地膜覆盖不仅具有增温、保墒、防草、提早作物成熟，提高作物产量等作用，还可防止水土流失、控制土壤盐碱度提高、减少除草剂的施用和减少灌水量等作用，对应对全球人口增长所需的食物需求方面起了十分重要的作用[1]。但是，常规的地膜残留在土壤中难于分解回收，随着地膜用量提高产生的污染问题加剧，成为土壤生态环境保护领域一个亟待解决的问题[2]。

生物降解地膜是指在自然环境中一定时间内通过微生物的分解作用最终降解为二氧化碳、水和无机盐等物质的一类塑料薄膜[3]，欧洲标准(European Standard EN 17033:2018)认为2年内90%以上的有机碳被转化为二氧化碳(carbon dioxide, CO2)的地膜符合生物降解地膜的要求[4]。生物降解地膜被认为是目前解决农田地膜残留污染的理想途径。在棉花和烟草等经济作物[5-7]，番茄、莴笋等蔬菜[8-9]、马铃薯和小麦[10,3]等粮食作物上的试验表明，生物降解地膜在保温、保墒、促进作物生长和提高作物产量方面与普通地膜的功能相近，且具有优异的物理性能、加工性能和抗老化性能，可作为替代常规地膜的新型覆盖材料[3]。但是，与传统地膜不同，生物降解地膜应用过程中或应用后会随着耕作等活动进入土壤中，在被土壤微生物降解过程中会释放微米级和纳米级塑料、添加物、单体及其他中间产物[11]，长期重复或多次应用生物降解地膜覆盖可能导致上述物质在土壤中累积，对土壤质量、土壤生物及作物生长产生不良影响[12-13]，弄清生物降解地膜对土壤生态系统的影响对维护土壤环境质量，保证生物降解地膜的安全应用具有十分重要的意义。

对一个可销售产品进行生态毒性评价是防止其环境和健康风险的必需环节[1]。近年来，随着生物降解地膜研发和应用面积不断增大，关于生物降解地膜的生态毒性研究日益受到关注，但获得的结果却不相同。如Breulmann等[14]将含生物解地膜的堆肥产物添加到土壤后，小麦、大麦、芥菜和绿豆的发芽率与对照无显著变化，得出生物降解聚合物的生态毒性符合美国标准(American Standard ASTM)的要求的结论；还有研究者报道，含炭黑、有机肥和硅稻壳灰3种添加剂的聚乳酸(polylactic acid, PLA)/聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(butyleneadipate-co-terephthalate, PBAT)地膜对燕麦、西芹、萝卜和巴西豆的生长无植物毒性[15]，Balestri等[16]发现，高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)和PBAT/淀粉混合物、Mater-Bi®(MB)袋的浸提物对水芹种子发芽率无显著影响，但抑制了幼苗生长，下胚轴对HDPE敏感，而胚根对MB更敏感。由此表明，生物降解地膜及其产物的生态毒性因地膜种类、作物种类和生态条件等的不同而异。此外，生物降解地膜是一种富碳材料，其对土壤碳氮循环的影响也有待研究。

本研究以我国西南地区广泛分布的紫色土为供试土壤，向土壤中添加生物降解地膜碎片，通过测定土壤pH、溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)和溶解性有机氮(dissolved organic nitrogen, DON)含量、作物种子发芽率和幼苗生长量的变化，评价生物降解地膜的生态毒性，为生物降解地膜的安全利用提供依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 试验材料

供试薄膜：2种生物降解地膜购自国内2家生物降解地膜生产企业，且在生产中均已有应用。地膜均为PABT/PLA型地膜，白色，厚度0.01 mm，其中一种(用BDM1表示)主要成分为PBAT、PLA，另一种(用BDM2表示)主要成分为PBAT、PLA和碳酸钙。将地膜剪碎至≤3 mm碎片备用，部分元素含量如表1所示。

供试土壤：采自重庆北碚区某耕地表层0～20 cm，土样采集后去除石砾、植物根系及残体等杂质，风干、磨细，过4 mm筛后备用。土壤的基本性质如下：pH 7.32、有机质15.83 g·kg-1、全氮1.03 g·kg-1、碱解氮92.83 g·kg-1、有效磷15.42 g·kg-1和有效钾52.36 g·kg-1，质地为黏壤土。

供试植物：从双子叶植物中选择小白菜，品种为四季青(Brassica campestris L. var. Sijiqing)，单子叶植物中选择小麦种子，品种为糯麦1号(Triticum aestivum L. var. Ruomai No.1)进行试验。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤预培养

参照ISO11269-2—2012[17]的方法进行。试验设0.5、0.8、3.2、8、16、32、40和80 g·kg-1 8个用量，以不添加地膜为对照，共9个处理，每个处理设4次重复。将0.5 kg过4 mm的土壤分别与2种地膜碎片按设定的浓度混匀，装入内径8.5～9.5 cm的花盆中培养，培养过程中采用称重法浇水使土壤水分保持在田间持水量的60%。

1.2.2 种子发芽和幼苗生长试验方法

将生物降解地膜与土壤混合物培养50 d后，分别播种小麦和小白菜种子，播种深度为0.5～1.0 cm，每盆20颗，于温室中培养，随机排列，每周更换位置2次。培养过程中称重补充水分至土壤田间持水量的70%，每天观察种子发芽数，当对照出苗50%时，记录种子出苗率数，计算种子的发芽率，1周后间苗，每盆留10株，培养3周后收获植株(小麦幼苗分成根和地上部2部分)，洗净，70 ℃烘至恒重，用天平测定烘干质量。

1.3 样品采集与分析方法

植株收获后，将土壤混匀，用四分法采集土壤样品100 g左右，参照《土壤农业化学分析方法》[18]测定土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和有效钾含量，土壤经1∶10土水比浸提后由2100 N/C分析仪(Analytik Jena GmbH, Jena，德国)测定土壤DOC和DON浓度[19]。

1.4 数据处理

试验结果表示为平均数±标准偏差(Mean±SD)，采用Excel 2019和SPSS 26.0软件对数据进行处理和方差分析，利用最小显著差数法(least significant difference, LSD)进行多重比较，显著水平设为P<0.05。图形制作和方程拟合采用Originpro18C软件进行。

2 结果(Results)

2.1 生物降解地膜对土壤pH及溶解性有机碳氮的影响

将地膜碎片埋入土壤50 d，BDM1和BDM2处理土壤pH分别在6.86～7.39和6.86～7.21(图1(a))，总体表现为随地膜添加量的提高，土壤pH呈上升趋势，在添加量为80 g·kg-1时达最大值。除添加量80 g·kg-1时BDM1处理的土壤pH高于BDM2处理外，其余处理2种地膜间土壤pH的差异不显著(表1)。

BDM1和BDM2处理土壤DOC浓度范围分别为8.62～60 mg·kg-1和51.00～72.97 mg·kg-1，即BDM2处理土壤DOC含量高于BDM1处理(图1(b))。随着地膜添加量提高，DOC浓度BDM1添加量在≤32 g·kg-1时增加不明显，高于此值时显著提高，而BDM2处理则随地膜添加量提高呈急剧增大，添加量为8 g·kg-1时维持稳定。

BDM1和BDM2处理土壤DON浓度范围分别为4.92～6.15 mg·kg-1和1.86～4.59 mg·kg-1。与DOC浓度变化不同的是，BDM1处理土壤DON浓度高于BDM2处理(图1(c))。随着地膜添加量提高，BDM1处理DON浓度呈先降低后上升的变化趋势，BDM2处理DON浓度呈下降趋势。

2.2 生物降解地膜对作物种子发芽的影响

2种生物降解地膜对小白菜和小麦种子发芽的影响如图2和表2所示。

生物降解地膜对作物种子发芽率的影响因地膜碎片添加量、作物类别的不同而异。BDM1处理，小白菜种子发芽率在88.33%～98.33%之间波动，不同处理间差异不显著，而BDM2处理，小白菜种子发芽率随地膜添加量的提高而降低，添加量高于32 g·kg-1时，种子发芽率下降18.18%以上，与对照发芽率的差异达显著水平(P<0.05)。对小麦而言，BDM1和BDM2处理种子发芽率分别在87.5%～95%和90%～97.5%之间，BDM2处理种子发芽率略高于BDM1，但不同添加量及2种地膜间的差异不显著。表明生物降解地膜BDM2在高剂量时对小白菜种子发芽有抑制作用，BDM1则无抑制作用，2种生物降解地膜对小麦种子发芽均无抑制作用。

2.3 生物降解地膜对作物幼苗生长的影响

2.3.1 小白菜幼苗的生长

培养期间，小白菜幼苗的长势在地膜添加量低时变化不明显，随着地膜用量提高，BDM1和BDM2碎片添加量分别在16 g·kg-1和32 g·kg-1时变弱，植株变细，但所有处理小白菜均未出现死亡情况，表明高剂量生物降解地膜碎片对小白菜幼苗生长存在抑制效应，但无致死效应。

生物降解地膜不同添加量对小白菜幼苗干质量的影响如图3所示。相同添加量时，BDM1处理小白菜干质量显著高于BDM2处理，随着地膜添加量的提高，2种地膜处理小白菜干质量的变化趋势不同。BDM1处理小白菜幼苗干质量随地膜添加量的提高呈先增高再降低的变化趋势，在添加量达到32 g·kg-1时后开始降低，40 g·kg-1和80 g·kg-1地膜处理小白菜干质量分别较对照降低13.11%和27.87%，而BDM2处理小白菜干质量降低，在添加量高于8 g·kg-1时降幅达显著水平(P<0.05)。这表明，低剂量生物降解地膜对小白菜的生长有促进作用或影响不明显，但高剂量时有抑制作用，抑制效果表现为BDM2>BDM1。

2.3.2 小麦幼苗的生长

随着地膜碎片添加量提高，小麦长势变化在2种地膜间出现明显的差异，反应最明显的是株高。对BDM1而言，增大添加量对小麦幼苗株高的影响不明显，但BDM2在添加量>3.2 g·kg-1时，小麦幼苗株高一直保持出苗时的状态，未见长高，即小麦幼苗长高受到明显的抑制作用。

培养3周后，小麦幼苗根和地上部的干质量如图4所示。地膜添加量≤8 g·kg-1时，BDM1处理小麦根干质量较BDM2处理降低19.23%～31.98%，而地膜添加量高于此值时，前者是后者的2.37倍～3.26倍；同样，当地膜添加量≤3.2 g·kg-1时，BDM1处理小麦地上部干质量较BDM2处理降低5.86%～25.41%，当地膜添加量>3.2 g·kg-1时，前者地上部干质量为后者的2.15倍～11.40倍。这表明，低剂量时，BDM2处理小麦幼苗根和地上部生长量高于BDM1处理，高剂量时则相反。

随着地膜碎片添加量的提高，BDM1处理小麦根干质量呈先增高后降低的变化趋势(图4(a))，但所有处理根干质量均高于对照，提高幅度以32 g·kg-1处理时最高，为80.75%，达到显著水平，以0.5 g·kg-1最低，仅5.28%，且未达显著水平。BDM2处理小麦根干质量先增高后降低再增高，地膜添加量≤3.2 g·kg-1时，根干质量较对照提高41.51%～89.06%，高于此值时，则显著低于对照，降幅为41.69%～49.43%。这表明，在本试验添加量范围内，BDM1对小麦根的生长有促进作用，而BDM2在低添加量时有促进作用，高剂量时则有抑制作用。

BDM1处理小麦幼苗地上部干质量在添加量≤8 g·kg-1时变化不明显(图4(b)，但当添加量高于此值时，提高地膜碎片添加量小麦幼苗地上部干质量下降，降低幅度为8.29%～29.76%。BDM2处理小麦地上部干质量随地膜碎片添加量的提高呈先升高后降低的变化趋势，在添加量达到3.2 g·kg-1后急剧下降，地膜添加量40 g·kg-1，地上部干质量很低。这表明，对小麦幼苗地上部生长，低剂量BDM1时影响不明显，高剂量时有抑制作用，而低剂量BDM2时有促进作用，高剂量时有抑制作用，且其抑制作用较BDM1强。

根冠比(R/S)=根生物量/地上部生物量[20]。如图4(c)所示，BDM1和BDM2处理小麦幼苗的R/S分别在0.22～0.49和0.22～3.25之间，随地膜添加量提高，2种地膜处理R/S呈升高的变化趋势，但BDM2处理的升高幅度显著高于BDM1，表明R/S对2种生物降解地膜的响应不同。

2.4 生物降解地膜对作物生长的剂量-效应分析

利用Origin软件拟合地膜碎片添加量(x, g·kg-1)与相对生物量(y, %)的剂量-效应曲线，结果如表3所示。BDM1和BDM2地膜碎片处理小白菜干质量和小麦地上部干质量分别用直线回归方程和一元二次方程进行描述，2种地膜处理小麦根的干质量均可用一元二次方程描述。用半抑制浓度(EC50)来评估污染物对植物的生态毒性，EC50越小，表明污染物对研究对象的毒性越强[20]。根据拟合方程，小白菜和小麦幼苗地上部干质量的EC50均为BDM1>BDM2，这表明，BDM2对2种作物幼苗生长的毒性强于BDM1；2种作物间，EC50为小白菜幼苗>小麦幼苗，表明生物降解地膜对小麦生长的毒性较对小白菜强。本研究中，由于BDM1地膜在添加量范围内对小麦根未表现出抑制效应，未计算其EC50，但从BDM2处理小麦根和地上部EC50看，小麦地上部生长对降解地膜的反应更敏感。

3 讨论(Discussion)

土壤pH是土壤最重要的基本性质之一。目前，关于生物降解地膜对土壤pH的影响研究获得的结果不同。如Boots等[21]的研究表明，生物降解材料碎片施入土壤后使土壤pH显著降低。Qi等[22]的研究表明，1%生物降解地膜碎片施入土壤后，早期(2个月)pH显著升高，后期(4个月)pH显著降低。我们将3种生物降解地膜原料颗粒添加到土壤6个后，土壤pH提高0.30～0.57个单位[23]。本研究将生物降解地膜碎片埋入土壤50 d，BDM1和BDM2添加量分别在8 g·kg-1和16 g·kg-1以上时，土壤pH分别提高0.10～0.53和0.16～0.35个单位。这可能与供试的地膜类别和土壤性质不同有关。

生物降解地膜是一种富含有机碳但氮磷等营养元素缺乏的材料，添加到土壤后可能影响微生物对碳氮的固定作用而对土壤氮素循环产生负面影响[24-25]。Zhou等[19]将10%的生物降解材料3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)添加到土壤，土壤微生物生物量碳(MBC)和溶解性有机碳(DOC)含量分别是对照的12倍和54倍，微生物生物量氮(MBN)较对照提高45%，而DON含量较对照降低66%。本研究将2种PBAT/PLA地膜埋入土壤后，土壤DOC含量表现为BDM1>BDM2，DON处理则为BDM2>BDM1，同样说明生物降解地膜进入土壤引起了氮素的固定作用，但随2种地膜添加量提高，土壤DOC、DON含量的变化趋势及程度，2种地膜间存在一定差异，产生的原因有待进一步研究。

植物种子萌发过程和幼苗生长期对污染物的胁迫响应最为敏感，因而，植物种子发芽率和幼苗生长状况常被作为污染物对受试生物毒性效应的指标[26]。利用土埋试验或堆肥浸提液种子发芽试验，人们研究了生物降解地膜的生态毒性。Sforzini等[27]报道，1%(m/m)淀粉基生物降解塑料碎片埋6个月后对芹菜和高粱的发芽率及干质量影响不明显；Boots等[21]报道，0.1% PLA微塑料碎片对黑麦草种子发芽和地上部生长有抑制作用；Wang等[28]报道，PLA添加量为0.1%和1%时对玉米幼苗根和地上部干质量的影响不显著，但添加量为10%时显著抑制玉米生长；Fritz等[29]的研究表明，2%聚酰胺酯地膜碎片使芹菜、小米和油菜幼苗的生长量降低20%～50%；Qi等[22]也发现，1%淀粉基生物降解地膜碎片对生长2个月的小麦植株生物量、生长4个月的小麦籽粒产量有抑制作用，且抑制作用强于低密度聚乙烯膜(LDPE)碎片。

本研究设置了一系列添加量，试验发现仅高剂量生物降解地膜BDM2对小白菜种子发芽有抑制作用，其余处理对小麦种子发芽率无抑制效应；对于小白菜幼苗的生长，BDM1低剂量时有促进作用，高剂量时有抑制作用，BDM2则有抑制作用，且抑制作用随添加量的增大而加强；BDM1对小麦根干质量有促进作用，对地上部生物量在低剂量时影响不明显，高剂量时有抑制作用，而BDM2对根和地上部生物量均在低剂量时有促进作用，高剂量时则有抑制作用，表明生物降解地膜达到一定量时具有生态毒性，也说明生物降解地膜对作物种子萌发和幼苗生长的效应受作物类型、地膜类型和添加量等因素的影响。从作物生物量的变化幅度和EC50大小看，BDM2较BDM1具有更强的生物毒性，2种作物中，小麦地上部生长对生物降解地膜毒性的响应较小白菜更敏感。Chen等[30]发现，红心萝卜较燕麦对1%合成生物可降解材料更敏感。

根系是植物吸收水分和养分的重要器官，环境胁迫条件下，植物应对的策略之一是扩大或保持其根系生长，提高其R/S比，以吸收更多的水分和养分，保持根系活力克服环境胁迫对植物的不良影响[31-32]。本研究中，提高2种生物降解地膜添加量，小麦幼苗R/S提高说明小麦幼苗应对生物降解地膜胁迫的机制是将更多的生物量在根部分配(图4(c))，但从根和地上部干质量变化看，2种地膜应对的策略不同，BDM1表现为提高根的生物量抑制地上部的生长，BDM2对地上部生长的抑制作用强于根。目前，关于生物降解地膜对植物幼苗生长的影响机制还不清楚。生物降解地膜碎片能提高小麦幼苗R/S可能与其提高了土壤对水分的保持力，降低了土壤容重，增强了根系的穿透能力有关[22]，而二者间R/S的差异可能与地膜的性质不同，对土壤性质的影响存在差异有关。

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Effects of Two PBAT/PLA Biodegradable Mulch Film Fragments on Soil Dissolved Organic Carbon and Nitrogen and Their Phytotoxicity

Wang Chunli1, Bian Jingjun1,*, Min Wenhao2, Zhao Xiulan2

1. Chongqing Agricultural Ecology and Resource Protection Station, Chongqing 401120, China 2. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China

Abstract: The ecological toxicity and environmental safety of biodegradable mulch films (BDMs) are of prime concern along with their application in plant growth and nutrition. To investigate the effects on soil pH, dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON), seed germination, and seedling growth of plants grown in purple soil, a pot experiment was conducted employing two butyleneadipate-co-terephthalate (PBAT)/polylactic acid (PLA) biodegradable mulch film fragments (designated as BDM1 and BDM2). This experiment aimed to investigate the effects of BDMs on plants as well as evaluate their ecological toxicity and environmental safety. The tested plants included a monocotyledon and a dicotyledonous, i.e., wheat (Triticum aestivum L. var. Ruomai No.1) and pakchoi (Brassica campestris L. var. Sijiqing), respectively. A total of 8 application rates of BDM fragments were used i.e., 0.5, 0.8, 3.2, 8, 16, 32, 40 and 80 g·kg-1. For control treatments, soil without fragment addition was used. The results revealed that soil pH and DOC content increases, whereas DON content decreases with increasing film addition. There was no significant difference found between the two films treated soil for pH values, but the contents of DOC in BDM2 treatment was much higher than those of BDM1 treated soils. In contrast, the content of DON in BDM2 treated soil was lower than those of BDM1 treated soils. Apart from the treatments of BDM2 with application rates higher than 32 g·kg-1 that inhibited the pakchoi seed germination, all other treatments didn’t affect the seed germination of both crops. Both the film fragments had no lethal effect on crops. Initially, the biomass of pakchoi seedlings in BDM1 treatment increased, followed by a reduction with the increasing rates of fragment addition. However, in the BDM2 treatment, when the addition rate was higher than 8 g·kg-1, the biomass of pakchoi seedlings showed a significant decrease. For wheat seedlings, BDM1 treatment improved the root biomass but significantly decreased the shoot biomass when applied higher than 8 g·kg-1. The biomass of wheat root and shoot in BDM2 treatments initially increased, followed by a significant reduction, and the highest biomass was found at the rate of 3.2 g·kg-1. In response to a higher rate of plastic fragments, the root to shoot ratio (R/S) of wheat seedlings also increased. There was a dose-dependent relationship between the growth of crop seedlings and rates of fully biodegradable plastic application. According to the fitted dose-response curves for both plants, the EC50 values were BDM1 > BDM2, and for the same plastic film, EC50 values for pakchoi seedlings were higher than those of wheat seedlings. The obtained results demonstrated that biodegradable plastic application can lead to nitrogen immobilization and the BDM2 treatment had a greater inhibitory effect on seed germination and seedling growth than BDM1 treatment. Moreover, the wheat seedlings were more sensitive to biodegradable plastic film than pakchoi seedlings.

Keywords: biodegradable mulch film; pakchoi seedling; wheat seedling; germination rate; growth

收稿日期：2021-10-15

录用日期：2022-01-09

基金项目：农业农村部农业生态环境保护项目(091821104022292025)

第一作者：王春丽(1984—)，女，硕士，研究方向为农业资源与生态保护，E-mail: clwang84@163.com

*通讯作者(Corresponding author)， E-mail: bianjj@163.com

DOI: 10.7524/AJE.1673-5897.20211015001

王春丽, 卞京军, 闵文豪, 等. 2种PBAT/PLA生物降解地膜碎片对土壤溶解性有机碳氮的影响及其植物毒性[J]. 生态毒理学报，2022, 17(5): 465-474

Wang C L, Bian J J, Min W H, et al. Effects of two PBAT/PLA biodegradable mulch film fragments on soil dissolved organic carbon and nitrogen and their phytotoxicity [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2022, 17(5): 465-474 (in Chinese)

文章编号： 1673-5897(2022)5-465-10

中图分类号： X171.5

文献标识码： A

Received 15 October 2021

accepted 9 January 2022

通讯作者简介：卞京军(1989—)，男，硕士，主要研究方向为农业资源与生态保护。