紙地膜的研究進展及發(fā)展前景

路翠萍　田映良　馬青斌　鄭旺斌　劉曉嬌　王茹娟

摘要 介紹了紙地膜的概念和結構特點，闡述了國內外紙地膜的產品開發(fā)與改進情況，總結了國內外紙地膜降解的研究進展，最后對紙地膜的發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞 塑料地膜；白色污染；可降解塑料；紙地膜

中圖分類號 S181；X322 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）05-095-02

Abstract We introduced the concept and structure characteristics of paper mulch， elaborated the product development and improvement status of paper mulch at home and abroad， and summarized the research advance of paper mulch degradation at home and abroad. Finally， development prospect of paper mulch was forecasted.

Key words Plastic mulch； White pollution； Degradable plastics； Paper mulch

在農業(yè)生產中，為提高農田生產條件，常采用鋪膜技術，將不同材料制成的膜覆蓋于土壤表面，以達到保墑保水、積溫滅草的目的。1 000余年前，農民用石塊、砂礫、卵石、火山灰和灰渣等石材作為地膜，這種方法不僅降低了土壤水分的蒸發(fā)，還減小了土壤的風蝕和地表徑流[1-2]。自20世紀50年代塑料被應用于農業(yè)生產以來，使用量急劇增加，我國作為一個農業(yè)大國，農用塑料地膜的使用量居世界首位，是其他國家使用量總和的1.6倍[3]。我國地膜覆蓋技術應用帶來的累積經濟增產值在800億元以上，可見地膜已成為現代農業(yè)發(fā)展的重要的農用產品[4-6]。隨著塑料地膜的大面積推廣應用，塑料殘留物對環(huán)境的危害也日益加劇。目前世界上處理塑料廢棄物的方法有填埋、焚燒、回收和降解，而這些方法存在一些弊端，如填埋雖然操作簡單經濟，但是降解速率低；焚燒會產生大量的二氧化碳及有害氣體，易形成溫室效應和酸雨；回收再利用難度大，成本高且再加工后的塑料制品性能明顯下降[7-8]，因此必須從源頭做起，大力開發(fā)和推廣環(huán)境可降解高分子材料。近年來，紙地膜因其獨特的降解特性而備受關注，其在農業(yè)生產中的應用日益成為研究熱點[9-12]。因此，筆者對紙地膜的開發(fā)、降解及其對土壤和作物生長的影響等方面的研究進展進行了綜述，以期為紙地膜在農業(yè)生產中的廣泛應用提供借鑒。

1 紙地膜的概念與結構特點

紙地膜是以植物紙漿為基本原料，在紙漿內添加濕強劑、防腐劑和透明劑等助劑，采用常規(guī)造紙工藝制造出原紙，然后對其進行加工處理，使紙張具有地膜所要求的機械強度及透光、透水、保溫、增溫、保墑等功能。紙地膜可在要求時間內降解，還田埋入土壤中可當做肥料使用，因此紙地膜的應用可以解決塑料地膜的難降解問題。

紙地膜的成分和結構較塑料地膜復雜，在大多數情況下，首先是將木質纖維進行濕壓，然后進行干燥處理。木質造紙纖維的長度和直徑分別為1.000～3.000和0.009～0.030 mm，纖維之間通過氫鍵結合在一起，在蒸煮過程中，溶解木材的木質素制成化學紙漿纖維，這使得分離的纖維素含有極低的木質素。機械紙漿纖維通過機械法從木材中分離提純得到，機械纖維的成分接近其木材原料，含有40%～45%的纖維素，25%～35%的半纖維素和25%～35%的木質素，當需要中等或高等亮度的白紙時，需要對纖維進行漂白。

2 紙地膜的開發(fā)

日本已經成功研制了農用紙地膜，該地膜材料主要包括殼聚糖及植物纖維素，能促進對農作物生長有利的土壤細菌的繁殖，其保溫性能比塑料地膜優(yōu)越，透氣性能好，且具有吸水性強與蒸發(fā)散熱功能等特點，適用范圍廣泛，目前日本已推廣使用[12]。

我國湖北省枝城市第一造紙廠制造了多功能農用紙地膜，并已批量投產，該紙地膜能在2～3個月內自行分解變成肥料，具有防病蟲害、除雜草、增養(yǎng)分和改善土質結構的功能[3]；天津市園藝工程研究所研制出多效農藝營養(yǎng)紙膜，以求用其代替塑料地膜，通過試驗證明，該產品不僅能自行分解，還能釋放多種營養(yǎng)成分，促進植物的生長發(fā)育，具有一定防治植物病蟲害的作用；傅玉全[13]開展了紙基地膜地面覆蓋的應用試驗，結果表明，該紙基地膜的增溫、保溫性能與塑料地膜接近，均較露天栽培高，紙膜覆蓋較露地栽培的產量提高了29.72%，且30～40 d開始降解，60 d全部降解，不僅消除了塑膜對農田的污染，還增加了農田的有機質含量；高玉杰等[14]以植物纖維為主要原料制備了透明度較高的紙基地膜，應用試驗結果表明，紙基地膜的各項使用性能與塑料地膜相當。周文春[15]開展了紙基地膜的田間試驗，結果表明，紙膜覆蓋栽培，在保溫增溫、催熟作用、農田保墑、防止土壤板結及農作物增產方面，具有與塑膜覆蓋相同的效果，但相對于光降解地膜和淀粉添加PE地膜來說，植物纖維地膜或紙地膜的技術尚不成熟，綜合性能還存在一些難點，離實用化仍有距離[15]。

目前，許多紙類材料已應用于紙地膜的制造，如牛皮紙、棕色牛皮紙、回收牛皮紙、重型紙、厚紙、蠟紙、瀝青浸潤紙、黑色紙、碎報紙等，其中牛皮紙既能直接作為地膜，又可做地膜原材料，是目前應用最多的一種紙地膜[16]。另外，許多涂層材料也運用于紙地膜上，如大豆油、石蠟、聚乙烯膜、可降解聚乙烯等，將涂層材料涂布在原紙材料上制備紙地膜，以此來提高原紙材料的性能[17]。

3 紙地膜的降解

Kasirajan等[18]研究表明，紙地膜降解時，埋在土壤中的部分先降解，覆蓋在土壤上面的后降解，常會出現降解不均衡的現象，此外，紙地膜降解能力及降解時間很大程度上受紙地膜的質量和類型的制約。Sanchez等[19]發(fā)現，報紙的降解速率最快，其次是碎報紙，而稻草質膜的降解最慢。Ueno等[20]以回收紙作為原材料制備了紙地膜，應用試驗發(fā)現，種植40～50 d內，紙地膜被降解不再可見，且能抑制雜草生長。

大多數紙地膜存在與土壤接觸邊緣的地膜快速降解問題。MartinClosas等[21]研究表明，在種植時間內，紙地膜所埋邊緣最先降解，但這種降解并未導致其他特殊問題。Anzalon等[22]研究表明，地膜在番茄栽培的應用試驗中，在土地表面的生物降解塑料發(fā)生降解后，種植結束后紙地膜和黑色塑料膜仍保持原樣。

為解決紙地膜與土壤接觸部分的快速降解問題，有學者發(fā)現在朝上的一面涂布生物降解塑料可以延長其降解時間。如Coolong[23]發(fā)現，蠟紙、厚紙和牛皮紙地膜可以完全降解，但是聚乙烯包覆的牛皮紙地膜其紙部分可完全降解，塑料層未降解，但將有涂層的一面朝下時，生物降解速率會降低，而且在雨季地膜表面豐富的水分可滋生大量病菌。

使用油脂涂層也是解決紙地膜快速降解的一種方法。Anderson等[24]研究表明，廢棄的食物油能延遲紙地膜的降解，并可提高紙地膜的拉伸強度。Shogren等[25]研究發(fā)現，表面涂有蔬菜油的紙地膜，其形狀能保持3個月，隨后出現一些裂紋和孔洞，但是這不會導致大量雜草生長從而戳破地膜或使地膜從掩埋線破裂。油脂涂覆能降低紙地膜的降解率，有一種解釋是紙地膜埋入土壤部分的降解是由地膜邊緣的微生物分解腐爛所引起的，而油脂恰好可以保護地膜免受微生物的分解；還有一種解釋是油脂涂覆部分覆蓋或填充了纖維素微纖束之間的空隙，減小了微生物組織生長的空間面積[26]。使用油脂浸漬紙地膜雖然可以降低其降解速度，但油脂浸漬后紙地膜不易操作，且鋪膜速度慢，另外還有研究發(fā)現，油脂處理實際上并不能提高紙地膜的耐久性[27]。

總體來說，紙地膜的降解能力是一個復雜問題，降解過程在很大程度上與紙的質量和類型、涂膜物質及土壤質量和季節(jié)相關。

4 紙地膜對土壤和植物生長的影響

目前，紙地膜已應用于番茄、豌豆、甜菜、辣椒、萵苣、甜玉米、黃瓜、甜瓜等作物生產，而氣候環(huán)境、植物種類、種植方式和地膜材料均會對試驗結果產生影響。

紙地膜與黑色塑料地膜和無膜土壤相比，其能使土壤溫度降低，這可能是由于透明度較高的紙反射光，而裸露的土壤和黑色塑料地膜都吸收光的緣故，紙地膜能均勻地控制溫度[27]。經油脂處理后可能會提高紙地膜的熱輻射傳輸能力，從而提高其覆蓋土壤的溫度，使其較裸露的土壤和未經油浸處理的紙覆蓋的土壤溫度高，但并不比黑色聚乙烯地膜所覆蓋的土壤溫度高[25]。

雖然紙地膜的保溫效果不如聚乙烯，但土壤溫度還與地理位置相關，有些地方需要土壤具有較高的溫度，而有些地方需要較低的土壤溫度來實現增產，如印度新德里的小麥，覆蓋地膜后，產量并未增加，這歸因于過高的土壤溫度影響其產量。而紙地膜更適合寒季植物或者溫季植物中期生產，這是由于紙地膜具有的使土壤升溫性能正是這些植物早期所需要的[25]。

紙地膜易使水分滲入土壤，但是快速的降解使水分蒸發(fā)更快，而油浸處理能改善紙地膜的保水性能。目前，紙地膜對植物蟲害的影響的相關報道表明，在作物種植早期出現害蟲減少的現象可能是由于紙地膜延遲了病毒性的感染[26]。紙地膜覆蓋土壤的產量和塑料地膜覆蓋土壤的產量受地膜材料和氣候條件的影響，如Radics等[28]分別在干旱年份和雨水充沛年份，使用8種類型的地膜進行種植試驗，結果表明，干旱年份使用紙地膜、塑料地膜和秸稈地膜，產量相差不大，而在雨水充沛的年份，使用紙地膜的產量最好。雖然地膜類型會影響作物產量，但是環(huán)境因素對產量也有一定影響。除此之外，作物種類也是影響紙地膜增產的因素之一，如在佛羅里達州使用3種紙地膜、黑色和黑白的聚乙烯地膜以及裸露的土壤種植西瓜和辣椒，結果表明，使用塑料地膜地塊的西瓜最早熟，且產量最高，但是季節(jié)性產量最高的辣椒則是采用3種紙地膜和黑白聚乙烯地膜所種植，黑色塑料地膜和未覆蓋地膜地塊生產的作物產量最低[17]。

5 展望

綜上所述，與其他地膜相比，紙地膜存在一些弊端，如耐久性差，生產成本高，農用適用性不強，保溫、保墑、保水性差等，因此在今后的研究中需進一步彌補紙地膜存在的不足。首先，針對耐久性和農用適用性方面的不足，需對其所使用的原材料進行成分和質量改進；其次，針對紙本身具有孔洞結構和吸濕性的弊端，可通過壓延和起皺等處理及添加不同成分（如礦物填料、干濕增強劑、著色劑和水驅蟲劑等）改變其性能和外觀；再次，與聚乙烯地膜和生物降解地膜相比，紙地膜缺乏彈性，需對其進行起皺等特殊處理；最后，降低紙地膜制造成本和原料成本，提高其農用適用性。在農業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求下，隨著國內外研究人員對紙地膜生產與應用的研究，相信紙地膜必將在農業(yè)生產中得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]周景輝，朱宏偉.紙地膜的研究及應用概況[J].中國造紙，2002，2：56-58.

[2]MILES C，WALLACE R，WSZELAKI A，et al.Deterioration of potentially biodegradable alternatives to black plastic mulch in three tomato production regions[J].Hort science，2012，47（9）：1270-1277.

[3]韓永俊，陳海濤.國內外紙地膜的發(fā)展現狀及思考[J].農機化研究，2008（12）：244-246.

[4]ZHANG A L，PAN M L.Basic properties of paper mill sludge and its utilization[J].Paper and paper making，2011，30（1）：50-53.

[5]呂國華，白文波，國金義，等.我國紙地膜的研究現狀與發(fā)展趨勢分析[J].農機化研究，2012，9：249-252.

[6]WANG C G，CHEN M L，JIANG Z H，et al.Biodegredable paper sheeting as agricultural covering with incorporation of bamboo pulp sludge[J].Bioresources，2014，9（3）：4128-4137.

[7]劉敏，黃占斌，楊玉姣.可生物降解地膜的研究進展與發(fā)展趨勢[J].中國農學通報，2008，24（9）：439-443.

[8]劉陶，黃晨，韓曉建，等.麻/絲非織造布農用地膜的研制和性能分析[J].紡織學報，2010，31（6）：70-75.

[9]張燕杰，羅軍，葛明橋.完全降解紙基棉質地膜的制備及性能研究[J].產業(yè)用紡織品，2011（11）：5-9.

[10]盧金珍.納米SiO2改性淀粉基全生物降解薄膜的研究[D].武漢：華中農業(yè)大學，2004.

[11]樊燕鴿，熊漢國，張美玲，等.新型淀粉基保水地膜的研究[J].淀粉與淀粉糖，2006（1）：31-33.

[12]盛偉，羅軍，葛明橋.紙基棉短絨地膜的研制與表征[J].產業(yè)用紡織品，2009（3）：9-12.

[13]傅玉全.紙基地膜地面覆蓋栽培試驗[J].紙和造紙，2000（1）：45-46.

[14]高玉杰，謝來蘇.紙基地膜的開發(fā)及應用[J].中國造紙，2002（3）：28-31.

[15]周文春.環(huán)保型麻纖維紙地膜的研究開發(fā)分析[J].中國麻業(yè)，2002，24（2）：22-25.

[16]Anonymous.Polyethylenes；Paper mulches evaluated for commercial vegetable production[M].United states：NewsRx Health & Science，2011：1482.

[17]HAAPALA T，PALONEN P，KORPELA A，et al.Feasibility of paper mulches in crop production：A review[J].Agricultural and food science，2014，23：60-79.

[18]KASIRAJAN S，NGOUAJIO M.Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural applications：A review[J].Agron Sustain Dev，2012，32：501-529.

[19]SANCHEZ E，LAMONT W J JR，ORZOLEK M D.Newspaper mulches for suppressing weeds for organic hightunnel cucumber production[J].Hort technology，2008，18：154-157.

[20]UENO H，SHIMURA M，YAMAUCHI M.Rice direct seeding method with recycledpaper mulching[J].Plant production science，1999，2：53-57.

[21]MARTINCLOSAS L，BACH M A，PELACHO A M.Biodegradable mulching in an organic tomato production system[J]. Acta horticulturae，2008，767：267-273.

[22]ANZALONE A，CIRUJEDA A，AIBAR J，et al.Effect of biodegradable mulch materials on wees control in processing tomatoes[J].Weed technology，2010，24：369-377.

[23]COOLONG T.Performance of paper mulches using a mechanical plastic layer and water wheel transplanter for the production of summer squash[J].Hort technology，2010，20：319-324.

[24]ANDERSON D F，GARISTO M A，BOURRUT J C，et al.Evaluation of a paper mulch made from recycled materials as an alternative to plastic film mulch for vegetables[J].Journal of sustainable agriculture，1995，7：39-61.

[25]SHOGREN R L，DAVID M.Biodegradable paper polymerized vegetable oil[J].Journal of applied horticulture，2006，8：12-14.

[26]SCARASCLAMUGNOZZA G，SCHETTINL E，VOX G.Effects of solar radiation on the radiometric properties of biodegradable films for agricultural applications[J].Biosystems engineering，2004，87：479-487.

[27]CHAKRABORTY D，NAGARAJAN S，AGGARWAL P，et al.Effect of mulching on soil and plant water status，and the growth and yield of wheat（Triticum aestivum L.）in a semiarid environment[J].Agricultural water management，2008，95：1323-1334.

[28]RADICS L，BOGNAR E S.Comparison of different mulching methods for weed control in organic green bean and tomato[J].Acta horticulturae，2004，638：189-196.