關(guān)于聚乙烯顆粒粉末對土壤化學(xué)性質(zhì)累積效應(yīng)的研究
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作者：張毅
目前，國內(nèi)外研制開發(fā)了各種新型可降解地膜，如光降解地膜、生物降解地膜、光/生雙降解地膜等。降解地膜通過光、熱、水、生物等作用，將地膜最后降解為小顆粒。塑料顆粒粉末在土壤中隨時(shí)間累積，其作用效應(yīng)必然影響土壤物化及生物環(huán)境。
土壤化學(xué)性質(zhì)是土壤中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程中所表現(xiàn)出來的性質(zhì)，涉及土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)換，對土壤肥力水平有著非常重要的影響。當(dāng)土壤受到污染物干擾時(shí)，勢必影響到土壤物理化學(xué)性質(zhì)以及生物活性，而土壤肥力水平高低又是這三者綜合作用的結(jié)果。綜合國內(nèi)外研究，大都集中于殘留碎片對土壤環(huán)境的影響研究，鮮有探究顆粒粉末對土壤環(huán)境的累積作用效果。本研究通過模擬不同分子量聚乙烯顆粒粉末在土壤中的不同累積年限下，對土壤部分化學(xué)性質(zhì)的影響，以期為環(huán)境降解地膜的開發(fā)制備及利用提供科學(xué)思路。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
試驗(yàn)所用土壤均為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的3種土壤：黏土、壤土及砂土，均采自于綿陽市本地；試驗(yàn)選用玉米購自于綿陽綿研種業(yè)有限公司；試驗(yàn)所用聚乙烯蠟(PEW)和線性低密度聚乙烯(LLDPE)原料顆粒粉末購于中國石油化工有限公司茂名分公司。
1.2 長期實(shí)驗(yàn)地概況與設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)區(qū)位于西南科技大學(xué)水稻所實(shí)驗(yàn)基地（北緯31031’，東經(jīng)l04041'）。實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)置：于2010年設(shè)計(jì)建造45個(gè)類似地窖的立方體坑，上表面積均為50 cm×50 cm，深度為50 cm，各坑四周及底部以混凝土封閉，上表面開放可種植作物。選用如下土壤環(huán)境和聚乙烯粉末作為試驗(yàn)因素和水平：土壤因素（黏土、壤土、砂土3個(gè)水平）；窖坑中土壤深度因素(50、100、150 cm 3個(gè)水平)；聚乙烯分子量因素(2 000，5 000，LLDPE 3個(gè)水平)；模擬殘留累積量(1 a、50 a、100 a3個(gè)水平)。如表l所示進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)，共9個(gè)處
理，每個(gè)處理4次重復(fù)和1個(gè)對照零處理。土壤過篩（孔內(nèi)徑1.3～1.4 cm），按每10 kg黏土拌油枯粉100mg和NPK復(fù)合肥（各占15%）50 mg。殘余累積量的模擬：以降解地膜顆粒粉末產(chǎn)物在土壤中按每年每畝施加地膜4 kg左右進(jìn)行折算，則la土壤中聚乙烯殘留累積量為(0.032+0.004) g/kg，當(dāng)?shù)啬みB續(xù)使用100a時(shí)，聚乙烯粉末的累積量以la殘留量計(jì)算約為3.5g/kg，按每15 kg干土添加l a用量0.5 g聚乙烯粉末，則將模擬100 a殘余累積量的LLDPE聚乙烯約50 g與黏土混合拌勻填滿根窖，填土?xí)r，邊曬水、邊壓實(shí)，做到大雨后不下沉。每個(gè)坑均種植玉米，定苗于坑4個(gè)角，保證均勻生長。后期作統(tǒng)一管理，均自由生長，保持所有處理的一致性。
1.3 樣品采集與測試方法
2010年將聚乙烯粉末混入土壤環(huán)境，4a后，于玉米拔節(jié)期，即2014年7月9日進(jìn)行土壤樣品采集，采樣深度均為根系分布最為密集的20-30 cm土層。采用江蘇金壇市億通電子有限公司生產(chǎn)的ETC-300手動(dòng)土壤采樣器進(jìn)行土樣采集。在各個(gè)坑中隨機(jī)選取5個(gè)采樣點(diǎn)，制成混合樣，四分法留取l kg左右樣品裝入紙袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，去除石塊和動(dòng)植物殘?bào)w，自然風(fēng)干后過80目篩。
土壤化學(xué)性質(zhì)采用常規(guī)分析法測定：有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法；全氮用開氏法；全磷用鉬藍(lán)比色法；全鉀用NaOH熔融一火焰光度法；土壤pH值用酸度計(jì)法測定；陽離子交換量使用草酸鉀一聚丙烯酰胺法檢測。
1.4 數(shù)據(jù)處理
Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用DPS軟件進(jìn)行LSD多重比較差異顯著性分析。使用Orgion 8.0繪制圖表。
2 結(jié)果與分析
2.1 模擬條件下不同分子量、殘余累積年限的聚乙烯顆粒粉末對土壤化學(xué)性質(zhì)影響的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，對此結(jié)果在不考慮土壤類型和土壤深度因素的基礎(chǔ)上，僅以分子量和殘留累積量二因素在各水平上對土壤化學(xué)性質(zhì)及酶活性的影響程度進(jìn)行極差和方差分析，其分析結(jié)果如表3所示。
2.1.1 低分子量大殘留量處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較高
土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)，在維持土壤結(jié)構(gòu)，供應(yīng)作物養(yǎng)分方面起著重要作用。從表3的極差結(jié)果和圖l可知，聚乙烯因素對有機(jī)質(zhì)含量的影響表現(xiàn)為殘余累積量因素的平均有機(jī)質(zhì)含量的極差大于分子量因素，極差直觀分析可以看出，有機(jī)質(zhì)含量受到聚乙烯殘留累積量的影響較分子量更為顯著。表4中方差分析結(jié)果F值可進(jìn)一步確定影響有機(jī)質(zhì)含量的因素主次順序，與極差分析結(jié)果一致。從圖1觀察各因素在其各自水平上的LSD多重比較可知，有機(jī)質(zhì)含量在分子量因素下的3個(gè)水平間無明顯差異，而聚乙烯5 000處理下含量最高，即表示5 000分子量是聚乙烯分子量因素的最優(yōu)水平；殘留累積量在100 a模擬水平條件下是殘余累積量因素中的影響最顯著水平，影響程度為100 a>50 a>l a，說明影響有機(jī)質(zhì)含量的殘留累積量因素水平是100 a。以上結(jié)果可能是由于低分子量聚乙烯粉末與土壤接觸更充分，在土壤環(huán)境下發(fā)生一定程度的降解，改變了土壤有機(jī)質(zhì)。累積量越大降解越多，有機(jī)質(zhì)增加則越明顯。
2.1.2 大分子量、大殘留量處理對土壤全氮、全磷、全鉀含量有抑制作用
由表2看出，在處理5中全氮、磷、鉀均有最高含量可作為最優(yōu)處理組。據(jù)圖2的直觀分析圖和表3的極差分析可觀察到，殘留累積量因素影響下的結(jié)果極差值高于分子量因素，全磷、全鉀則受到的影響，其結(jié)果極差均為分子量因素比殘留累積量因素較高。從表2中方差結(jié)果分析F值看，對其結(jié)果影響程度依舊表現(xiàn)出，殘留累積量比分子量對全氮含量的影響更大，而分子量對全磷和全鉀的含量影響則大于累積量影響。圖2中，2個(gè)因素下的3個(gè)不同水平對氮磷鉀含量的影響LSD多重比較分析可知，分子量水平和殘留量水平之間對全氮的影響均沒有顯著差異；在Mn=5 000，2 000水平下，全磷含量顯著高于LLDPE(P<0.05)，la累積量因素下，其含量明顯大于50 a和100a累積水平(P<0.05)；全鉀含量在此兩因素作用下的各個(gè)水平間均未表現(xiàn)出明顯差異性，然而其含量在5 000分子量和l a殘留累積量年限下有更高值。由此可知，大分子量、大殘留累積量作用下對土壤全氮、全磷、全鉀含量均有一定程度的抑制效應(yīng)。
2.1.3 低分子量對土壤陽離子交換量(CEC)及土壤pH有正效應(yīng)
土壤陽離子交換量是土壤膠體和土壤肥料的重要特征之一，是土壤物理化學(xué)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，它直接反映土壤保蓄、供應(yīng)和緩沖陽離子養(yǎng)分的能力。是土壤保肥供肥能力和酸堿緩沖能力的重要指標(biāo)。表3中直觀極差分析可以得到結(jié)論，分子量因素作用效果優(yōu)于殘留累積量因素，再結(jié)合圖3中，從因素各水平間LSD多重比較結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，分子量因素3個(gè)水平間CEC有顯著差異(P<0.0S)，影響情況表現(xiàn)為2 000分子量水平下CEC值最高。相比于分子量因素，殘留累積量因素下的3個(gè)水平對CEC影響則沒有明顯差異，而100 a累積年限下的CEC值稍高于另2個(gè)水平。土壤pH的變化情況與陽離子交換量表現(xiàn)相同，同樣受到分子量因素影響大于累積量因素，且仍然是在2 000分子量水平和大殘留量水平下有較大值。這可能是由于小分子量聚乙烯發(fā)生部分降解后改變了有機(jī)質(zhì)含量從而引起CEC的變化。且有機(jī)質(zhì)對CEC -般會(huì)有積極作用。
3 結(jié)論
通過表2所示正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果所確定的最優(yōu)處理組合與相應(yīng)的對照零處理比較發(fā)現(xiàn)，土壤化學(xué)性質(zhì)大都表現(xiàn)出優(yōu)于對照處理的結(jié)果，僅有pH值相比對照組有稍微的降低。并且最優(yōu)處理組大都出現(xiàn)在低分子量水平和較大殘留累積量水平。有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀、CEC、pH在最優(yōu)處理組的值分別是相應(yīng)對照組的1.09、1.01、1.05、1.04、1.02、0.998倍。從該結(jié)果中可以看出，這與大多有關(guān)塊狀碎片殘膜對土壤環(huán)境的影響研究有恰好相反的結(jié)果，聚乙烯粉末顆粒埋入土壤后，在最優(yōu)處理下，除pH外土壤化學(xué)性質(zhì)與對照相比不僅未表現(xiàn)出抑制效應(yīng)，反而具有一定的促進(jìn)作用。對于土壤pH值得變化特征可以發(fā)現(xiàn)，這與有關(guān)研究一樣，均會(huì)使pH較對照有降低趨勢，這可能與低分子量聚乙烯顆粒粉末在土壤自然綜合作用下發(fā)生一定程度降解有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，模擬不同分子量聚乙烯粉末降解物在土壤中的不同累積年限下對土壤化學(xué)性質(zhì)的累積效應(yīng)表現(xiàn)出一定的正效應(yīng)，且表現(xiàn)出較低分子量效應(yīng)更顯著的趨勢。因此環(huán)保型地膜實(shí)現(xiàn)顆粒狀粉末降解不但對土壤環(huán)境沒有污染抑制作用且有改善土壤質(zhì)量的潛力。故可將低分子量顆粒粉末狀降解物作為環(huán)保降解地膜開發(fā)制備的理論參考資料。
4摘 要：在自然條件綜合作用下，環(huán)境降解地膜完成了從片狀瓦解到顆粒粉末降解的過程。該顆粒粉末狀降解物對土壤環(huán)境的影響程度如何成為了新的討論熱點(diǎn)。研究以土壤深度、土壤類型、聚乙烯分子量、聚乙烯累積量為實(shí)驗(yàn)因素設(shè)計(jì)厶(34)正交實(shí)驗(yàn)，通過檢測土壤化學(xué)性質(zhì)研究聚乙烯粉末分子量及殘余累積量2個(gè)因素對土壤質(zhì)量的作用情況。結(jié)果表明：分子量因素對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響起主要作用。土壤化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為低分子量、大殘留累積量處理下有機(jī)質(zhì)、全氮含量較大。而全磷、全鉀、陽離子交換量以及土壤pH在低分子量、小殘留累積量處理下有較高值。與相應(yīng)對照比較，除pH外各化學(xué)性質(zhì)在最優(yōu)處理下均有更高的值。
