地膜是农业生产的重要物质资料之一，地膜技术的应用极大地促进了农业产量和效益的提高，带动了农业生产方式改变和生产力的飞跃发展[1]。地膜覆盖不仅具有增温、保墒、早熟和增产等作用，还能防止土壤流失，有效控制土壤盐碱度，减少氮的淋洗。地膜覆盖栽培技术自1979年在我国试验应用并推广以来，增产增收效益明显。过去30多年，地膜用量和农作物覆膜面积一直稳定增长，2014年地膜用量达到144万t，覆膜面积超过1 800万hm2[2]，未来10年我国地膜覆盖面积仍将以每年10%的速度增长[3]。地膜已成为我国继化肥、农药之后的第三大农用生产资料[4]。
目前使用的地膜多以化纤作原料，其主要成分是聚乙烯或聚氯乙烯，可在田间残留几十年不降解，连年使用导致碎膜逐年累积于土壤耕层，造成土壤板结、通透性差、根系生长受阻，后茬作物减产等问题[5]，无论覆盖何种作物，所有覆膜土壤均有残膜。据统计，我国农膜年残留量高达35万t，残膜率达42%，即有近一半的农膜残留在土壤中，这无疑是极大的隐患[6]，因此科学家开始致力于可降解地膜的应用与研究。目前国内外开发应用的可降解地膜主要有光降解地膜、生物降解地膜和双降解地膜。其中双降解地膜由于光和生物降解的协同效应，埋土和地面部分均可降解，不影响下季耕作，可基本消除残膜危害[7]，因此目前国外对此研究较多，但国内相对较落后。因在生产中涉及掺配可被生物降解的化学助降剂和可被光激发反应的光敏剂，在工艺和设备等方面均有较高要求，且现阶段光降解和生物降解的有机结合还不甚理想，故其研究开发和应用困难较大[8]。目前国内对降解地膜的试验研究主要集中在光降解和淀粉填充型生物降解地膜的研究，与普通膜相比，降解膜由于具有可降解特性，能有效减少残膜的污染危害，但由于区域气候条件和作物种类不同，其覆盖后的降解特性以及作物产量的增减也千差万别[9]。
聚乳酸，又称聚丙交酯，因原材料易获取，可完全降解、无害性等特点，在减少环境污染、节省石油资源及减轻地球温室效应方面具有重要的应用意义，因而被认为是最具发展前景的理想绿色高分子材料之一[10]。聚乳酸无毒，与人体相容性好，在体内可完全降解，被认为是最有前途的医用高分子材料，近年来，由于生态环境保护的需要，又开始将其作为通用塑料替代产品，但由于聚乳酸材料本身的缺陷，如性能脆、抗冲击性差以及热不稳定，缺乏柔性和弹性，极易弯曲变形[11]。聚乳酸地膜是聚L-乳酸（PLA）经改性后进行吹膜加工制成。由于传统地膜的不可降解性，大量使用不仅带来严重的白色污染，而且造成农作物减产，降低化肥吸收利用率，加速农田土壤氮素流失，引起富营养化等问题，因此采用生物可降解聚乳酸薄膜有望从根本上解决农业白色污染问题[12]。张妮等[13]研究结果表明：聚乳酸生物降解地膜具有与普通膜相当的增温、保墒性能，尤其在保温性能方面优于传统普通地膜，此外，聚乳酸生物降解地膜可满足棉花正常生长的需求，但与此同时厚的降解膜增加了使用的成本，给推广造成了一定的难度，在今后原料成本逐渐降低及生产工艺不断改进的基础上有望代替普通地膜推广使用。
西瓜作为一种重要的经济作物，它在中国主产区的播种总面积达到180万hm2以上，总产量达到3 800多万t，其产值已占蔬菜产业总产值的10%以上[14]。本研究选用绿色聚乳酸地膜和普通地膜分别覆盖种植西瓜，并对两者在使用过程中保温、保墒、对西瓜生长发育影响及降解状况进行系统比较研究，以期为聚乳酸地膜大面积应用提供理论依据和技术支持，减少农业薄膜对土壤造成的污染，加快现代生态农业的发展。
1 材料与方法
1.1 试验材料
聚乳酸地膜所使用的聚乳酸原料来自南京大学国家有机毒物污染控制与资源化工程技术研究中心中试产品，并经改性吹膜加工成地膜成品。试验按覆膜技术要求进行，播前或移栽前整地，覆膜、灌溉等技术措施与当地生产一致。试验用绿色聚乳酸地膜（PLA，批次TR2015-1），膜宽120 cm，膜厚0.06 mm；普通PE地膜膜宽120 cm，膜厚0.06 mm。供试西瓜品种为台湾小兰，先育种后进行瓜苗移栽。西瓜播时施用三元复合肥（N、P2O5、K2O各15%）630 kg·hm-2，饼肥（菜籽饼）630 kg·hm-2，尿素187.5 kg·hm-2，有机肥12 495 kg·hm-2。
1.2 试验地概况
本实验于2015年3—6月在南京市江宁区进行，南京市地处中纬度，属于亚热带季风性气候，年平均气温16 ℃[15]，夏冬季节长而春秋季节短，雨量充沛，光照充足，年平均雨季117 d，年平均相对湿度74%[16]。受试地块位于江宁区台湾农民创业园新源宝城市农场（118°78′E，31°78′N）。试验前按S型进行土样采集，风干、磨碎过5 mm筛混合后检测理化性质，结果见表 1。
Enlarge this image.表 1 南京江宁试验点位土壤理化性质 Table 1 Soil physical and chemical properties of experimental site in Jiangning, Nanjing
1.3 试验设计
选用普通PE地膜与聚乳酸地膜（PLA，TR2015-1）进行对比试验，普通地膜记作1，聚乳酸地膜记作2，每种地膜3个平行地块，分别记作A、B、C。总面积800 m2，2015年3月下旬育苗，两叶一心时定植，缓苗1周，3蔓整枝，开花期人工授粉，其他管理措施按当地农民习惯。株间距40 cm，垄间距1 m，垄上覆白膜，主要作用是提高地温、保湿；整块试验田覆黑膜，主要作用是防草、保湿；覆膜采用人工作业。本试验主要研究黑色地膜的降解情况。
1.4 测定指标与方法
1.4.1 地膜降解情况
田间地膜降解情况采用目测和照相相结合的方法，将地膜降解过程分为3个阶段，第一阶段是从开始铺膜到出现小裂缝的时间为诱导期阶段；第二阶段从肉眼清楚看到大裂缝的时间为破裂期；第三阶段是地膜已经裂解成大碎块，没有完整的膜面至出现膜崩裂的时间，即为崩裂期；地面无大块残膜存在，虽仍有微小碎片，但对土壤和作物已无影响，即为完全降解。通过定期的人为肉眼观测，记录地膜颜色、形态及表面完整情况的变化。
1.4.2 土壤质量检测
试验过程中每日对膜下表层温度进行测定，并分别在覆膜前和作物生长结束、地膜降解5个月后，按梅花型或S型采集5个点位土壤样品，烘干法检测土壤水分含量，原子吸收光谱仪（Hitachi 180-80）测定重金属含量，X射线荧光光谱仪（ARL-9800）检测金属元素氧化物含量。
1.4.3 作物生长发育指标测定
用卷尺从主茎靠近地表处测量株高，数显游标卡尺对主茎基部进行茎粗测量，每次取样20株；叶绿素含量采用常规丙酮研磨提取法测定，每次取样10株；西瓜成熟后进行分区采摘，每个处理选取10个果实（同一授粉日期），计算平均单果重；上述处理均为3个平行地块。
1.5 数据分析
数据统计采用Excel和Origin 8.5软件进行分析，将试验组与对照组进行显著性t检验，以P < 0.05作为显著性依据。
2 结果与讨论
2.1 不同地膜的降解性能
西瓜覆膜播种后进行田间实地观测，结果显示黑色PLA地膜和普通地膜颜色均随着时间增长逐渐变浅，两者颜色区别不明显；黑色PLA地膜覆盖7周前未出现明显降解，覆膜后第7周出现裂纹，第9周25%田间地膜出现裂纹，逐渐裂成条状，地膜变薄变脆；而普通地膜在覆膜后第9周才开始出现裂纹；因普通地膜不具降解性，其出现的细小裂纹属正常损耗；覆膜前期两种地膜正常，均可保湿防草，没有破损，两种地膜外观差别不明显；覆膜中期，两种地膜颜色变浅，PLA地膜开始出现细小裂纹；覆膜后期，1/4 PLA地膜出现条状裂纹，PE地膜除正常损耗外，无降解性质裂纹（图 2）。西瓜种植结束时，在两种地膜的土壤采样点进行相同面积的比较，两种地膜均裂解成条状，未全部降解，但PE地膜的成型地膜（＞20 cm×20 cm）的面积大于PLA地膜，大块地膜被分类回收，不成形的小块地膜残留在试验田。
Enlarge this image.图 1 西瓜种植示意图 Figure 1 The diagram of watermelon planting patterns
Enlarge this image.图 2 地膜降解状态图 Figure 2 Degradable state diagram of two mulching films
西瓜种植结束后，部分小块地膜依然残留于土壤中，被翻入下层土壤，后续将跟踪聚乳酸地膜对土壤结构性质和后茬作物的影响及地膜整体降解特性研究。
2.2 覆盖不同地膜对土壤质量影响
由图 3可见，播种后前两周，覆盖普通地膜的土壤水分高于PLA地膜；从第3周开始，覆盖PLA地膜的土壤水分逐渐高于普通地膜，显示PLA地膜后期保水保湿效果明显，但两者无显著性差异。第1周普通地膜膜下温度高于PLA地膜，随时间增加，差异逐渐减小，PLA膜下温度逐渐高于普通地膜，除第2周有显著性差异外，覆盖2种地膜对土壤温度基本无显著性差异，表明应用PLA地膜代替普通地膜未影响其增温效果。
Enlarge this image.图 3 土壤含水率和温度变化 Figure 3 The changes of soil moisture and temperature under two mulching films
覆膜前和地膜降解5个月后土壤样品重金属含量测定结果的描述性统计分析见表 2。结果表明覆膜前和地膜降解5个月后重金属含量无显著变化，提示覆膜对土壤重金属无明显影响。与国家土壤环境质量标准（GB 15618—1995）中Ⅱ级标准相比，重金属含量均未超过规定限值。土壤中主要元素氧化物含量测定结果的描述性统计分析见表 3，除CaO和SO3在地膜降解5个月后有明显增加外，其他主要元素含量基本没有变化。SO3增加可能受空气中含硫影响[17]；CaO的增加可能是由于深根系作物将移动到较深土层中的钙素吸收，通过植物器官运送到土壤表层或分泌、或以植物残体形式归还于土壤上层，并且改善表层土壤有关性状，这种效应被称作“阳离子泵”作用[18]。
Enlarge this image.表 2 覆膜前和地膜降解后土壤重金属含量（mg·kg-1） Table 2 The changes of the soil heavy metal contents(mg·kg-1)
Enlarge this image.表 3 覆膜前和地膜降解后土壤主要元素氧化物含量（%） Table 3 The changes of the soil metal oxidation of main elements content(%)
2.3 作物生长发育指标测定
由图 4~图 6可见，在第2、3周，PLA地膜和普通地膜的蔓长有差异性，随生长期延长，两种地膜对西瓜蔓长的影响差异消失；在生长前期（前3周）普通覆膜组西瓜蔓粗稍大于PLA地膜，随生长期延长，覆盖PLA地膜的西瓜蔓粗则大于普通覆膜组，但差异不显著（图 4）；至第5周后PLA地膜组的叶片数也普遍多于普通地膜组，叶绿素含量也是如此，即PLA地膜组高于普通地膜组，但差异均不显著（图 5）。在收获期，对单瓜重而言，PLA地膜和普通地膜无显著性差异，而西瓜总数则显示PLA地膜组的略高于普通地膜组（图 6）；总体而言，覆盖PLA地膜组的西瓜生长指标均高于普通地膜组，提示覆聚乳酸可降解地膜对植物的生长具有促进作用。
Enlarge this image.图 4 蔓长蔓粗变化 Figure 4 The changes of watermelon plant length and stem diameter under two mulching films
Enlarge this image.图 5 叶片数和叶绿素变化 Figure 5 The changes of leaves number and chlorophyll content under two mulching films
Enlarge this image.图 6 西瓜单重和总数对比 Figure 6 The changes of watermelon yield under two mulching films
聚乳酸中试生产成本16 635元·t-1，可降解农用地膜政府补贴政策为25元·667 m-2，可降解农用地膜使用量为7 kg·667 m-2，使用可降解农用地膜可节省地膜捡拾人工费50元·667 m-2，算上所有补贴，综合成本可降至13 035元·t-1，而普通PE地膜成本为10 000~13 000元·t-1，绿色聚乳酸地膜在保温性能方面优于传统普通地膜，不会出现因膜内升温过快而“烫苗”现象，不会因为温度下降过快而影响幼苗发育。
综上所述，聚乳酸地膜不但可以解决农业“白色污染”问题，同时也为农业固体废弃物治理提供一个新的契机。聚乳酸地膜作为一种新型环保材料，在提高并保持土壤温度和水分方面作用明显，有望替代普通地膜大面积应用于农业生产，其后续降解特性和对土壤影响及田间应用效果仍在逐步验证中，以期进一步提高准时可控性、用后快速降解性和完全降解性，进而为绿色聚乳酸地膜替代传统不可降解地膜提供技术支撑，同时为绿色聚乳酸地膜的规模化生产与推广奠定基础。
3 结论
通过对比聚乳酸地膜和普通地膜使用过程中对西瓜生长的影响及降解情况研究，结论如下：
（1）PLA地膜的降解过程为首先出现裂纹，然后出现孔洞，最后出现裂缝；
（2）在西瓜生长过程中，PLA地膜具有良好的保温作用，2种地膜在提高并保持土壤温度和水分方面作用相当；对西瓜的生长和增产均具一定促进作用；
（3）PLA地膜具有良好的降解性且对土壤和作物无显著影响，有望替代普通地膜在农田中推广使用。
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