CN115843595A - 腐殖酸生物降解功能地膜及在日光温室秋冬季节番茄栽培中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及腐殖酸生物降解功能地膜及在日光温室秋冬季节番茄栽培中的应用。本发明首先提供腐殖酸生物降解功能地膜，包括：PBAT 88‑95wt％，PLA4‑6wt％，腐殖酸4‑6wt％。还提供所述腐殖酸生物降解功能地膜在番茄栽培中的应用。研究发现，在日光温室番茄秋冬生产中覆盖腐殖酸生物降解功能地膜不仅能够解决地膜残留问题和减少环境污染，还能改善土壤理化性质、提高微生物丰度和提高番茄品质，尤其是提高番茄红素含量、降低总酸含量和降低硬度。

Description

腐殖酸生物降解功能地膜及在日光温室秋冬季节番茄栽培中 的应用

技术领域

本发明涉及腐殖酸生物降解功能地膜及在日光温室秋冬季节番茄栽培中的应用。

背景技术

番茄是茄科一年生草本植物，含有多种维生素和矿物质元素，番茄红素含量居各类蔬菜之首，有较好的经济价值和营养价值。地膜覆盖具有提高土壤温度、保持土壤湿度、增加土壤肥力、防治病虫害等作用，在农业生产中得到了广泛应用。地膜覆盖普遍应用于蔬菜生产中，由于处理方式不当使得土壤中农用地膜碎片残留量逐年增加。其膜碎片残留在土壤中不仅引起土壤结构层次的变化，同时导致土壤水分养分运输受阻、土壤板结和抑制出苗率。最终导致蔬菜产量降低并造成“白色污染”问题。生物降解地膜虽可以有效减少对环境的污染，但难以提高蔬菜品质。

番茄品质仍有待进一步提高。

发明内容

本发明旨在解决以上技术问题之一。

本发明人大量研究发现，在日光温室番茄秋冬生产中覆盖腐殖酸生物降解功能地膜不仅能够解决地膜残留问题和减少环境污染，还能改善土壤理化性质、提高微生物丰度和提高番茄品质，尤其是提高番茄红素含量、降低总酸含量和降低硬度。

具体而言，本发明首先提供一种腐殖酸生物降解功能地膜，以重量百分比计，包括：PBAT(聚已二酸/对苯二甲酸丁二醇酯)88-95wt％，PLA(聚乳酸)4-6wt％，腐殖酸4-6wt％。

根据本发明实施例，所述腐殖酸生物降解功能地膜，以重量百分比计，包括：PBAT90wt％，PLA 5wt％，腐殖酸5wt％。

根据本发明实施例，所述腐殖酸生物降解功能地膜是以PBAT、PLA和腐殖酸为原料制备得到的。

根据本发明实施例，所述腐殖酸生物降解功能地膜的厚度为5-15μm，可选10μm。

根据本发明实施例，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜更早地和更容易降解。在一些实例，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜覆膜45d达到1级降解，105d达到2级降解。显著早于木质素(MZS)地膜。

根据本发明实施例，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜可以显著提高土壤电导率和土壤有机质含量。

根据本发明实施例，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜可以提高土壤微生物丰度。其中，在土壤真菌属水平物种丰度上，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜可以提高Chaetomium的相对丰度；以在土壤细菌属水平物种丰度上，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜可提高Uncultured_soil_bacterium的相对丰度；在土壤真菌种水平物种丰度上，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜可以提高Chaetomium_megalocarpum的相对丰度；在土壤细菌种水平物种丰度上，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜可以提高Uncultured_soil_bacterium的相对丰度。

根据本发明实施例，本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜可以显著提高番茄果实的可溶性固形物、维生素C(Vc)、可溶性糖以及番茄红素含量，并显著降低总酸含量和硬度，尤其是可以显著提高番茄红素含量、显著降低总酸含量和显著降低硬度。

在一些实例中，所述腐殖酸生物降解功能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。在一些实施中，吹胀比为1.5-3.0，模口间隙为0.8-1.8。

在一些实例中，制备所述腐殖酸生物降解功能地膜所用的原料PBAT(即聚已二酸/对苯二甲酸丁二醇酯)、PLA(聚乳酸)和腐殖酸均可市售获得或通过现有技术方法制备得到。

在一些实例中，在设施秋冬季节番茄生产时，可采用本领域常规方法使用本发明所述腐殖酸生物降解功能地膜。

本发明还提供上述腐殖酸生物降解功能地膜在番茄栽培中的应用。

具体地，所述应用为日光温室秋冬季节番茄栽培。

具体地，所述应用包括提高土壤电导率和土壤有机质含量。

具体地，所述应用包括提高土壤微生物丰度。所述微生物具体包括Chaetomium、Uncultured_soil_bacterium中任一种或几种，进一步地，所述微生物包括Chaetomium_megalocarpum、Uncultured_soil_bacterium中任一种或几种。

具体地，所述应用包括提高番茄品质。

具体地，所述提高番茄品质包括：显著提高番茄果实的可溶性固形物、维生素C(Vc)、可溶性糖以及番茄红素含量，并显著降低总酸含量和硬度，尤其是可以显著提高番茄红素含量、显著降低总酸含量和显著降低硬度。

在一些实例中，所栽培的番茄品种为甜脆脆。

附图说明

图1：本发明实施例中覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜对土壤温湿度的影响。图1中，A：土壤温度；B：土壤湿度。聚乙烯地膜(PE)；生物降解地膜1(MZS)；生物降解地膜2(FZS)，日期(月，天)。

图2：本发明实施例中覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜对土壤真菌、细菌属和种水平物种丰富的影响。图2中，A：土壤真菌属水平物种丰度；B：土壤细菌属水平物种丰度；C：土壤真菌种水平物种丰度；D：土壤细菌种水平物种丰度，(n＝3)。处理前土壤(CK)；聚乙烯地膜(PE)；生物降解地膜1(MZS)；生物降解地膜2(FZS)；横坐标Sample为样品；纵坐标Relative abundance为相对丰度。

图3：本发明实施例中覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜对番茄叶片净光合速率的影响。图3中，净光合速率(n＝4，ρ＜0.05)。聚乙烯地膜(PE)；生物降解地膜1(MZS)；生物降解地膜2(FZS)。

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

1.材料与方法

1.1试验初始土壤基本理化性状

容重为1.05g/cm³；总孔隙度为66.95％，持水孔隙为50.06％，pH为7.87，电导率为384.00μs/cm，有机质为12.20g/kg。

1.2供试材料与试验方法

试验于2021年9月-2022年1月在中国农业科学院南口中试基地日光温室进行。本研究采用番茄(品种：甜脆脆；公司：北京富万家农业科技发展有限公司)为试验材料。试验设置3个处理：PE(聚乙烯地膜)、MZS(PBAT/PLA木质素生物降解地膜)、FZS(PBAT/PLA腐殖酸生物降解功能地膜)，每个处理3次重复。每畦种植35株，株距40cm，小行距40cm，大行距80cm，畦宽120cm，畦长750cm，栽培密度为2600株/667m²。番茄苗于2021年9月4日定植，期间供水与供肥量均相同。试验用肥：蒙鼎底肥(北京市丰民同和国际农业科技发展有限公司)；含氨基酸水溶肥料(北京市丰民同和国际农业科技发展有限公司赤峰蒙地肥业分公司)。

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1和2的配方，由山东清田塑工有限公司生产。配方如下：

生物降解地膜1(MZS)的配方为：PBAT 90wt％，PLA 5wt％，木质素5wt％，厚度10μm。

生物降解地膜2(FZS)的配方为：PBAT 90wt％，PLA 5wt％，腐殖酸5wt％，厚度10μm。

普通聚乙烯地膜(PE)购自山东清田塑工有限公司，厚度10μm。

1.3测定指标与方法

1.3.1地膜降解情况

覆膜后，每隔15d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。

1.3.2地膜拉伸性能测定

使用微机控制电子万能试验机对薄膜进行机械性能测试(深圳三思纵横科技股份有限公司)，以挤出牵引方向为纵向，与吹膜膨胀的方向为横向。参照GB/T 1040.3-2006规定，应选择宽度为15mm、长度为150mm的长条样品，样品中间标记两条平行间距为100mm的平行线，采用实验速度为500mm/min，直到样品断裂为止，结果取5次平行测试的平均值，记录薄膜的拉伸强度以及断裂标称应变。

1.3.3地膜透光率/雾度测定

根据国家标准GB2410-2008和ASTM D1003-61(2007)，采用WGT-2S型透光率/雾度仪，以C光源(6774K)测量地膜样品的光学性能。使用后的地膜用超声波清洗机清洗(宁波新芝生物科技股份有限公司)，然后用去离子水反复冲洗，放置在阴凉通风处晾干。再将晾干后的地膜裁剪成40mm×40mm的小块，测试3次，结果取平均值。

1.3.4地膜保湿性能测试

参照GB 1037-88的规定，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/(m²·24h)，将每个样品膜切割成3.3×10^-3m²的圆形，实验温度设置为38℃，湿度设置为90％RH，每个样品至少3次重复，取其稳定值为该地膜的透湿量。测试原理为：在一定温度下使试样的两侧形成特定的湿度差，水蒸气透过试样进入干燥的一侧，通过测定透湿杯减重随时间的变化量，从而求出试样的水蒸气透过率等参数。

1.3.5土壤温湿度测定

2021年9月5日至2022年1月13日每天8:00、12:00、16:00采用YST-HSC1型仪器(北京硬石头科技有限公司)测定10cm深的土层温湿度，取三个时间点的平均值计算作日土壤温湿度，比较不同处理对土壤温湿度的影响。

1.3.6土壤基本理化性质的测定

采用“S”形取样法，对0-20cm深的耕层土壤进行样品采集，每个处理分别设置三个重复，每个重复取5个点充分混合。土壤理化性质测定：①电导率：电导法SSC-8.3.2(SSC为《土壤农业化学分析方法》代称)；②pH：森林土壤pH值的测定LY/T 1239-1999，其中土壤电导率和pH采用HQ440D型多参数水质分析仪(美国HACH公司)测定；③有机质：土壤检测第6部分，土壤有机质的测定NY/T 1121.6-2006，在加热条件下，用过量的重铬酸钾一硫酸溶液氧化土壤有机碳，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准溶液滴定，由消耗的重铬酸钾量按氧化校正系数计算出有机碳量，再乘以常数1.724，即土壤有机质含量。

1.3.7容重及孔隙度的测定

取容积为100mL的环刀，称重(W1)，用环刀对土壤样品进行采集，各处理重复3次，编号封装后带回实验室进行测定。称量得到新鲜土壤与环刀总重(W2)，用日本(HWS0-DIK1150)三相仪测定新鲜土壤体积(V1)，然后将装有土壤的环刀带网筛一端置于装有清水的托盘中静置24h后再次称重(W3)，以及测定体积(V2)，再将装有土壤的环刀置于烘箱中80℃烘干至恒重，再次称重(W4)，测量烘干后的土壤体积(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)

1.3.8土壤微生物测序

采用“S”形取样法，对0-20cm深的耕层土壤进行样品采集，每个处理分别设置三个重复，编号封装带回实验室-80℃保存。使用PacBio Binding kit(Pacbio，USA)对上机文库进行上机前的结合，使文库结合上Primer(Pacbio，USA)及Polymerase(Pacbio，USA)；将最终的反应产物进行AMpure PB Beads(Pacbio，USA)纯化后置于Sequel II(Pacbio，USA)测序仪上进行上机测序。(北京百迈客生物科技有限公司)

细菌：

27F_(16S-F)：5′-AGRGTTTGATYNTGGCTCAG-3′

1492R_(16S-R)：5′-TASGGHTACCTTGTTASGACTT-3′

真菌：

ITS1F：5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′

ITS4：5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′

1.3.9番茄叶片净光合速率测定

净光合速率：采用CIRAS-3型(美国PP-systems公司)便携式光合系统测定。在上午9:00-11:00测定番茄植株从上往下第2片功能叶的净光合速率，读数稳定后记录，每处理测定4株。

1.3.10番茄品质指标测定

每个处理重复3次，选取第3穗成熟的番茄果实5个进行营养品质的测定。采用韦度电子GY-1型水果硬度计测定番茄硬度，紫外-可见分光光度法测定番茄红素含量，NY/T1278-2007测定可溶性糖含量，NY/T 2637-2014测定可溶性固形物含量，GB 5009.86-2016测定维生素(Vc)含量，GB 12456-2021测定总酸含量。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件处理数据，GraphPad Prism 8.4.2作图，DPS2005.12.26软件对数据进行单因素方差分析。

2.结果分析

2.1地膜性能测试

聚乙烯(PE)和不同生物降解(MZS和FZS)地膜的透光率、保湿性能以及机械性能使用前后区别较大(表1)。PE地膜使用前/后透光率分别为89.26％和86.55％显著高于FZS和MZS地膜(p＜0.05)；使用前/后FZS地膜雾度分别为67.33％和67.43％显著高于PE和MZS地膜(p＜0.05)，说明FZS地膜对入射光的散射效应最佳。

PE地膜具有优良的保水性，三种地膜使用前/后的水蒸气透过量由高到低依次为MZS＞FZS＞PE。使用前MZS水蒸气透过系数为2.39g·cm/(cm²·s·Pa)10^-13显著高于PE和FZS(p＜0.05)，使用后PE、MZS和FZS地膜的水蒸气透过系数均呈现上升趋势，MZS和FZS水蒸气透过系数分别为2.43g·cm/(cm²·s·Pa)10^-13和2.38g·cm/(cm²·s·Pa)10^-13均显著高于PE(p＜0.05)。

相较于使用前，使用后PE、MZS、FZS地膜的横向拉伸强度分别降低了14.29％、47.70％和56.21％，纵向拉伸强度分别降低了20.24％、40.26％和38.04％，使用后PE、MZS和FZS地膜的纵向断裂标称应变分别降低了8.55％、73.27％和81.86％，横向断裂标称应变分别降低了11.57％、93.85％和82.48％，说明MZS和FZS地膜的拉伸强度和断裂标称应变因降解而降低。

2.2聚乙烯和不同生物降解地膜的降解特性

由表2可知，FZS地膜覆膜45d达到1级降解，105d达到2级降解。MZS地膜覆膜75d达到1级降解。PE地膜在番茄整个生育期未出现降解情况。

2.3覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜的对土壤温度和湿度的影响

番茄生育期内，PE地膜和全生物降解地膜FZS、MZS处理下10cm日平均土壤温湿度变化总体呈现下降趋势。2021年9月至2022年1月间三种地膜的土壤温度分别处于13.90℃-24.53℃(PE)、14.43℃-24.53℃(MZS)、14.23℃-24.13℃(FZS)范围内。在作物生长后期，环境温度逐渐变冷。三个处理的土壤温度依次为MZS＞FZS＞PE(图1的A)。土壤湿度的数据显示，2021年9月至2022年1月间三种地膜的土壤湿度分别处于25.00％-39.00％(PE)、19.00％-29.00％(MZS)、18.00％-35.33％(FZS)范围内。番茄生育期内PE地膜的土壤湿度高于FZS和MZS地膜；随着作物的生长，地膜覆盖时间越来越长，FZS地膜的降解程度逐渐增加，地膜破裂降低了土壤湿度，因此MZS膜的土壤湿度高于FZS膜(图1的B)。

2.4覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜对土壤理化性质的影响

PE和不同生物降解地膜在(MZS和FZS)使用后影响了土壤理化性质(表3)。覆盖PE、MZS和FZS地膜后，在土壤容重、总孔隙度、持水孔隙指标上各处理间无显著差异。覆盖PE地膜的土壤pH达到8.23显著高于覆盖MZS和FZS地膜(p＜0.05)；覆盖FZS地膜土壤电导率达到201.33μm/cm、有机质含量达到13.67g/kg均显著高于覆盖PE和MZS地膜(ρ＜0.05)。

2.5覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜对土壤真菌、细菌属水平和种水平物种丰度的影响

土壤真菌属水平物种丰度TOP10的真菌属类主要有Cladosporium、Ascobolus、Mortierella、Trichocladium、Sodiomyces、Chaetomium、Fusarium、Pseudogymnoascus、unclassified_Fungi、Penicillium十种。与处理前的土壤CK相比，覆盖PE、MZS、FZS地膜后Cladosporium的相对丰度有所上升，Sodiomyces的相对丰度产有所下降；覆盖FZS地膜后的Chaetomium相对丰度要高于MZS和PE地膜(图2的A)。土壤细菌属水平物种丰度TOP10的细菌属类主要有unclassified_Bacteria、Nitrospira、unclassified_Vicinamibacteraceae、unclassified_Gemmatimonadaceae、unclassified_Chitinophagaceae、unclassified_Vicinamibacterales、RB41、MND1、uncultured_Acidobacteria_bacterium、uncultured_soil_bacterium十种。覆盖FZS地膜后的Uncultured_soil_bacterium相对丰度要高于MZS和PE地膜(图2的B)。

土壤真菌种水平物种丰度TOP10的真菌种类主要有Cladosporium_oxysporum、Trichocladium_seminis-citrulli、Sodiomyces_alcalophilus、Chaetomium_megalocarpum、Mortierella_alpina、Pseudogymnoascus_destructans、unclassified_Fungi、Cladosporium_cycadicola、Mortierella_elongata和Fusarium_foetens十种。与处理前的土壤CK相比，覆盖PE、MZS、FZS地膜后Cladosporium_oxysporum的相对丰度有所上升，Sodiomyces_alcalophilus的相对丰度有所下降；覆盖FZS地膜后的Chaetomium_megalocarpum相对丰度要高于MZS和PE地膜(图2的C)。土壤细菌种水平物种丰度TOP10的细菌种类主要有unclassified_Bacteria、unclassified_Vicinamibacteraceae、unclassified_Vicinamibacterales、uncultured_soil_bacterium、unclassified_Gemmatimonadaceae、uncultured_Acidobacteria_bacterium、Nitrospira_japonica、Acidobacteria_bacterium_WWH8、unclassified_MND1和Uncultured_Bacteroidetes_bacterium十种。覆盖FZS地膜后的uncultured_soil_bacterium相对丰度要高于MZS和PE地膜(图2的D)。以上提及的细菌和真菌均为已知菌种。

2.6覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜对番茄叶片净光合速率的影响

覆盖PE地膜、MZS地膜和FZS地膜会影响番茄植株叶片净光合速率，整体呈现先上升后下降的趋势。在整个测定期间，与覆盖PE地膜相比，除了10月22日，覆盖MZS地膜能够显著提高番茄叶片的净光合速率且增加了4.10％(ρ＜0.05)，其他时间均无显著差异(图3)。

2.7覆盖聚乙烯和不同生物降解地膜对番茄品质的影响

由表4可知，与覆盖PE地膜相比，覆盖MZS地膜和FZS地膜均可以显著提高番茄果实的可溶性固形物、维生素C(Vc)、可溶性糖、番茄红素含量，覆盖FZS地膜可以显著降低总酸含量和硬度(p＜0.05)；其中，与覆盖PE地膜相比，覆盖FZS地膜后番茄果实的可溶性固形物含量显著增加了8.75％，Vc含量显著增加了15.41％，总酸含量显著降低了24.95％，可溶性糖含量显著增加了8.30％，番茄红素含量显著增加了27.27％，硬度显著降低了8.46％；与覆MZS地膜相比，覆盖FZS地膜后总酸含量显著降低了30.00％，番茄红素显著增加了15.22％，硬度显著降低了5.66％。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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Claims (10)

1.一种腐殖酸生物降解功能地膜，以重量百分比计，包括：PBAT 88-95wt％，PLA 4-6wt％，腐殖酸4-6wt％。

2.根据权利要求1所述的腐殖酸生物降解功能地膜，以重量百分比计，包括：PBAT90wt％，PLA 5wt％，腐殖酸5wt％。

3.根据权利要求1或2所述的腐殖酸生物降解功能地膜，厚度为5-15μm，可选10μm。

4.权利要求1-3任一项所述腐殖酸生物降解功能地膜在番茄栽培中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，为应用于日光温室秋冬季节番茄栽培。

6.根据权利要求4或5所述的应用，所述应用包括提高土壤电导率和土壤有机质含量。

7.根据权利要求4或5所述的应用，所述应用包括提高土壤微生物丰度；可选地，所述微生物包括Chaetomium、Uncultured_soil_bacterium中任一种或几种；可选地，所述微生物包括Chaetomium_megalocarpum、

Uncultured_soil_bacterium中任一种或几种。

8.根据权利要求4或5所述的应用，所述应用包括提高番茄品质。

9.根据权利要求8所述的应用，所述提高番茄品质包括：显著提高番茄果实的可溶性固形物、维生素C、可溶性糖以及番茄红素含量，并显著降低总酸含量和硬度；优选显著提高番茄红素含量、显著降低总酸含量和显著降低硬度。

10.根据权利要求4-9任一项所述的应用，所栽培的番茄品种为甜脆脆。

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