CN111793499B

CN111793499B - 生物降解高分子材料在改良土壤性质及提高植物生长性能中的应用

Info

Publication number: CN111793499B
Application number: CN202010443294.0A
Authority: CN
Inventors: 陈海燕; 魏源; 赵晓丽; 白英臣; 朱元荣; 王凡凡; 苏海磊; 李信茹; 王飞; 陈辉伦; 冯伟莹; 周民; 米屹东
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: CN111793499A

Abstract

本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及生物降解高分子材料在改良土壤性质及提高植物生长性能中的应用。本发明通过研究发现，生物降解高分子材料聚乙烯、聚苯乙烯在土壤中降解后能够改良土壤的化学、生化参数和酶活性，并进一步影响植物的生长，促进植物代谢活动，改变植物种子发芽率、平均株长和生物量，这对于评价生物材料的降解性和土壤修复性，促进生物降解高分子材料在农业生产中的应用和支持大规模生态修复的实践有重要意义。

Description

生物降解高分子材料在改良土壤性质及提高植物生长性能中的应用

技术领域

本发明涉及土壤改良技术领域，具体涉及生物降解高分子材料在改良土壤性质及提高植物生长性能中的应用。

背景技术

在农业生产实践中，将薄膜直接覆盖在土壤表面，已经成为世界各地蔬菜种植者的标准技术。在农业田间和温室种植中，高分子材料被广泛用于覆盖，以保护湿度和稳定土壤温度，减少发芽时间、杂草和植物病害，为更好的市场价值产品提供提前或淡季作物生产等。尽管有这些好处，但人们也关注拆除和处理废旧塑料的费用和环境问题。与普通的聚乙烯塑料薄膜相比，生物降解薄膜被发现是一种很有前途的替代品，因为它具有节省劳动力和环境友好的潜力。这些可生物降解的覆盖膜可以在作物季节结束时融入土壤，并通过土壤微生物进行生物降解。然而，低成本地处置野生废旧生物降解覆盖膜可能会将其留在土壤中，影响土壤环境。植物在土壤生态系统中起着重要角色，良好的土壤环境对于植物的生长和发育有促进作用。同时，当生物降解塑料在土壤中降解时，也可能对植物萌发和生长产生影响。

相关研究表明，添加聚乙烯粉末对玉米的株高指标有明显提高，添加聚乙烯后使作物对土壤中肥素的吸收能力得到了提升，土壤中某些酶在某些生育期可以较明显发现由于聚乙烯存在而得到了促进(王清磊，2011)。另有研究表明，聚乙烯降解产物能提高土壤速效钾和水分含量；LLDPE降低土壤有机质含量，但增加碱解氮含量，其余降解产物具有相反作用；除相对分子质量为5000的聚乙烯外，其余降解产物能提高有效磷含量。此外，各聚乙烯残留量使土壤pH值明显降低，对土壤有机质、有效磷和水分含量多有增加作用；低残留量对碱解氮和速效钾含量有增加作用，高残留量对碱解氮和速效钾有降低作用(赵萍等，2012)。樊有国等研究了环境降解聚乙烯地膜残余组分对土壤酶活性的影响，发现在整个玉米生长周期，处理的3种土壤酶活平均值分别为58.83、89.83和350.79μg/(g·h)，是对照平均活度的1.15、1.06和1.19倍，呈现聚乙烯处理后土壤酶活性增加的特征。

虽然目前关于生物降解塑料对土壤理化性质及植物生长的影响已有部分研究成果，但是针对不同的植物-土壤生态系统而言，不同的生物降解材料对其影响也是复杂多变的。通过监测不同高分子材料对土壤微生态的污染干扰，确定土壤的代谢变化及对植物健康的影响，有利于保护土壤环境，改善土壤环境的恶化趋势，且对农作物的生产指导有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是改良土壤性质以及提高植物生长性能。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供一种生物降解高分子材料在改良土壤性质及提高植物生长性能中的应用。

具体地，所述改良土壤性质包括提高土壤pH值、水溶性碳含量和/或氨水平。

具体地，所述改良土壤性质包括降低土壤重金属含量。

具体地，所述改良土壤性质包括提高土壤蛋白酶、磷酸酶和/或脱氢酶活性。

具体地，所述提高植物生长性能包括改变植物种子发芽率、生物量和/或平均株长，所述植物优选为燕麦和/或红萝卜。

优选地，所述生物降解高分子材料为聚乙烯和/或聚苯乙烯。

另一方面，本发明还提供一种改良土壤性质及提高植物生长性能的方法。包括如下步骤：将生物降解高分子材料与土壤按重量比为0.5-2.5：97.5-99.5混合均匀，得到土壤生物材料混合物，调整土壤生物材料混合物的含水率为40-60％WHC，于22-28℃、80-120lux、45-65％RH条件下孵化35天后，播种植物种子并继续孵化10天；所述生物降解高分子材料为聚乙烯和/或聚苯乙烯，所述植物种子优选为燕麦和/或红萝卜。

优选地，所述土样生物材料混合物中生物降解高分子材料与土壤样品的重量比为1：99。

优选地，所述调整土样生物材料混合物的含水率为50％WHC。

优选地，所述孵化的条件为25℃、100lux、50％RH湿度；所述孵化的天数在播种前为35天，播种后为10天。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过研究发现，生物降解高分子材料聚乙烯、聚苯乙烯在土壤中降解后能够提高土壤pH值、水溶性碳含量、氨水平，降低土壤重金属含量，还能提高土壤蛋白酶、磷酸酶、脱氢酶活性，并进一步影响植物的生长，促进植物代谢活动，改变植物种子发芽率、平均株长和生物量。

(2)本发明对于评价生物材料的降解性和土壤修复性，促进生物降解高分子材料在农业生产中的应用和支持大规模生态修复的实践有重要意义。

附图说明

图1为两种植物(A:Avena，R:Raphanus)在25℃下对不同聚合物处理的土壤样品的代谢指数柱形图。其中，CE为纤维素，PE为聚乙烯，PS为聚苯乙烯，E为Ecoflex和C为未经任何处理的对照土壤。

图2为25℃下不同聚合物处理的植物生物量(A:Avena，R:Raphanus)柱形图。其中，CE为纤维素，PE为聚乙烯，PS为聚苯乙烯，E为Ecoflex。括号内的数值是估计值的标准误差(p<0.05)。数据的显著性差异分析结果：F＝9.66747，P值＝0.024715646，Fcrit＝6.388232909。

图3为两种植物(A:Avena，R:Raphanus)在25℃下的萌发和生长指数的柱形图。其中，CE为纤维素，PE为聚乙烯，PS为聚苯乙烯，E为Ecoflex。括号内的数值是估计值的标准误差(p<0.05)。数据的显著性差异分析结果：F＝0.6859036，P值＝0.617917224，Fcrit＝9.276628153。

图4为不同聚合物处理的土壤样品和两种植物(A:Avena，R:Raphanus)在25℃下的重金属柱形图。其中，CE为纤维素，PE为聚乙烯，PS为聚苯乙烯，E为Ecoflex和C为未经任何处理的对照土壤。括号内的数值是估计值的标准误差(p<0.05)。Avena数据的显著性差异分析结果：F＝0.6126576，P值＝0.676677472，F crit＝6.3882329。Raphanus数据的显著性差异分析结果：F＝57.87845795，P值＝0.0008556，F crit＝6.3882329。

图5为两种植物(A:Avena，R:Raphanus)在25℃下对不同聚合物处理的土壤样品脱氢酶活性柱形图。其中，CE为纤维素，PE为聚乙烯，PS为聚苯乙烯，E为Ecoflex和C为未经任何处理的对照土壤。括号内的数值是估计值的标准误差(p<0.05)。Avena数据的显著性差异分析结果：F＝1.2119419，P值＝0.4190407，F crit＝5.0503291。红萝卜数据的显著性差异分析结果：F＝1.0983811，P值＝0.4602471，F crit＝5.0503291。

图6为双色块PC1与PC2的统计分析结果。

图7为双色块PC1与PC3的统计分析结果。

具体实施方式

值得说明的是，本发明中使用的原料均为普通市售产品，对其来源不做具体限定。

以下原料来源，为示例性说明。

聚乙烯(PE)：Polimeri Europa Riblene FL30，CIBA特种化学氧化物可生物降解LLD PE，热降解，由巴斯夫化学公司(德国)供应。

聚苯乙烯(PS)：聚苯乙烯木卫二粉末，EPI-INC.氧可生物降解PS，热降解，由巴斯夫化学公司(德国)供应。

Eco flex：Eco

FBX 7011是一种可生物降解、统计、脂肪芳香共聚酯，由1，4-丁二醇、己二酸和对苯二甲酸单体组成，由巴斯夫化学公司(德国)作为白粉供应。

纤维素：作为参比样。

空白样：未经任何处理的土壤样品。

实施例1

本实施例中采用燕麦(下文用Avena或A代替)和红萝卜(下文用Raphanus或R)作为植物材料，研究了生物降解高分子材料对土壤理化性质及植物生长的影响。中尺度实验的监测包括从实验开始1天(T0)、35天(T1)、45天(T2)后的土壤取样。具体操作步骤及结果如下：

采用直径为25厘米、高度为10厘米的种植盆(内径)，内含1千克土壤，进行了中尺度水平的实验，使用中土壤初始的主要特征如下表1所示。

表1试验用土壤的化学、生化和微生物参数

采用不同聚合物(PE、PS、Ecoflex和纤维素)粉末对土壤进行处理，使生物降解高分子材料与土壤样品的重量比为1:99，以Ecoflex和纤维素为阳性对照，未作任何处理的作为空白对照(C)。在控制温度(25℃)、光照(100lux)和湿度(55％RH)下孵化，每种土壤生物材料混合物的含水率调整为50％WHC。中尺度实验的监测包括在实验建立1、35、45天后进行土壤取样。每个土壤样品是由三个子样品混合、均质、过筛(2毫米)组成的复合材料，并在室温下储存干燥，直到进行化学分析，并在4℃下储存，直到进行生物分析。此外，还利用两种植物种燕麦和胡萝卜来评价生物材料的对植物生长的影响。为此，从实验开始35天后，每个植物种的100个种子统一播种在每个盆中，所有盆在控制的温度、光照和湿度下(如前所述)保持10天。

一、测试方法

1、植物生物量及生长指标

实验结束后(孵化10天后)观察地上生长情况，此时在土壤表面收获植株(整株)，确定茎、根的干重和株长。植物生物量是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质(干重)(包括生物体内所存食物的重量)总量。

用方程式计算萌芽指数如下：

2、化学参数

在1:10(w/v)水溶液中测定电导率(E.C)和pH。分别用RC-412多相碳和FP-528蛋白质/氮测定器测定土壤总有机碳(TOC)和总氮(TN)含量(美国Leco)。用选择性电极测定铵和硝酸盐。用重铬酸盐氧化法结合分光光度法在590nm处测定水溶性碳(WSC)(Garcia etal.,1990；Yeomans和Bremner,1998)。用原子吸收光谱法测定总元素和可用元素，测定重金属水平。用Murphy和Riley法测定可用P含量(Murphy and Riley,1962)。

3、生化参数

(1)蛋白酶

蛋白酶(也称为肽酶或蛋白酶)是一组与氮循环相连的水解酶；它们催化了寡肽或二肽中蛋白质的水解，通过水解将构成蛋白质的多肽链中的氨基酸连接在一起的肽键开始分解代谢。活性通过脱氨释放的NH₄ ⁺浓度来确定(Manuel等人，2009年)。释放的氨通过NH₃电极来确定。

实验程序

试验组：0.5g土壤，pH值7时加入2ml磷酸盐缓冲液0.1M，0.5ml基质BAA(N-α-苯并油-L-α-Arginamamamide-HCC)0.03M。

对照组：0.5g土壤，2ml磷酸盐缓冲液0.1M，pH值为7。

试验和对照组在37℃的恒温水池中浸泡1个半小时，然后加入双蒸馏水将样品最终体积变为10毫升，在1369.55×g离心10分钟，用NH₃电极读取上清液，结果以mgN H₃/(kg*h)表示。

(2)磷酸酶

磷酸酶活性在土壤酶活性和总微生物群体(真菌、细菌和放线菌)中起着重要作用，因为它对土壤营养分配的稀释功能具有抗性。微生物将决定土壤生物量和聚合物生物降解过程中的活性。因此，磷酸酶活性是指示聚合物土壤生物降解的一个重要参数。磷酸酶催化磷酸酯水解为磷酸盐，该方法包括测定对硝基苯酚-磷酸盐-esaidate(PNP)水解浓度，对硝基苯酚(PNF)的释放浓度(Tabatabai和Bremner，1969年；Speir和Ross，1976年)。

实验程序

测试样：0.25g土壤+2ml马来酸酯缓冲液0.1M(pH 6.5)+0.5ml PNP基质0.12M。

对照样：0.25g土壤+2ml马来酸酯缓冲液0.1M(pH 6.5)。

测试样本和控制样本在37℃的恒温浴缸中孵育1个半小时。还在对照组中加入0.5毫升底物(PNP)，并在4℃下冷藏10分钟，以阻断反应。然后用双蒸馏水将样品加到10毫升的最后体积，加入0.5毫升CaCl₂0.5M和2毫升NaOH 0.5M，在1369.55×g离心10min。用分光光度计在398nm波长下读取上清液。仪器采集到的光学密度在已知PNF浓度所获得的标准直线上发生变化。结果以g PNF/(kg*h)表示。

(3)脱氢酶

脱氢酶催化有机化合物的氧化，是通过将一个或多个氢化物(H^-)转移到一个受体，通常是NAD⁺/NADP⁺或黄素辅酶，如FAD或FMN来氧化底物。绝大多数生物的氧化还原反应是在脱氢酶和氧化酶催化下进行的，脱氢酶催化氧化后，物质最终通过电子运输链被氧氧化，同时通过氧化磷酸化产生三磷酸腺苷(ATP)，这是获得异养生物能量的主要途径。在生物降解过程中，脱氢酶在空白土壤中随时间的减少而减少，并随植物生长而控制土壤。反应底物包含在有机物质中，而用于测定脱氢活性的合成辅助因子则包含通过还原制造氯酸盐产物的INT(P-碘-硝基-四唑柳氯化)，INTF(P-碘-硝基-四唑柳-福马萨诺)，用分光光度法测定，这种酶活性是用Masciandaro等人(2000年)研究的方法测定的。

实验程序

测试样：0.1克土壤，0.2毫升INT基质(在0.5％的双蒸馏水中)和0.1毫升双蒸馏水(使样品在现场容量的60％)。

对照样：0.1克土壤，0.3毫升双蒸馏水(使样品在田间容量的60％)。

测试样本和控制样本在黑暗空间中孵化20小时；试管没有被覆盖，因为INT以氧气(脱氢酶的天然底物)作为电子接受器。INTF是氧化还原的产物，不溶于水；它是通过添加萃取剂溶液(四氯乙烯和丙酮，1:1.5)提取的。溶液脱壳一分钟，离心1369.55×g 10分钟。上清晰度用于分光光度测量，波长为490nm，将其参考对照。仪器采集的光学密度以浓度变化，以mg INTF/(g*h)表示，指已知INTF浓度得到的标准直线。

二、统计分析

所有统计分析都使用STATISTICA 6.0软件(Stat Soft Inc.，塔尔萨，俄克拉荷马州，美国)，统计分析前的所有数值参数都被归一化和自动缩放：每个变量的结果是一个零均值和一个单位标准差。

PCA(主成分分析)是一种多元统计数据分析技术，它将一组原始数据减少为若干主成分，这些主成分保留了原始数据中最大的方差，以便识别治疗和变量之间可能的模式或集群。统计分析之前的所有数值参数都归一化和自动缩放：每个变量的结果是均值为零和单位标准差。应用主轴法原理提取了PC机。只考虑了大于0.7的组件负载来解释PC。在PCA分析中，数据被分解为两个兴趣模式(处理和变量)中的每一个单独的分数和加载集，并解释数据的整个可变性，以便在降低的维度中提供清晰和更可解释的数据结构可视化。此外，五氯苯甲醚分析还提供了可以清晰地以图形方式呈现的信息。

三、结果与讨论

1、植物生长参数分析

本实验的种子发芽率(见表2、图3)和代谢指数(DH-ase/WSC，见图1)，从T0-T2，观察Avena的发芽率，与对照结果相比，发芽率由高到低依次为PS＞Ecoflex＞PE＞Cellulose，表明在播种Avena的土壤中，生物材料PS的降解性高于PE，生物材料PS和PE能提高Avena种子发芽率；观察Raphanus的发芽率，与对照结果相比，发芽率由高到低依次为Cellulose＞PS＞PE＞Ecoflex，表明在播种Raphanus的土壤中，生物材料PE的降解性高于PS，生物材料PS和PE能提高Raphanus种子发芽率。

Avena和Raphanus的生长情况见表2，在孵化过程中每3天测量一次植株长度。在T2时Avena的平均株长由高到低依次为：PS＞Ecoflex＞对照＞PE＞Cellulose，表明PS的添加能提高植物Avena的平均株高，PE的添加对Avena的生长表现轻微的抑制作用；在T2时Raphanus的平均株长由高到低依次为：PE＞对照＞PS＞Ecoflex＞Cellulose，表明PE的添加能提高植物Raphanus的平均株高，PS的添加对Raphanus的生长表现轻微的抑制作用。

从表2中还可以看出，在T2时，PE处理土壤后Avena的生物量较对照组降低，PS处理后Avena的生物量与对照组几乎相同；PE处理土壤后Raphanus的生物量较对照组降低，PS处理后Raphanus的生物量较对照组增加。生物量(如图2所示)结果的显著性差异为：F＝9.66747，P值＝0.024715646，F Crit＝6.388232909。这些数据表明，两种植物在不同的高分子处理下生长表现不同，高分子聚合材料PE粉末对土壤植物生物量具有一定的抑制作用，但抑制作用不大，而高分子聚合材料PS粉末对土壤植物生物量具有一定的促进作用。

表2开始处理(T0)和结束处理(T2)土壤的生化和微生物参数

(T0)实验建立1天，(T1)35天为取样时间，(T2)45天为介观实验结束时间。括号内的数值是估计值的标准误差(p<0.05)。

表3开始处理(T0)和结束处理(T2)土壤化学参数

燕麦pH值的显著性差异分析结果：F＝11.2，P值＝0.028658204，F crit＝7.708647422。

红萝卜pH值的显著性差异分析结果：F＝10.7133758，P值＝0.030698563，F crit＝7.708647422。

燕麦E.C值的显著性差异分析结果：F＝4.318177107，P值＝0.106260487，F crit＝7.708647422。

红萝卜E.C的的显著性差异分析结果：F＝7.927446145，P值＝0.048043855，Fcrit＝7.708647422。

2、混合不同聚合物的土壤样品在不同时间的pH值和电导率(μS/cm)值

土壤样品的pH值和导电性(E.C)的测定结果见表3。

对Avena pH值的显著性差异分析结果为F＝11.2，P-值＝0.028658204，F-Crit＝7.708647422；Raphanus pH值的显著性差异分析结果为F＝10.7133758，P-值＝0.030698563，F-Crit＝7.708647422。表明在两种植物土壤中，pH值受不同聚合物处理的影响显著，聚合物处理土壤样品的pH值从T0到T2均有提高，而Avena的显著性高于Raphanus(F-Crit值相同，Avena的F值为11.2，高于Raphanus的10.7133758)，两种情况下PE均在T2时达到最低点，而Avena的对照则高于Raphanus。pH值都表现出轻微的碱性。

Avena E.C值的显著性差异分析结果为F＝4.318177107，P-值＝0.106260487，F-Crit＝7.708647422；RaphanusE.C值的显著性差异分析结果为F＝7.927446145，P-值＝0.048043855，F-crit＝7.708647422。结果表明，在T2时，Raphanus的E.C值明显增高，但在T0至T2时，E.C值表现为抑制。此外，在这两种情况下，Ecoflex处理对E.C值有更显著的影响。生物聚合物土壤溶液中pH值的变化表明聚合物在植物土壤基质中具有较高的生物降解性，H⁺活性酸度的促进可能揭示了LDPE聚丙烯－[CH2-CH(CH3)]n－随后通过生化反应产生醛和羧酸，降解过程中存在土壤微生物和酶的作用。另一方面，从结果分析来看，PS的pH值和E.C值变化不大，但没有像PE那样显著，表明聚合物在苯环结构中除了部分烷烃键降解外，仍然不会导致整个烯烃的完全分解，因此其固粉生物降解性表现出相应的复杂性。总之，Raphanus对E.C值非常敏感，尤其是对PE处理土壤而言，这是一个较高的明智指标。

3、聚合物样品中土壤样品的水溶性碳(WSC)、氨水平和重金属

(1)水溶性碳(WSC)

WSC作为土壤活性有机碳的重要组成部分，测定结果见表3。高分子粉体的添加改变了微生物对高分子生物降解过程中土壤系统初始平衡的营养分布。实验结束后，聚乙烯和聚苯乙烯对植物土壤的WSC显著增加，高于对照样品和纤维素，其他聚合物的表现也呈上升趋势曲线，这意味着随着聚合物的降解，越来越多的烷烃或烷烃骨干被分解到初始单体，因此碳可以从聚合物中释放出来，并被土壤微生物和酶作为碳排源，微生物在代谢中以它们为食，而酶具有部分催化剂驱动功能，因此整个生物降解系统相应增加。此外注意到，降解后的聚合物对土壤样品WSC的正向效应更为显著，这一现象表明聚合物经过光爆炸和氧化降解后，碳在堆肥过程中更有可能在土壤中分解。

(2)氨水平

表3分别给出了不同高分子土壤样品在三次依赖性取样时间内的氨含量。同样，正如上述WSC值的结果所述，氨水平在不同程度上得到了提高，特别是在PE处理的Avena生长土壤中。在Raphanus的情况下，它在聚合物的平均值中出现了明显的增加。在T1水平上，NH₃对植物生长的促进大于T2水平的降低。结果表明，Ecoflex样本与对照样本相比没有很大的变化。氨的变异性是一种合成反应，它要考虑土壤系统中的营养分布、土壤微生物与土壤生物量之间的硝化和反硝化反应、植物根系的呼吸作用和根系代谢产生的营养循环。脱硝反应是对硝酸盐的一种还原，硝酸盐对微生物的吸收利用(脱硝细菌多为异养细菌)和植物，有两种完全不同的目的，一种是利用其中一种氮作为氮源，称为硝酸盐还原的同化：NO₃ ^-→NH₄ ⁺→有机氮。

反硝化反应可以描述为如下方程：

C₆H₁₂O₆+12NO₃ ^-→6H₂O+6CO₂+12NO₂ ^-+Q (2)

CH₃COOH+8NO₃ ^-→6H₂O+10CO₂+4N₂+8OH^-+Q (3)

5S+6KNO₃+2H₂O→3N₂+K₂SO₄+4KHSO₄ (4)

根据上述方程，可以提出碳源决定土壤样品中NH₃水平的假设。在这种脱硝反应中，在不添加任何营养和不改变实验条件的情况下，推进整个反应的唯一动力依赖于土壤中碳营养-葡萄糖(C₆ H₁₂ O₆)的增加，而C₆ H₁₂ O₆的增加依赖于添加碳源，而目前实验中唯一的碳来源恰好来自于土壤中生化反应引起的高分子粉末的生物降解，相应地，推论的结论是高分子生物降解导致高分子土壤NH₃水平的提高。

(3)重金属

本实施例还进行了重金属分析，取样结果见表1和图4，从数值看Cd高于其他重金属，在原土壤中重金属平均水平高于聚合物。

土壤和植物中的重金属对微生物的多样性和活性有非常重要的影响，微生物对土壤酶和聚合物的生物降解有直接影响。显著性分析结果表明，除Cr和一些个体样品作为Raphanus对照外，其他重金属均在T2处显著降低(图4)，表明植物栽培活性对土壤重金属降低有积极作用，有助于聚合物在生物降解过程中重金属的转化，从而进一步支持降解的动力。

4、土壤中硝酸盐水平、蛋白酶、磷酸酶和脱氢酶活性

(1)硝酸盐水平

聚合物处理土壤的硝酸盐含量见表3。在不同采样时间内，高分子土壤样品中NO₃ ^-含量分别增加。对照样本平均值在所有样本中最高。在T2时，聚合物的PE、PS均显著增加，而在T2时，聚合物的抗PS水平也较高。纤维素样品和Ecoflex在T2均有明显的增长，尤其是与T0比较。本试验采用盖子盖盆，以保持土壤的抗性WHC，同时空气条件的抗性使盆内的N₂水平受到限制，因此从T1开始，N循环率下降，导致N水平比T0下降。由于不同植物种类对氮的需要量不同，在处理过程中，Avena样品中NO₃ ^-水平下降，而NO₃ ^-/NH₄值显著增加。

(2)蛋白酶

蛋白酶测定结果见表2，在T2时，样品的蛋白酶活性均有提高，比较纤维素处理的土壤和对照组土壤，表明该蛋白在土壤微生物代谢的作用下，随着聚合物的生物降解而增加。土壤中酶活性提高了蛋白质水平。目前的试验表明聚合物在土壤中具有良好的生物降解可能性。纤维素+Raphanus和对照样品蛋白酶活性均降低，即在不添加任何碳源促进土壤生物量的情况下抑制酶活性。

(3)磷酸酶

不同时期高分子土壤样品的磷酸酶活性见表2。从T0到T2的生物降解过程中，PE和PS处理的土壤在T2时均表现出较高的磷酸酶活性。磷酸酶活性的增加表明聚合物在实验过程中被分解。

(4)脱氢酶

土壤样品的脱氢酶活性见图5和表2。然而，所有其他聚合物处理的土壤样品都对两种植物的脱氢酶活性有促进作用，特别是在PE处理中。这一结果表明，土壤中聚合物的生物降解过程中，土壤微生物(异养生物)的活性和种群数量增加。相应地，脱氢酶活性的增加表明聚合物在土壤中迅速降解。

5、聚合物对土壤特性和植物生长的影响

利用主成分分析(PCA)对化学和生物结果进行了研究(见图6-7)。PCA是一种多变量统计数据分析技术，它将一组原始数据减少为一些主要成分，这些成分保留了原始数据中最大的方差，以便识别治疗和变量之间可能的模式或集群。应用主轴法原理提取了PC机。只考虑了大于0.7的组件负载来解释PC。在PCA分析中，数据被分解为两个兴趣模式(处理和变量)中的每一个单独的分数和加载集，并解释数据的整个可变性，以便在降低的维度中提供清晰和更可解释的数据结构可视化。此外，五氯苯甲醚分析还提供了可以清晰地以图形方式呈现的信息。

表4-5是Avena和Raphanus两种植物所有试验参数的参数相关性分析结果。从表中，PCA分析分离出三个主要成分(PC)(总方差解释：70.2％)，涵盖与不同处理方法的化学和生化参数相关的变量(表3)。第一个PC的最高负荷(PC1，占总方差的24.2％)包括磷酸酶活性和代谢指数(DH-ase/WSC)，它们呈正相关(图1)，这意味着碳循环被激活，能够维持微生物的活性。第二个PC(PC2，占总方差的23.2％)包括铵和蛋白酶活性，表明氮循环激活。最后，第三个PC(PC3，占总方差的22.8％)包括硝酸盐和电导率，也证明了硝酸盐对土壤电导率的贡献。

选择PC1和PC2作为分值和载荷的二分图(图6和图7)的解释，以得出高分子材料施用对土壤化学和生化特性的影响。在T1采样时，处理方法在T0的右侧偏移，结果位于更接近生化参数的位置，这表明磷酸酶活性(表2)和代谢指数(图1)随着时间的推移而受到刺激，这在PC1轴上有显著性意义。相反，T2的处理一般向第二主要成分(PC2)的负值转移，这代表了铵和蛋白酶活性的变化，从而表明这些参数的下降。

考虑到不同的处理方法，T0处的PS和PE位于双地块的左侧阴面(PC1轴)，表明这些聚合物对微生物代谢的负面影响。T1孵化45天后，这种负面影响不太明显，显示出双地块正面的处理群集。分别计算了Avena和Avena两个参数之间的相关系数，以更好地联系土壤代谢过程和植物萌发生长(图3)。植物发芽生长Raphanus植物生物量与重金属呈负相关，与硝酸盐呈正相关。铵似乎对萌芽产生一定的毒害作用(甚至低显着)，与植物生长呈负相关。代谢指数MI与蛋白酶和磷酸酶之间的高度显著系数，这表明土壤没有改变其微生物条件和P-N营养循环，因为这些水解酶参与了N-P代谢。Avena似乎比Raphanus更能改变土壤生物特性，可能是因为它的根延伸性能。植物生物量生长与代谢指数MI之间存在负相关关系，而与N循环参数，即蛋白酶和铵，以及在较小程度上与磷酸酶存在正显著相关关系。蛋白酶、容易获得的碳(WSC)和铵是相关的，这表明碳代谢与氮代谢有关并由氮代谢维持；这可能使聚合物更容易生物降解，即使在微生物活动明显改变的环境中。众所周知，细胞外蛋白酶和磷酸酶经常参与微生物生命稀少的极端土壤环境中发生的维持代谢过程。

全参数分析采用图6-7和表5所示的统计方法确定。从PCA分析中，我们可以得出结论，降解形式的聚丙烯和聚苯乙烯，在两侧地块非常接近，似乎影响土壤性能，而不论板块品种，Ecoflex，在较小程度上纤维素生物材料影响土壤性能，与植物种类有关。Ecoflex在两侧地块中与所有其他情况分离，表明对土壤化学和生化性能以及植物萌发和生长有更有意义的影响。

表4参数的主成分分析

表5燕麦、红萝卜检验参数的相关分析

四、结论

通过采用示范性植物燕麦和红萝卜，两种中层植物的表现与实验设置有显著差异。其中，10天孵化后对红萝卜生物量、pH、重金属和电导率进行显著性分析的F值分别为9.66747、11.2、10.7133758、57.87845795和7.927446145，均大于“F Crit”值，其p值均小于0.05，表明这些参数的表现均与实验设置(T0)到终点有显著性差异，其中，土壤中生物量急剧增加表明土壤中聚合物的生物降解特性，PS的pH和E.C值发生了变化，但没有像PE那样表现出很大的显著性，说明PE的生物降解速度比PS快。此外，试验结束后土壤中重金属明显减少，表明植物对重金属的吸收有助于降低土壤的重金属毒性。稳定的湿度条件对植株生长有显著影响，PS和PE对植株体重保持同样的弱负作用。而在45天孵化后，PS和PE对土壤微生物和土壤酶有促进作用，从而使获得的植物生物量增加，同时也增加了燕麦和红萝卜的重量。此外，脱氢酶活性T2的增加值(燕麦比平均值高0.84，红萝卜比平均值高0.91)，代谢指数增加(燕麦比平均值高3.12，红萝卜比平均值高3.81)意味着在实验期间，土壤酶活性通过聚合物生物降解促进其异养生物的能量输送。PC结果表明，磷酸酶活性与代谢指数呈显著相关，铵与蛋白酶活性呈良好相关。此外，在红萝卜处理中的影响比在燕麦处理中更明显，这表明红萝卜对聚合物处理的敏感性更高，这表明红萝卜处理中的聚合物的生物降解产生了中间植物毒性化合物。总之，这一现象表明，在土壤组成和环境中，红萝卜比燕麦更敏感。聚合物随着时间的推移而激发土壤代谢潜能，从而增强了聚合物的生物降解能力；微生物的刺激是由于聚合物降解后硝酸盐的释放。这些效应在红萝卜处理中比在燕麦中更明显。应该认为红萝卜是其敏感性的最佳指标。土壤酶磷酸酶和脱氢酶活性随着聚合物的生物降解而增加，这在红萝卜中更明显。

综上所述，生物降解高分子材料聚乙烯、聚苯乙烯在土壤中降解后能够提高土壤pH值、水溶性碳含量、氨水平，降低土壤重金属含量，还能提高土壤蛋白酶、磷酸酶、脱氢酶活性，并进一步影响植物的生长，促进植物代谢活动，改变植物种子发芽率、平均株长和生物量。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.生物降解高分子材料在改良土壤性质及提高植物生长性能中的应用；

所述改良土壤性质包括提高土壤pH值、水溶性碳含量和/或氨水平，降低土壤重金属含量，提高土壤蛋白酶、磷酸酶和/或脱氢酶活性；

所述提高植物生长性能包括改变植物种子发芽率、生物量和/或平均株长；

所述生物降解高分子材料为聚乙烯和/或聚苯乙烯；

所述植物为燕麦和/或红萝卜。

2.一种改良土壤性质及提高植物生长性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：将生物降解高分子材料与土壤按重量比为0.5-2.5：97.5-99.5混合均匀，得到土壤生物材料混合物，调整土壤生物材料混合物的含水率为40-60%WHC，于22-28℃、80-120 lux、45-65%RH条件下孵化35天后，播种植物种子并继续孵化10天；所述生物降解高分子材料为聚乙烯和/或聚苯乙烯，所述植物种子为燕麦和/或红萝卜。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述土壤生物材料混合物中生物降解高分子材料与土壤样品的重量比为1：99。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整土壤生物材料混合物的含水率为50%WHC。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述孵化的条件为25℃、100 lux、55%RH；所述孵化的天数在播种前为35天，播种后为10天。