聚乙烯（PEF）与可生物降解（BD）地膜对韩国大豆和玉米田薄膜降解、土壤条件及作物生长的影响：PBAT/PBS/PLA组成与厚度差异

《Agronomy》：Film Degradation, Soil Conditions, and Soybean and Maize Growth Under Polyethylene and Biodegradable Mulch Films

　　

研究人员评估了2023年韩国聚乙烯膜（PEF）和可生物降解（BD）地膜下地膜降解、土壤条件以及大豆和玉米生长。两种作物接受相同处理：不覆盖（NM）和四种黑色地膜（PEF及三种BD膜：BFI、BFII和BFIII）。在大豆田，移栽后120天（DAT）地膜重量维持率以BFII最低（20.3%），其次为BFIII（29.4%）和BFI（46.1%）。BFII土壤水势为?136.2 kPa，BFI为?125.6 kPa，NM为?75.3 kPa，PEF为?70.4 kPa，BFIII为?62.2 kPa。PEF小区土壤电导率（EC）升高。覆盖处理下土壤容重降低，对应土壤孔隙度增加。PEF显著增加根和茎鲜重（FW）以及总FW。BFII增加荚数和种子FW，BFI和BFIII处理植株的值次之。在玉米田，30至60 DAT期间BFII和BFIII或BFI地膜重量维持率下降。BFII小区土壤水分降低，且部分六月采样日期BFI和BFIII小区也降低。PEF显著降低土壤硬度，BD处理也具相似低值。覆盖增加土壤P₂O₅和K₂O浓度。PEF产生最高营养体FW（817.2 g），而BD膜增加穗位高、穗长和FW。总体而言，含易分解PBAT和PBS组分的BFII地膜可能影响了大豆生育后期轻度干旱胁迫，产生适度营养生长并促进产量。

聚乙烯膜（polyethylene film，PEF）自20世纪50年代末广泛用于农业地膜，可通过抑制杂草和病虫害、缓冲土壤条件、限制水养分损失、减少土壤侵蚀和减缓土壤pH快速变化来提高作物生产力。但PEF埋入土壤后需300年以上分解，造成长期土壤和环境污染；非降解PEF处置还可能导致内分泌干扰物泄漏、不完全燃烧释放高毒污染物及CO₂排放，并需大量劳动和资金，在韩国农村人口老龄化、劳动力短缺背景下尤为突出。可生物降解（biodegradable，BD）地膜自2006年商业化，可作为PEF替代品，但仍有成本较高、机械性能欠佳及降解速率受膜类型、土壤、作物和环境条件影响难以控制等限制。BD膜常由聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（polybutylene adipate terephthalate，PBAT）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）和/或聚丁二酸丁二醇酯（polybutylene succinate，PBS）与炭黑、淀粉、纤维素和矿物添加剂共混制成；PLA主要靠微生物降解，PBAT受光、温度和微生物影响且通常降解快于PLA，但田间实际证据仍少。BD覆盖还可刺激土壤微生物丰度和活性，促进C、N、P养分循环并提高养分有效性。大豆（Glycine max (L.) Merr.）和玉米（Zea mays L.）是韩国主要夏季作物，常在地膜下栽培以调控表层土壤。已有研究显示，在干旱地区，可适度降解并与最大冠层叶面积期匹配的BD膜对大豆、玉米和辣椒生长及土壤有机质保持最有效；但同一BD材料在不同纬度、气候条件下的降解及作物效应研究较少。因此，研究人员在韩国高温高湿条件下评估PEF和不同类型BD膜对地膜降解、土壤条件及两种夏季作物生长的影响。

三、主要关键技术方法。2023年在韩国龟尾市（Gumi-si）私有农场（大豆，36.10°N，128.36°E）和安城市（Anseong-si）大学农业试验站（玉米，37.01°N，127.33°E）开展田间试验。大豆品种‘Daedu’于2023年6月30日移栽，120 DAT（days after transplanting，移栽后天数）收获；玉米品种‘Dongwon Eollugichal’于6月7日移栽，60 DAT收获。处理为NM、PEF及BFI、BFII、BFIII三种黑色BD膜，厚度PEF/BFI/BFII为0.015 mm，BFIII为0.020 mm。采用随机完全区组设计（randomized complete block design，RCBD），3次重复。测定地膜透光率与重量维持率，土壤温湿度、水势、容重、孔隙度、硬度、pH、土壤电导率（electrical conductivity，EC）、有机质（organic matter，OM）、NO₃^?、P₂O₅、K₂O、CaO、MgO，以及作物生长和产量。用方差分析（analysis of variance，ANOVA）和Duncan多重极差检验（p<0.05）。

四、研究结果
3.1. 薄膜生物降解性、土壤环境与大豆生长。在大豆田，BFII地膜在0、60和120 DAT透光率增加，而厚度稍大的BFIII透光率下降。所有BD膜在30至90 DAT重量维持率迅速下降，120 DAT时BFII最低20.3%，BFIII为29.4%，BFI为46.1%。视觉评估显示BD膜自60 DAT开始降解，90和120 DAT明显劣化。含PLA的BFI因初始分解需较高温度而在土壤中降解慢，120 DAT其表面局部崩解可能反映风驱动等机械撕裂而非微生物解聚。土壤水势在8月因持续降雨和温度波动减小而高于?50 kPa，9月初平均降至约?200 kPa，对应大豆初始萎蔫点。该干燥期使BFIII小区平均土温达33.7 °C，并数日接近38.0 °C，NM次之33.0 °C。9月和10月水势明显波动。季节平均水势以BFII最低?136.2 kPa，其次为BFI ?125.6 kPa、NM ?75.3 kPa、PEF ?70.4 kPa和BFIII ?62.2 kPa。BFIII为纤维素基且较厚，可能具较高疏水性和更强水汽屏障，提高土壤湿度，同时使10月12日最高土温达39.5 °C；PEF则维持较稳定土壤水热。土壤pH在NM于30 DAT降低，NM、BFI和BFII于120 DAT降低，PEF波动较小。PEF小区EC在30至120 DAT显著高于BD和NM，可能与改善土壤水分增加盐溶性有关。所有覆膜处理降低土壤容重并提高孔隙度；NM较高容重和较低孔隙度可能限制氧气扩散。NM土壤OM高于PEF和BFII。BFI和BFII可能在高氧有效性下支持好氧微生物过程并提高NO₃^?浓度；含纤维素的BFIII土壤P₂O₅趋于增加。大豆株高各处理无显著差异；NM植株120 DAT茎径较小、60 DAT叶片较少、30 DAT土壤-植物分析发展（Soil–Plant Analysis Development，SPAD）值较低；BFI和BFII增加60 DAT叶片形成。PEF显著增加根和茎鲜重（fresh weight，FW），NM最低，但干重（dry weight，DW）无显著差异；PEF也增加整株FW和DW，但可能因营养与生殖器官库竞争而减少开花、荚和种子形成。BFII产生最高荚数、种子FW和产量4021 kg ha^?1，BFIII为3393 kg ha^?1，BFI为3236 kg ha^?1。BFII还提高叶FW/整株FW比至14.1%，高于NM 11.7%、PEF 10.2%、BFI 11.1%和BFIII 12.2%，可能与后期部分水分胁迫增强碳同化能力有关。

3.2. 薄膜生物降解性、土壤环境与玉米生长。在玉米田，BFII、BFI和BFIII在0 DAT透光率较高，与大豆田一致；30和60 DAT各膜间无显著差异。30至60 DAT所有BD膜重量维持率下降，BFII和BFIII降幅最大，与大豆田相似，但BD膜在玉米田较大豆田分解慢，归因于玉米田高黏粒含量、通气差、较低温度和降水。PLA基BD膜如BFI因较高玻璃化转变温度和刚性结构在地表缓慢降解。6月部分测定日期，BFII小区土壤水分降低，BFI和BFIII小区也降低；但土壤水势仍高于?50 kPa，表明干旱胁迫不太可能限制玉米生长。冠层覆盖形成后，各处理土温趋同。PEF显著降低土壤硬度，BD处理也显示相似低值。覆膜可降低容重、提高孔隙度，并可能增加大团聚体比例和提供促进团聚体稳定的胶结物质。PEF小区土壤pH显著升高，NM降低；覆膜提高阳离子保持并减少夏季降雨中H⁺损失。EC各处理无显著差异，NM趋于较低。NM和PEF土壤OM低于BD处理；PEF中较多根残体输入与持续土壤水分可能增强矿化，抵消OM潜在增加。NO₃-N和CaO无显著差异；覆膜增加土壤P₂O₅和K₂O，MgO在BFI最低。玉米叶SPAD无显著差异；NM叶片较少、茎高和直径降低，BFII增加这些营养性状。PEF产生最高营养体FW 817.2 g，其次为BFII 752.4 g、BFI 683.9 g和BFIII 635.9 g，与大豆中强营养响应一致。覆膜增加穗位高、穗长和FW，BD处理趋势类似PEF但无显著差异；覆膜下玉米增产被归因于改善土壤水分保持和增强养分循环。

五、讨论与结论。讨论指出，BD膜在夏季30至60 DAT即开始相对快速降解，因此未能像PEF那样维持高土壤含水量，但其改善土壤物理性质并产生与PEF相当的养分浓度模式。PEF下中等高土壤水分、较稳定土温和升高EC带来干物质积累小幅增加，却减少大豆向生殖器官和玉米向穗、籽粒的分配。膜组成（PBAT、PLA、PBS比例及添加剂类型）和厚度差异导致降解速率及对土壤和夏季作物生长的影响在大豆和玉米间不同，尤其在生长季较长、冠层发育较慢的大豆中更明显。BFII含高比例易分解PBAT和PBS，可能造成大豆后期轻度干旱胁迫，从而产生适度营养生长并促进产量。所有BF膜在韩国夏季温暖多雨气候下到30 DAT可生物降解，有助于后季作物提早种植。但即使在不同地点试验，使用两种作物仍难将BD膜效应明确归因于地点、土壤质地或气候；严重季节性极端天气可能掩盖地膜效应，灌溉、天气异常及其与处理互作也需考虑。后续需基于土壤微生物群落特征和重复年度试验数据进一步讨论BD膜影响土壤环境和作物生长的详细机制。

研究结论翻译：与PEF相比，BD膜覆盖处理未维持高土壤含水量，因为其在夏季30至60 DAT期间开始相对快速降解。然而，BD膜覆盖处理改善了土壤物理性质，并产生与PEF小区相当的养分浓度模式。在中等偏高土壤水分、相对稳定土壤温度和升高土壤EC下，PEF覆盖导致干物质积累小幅增加，但减少了大豆向生殖器官以及玉米向穗和籽粒的分配。基于膜组成（PBAT、PLA和PBS比例以及添加剂类型）和厚度差异，膜降解速率及其对土壤和夏季作物生长的影响在大豆作物中表现出明显差异，大豆生长季较长且冠层发育较慢。特别是，含高水平易分解PBAT和PBS组分的BFII覆盖膜可能影响了大豆生育后期轻度干旱胁迫，产生了适度营养生长并促进产量。所有BF膜在韩国夏季温暖多雨气候下到30 DAT可通过生物降解，有助于后季作物提早种植。然而，尽管试验在不同地点进行，使用两种作物仍难以明确将BD覆盖膜对作物的影响归因于地点、土壤质地或气候条件等特定因素。尽管严重季节性极端天气可能掩盖地膜效应，仍需考虑灌溉、天气异常及其与处理互作的潜在混杂。基于土壤微生物群落特征分析和重复年度试验数据，需要进一步讨论BD覆盖膜影响土壤环境和作物生长的详细机制。