ارزیابی میدانی قابلیت بازیافت مالچ‌های پلاستیکی به روش بررسی پویایی خواص فیزیکی آن‌ها تحت کشت تنباکو

ماشین های کشاورزی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 07 مهر 1404   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی انگلیسی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jam.2025.93614.1384

نویسندگان

وی‌چانگ گائو¹؛ شیه یین^{1، 2}؛ شاشا وانگ³؛ زوگویی تو^{1، 2}؛ شوانگ مینگ^{1، 2}؛ کای کای¹؛ هچینگ کای⁴؛ چن شو^{* 5}

¹آکادمی علوم تنباکوی گویژو، گوی‌یانگ، گویژو، ۵۵۰۰۸۱، چین

²کالج علوم تنباکو، دانشگاه گویژو، گوی‌یانگ، گویژو، ۵۵۰۰۲۵، چین

³آکادمی جنگلداری گویژو، گوی‌یانگ، گویژو، ۵۵۰۰۰۱، چین

⁴شرکت تنباکوی بیجیِ استان گویژو، بیجیِ، گویژو، ۵۵۱۷۰۰، چین

⁵شعبه فولینگ شرکت تنباکوی چونگ‌کینگ، شرکت ملی تنباکوی چین، فولینگ، چونگ‌کینگ ۴۰۸۱۰۷، چین

چکیده

مالچ های پلاستیکی باقی‌مانده در مزارع کشاورزی به دلیل تخریب ساختاری و بازیابی ناکارآمد، سلامت خاک و کشاورزی پایدار را تهدید می‌کنند. برای پرداختن به این موضوع در این مطالعه، اثرات ضخامت فیلم مالچ (0.006-0.014 میلی‌متر)، زمان ماندگاری فیلم مالچ (تا120 روز) و دو منطقه مختلف از لحاظ اکولوژیکی در استان گوئیژو چین: شهر لانگگانگ (شهرستان کایانگ) و شهر لینکوان (شهرستان کیانشی) را بر خواص فیزیکی و قابلیت بازیافت در کشت تنباکو بررسی کرد. تحلیل مکانیکی، نوری و راندمان بازیافت نشان داد که مقاومت کششی، گسیختگی (پارگی) و سوراخ شدن به‌طور متناسب با ضخامت در مدت زمان‌های یکسان افزایش می‌یابد، در حالی‌که نرخ ازدیاد طول در ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد. ماندگاری مالچ ها در طولانی مدت عملکرد مکانیکی را در ضخامت‌های ثابت کاهش می‌دهد، به‌طوری‌که مقاومت کششی و پارگی طولی به‌طور مداوم از مقادیر عرضی بیشتر می‌شود. خواص نوری به‌طور قابل‌توجهی دچار تغییر می شود: فیلم‌های نو و استفاده‌نشده، بهترین عبور نور و کدورت را نشان می‌دهند، در حالی‌که فیلم‌های 0.008 میلی‌متری حداکثر عبور نور را داشته و فیلم‌های ضخیم‌تر (0.010-0.014 میلی‌متر) کدورت بیشتری دارند. راندمان بازیافت با ضخامت همبستگی مثبت و با مدت ماندگاری مالچ همبستگی معکوس دارد. پس از 120 روز، راندمان بازیافت همبستگی زیادی با بارهای پارگی طولی و عرضی دارد. تغییرات منطقه‌ای به‌طور قابل‌توجهی بر خواص مکانیکی فیلم‌های 0.010 میلی‌متری تاثیر می‌گذارند، که نشان می‌دهد این ضخامت ممکن است با محیط‌های متنوع جغرافیایی بهتر سازگار شود. فیلم‌های ضخیم‌تر پس از گذشت 120 روز از استقرار مالچ، به دلیل حفظ یکپارچگی ساختاری، قابلیت بازیافت بالاتری را نشان می‌دهند. این یافته‌ها به‌طور سیستماتیک الگوهای تخریب فیزیکی را به قابلیت بازیافت در شرایط مزرعه مرتبط می‌کنند و بینش‌های عملی برای بهینه‌سازی استفاده از مالچ پلاستیکی، طراحی محصولات بادوام و بهبود ماشین‌آلات بازیابی ارائه می‌دهند. این مطالعه با متعادل کردن عملکرد پلاستیک، سازگاری با محیط‌زیست و راندمان بازیابی در پایان عمر، از شیوه‌های کشاورزی پایدار حمایت می‌کند.

کلیدواژه‌ها

خواص مکانیکی؛ خواص نوری؛ راندمان بازیافت؛ شرایط کشت تنباکو؛ قابلیت بازیافت فیلم مالچ

مراجع

1. Ainali, N. M., Bikiaris, D. N., & Lambropoulou, D. A. (2021). Aging effects on low- and high-density polyethylene, polypropylene and polystyrene under UV irradiation: An insight into decomposition mechanism by py-GC/MS for microplastic analysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 158, 105207. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105207
2. Antunes, M. C., Agnelli, J. A. M., Babetto, A. S., Bonse, B. C., & Bettini, S. H. P. (2018). Correlating different techniques in the thermooxidative degradation monitoring of high-density polyethylene containing pro-degradant and antioxidants. Polymer Testing, 69, 182‑187. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.05.008
3. Beltrán-Sanahuja, A., Benito-Kaesbach, A., Sánchez-García, N., & Sanz-Lázaro, C. (2021). Degradation of conventional and biobased plastics in soil under contrasting environmental conditions. Science of The Total Environment, 787, 147678. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147678
4. Briassoulis, D., Babou, E., Hiskakis, M., & Kyrikou, I. (2015). Degradation in soil behavior of artificially aged polyethylene films with pro‐oxidants. Journal of Applied Polymer Science, 132(30). https://doi.org/10.1002/app.42289
5. Bulati, A., Zhan, L., Xu, Z., & Yang, K. (2025). Obtaining the value of waste polyethylene mulch film through pretreatment and recycling technology in China. Waste Management (new York, N.Y.), 197, 35‑49. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2025.02.029
6. Chen, Q., Wang, Q., Zhang, C., Zhang, J., Dong, Z., & Xu, Q. (2021). Aging simulation of thin-film plastics in different environments to examine the formation of microplastic. Water Research, 202, 117462. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117462
7. Chiellini, E., Corti, A., D’Antone, S., & Baciu, R. (2006). Oxo-biodegradable carbon backbone polymers – Oxidative degradation of polyethylene under accelerated test conditions. Polymer Degradation and Stability, 91(11), 2739‑2747. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2006.03.022
8. Cuadri, A. A., & Martín-Alfonso, J. E. (2017). The effect of thermal and thermo-oxidative degradation conditions on rheological, chemical and thermal properties of HDPE. Polymer Degradation and Stability, 141, 11‑18. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2017.05.005
9. Feng, C., Wang, X., Zhang, J., Dong, J., Yu, X., Wang, Y., & Ling, A. (2020). Study on the Optimal Film Transmittance for Transplanting Short Tobacco Seedlings under Plastic Film. Chinese tobacco science, 41(1), 16‑21. https://doi.org/10.13496/j.issn.1007-5119.2020.01.003
10. Gao, H., Yan, C., Liu, Q., Ding, W., Chen, B., & Li, Z. (2019). Effects of plastic mulching and plastic residue on agricultural production: A meta-analysis. Science of The Total Environment, 651, 484‑492. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.105
11. Gao, W., Li, Z., Cai, K., Zeng, Y., Lin, Y., Wu, S., …, & Pan, W. (2020). Impacts of Mulching Plastic Film Residue on Migration of Soil Nitrogen and Growth of Flue-cured Tobacco Roots. Acta Pedologica Sinica, 57(6), 1556‑1563. https://doi.org/10.11766/trxb201906030257
12. Han, Y., Wei, M., Shi, X., Wang, D., Zhang, X., Zhao, Y., …, & Li, F. (2020). Effects of Tensile Stress and Soil Burial on Mechanical and Chemical Degradation Potential of Agricultural Plastic Films. Sustainability, 12(19), 7985. https://doi.org/10.3390/su12197985
13. Huang, F., Zhang, Q., Wang, L., Zhang, C., & Zhang, Y. (2023). Are biodegradable mulch films a sustainable solution to microplastic mulch film pollution? A biogeochemical perspective. Journal of Hazardous Materials, 459, 132024. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132024
14. Jambeck, J. R., Geyer, R., Wilcox, C., Siegler, T. R., Perryman, M., Andrady, A., …, & Law, K. L. (2015). Plastic waste inputs from land into the ocean. Science, 347(6223), 768‑771. https://doi.org/10.1126/science.1260352
15. Jiang, D., Chen, X., Yan, L., Yang, J., & Li, Y. (2023). Mechanical and friction properties of agricultural plastic film during autumn harvest period of cotton in Xinjiang, China. Environmental Science and Pollution Research, 30(38), 89238‑89252. https://doi.org/10.1007/s11356-023-28642-2
16. Kasirajan, S., & Ngouajio, M. (2012). Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural applications: A review. Agronomy for Sustainable Development, 32(2), 501‑529. https://doi.org/10.1007/s13593-011-0068-3
17. Khalid, N., Aqeel, M., Noman, A., & Fatima Rizvi, Z. (2023). Impact of plastic mulching as a major source of microplastics in agroecosystems. Journal of Hazardous Materials, 445, 130455. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130455
18. Liang, R., Zhu, Z., Peng, C., Bian, Z., Yang, X., Wang, H., & Wang, X.-X. (2024). Mulch film to plastic debris: A survey of agricultural soils of hebei province, north China. Science of the Total Environment, 918, 170509. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170509
19. Lin, N., Luo, X., Wen, J., Fu, J., Zhang, H., Siddique, K. H. M., …, & Zhao, Y. (2024). Black biodegradable mulching increases grain yield and net return while decreasing carbon footprint in rain-fed conditions of the Loess Plateau. Field Crops Research, 318, 109590. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2024.109590
20. Liu, E. K., He, W. Q., & Yan, C. R. (2014). ‘White revolution’ to ‘white pollution’—Agricultural plastic film mulch in China. Environmental Research Letters, 9(9), 091001. https://doi.org/10.1088/1748-9326/9/9/091001
21. Liu, P., Zhan, X., Wu, X., Li, J., Wang, H., & Gao, S. (2020). Effect of weathering on environmental behavior of microplastics: Properties, sorption and potential risks. Chemosphere, 242, 125193. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125193
22. Madrid, B., Wortman, S., Hayes, D. G., DeBruyn, J. M., Miles, C., Flury, M., …, & DeVetter, L. W. (2022). End-of-Life Management Options for Agricultural Mulch Films in the United States—A Review. Frontiers in Sustainable Food Systems, 6. https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.921496
23. Qiang, L., Hu, H., Li, G., Xu, J., Cheng, J., Wang, J., & Zhang, R. (2023). Plastic mulching, and occurrence, incorporation, degradation, and impacts of polyethylene microplastics in agroecosystems. Ecotoxicology and Environmental Safety, 263, 115274. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2023.115274
24. Shen, L., Wang, P., & Zhang, L. (2012). Degradation property of degradable film and its effect on soil temperature and moisture and maize growth. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 28(4), 111‑116.
25. Singh, B., & Sharma, N. (2008). Mechanistic implications of plastic degradation. Polymer Degradation and Stability, 93(3), 561‑584. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2007.11.008
26. Song, Y. K., Hong, S. H., Jang, M., Han, G. M., Jung, S. W., & Shim, W. J. (2018). Corrections to “Combined Effects of UV Exposure Duration and Mechanical Abrasion on Microplastic Fragmentation by Polymer Type”. Environmental Science & Technology, 52(6), 3831‑3832. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b00172
27. Steinmetz, Z., Wollmann, C., Schaefer, M., Buchmann, C., David, J., Tröger, J., …, & Schaumann, G. E. (2016). Plastic mulching in agriculture. Trading short-term agronomic benefits for long-term soil degradation? Science of The Total Environment, 550, 690‑705. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.01.153
28. Sun, D., Li, H., Wang, E., He, W., Hao, W., Yan, C., …, & Zhang, F. (2020). An overview of the use of plastic-film mulching in China to increase crop yield and water-use efficiency. National Science Review, 7(10), 1523‑1526. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa146
29. Sun, J., Wang, X., Zheng, H., Xiang, H., Jiang, X., & Fan, J. (2024). Characterization of the degradation products of biodegradable and traditional plastics on UV irradiation and mechanical abrasion. Science of The Total Environment, 909, 168618. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168618
30. Tang, Y., Zhao, Y., Wang, J., & Wang, Z. (2020). Design and experiment of film removing device for clamping finger-chain type residual film collector. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 36(13), 11‑19. https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.002
31. Tang, Y., Zuo, F., Li, C., Zhang, Q., Gao, W., & Cheng, J. (2024). Combined effects of biochar and biodegradable mulch film on chromium bioavailability and the agronomic characteristics of tobacco. Scientific Reports, 14(1), 6867. https://doi.org/10.1038/s41598-024-56973-8
32. Wang, B., Pan, Y., Zhao, L., Li, J., & Guo, Z. (2024). Kinetics and mechanism of thermal and thermo-oxidative degradation for high-density polyethylene modified by fullerene and its derivative. Thermochimica Acta, 742, 179871. https://doi.org/10.1016/j.tca.2024.179871
33. Wang, S., Li, Q., Ye, C., Ma, W., Sun, Y., Zhao, B., …, & Li, D. (2024). Effects of mulch films with different thicknesses on the microbial community of tobacco rhizosphere soil in Yunnan laterite. Frontiers in Microbiology, 15. https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1458470
34. Wang, T., Ma, Y., & Ji, R. (2021). Aging processes of polyethylene mulch films and preparation of microplastics with environmental characteristics. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 107(4), 736‑740. https://doi.org/10.1007/s00128-020-02975-x
35. Wu, C., Ma, Y., Wang, D., Shan, Y., Song, X., Hu, H., …, & Ma, Y. (2022). Integrated microbiology and metabolomics analysis reveal plastic mulch film residue affects soil microorganisms and their metabolic functions. Journal of Hazardous Materials, 423(Pt B), 127258. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127258
36. Xie, J., Yan, Y., Fan, S., Min, X., Wang, L., You, X., …, & Xu, J. (2022). Prediction Model of Photodegradation for PBAT/PLA Mulch Films: Strategy to Fast Evaluate Service Life. Environmental Science & Technology, 56(12), 9041‑9051. https://doi.org/10.1021/acs.est.2c01687
37. Xu, Z., Zheng, B., Yang, Y., Yang, Y., Jiang, G., & Tian, Y. (2024). Effects of biodegradable (PBAT/PLA) and conventional (LDPE) mulch film residues on bacterial communities and metabolic functions in different agricultural soils. Journal of Hazardous Materials, 472, 134425. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134425
38. Yan, W., Hu, Z., Wu, N., Xu, H., You, Z., & Zhou, X. (2017). Parameter optimization and experiment for plastic film transport mechanism of shovel screen type plastic film residue collector. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 33(1), 17‑24. https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.003
39. Yan, X., Kong, J., Wang, X., Wang, Y., & Li, Y. (2021). Changes in Planting Scale of Flue-cured Tobacco Production Regions in China in Recent 20 Years. Chinses Tobacco Science, 42(4), 92‑101. https://doi.org/10.13496/j.issn.1007-5119.2021.04.014
40. Yu, X., Zhao, J., & Ma, M. (2021). Film of Different Thickness: Effect on Residual and Recovery of Waste Film and Selection. Journal of Agriculture, 11(1), 32. https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20190800157
41. Zhang, C., Liu, X., Zhang, L., Chen, Q., & Xu, Q. (2024). Assessing the aging and environmental implications of polyethylene mulch films in agricultural land. Environmental Science : Processes & Impacts, 26(8), 1310‑1321. https://doi.org/10.1039/D4EM00102H
42. Zhang, H., Miles, C., Gerdeman, B., LaHue, D. G., & DeVetter, L. (2021). Plastic mulch use in perennial fruit cropping systems – A review. Scientia Horticulturae, 281, 109975. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2021.109975
43. Zhao, H., Xiong, Y., Li, F., Wang, R., Qiang, S., Yao, T., & Mo, F. (2012). Plastic film mulch for half growing-season maximized WUE and yield of potato via moisture-temperature improvement in a semi-arid agroecosystem.