液態(tài)地膜及其研究進(jìn)展

王合葉　李澧　趙永富

摘要：液態(tài)地膜起源于19世紀(jì)中后期，隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及人們對環(huán)境保護(hù)的重視，近年來多功能可降解液態(tài)地膜又引起了國內(nèi)外許多研究者的濃厚興趣。由于其制備工藝簡單、易集成化、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可作為塑料地膜的一種理想替代品。對液態(tài)地膜的國內(nèi)外起源、研究現(xiàn)狀及進(jìn)展、發(fā)展機(jī)遇及挑戰(zhàn)進(jìn)行了綜述，分析了存在的問題及對策，以期為液態(tài)地膜的研發(fā)及推廣提供參考。

關(guān)鍵詞：液態(tài)地膜；降解；環(huán)境友好

中圖分類號： S223.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0413-02

塑料地膜栽培技術(shù)是20 世紀(jì)十大農(nóng)業(yè)技術(shù)之一，具有增溫、保墑、保肥、抑草和高產(chǎn)等作用。目前我國每年地膜投入量約為120萬t，地膜覆蓋面積超過0.233億hm2，涉及棉花、玉米、花生、大蒜等40多種農(nóng)作物，并呈逐年遞增的趨勢，塑料地膜的使用因此被稱為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的一場“白色革命”。目前，我國使用的主要是0.012 mm以下的超薄地膜，這種地膜強(qiáng)度低、易破碎，使用后都很難回收再利用，如果廢棄在土壤中，積年累月會造成土壤和環(huán)境嚴(yán)重的白色污染。液態(tài)地膜是一種含有高分子化合物的成膜物質(zhì)，不僅和普通地膜一樣可以起到保溫、保濕、保墑等作用，還兼有降解性能好、成本低、可現(xiàn)場噴施成膜等優(yōu)點(diǎn)，可以作為塑料地膜的一種理想替代品。

1 液態(tài)地膜在國內(nèi)外的起源

液態(tài)地膜可以促進(jìn)土壤形成團(tuán)粒，從而起到改良土壤結(jié)構(gòu)、固定表土及保護(hù)耕層的作用。國外的液態(tài)地膜研究始于19世紀(jì)中后期，1963年起，比利時開發(fā)了瀝青乳化劑，該產(chǎn)品施入土壤后能將分散的土壤顆粒迅速凝聚成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，可以起到增溫保墑、改良土壤的作用[1]。20世紀(jì)70年代中后期，人們研制出了相對成本和質(zhì)量更穩(wěn)定的產(chǎn)品，使其在農(nóng)業(yè)上和其他領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，尤其是在旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、固沙植草、灘涂治理以及道渠防滲中發(fā)揮了重要作用[2]。1990年，意大利開發(fā)出1種新型噴灑式可降解地膜[3]，該地膜采用天然高分子材料制成，使用前是液態(tài)，使用時均勻噴灑在地表，水分蒸發(fā)后自然成膜。20世紀(jì)末，這種產(chǎn)品在瑞典、德國和意大利廣泛用于番茄、蘆筍、草莓、馬鈴薯和花卉種植，效果顯著。

我國的液態(tài)地膜研究從1986年開始，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所率先用比利時瀝青乳化劑進(jìn)行液態(tài)地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用研究，但是這些產(chǎn)品在中國市場的環(huán)境適應(yīng)性差，而且存在價格昂貴、運(yùn)輸不便等問題。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所根據(jù)我國應(yīng)用區(qū)域、生產(chǎn)力水平、經(jīng)濟(jì)條件，消化吸收國外成功經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了液態(tài)地膜的國產(chǎn)化研究。1997年，在農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目子課題“液態(tài)地膜的應(yīng)用研究與示范”的資助下，在全國范圍內(nèi)布置了多年、多點(diǎn)、多用途的田間試驗(yàn)，取得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，于2001年獲得成功[4-5]。與國外同類產(chǎn)品比較，其價格低廉，使用更方便，效果更顯著，更適合我國農(nóng)田生產(chǎn)情況。目前該產(chǎn)品已通過國家技術(shù)監(jiān)督局土壤改良劑類產(chǎn)品登記認(rèn)證，但是，由于原料來源有限等原因，未能進(jìn)行大面積推廣。

2 液態(tài)地膜現(xiàn)狀及發(fā)展

近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及人們對于環(huán)境保護(hù)的重視，多功能可降解液態(tài)地膜的研究又逐漸成為研究的熱點(diǎn)。許多大學(xué)和科研院所加入了這個研究隊(duì)伍，研究主要集中于新型液態(tài)地膜、噴施設(shè)備兩個方面。

在新型液態(tài)地膜方面，從2001—2014年間液態(tài)地膜的發(fā)明專利有20多項(xiàng)，其中約一半選擇了腐殖酸為主要原材料，再與交聯(lián)劑、成膜劑以及其他功能成分混合制備成液態(tài)地膜[6-18]。腐殖酸是自然界中廣泛存在的大分子有機(jī)物質(zhì)，在我國的資源豐富，儲量大，分布廣。煤炭腐殖酸與土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖酸具有相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，因此大量施用泥炭、褐煤、風(fēng)化煤及其制造的腐殖酸類肥料，可以起到顯著的土壤改良作用。采用腐殖酸作為主要原料制備液態(tài)地膜，不僅可以增溫、保墑，而且環(huán)?？山到猓商岣咄寥婪柿?，促進(jìn)作物生長。山東科技大學(xué)田原宇教授在這方面做了大量的研究工作，田教授團(tuán)隊(duì)成功研制了以造紙黑液和褐煤為原料的多功能可降解黑色液態(tài)地膜[18-19]。該液膜主要用褐煤、風(fēng)化煤或泥炭對造紙黑液、海藻廢液、糖蜜廢液、釀酒廢液或淀粉廢液進(jìn)行改性，而黑液又作為腐殖酸的抽提劑，生產(chǎn)土壤所需的有機(jī)肥；木質(zhì)素、纖維素和多糖在交聯(lián)劑的作用下形成高分子，然后再與各種添加劑、硅肥、微量元素、除草劑等混合制取多功能可降解黑色液態(tài)地膜。該液態(tài)地膜噴施后40～60 d逐漸降解，2～3個月降解為腐殖酸類（有機(jī)肥），無白色污染。翻壓入土后，具有改良土壤團(tuán)粒、改善土壤通透性等作用，最終達(dá)到作物增產(chǎn)和土壤改良的目的。孫亞萍等將該地膜應(yīng)用于葡萄白腐病防治，試驗(yàn)結(jié)果表明，紅地球葡萄套袋后2次地面噴施液態(tài)地膜可從源頭上有效地減少枝蔓、果穗白腐病的發(fā)生，可使葡萄增產(chǎn)4.0%[20]。以廢棄物作為原料也是液態(tài)地膜一個不錯的選擇，如采用煙田廢棄物[8]、高濃度有機(jī)廢水[10]、糠醛廢渣[21]等廢棄物為原料制備液態(tài)地膜，不僅可以廢物利用、變廢為寶，而且由于原料成本低，也減少了地膜的成本，利國利民。但是，通常這種原料來源比較有限，或者原料的預(yù)處理比較麻煩，不利于大面積推廣。聚乙烯醇等合成有機(jī)高分子由于成膜性好也受到了液態(tài)地膜研發(fā)人員青睞[22-24]，但是由于其成本較高，也不利于大面積推廣。

此外，由于液態(tài)地膜在制備方面的優(yōu)勢，可以方便地添加農(nóng)藥、化肥等，這樣可以使液態(tài)地膜同時具有多種功能，田原宇教授團(tuán)隊(duì)的黑色液態(tài)地膜便有如此功能，博龍·禾美特多功能全降解液態(tài)地膜也具有類似的功能。博龍·禾美特多功能全降解液態(tài)地膜是中意技術(shù)通力合作，通過10年艱苦努力終于研發(fā)成功的、具有國際先進(jìn)技術(shù)水平的高科技新產(chǎn)品[25]。該液態(tài)地膜是對天然高分子材料進(jìn)行加工處理而成，通過在農(nóng)田噴灑成膜，可以在很多領(lǐng)域替代農(nóng)業(yè)和園藝業(yè)中普遍使用的塑料地膜。該地膜集農(nóng)藥、肥料、地膜于一身，能省工省時，增產(chǎn)增收，改良土壤，同時具有容易降解、生態(tài)環(huán)保的特點(diǎn)，劉全國將該液膜用于春播脫毒馬鈴薯生產(chǎn)中[26]。筆者將除草劑摻混到該液體膜中一起噴施，噴施后馬鈴薯可以自然出苗，不用人工引苗放苗，節(jié)省了勞動力且對地形地貌適應(yīng)能力強(qiáng)，能提高馬鈴薯的產(chǎn)量和質(zhì)量。貴州省黔西南州環(huán)境監(jiān)測站劉增彩工程師提出將赤泥與現(xiàn)有液態(tài)地膜結(jié)合[27]，針對使用于受重金屬污染的土壤。赤泥與液態(tài)地膜的結(jié)合使用在土壤的改良方面不僅能有效控制土壤中重金屬含量，還能避開傳統(tǒng)地膜帶來的白色污染。

隨著液態(tài)地膜的研究和發(fā)展，也催生了噴灑設(shè)備的研發(fā)。2002—2013年就有發(fā)明專利和實(shí)用型新專利8項(xiàng)[28-35]，其中2011—2013年2年間就占6項(xiàng)[28-33]。目前主要處于研發(fā)階段，在市場上還沒有得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

筆者所在研究小組采用玉米淀粉等材料研制出新型液態(tài)地膜，可替代傳統(tǒng)塑料地膜，保溫、保墑性好，并且3～6個月就能完全自然降解，不僅保護(hù)壞境，還能改良土壤。通過玉米、蠶豆試驗(yàn)表明，1～2個月可以使土壤增溫1～3 ℃，含水量提高20%。此外，借助筆者所在研究所在農(nóng)機(jī)研發(fā)方面的優(yōu)勢，也計(jì)劃著手進(jìn)行配套噴灑裝置的研發(fā)。目前已經(jīng)為河南省、江西省等地部分農(nóng)技站提供了試用裝置。該階段性成果已被新華報業(yè)網(wǎng)、中國江蘇網(wǎng)報道。

3 液態(tài)地膜發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，各學(xué)科交叉融合，給液態(tài)地膜的發(fā)展帶來了機(jī)遇，如材料科學(xué)的發(fā)展會促進(jìn)液態(tài)地膜的研制在原料上有更多的選擇，新技術(shù)的出現(xiàn)給原材料的預(yù)處理提供了更多的機(jī)遇，新設(shè)備的出現(xiàn)使液態(tài)地膜的制備方法有更多的選擇。同時，液態(tài)地膜的推廣也存在一些制約和挑戰(zhàn)：首先，與傳統(tǒng)塑料地膜相比，尤其是在國內(nèi)，液態(tài)地膜作為新生事物，用戶的接受需要過程，可以通過加強(qiáng)宣傳力度，建立示范基地，進(jìn)行大力推廣和試用，盡力縮短這個接受過程；其次，其液態(tài)形態(tài)給其帶來了運(yùn)輸上的不方便，因此應(yīng)用方便的優(yōu)質(zhì)液態(tài)地膜粉劑的研發(fā)是一項(xiàng)有利的措施；最后，通常因?yàn)榧尤肓顺赡┑瘸煞郑簯B(tài)地膜通常黏性比較大，容易堵塞常規(guī)的噴灑裝置。因此與液態(tài)地膜配套的噴灑裝置的研發(fā)與推廣，尤其是與機(jī)械化作業(yè)聯(lián)用的噴灑裝置的研發(fā)，也是促進(jìn)液態(tài)地膜推廣的另一項(xiàng)有利措施。

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