的研究充分体现了多领域、跨行业的现代科技产业特点,生物聚酯将在人类的环境保护、医药保健等方面发挥重要作用。生物聚酯PHA作为一种新型高分子材料,可以通过微生物的大规模发酵制得,它具有类似于塑料的物化特性并具有可控的生物可降解性。美国宝洁公司已经开发成功了作为缝合线、无纺布和各种包装用材料的PHA系列产品及其多种应用。但该材料的造价较高,限制其获得广泛应用。目前PHA在全球的研究主要集中在利用其生物可降解性、生物相容性等特征,开发在医疗、制药、电子等高附加值领域的用途。另外,农用药物或生长促进剂的缓释材料、光电材料等都在开发当中。由于PHA分子结构的多样性强,因此其性能也具有很强的可变性和可操作性,通过基因工程技术可开发各种超强微生物合成平台,科学家现已通过该技术得到多达150种以上的PHA单体,各种单体的不同结构为PHA材料带来许多功能及应用。另一方面,生物聚酯单体的应用也在不断深入。目前生物聚酯的可变手性单体已经被看作是手性药物制备的良好工具,广泛用于化学药品合成的结构元件,例如抗生素、维生素等,已有部分单体作为临床药物被采用。
化学合成型材料大多是在分子结构中引入酯基结构的脂肪族聚酯,在自然界中其酯基易被微生物或酶分解。目前已开发的主要产品有聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁烯琥珀酸酯(PBS)等。PLA是以乳酸为单体聚合而成,但由于乳酸提取、精制较为困难,生产成本较高。聚乳酸溶点为175℃,具有良好的生物相容性,在医用领域大有用途。聚己内酯熔点为63℃,热塑性好,易成型加工。由于聚己内酯和其他广泛使用的合成树脂具有良好的相容性,故可赋予共混物生物降解性,从而提高其应用价值。它可用作手术缝合线、医疗器材和食品包装材料。聚丁烯琥珀酸酯熔点为114℃,应用开发的产品有发泡材料,可用作家用电器和电子仪器包装材料等。
兼具光、生物双降解功能的光-生物降解塑料是目前主要的开发方向之一。其制备方法是采用在通用高分子材料(如PE)中添加光敏剂、自动氧化剂、抗氧剂和作为微生物培养基的生物降解助剂等的添加剂技术途径。光-生物降解塑料可分为淀粉型和非淀粉型两种类型,目前采用淀粉作为生物降解助剂的技术比较普遍。国外开发的主要产品有加拿大SLLawvennee淀粉公司与瑞士ROX-XO公司合作开发的EcosterPlus、美国Ampact公司开发的PolygradeⅢ、美国ADM公司的Polyclean,以及其他的欧美公司产品。但由于该技术主要采用光敏剂母料和由淀粉母料混配的复合材料,完全降解性等效果不够理想,为此尚处研发阶段。
英国在超市已开始大量推广使用淀粉系列和聚乳酸系列可生物降解的购物袋及食品包装袋,每年消费量可达220亿个。意大利是世界上最早进行生物降解塑料产业化的国家之一,有多家研究机构。生产企业中最著名的是Novamont公司,主要生产淀粉系列的生物降解塑料,2006年生产能力为4万t,应用于多领域的降解塑料制品。
德国的巴斯夫、拜耳以及瑞士的汽巴精化等公司,也得益于政府和民间环保组织的支持,生物降解塑料的产业化进展迅速,产品包括淀粉、聚酯、PVA系列等。巴斯夫公司已推出商品名为‘Ecoflex’的生物降解塑料,产业化能力为3万t/a,其工厂建立在德国东部。荷兰RodenburgBiopolymers公司正成为欧洲生物降解塑料市场的新龙头,其生产能力已达到4万t/a,并于2005年后在法国、北美和亚洲开设更多的新工厂,其产业化目标之一是将产品价格降到与普通塑料一样。
美国作为一个技术发达的工业大国,在对于可持续发展经济具有重要意义的生物降解塑料的开发上更是不甘落后,目前设有开发机构和生产企业十几家,其中GargillDow公司是目前世界上生物降解塑料产业化生产规模最大的公司,主要生产聚乳酸系列的生物降解塑料,已建成14万t/a规模的生产能力,并和意大利Amprica公司、中国台湾威猛工业公司(WMI)共同合作,大举推进聚乳酸在包装等方面的应用。该公司投资30亿美元进行聚乳酸和聚交酯的大规模产业化。美国Warner-Lawbert公司建立了一套4.5万t/a的工业化生产线,大规模生产淀粉系列的生物降解塑料,并有3个同等规模的生产线在建设中。美国杜邦公司和伊士曼公司生产聚酯系列生物降解塑料,商品名分别为‘Biomax’和‘Faster-Bio’,主要用于家用垃圾袋、餐具、尿布、花盆、农用薄膜等,其产品正在德国市场推广。
较低的生产费用和高涨的油价,使聚乳酸生产的经济性将会更好。NatureWorks公司以谷物为原料生产的这种聚合物,可使现在使用PET聚酯的某些应用领域费用得到节约。位于布鲁塞尔的该公司聚乳酸(PLA)的生产费用已下降68%,聚乳酸现在可与PET相竞争,在今后几年内,将可与聚苯乙烯(PS)相竞争。据该公司称,聚苯乙烯价格波动性很大,当今在许多地区聚乳酸已可与PS相竞争。比利时零售商Delhaize已开始使用NatureWorks公司PLA,用于新鲜生莱箱,并正在评价将这种材料用于粮食、水果和蔬菜包装。