全生物降解地膜在秋冬茬温室甜瓜生产中的应用

摘要

本发明涉及全生物降解地膜在秋冬茬温室甜瓜生产中的应用。本发明所述全生物降解地膜是以PBAT、PLA和木质素为原料制备得到的；优选所述全生物降解地膜的配方为：PBAT 90wt％，PLA 5wt％，木质素5wt％。本发明全生物降解地膜在用于秋冬茬温室甜瓜生产时，可以显著地提高甜瓜座果率、使座果时间提前、显著提高甜瓜宽度、显著提高甜瓜单果重、亩产量、提高甜瓜中心糖度和可溶性糖含量。

说明书

技术领域

本发明涉及全生物降解地膜在秋冬茬温室甜瓜生产中的应用

背景技术

覆膜技术被广泛应用于作物栽培上。地膜覆盖可有效提高地温、保蓄水土、减少养分流失。尤其是在较寒冷地区和温差比较大的地区可使农作物产量实现极大幅度的提高。地膜材料成分主要为聚乙烯，其分子结构比较稳定，在自然条件下很难降解。聚乙烯残留地膜易造成土壤中的水、气、肥等流动受阻，土壤结构被破坏、耕地质量下降、根系发育受阻、产量降低等一系列问题。

因此，有必要提供可生物降解地膜。

发明内容

本发明请求保护全生物降解地膜在秋冬茬温室甜瓜生产中的应用。

本发明人研究发现，全生物降解地膜在用于秋冬茬温室甜瓜生产时，可以显著地提高甜瓜座果率、使座果时间提前、显著提高甜瓜宽度、显著提高甜瓜单果重、亩产量、提高甜瓜中心糖度和可溶性糖含量。

具体地，本发明所述全生物降解地膜是以PBAT(即聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯)、PLA(聚乳酸)和木质素为原料制备得到的。

在一些实施例中，本发明所述全生物降解地膜的配方为：PBAT 90wt％，PLA5wt％，木质素5wt％。

在一些实施例中，本发明所述全生物降解地膜的厚度为5-15μm，例如10μm。

本发明所述全生物降解地膜可采用本领域常规方法制备。

在一些实施例中，本发明所述全生物降解地膜的制备方法包括：按配方将各原料混匀，投入双螺杆挤出机中，于135-160℃挤出、风冷造粒，得到吹膜料，将所述吹膜料投入吹膜机进行吹膜。在一些实施例中，吹胀比为1.5-3.0，模口间隙为0.8-1.8。

在一些实施例中，制备本发明所述全生物降解地膜所用的原料PBAT(即聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯)、PLA(聚乳酸)和木质素均可市售获得或通过现有技术方法制备得到。

在一些实施例中，秋冬茬温室甜瓜生产时，可采用本领域常规方法使用本发明所述全生物降解地膜。

在一些实施例中，本发明所述全生物降解地膜能够在光氧化、水解和土壤酶等作用下，高分子链发生断裂，进而降解成二氧化碳和水等小分子，可有效减少对环境的污染。

在一些实施例中，栽培甜瓜所用的基质为椰糠块、珍珠岩和蛭石，其重量比为5:2:1。

在一些实施例中，栽培甜瓜所用的栽培槽尺寸为：长×宽×高＝6m×20cm×20cm。

在一些实施例中，所栽培的甜瓜品种为“蜜绿”，由上海惠和种业有限公司提供。

在一些实施例中，使用甜瓜35日苗龄，3-4片真叶时定植，株距25cm，每畦种植槽定植23棵，栽培密度为1300株/亩。

在一些实施例中，本发明所述全生物降解地膜对甜瓜进行栽培，可提前座果时间，甜瓜座果率可达57.78％，甜瓜宽度可达13.33±0.47cm，亩产量可达1236.11±14.21kg，可溶性糖含量可达4.34±0.16％。

附图说明

图1为本发明实施例各处理对基质温湿度的影响图。

图2为本发明实施例各处理对甜瓜净光合速率的影响图。

图3为本发明实施例各处理对甜瓜根系发育情况的影响图。

图4为本发明实施例各处理栽培基质的细菌OUT数量及α多样性指数箱型图

图5为本发明实施例10月12日甜瓜座果率调查结果图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

实施例

1.材料与方法

1.1供试材料与试验设计

试验于2020年9月-12月在河北省永清县中国农业农村部规划设计研究院国家设施农业研究中心的日光温室进行。基质重量比：椰糠块:珍珠岩:蛭石＝5:2:1，栽培槽尺寸：长×宽×高＝6m×20cm×20cm，供试对象为甜瓜，品种：“蜜绿”上海惠和种业有限公司，甜瓜35日苗龄，3-4片真叶时定植，株距25cm，每畦种植槽定植23棵，栽培密度为1300株/亩。

试验共设置五个处理，参见表1，分别是生物降解地膜1(S1)、生物降解地膜2(S2)、生物降解地膜3(S3)，普通聚乙烯地膜(PE)，对照(CK)为不覆盖地膜，重复3次。

表1实验设计及采用的地膜

其中，生物降解地膜S1、S2和S3由山东农业大学化学与材料科学学院协助提供。

生物降解地膜S1的配方为：PBAT 90wt％，PLA 10wt％；厚度10μm。

生物降解地膜S2的配方为：PBAT 90wt％，PLA 10wt％；厚度6μm。

生物降解地膜S3的配方为：PBAT 90wt％，PLA 5wt％，木质素5wt％；厚度10μm。

生物降解地膜S1、S2和S3的制备方法：按配方将各原料混匀，投入双螺杆挤出机中，于135-160℃挤出、风冷造粒，得到吹膜料，将吹膜料投入吹膜机进行吹膜。

普通聚乙烯地膜(PE)厚度10μm，购自山东清田塑工有限公司。

以上生物降解地膜S1、S2和S3以及普通聚乙烯地膜(PE)均为透明膜，宽度900mm。

1.2测定项目和方法

1.2.1地膜降解情况

在覆膜后，每隔10d观测1次地膜的降解情况，记录各处理地膜破损情况(是否出现裂纹、裂缝，破碎程度如何)。地膜降解分级指标：0级：未出现裂纹；1级：开始出现裂纹；2级：田间25％地膜出现细小裂纹；3级：地膜出现2-2.5cm裂纹；4级：地膜出现均匀网状裂纹，无大块地膜存在；5级：地膜降解为4cm×4cm以下碎片。

1.2.2地膜拉伸性能测定

按照GB/T1040.1-2006规定，选用宽度为10-25mm、长度不小于150mm的长条试样，试样中部标记间隔为50mm的两条平行线，采用实验速度为500mm/min，直到试样断裂为止，结果取5次平行测试的平均值，记录薄膜的拉伸强度以及延伸率。

1.2.3地膜透光率/雾度测定

参照GB/T2410-2008规定，使用积分球透光率/雾度测定仪，测定薄膜的透光率和雾度。所有地膜样品切割成40mm×40mm的尺寸，并进行3次平行测定，取平均值。

1.2.4地膜保墒性能测试

地膜保墒性能采用水蒸气透过率测试法进行测试，设备为PERMEW3/060水蒸气透过率测试仪，测试精度为0.01g/(m

1.2.5土壤温湿度测定

土壤温湿度测量采用HLY-B03土壤温湿度测计(武汉汉林苑科技有限公司)，温湿度探针插入深度为10cm，每个处理测定3处，重复3次。时间固定为9:30-10:00am，读取土下10cm的基质温湿度，比较不同处理对基质温湿度影响。全生育期基质温度采用“农情助手”YST-HSC1(北京硬石头科技有限公司)记录，每30min采集一次数据，每个温度记录器带有的3个探头以1.5m间隔均匀埋设在一条栽培槽中，插入深度为10cm。

1.2.6甜瓜生长和光合速率数据测定

株高测定：用卷尺从甜瓜茎基部开始到生长点，记为株高，每处理测定5株，重复3次。

光合速率：用英国PP-systems公司生产的CIRAS-3型便携式光合系统，可调光源的光量子通量密度设定为1000μmol·m

座果率：统计果长≥4cm，果宽≥2.5cm的果实数量，记为成功座果。

座果率＝成功座果数/总株数×100％

甜瓜成熟后同一采收，每处理随机选择6个甜瓜，分别测量甜瓜的果长、果宽、单果重，按照1300株/667m

1.2.8甜瓜根系结构测定

甜瓜采收后，每处理随机选择5株，将其根系小心完整挖出后清洗干净，采用EPSON扫描仪(EP-SON，Japan)扫描成图片，之后使用万深LA-S系列植物图像分析仪系统(万深，杭州)测量总根长、根表面积、根体积、平均直径、根尖数和分形维数。

1.2.9栽培基质理化性质测定

基本物理性质测定：pH和电导率(EC)的测定：将自然风干的基质与去离子水按体积比1:5混合，其中基质100cm

容重及孔隙度的测定：取容积为100mL的环刀，称重(W1),用环刀取各处理的0-10cm深度的基质，重复3次，编号封装后带回实验室测定。称量得到新鲜基质与环刀总重(W2)，用日本(型号)三相仪测定新鲜基质体积(V1)，然后将装有基质的环刀带网筛一端置于装有清水的托盘中静置24小时后再次称重(W3)，以及测定体积(V2)，再将装有基质的环刀置于烘箱中80℃烘干至恒重，再次称重(W4)，测量烘干后的基质体积(V3)。

容重＝(W4-W1)/100 (1)

总孔隙度＝(100-V3)/100×100％ (2)

持水空隙＝(V2-V3)/100×100％ (3)

通气孔隙＝(100-V2)/100×100％ (4)

1.2.10栽培基质微生物多样性分析

采用CTAB法对样本的基因组DNA进行提取，之后利用琼脂糖凝胶电泳检测DNA的纯度和浓度，取适量的样本DNA于离心管中，使用无菌水稀释样本至1ng/μl。以稀释后的基因组DNA为模板，根据测序区域的选择，使用带Barcode的特异引物，New England Biolabs公司的

2.结果与分析

2.1试验地膜的性能测试，结果见表2。

表2结果可见，四种测试地膜使用前，PE的透光率最高，达89.85％，S1和S2的透光率分别为86.44％和87.19％，表明降低地膜厚度，可以提高地膜透光率，二者的透光率略低于PE地膜；S3地膜的透光率最低为76.28％。PE的雾度最低，3种生物降解地膜的雾度均大于PE地膜，说明3种PBAT基生物降解地膜对入射光有较强的散射作用。水蒸气透过量和水蒸气透过系数是衡量地膜保墒性能的指标。PE地膜的水蒸气透过量为26.73g/(m

表2试验地膜使用前后的性能测定

注：-表示地膜样本破损严重，已经无法测定，无数据。

2.2不同地膜的降解特性，结果见表3。

S1随着覆膜时间的延长，80d地膜出现了少量裂纹，达到降解1级；S2覆膜10d即开始出现小裂口，20d出现大裂口，韧性变差，覆盖30d时出现大面积撕裂，达降解5级；S3和聚乙烯地膜在甜瓜的整个生育期一直未出现裂纹。

表3不同地膜的降解情况

注：0-5表示地膜降解分级指标，数值越大，地膜降解程度越高(n＝3)。

2.3覆盖PBAT基生物降解地膜对基质温度和湿度的影响

图1为覆盖PBAT基生物降解地膜对基质温湿度的影响。图1中，A为栽培基质温度；B为栽培基质湿度；C为全生育期栽培基质温度变化曲线图。

图1中A所示，9月中旬，聚乙烯膜，S1，S2和S3地膜处理的土壤温度分别为26.45℃，26.37℃，26.55℃和25.93℃，较CK分别增加了2.4℃，2.32℃，2.5℃和1.88℃；10月份，覆盖三种生物降解地膜处理的地温均高于聚乙烯膜覆盖和不覆盖处理，但各生物降解地膜覆盖处理之间地温差异不显著(p>0.05)；而随着日光温室内环境温度的降低，各处理之间出现明显变化，11月份时，S3处理的地温最高，为12.95℃，较CK，PE，S1，S2分别增加了1.25℃，1.3℃，0.7℃和0.93℃。生物降解地膜在前期保温性低于聚乙烯地膜，随着环境温度的降低覆盖生物降解地膜的温度显著高于覆盖聚乙烯地膜的温度(p<0.05)。

图1中B所示，整个处理期间土壤湿度的范围为20％-45％。9月中旬，经S1，S2和S3处理的土壤湿度分别为34.85％，30.62％和28.25％，较CK分别降低了6.17％，10.4％和12.82％；10月份，各处理之间土壤湿度差异不显著(p>0.05)；11月份，S3处理的湿度为31.4％，与CK相比增加了6.25％，与PE相比增加了4.27％，各生物膜差异不显著；说明前期生物降解地膜的保湿效果较聚乙烯地膜差，后期生物降解地膜的保湿效果较其他处理高。

从图1中C中可以看出，在甜瓜整个生长期中，随着日光温室内环境温度的降低，土壤温度整体呈下降趋势。覆膜第一周(9月11日-9月17日)，各处理之间的土壤温度差别不大；待9月中旬之后，覆盖地膜对增加地温的作用开始显现出来，各覆膜处理的土壤温度均高于CK，其中S1处理的土壤温度最高。

表4覆盖PBAT基生物降解地膜对基质积温的影响

注：-表示与PE比积温没有变化。

由表4可知，各覆膜处理在甜瓜的整个生育期的基质积温均高于CK(不覆膜处理)。从30d和60d的基质积温来看，S1处理的积温与PE地膜相比分别提高了15.48℃和47.16℃，而S2处理与PE地膜的差别不大，S3处理的积温与PE地膜相比分别提高了3.83℃和21.65℃。从甜瓜的整个生育期的基质积温来看，与PE地膜相比，S1处理提高最多，达到66.55℃，S2和S3分别提高了28.74℃和28.68℃，这主要与使用过程中生物降解地膜雾度增加有关，随着雾度的增加，地膜对光线的散射效果增强，基质增温均匀，同时可以折射由基质反射回来的光线，阻碍了光线的透过，因此全生物降解地膜对地温的提高均好于PE地膜。

2.4覆盖PBAT基生物降解地膜对甜瓜植株净光合速率和根系生长的影响

图2为覆盖PBAT基生物降解地膜对甜瓜净光合速率的影响。由图2可以看出：各处理的甜瓜净光合速率总体呈先上升后期下降的变化趋势。9月18日时PE处理的甜瓜净光合速率最高，可能与PE地膜前期的增温效果显著有关。9月28日各处理的净光合速率达到最高水平，可以看出其中PE的净光合速率增幅较小，S3的净光合速率增幅最大并已超过PE处理，S2和CK的净光合速率接近并处于最低水平。10月12日甜瓜各处理的净光合速率比较接近，S1的净光合速率处较高水平。10月20日S1的净光合速率略微增加并处于各处理中的最高水平，S3和PE次之，S2的净光合速率下降幅度较大，CK的下降幅度最大，处于最低水平。后期各处理的净光合速率继续下降，排序为S1＞S3＞S2＞PE＞CK。

图3为覆盖PBAT基生物降解地膜对甜瓜根系发育情况的影响，同列不同小写字母表示处理间差异显著(n＝5，p<0.05)。图3比较了覆盖PBAT基生物降解地膜的甜瓜采收后的根系结果，三种PBAT基生物降解地膜的总根长、表面积和体积均高于PE地膜，其中S1处理的甜瓜总根长、总体积和根尖数方面均高于其他处理。S1处理的根系表面积最高，但各处理之间差异不明显，这主要与地膜的增温保墒性能有关，良好的透气性可使甜瓜根系呼吸作用增强。但是S2由于提前破裂，失去保水性能，同时保温性也受到影响(表4)，其根系发育情况与S1相比较差。S3处理的甜瓜根系发育各指标与PE和CK相似，而各处理的根系平均直径和分形维数也无显著差异。

2.5覆盖PBAT基生物降解地膜对基质理化性质的影响，结果见表5。

表5可见，未经过使用的基质其pH和EC值分别为7.20和469μm/cm，经一个栽培季之后，使用过后的基质其pH和EC值均有所升高。其中覆盖PE地膜的基质pH值达到7.96，显著高于其他处理(p<0.05)，经S2和S3处理的基质其pH值差异不显著，生物膜处理的基质的pH值处在PE地膜和CK处理之间，CK处理下的基质pH值为7.66，显著低于PE，S1和S2处理，显著高于S1处理。而覆盖PE地膜的基质的EC值最低，为495.33μm/cm，显著低于其他处理；CK处理下的基质EC值最高，为598.67μm/cm，但与覆盖三种PBAT基生物降解地膜的基质EC值相比差异不显著。PE处理下的基质容重最大，而CK处理下的总孔隙度最高，PE的总孔隙度最低，三种PBAT基生物降解地膜的总孔隙度居中。从不同处理的持水孔隙和通气孔隙的组成可以看出，CK处理下的基质的持水空隙占比最高，通气孔隙占比最低，与其他处理存在显著差异。而三种PBAT基生物降解地膜的持水孔隙占比低于PE，通气孔隙占比高于PE,但覆膜各处理间的持水孔隙和通气孔隙差异不显著。三种PBAT基生物降解地膜中，S1和S3的孔隙组成接近，持水孔隙在各处理中占比最低，通气孔隙占比最高。

表5覆盖PBAT基生物降解地膜对基质的pH、EC、容重及孔隙度的影响

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(n＝3，p<0.05)。

2.6覆盖PBAT基生物降解地膜对基质细菌丰度及群落组成的影响

图4为各处理栽培基质的细菌OUT数量及α多样性指数箱型图。图4中Group.name表示组名。图4中的A，Observed_species：随测序深度的增加，实际观测到OTU的个数，反映栽培基质中细菌总体数量。图4中的B，Shannon：用来估算样品中微生物多样性指数之一，主要考虑细菌分布的均匀程度，如果每一个体都属于不同的种，多样性指数就最大；如果每一个体都属于同一种，则其多样性指数就最小。所以shannon值越大，说明群落多样性越高。图4中的C，Simpson:用来估算样品中微生物多样性指数之一，兼顾丰富度和均匀度。图4中的D，Chao1:即菌种丰富度指数，用以估计群落中的OTU数目。图4中的E，ACE指数的数值越大表示该环境的物种越丰富，各物种分配越均匀。图4中的F，PD_whole_tree:谱系多样性，是兼顾考虑了物种丰度以及进化距离的多样性指数，数值越大，群落多样性越高。*表示两个处理间差异显著，**表示两个处理间差异极显著

由图4可知该试验中不同处理的栽培基质的细菌数量和群落组成均各不相同，并与NO(未经使用的栽培基质)相比均发生了较大变化。箱型图的厢体长度反应了同一处理间3次重复的差异，箱体越短其重复性越好。所以可以看出NO分组，即未经使用的栽培基质在Observed_species和α多样性指数的箱体长度基本均处于最短水平，表明未经使用的基质的细菌数量和组成一致性较好。由图4的A可知CK、PE和S1的实际检测出的细菌数量高于S2，并达到统计学显著差异，CK和S1与S2存在极显著差异，其他各处理间没有显著差异；D图反映了估算的基质细菌数量情况，PE和S1与S2存在显著差异，CK与S3和S2也存在显著差异。图4的B和C，即Shannon指数和Simpson指数，均反映了细菌的组成均匀度，图4的B表示CK、PE、S2和S3与NO的基质细菌组成均匀性上存在显著差异，而S1和NO相比，二者的细菌组成均匀性方面差异不显著；C图表示在Simpson指数上，NO和S1与S2存在显著差异。由图4的E、F可知，CK、PE和S1的多样性均显著高于S2。总体来看，S2处理的栽培基质的细菌数量和多样性均处于最低水平，CK、PE和S1的栽培基质的细菌数量与多样性较接近。

2.7覆盖PBAT基生物降解地膜对甜瓜座果率和产量品质的影响

图5为10月12日调查的试验各处理甜瓜座果率结果，其中，同列不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)。图5可以看到所有覆膜处理的甜瓜座果率均显著高于CK(p<0.05)，S3的甜瓜座果率最高达57.78％，较PE处理的36.36％增加了21.42％，较S1处理的45.28％增加了12.5％，较S2处理的34.62％增加了23.16％，显著高于其他处理，而PE、S1和S2三种处理间甜瓜座果率差异不显著。该结果表明地膜覆盖课题使甜瓜的座果时间提前，其中S3促进甜瓜提前座果的效果最佳。

表6是甜瓜采收后的果实形态、产量和品质数据。可以看到三种覆盖PBAT基生物降解地膜的S1、S2和S3处理的甜瓜果长显著高于PE和CK，经S3处理的甜瓜果宽显著高于其他处理(p<0.05)，PE、S1和S2的甜瓜果宽接近并无统计学差异，但是都显著高于CK的甜瓜果宽。经S3处理的甜瓜单果重和亩产显著高于其他处理，数据排序为S3＞S1＞S2＞PE＞CK。经S2和S3处理的甜瓜中心糖度显著高于CK、PE和S1，并且经S3处理的甜瓜可溶性糖含量达到4.34％，显著高于其他处理，而S1处理达到3.93％，仅次于S3处理，而CK、PE和S2处理的甜瓜可溶性糖含量最低，且三者间无显著差异。

表6 11月27日采收甜瓜的果实形态、产量及品质

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(n＝6，p<0.05)。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。