生物炭促进了PBAT可降解地膜在土壤中的原位降解过程

《Journal of Environmental Management》：Biochar promoted the in-situ degradation of PBAT biodegradable mulch film in soil

本研究通过土壤培养实验，探究了三种有机改良剂（猪粪、小麦秸秆、生物炭）对聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯共聚酯（PBAT-BDM）在地膜中降解速率的影响。结果表明，生物炭处理使地膜180天降解率提高128.18%，显著优于其他处理。微观观测显示，生物炭和猪粪处理提前产生微孔和裂纹，而小麦秸秆处理降解较慢。土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构是驱动降解差异的关键因素，为开发地膜加速降解技术提供理论依据。

　　

曹浩宇|郑向群|李柳柳|王嘉瑞|李丽霞|朱长雄|朱杰|耿冰|罗良国|刘丽媛|刘东升

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京，100081，中国

摘要

可生物降解的地膜（BDM）残留物对土壤生态系统构成了严重威胁。因此，提高BDM的就地降解速率对于促进其广泛应用至关重要。本研究通过土壤培养实验，探讨了三种有机改良剂——猪粪（PM）、小麦秸秆（ST）和生物炭（BR）对聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）BDM（PBAT-BDM）就地降解速率的影响。结果表明，与对照组（CK）相比，在BR处理下PBAT-BDM的重量损失率增加了128.18%，在PM处理下增加了15.85%；而在ST处理下则减少了10.72%。显微镜观察结果与重量损失趋势一致。培养30天后，所有处理组的PBAT-BDM表面均未出现裂纹；60天后，BR和PM处理组的表面出现了微孔，而CK和ST处理组没有明显变化；裂纹分别出现在90天和150天后。光学显微镜观察显示，180天后，CK、PM、ST和BR处理组的PBAT-BDM裂纹面积分别为2.13 × 10⁴ μm²、5.46 × 10⁴ μm²、2.71 × 10³ μm²和7.41 × 10⁴ μm²。重量损失率受到总碳（TC）、土壤有机质（SOM）和总氮（TN）的显著影响。影响PBAT-BDM降解的主要菌门包括细菌的放线菌门、拟杆菌门和浮霉菌门，以及真菌的担子菌门、子囊菌门和罗泽尔菌门。本研究表明，生物炭显著增强了PBAT-BDM的就地降解速率，为开发PBAT-BDM的加速降解技术提供了理论基础。

引言

为积极应对传统地膜造成的环境污染，可生物降解地膜（BDM）正逐渐应用于农业生产中（Anunciado等人，2021年；Souza等人，2020年）。目前，在堆肥条件下，商业BDM的降解速率在180天内可超过90%（L.Y. Liu等人，2022a）。然而，与堆肥环境相比，土壤中有限的养分、较低的温度和较低的含水量会减缓BDM的降解速率（Brodhagen等人，2017年）。Deirdre等人（2022年）的报告指出，根据模型预测数据，土壤中达到90%的降解速率需要长达58个月的时间。如果BDM在使用寿命结束后进入土壤，将会留下残留物，从而威胁土壤的生态环境并影响后续作物的生长和发育（Qi等人，2021年）。因此，提高BDM在使用寿命结束后的降解速率对其推广和应用至关重要。

BDM在土壤中的降解受到多种因素的影响，如机械力、湿度、温度、紫外线辐射、酶活性和微生物矿化能力，并受非生物和生物过程的控制（Brodhagen等人，2014年）。在温度、机械力等非生物因素的作用下，BDM的分子链断裂，表面积增加，逐渐出现裂纹，分子量相应减少，生成短链分子（非生物降解过程）（Sun等人，2021年）。BDM的生物降解过程主要由土壤酶和土壤微生物驱动（Xu等人，2018年；Zhu等人，2020年）。微生物（如细菌、真菌和原生动物）附着在BDM表面后，会在其表面形成生物膜层。随着土壤微生物的生长，BDM的聚合物成分会发生水解、离子化或质子化，导致机械损伤并分裂成寡聚片段。随后，土壤微生物分泌的酶进入这些寡聚片段的活性位点，使水溶性聚合物降解为水溶性小分子化合物，最终分解为CO₂和H₂O（Yamamoto-Tamura等人，2020年）。因此，改变土壤非生物因素、酶活性和微生物群落的农艺措施可以影响BDM的降解。

农业废弃物（如畜禽粪便和作物秸秆）富含养分（Liu等人，2014年）。在农田中施用畜禽粪便和秸秆是有效利用农业废弃物资源、提高土壤肥力和增加作物产量的方法（Zhang等人，2018年；Dutta等人，2022年）。一种常见的管理农业废弃物资源的方法是将它们转化为生物炭（BR），然后返回田地（Zhang等人，2017年；Velichkova等人，2022年）。研究表明，施用有机材料（如畜禽粪便、作物秸秆和BR）可以显著影响土壤酶活性和土壤微生物群落结构。例如，Wei等人（2021年）报告称，生物炭显著提高了土壤磷酸酶的活性；秸秆还田可以显著改善土壤纤维素酶、葡萄糖苷酶等水解酶的活性（B. Liu等人，2022b）。施用畜禽粪便还可以显著增强与碳矿化相关的微生物群（Wang等人，2021年）。因此，有机材料的施用可以通过影响土壤物理化学性质、酶活性和微生物群落间接影响BDM的降解。然而，不同有机材料对BDM降解动力学的影响机制尚不清楚。

本研究以聚（丁酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯）可生物降解地膜（PBAT-BDM）为研究对象，通过土壤培养实验探讨了在不同有机材料处理下PBAT-BDM降解速率的变化。监测了不同降解阶段PBAT-BDM的表面和化学结构，以阐明其降解特性。分析了土壤物理化学性质、酶活性以及微生物结构和组成，以确定有机材料影响PBAT-BDM降解速率的驱动机制。所获得的结果为BDM使用寿命结束后开发加速降解技术提供了理论基础，并为制定农业管理政策以解决农田地膜污染问题提供了参考，从而促进农业土壤的可持续发展。

实验部分

土壤、地膜和有机材料的准备

用于培养实验的土壤取自中国北京市密云区（116.82°E, 40.32°N）的一块农田，该农田在过去10年内未施用任何有机材料。收集的土壤经空气干燥后通过2毫米筛子筛选。PBAT-BDM由上海宏瑞生物技术有限公司提供（中国），其密度为1.35 g/cm³，厚度为0.010 mm。PBAT-BDM被切成小块（8 × 8 cm），然后用天平称重。

PBAT-BDM的重量损失率

随着培养时间的延长，PBAT-BDM的重量损失率稳步增加（图1）。在不同有机材料处理中，BR处理的重量损失率最高，分别在培养30天、60天、90天、120天、150天和180天后达到3.47%、6.01%、9.75%、13.67%、16.63%和19.14%。这些值明显高于对照组的相应值，分别增加了99.23%、124.68%、133.58%、143.41%和128.18%。

PBAT-BDM的降解过程

BDM在土壤环境中的降解受到多种因素的影响，如机械力、湿度、温度、紫外线辐射、土壤氧化还原性质和微生物矿化能力。降解过程是非生物降解和生物降解过程的协同作用结果（Brodhagen等人，2014年）。非生物因素（如温度和机械力）引起的BDM氧化会破坏其分子链。

结论

本研究探讨了三种不同有机改良剂——猪粪（PM）、小麦秸秆（ST）和生物炭（BR）对土壤中PBAT-BDM就地降解速率的影响。结果表明，PBAT-BDM的重量损失率随培养时间的延长而持续增加。在培养150天和180天后，BR处理的降解速率明显高于对照组（CK）。

作者贡献声明

曹浩宇：撰写——初稿，正式分析，概念构思。郑向群：撰写——初稿，方法论。李柳柳：方法论。王嘉瑞：可视化，正式分析。李丽霞：撰写——初稿。朱长雄：项目管理。朱杰：撰写——初稿。耿冰：撰写——审阅与编辑。罗良国：正式分析。刘丽媛：撰写——审阅与编辑，资金获取。刘东升：监督，项目管理。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42407035）、北京农业科学院的能力建设项目（项目编号：KJCX20230421）以及中央公益性科研机构基础研究基金的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42407035）、北京农业科学院的能力建设项目（项目编号：KJCX20230421）以及中央公益性科研机构基础研究基金的支持。