應用可降解地膜，推動農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)

李 真，秦麗娟，何文清，劉 勤，劉恩科，嚴昌榮*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)膜污染防控重點實驗室，北京 100081）

地膜覆蓋通過改變地表與環(huán)境間的物質能量交換，能夠顯著提高光、熱、水、養(yǎng)分等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的利用效率，實現(xiàn)增溫保墑、減少土壤及養(yǎng)分流失、抑鹽保苗、抑滅雜草等重要作用，獲得農(nóng)作物高產(chǎn)、優(yōu)質、早熟的良好效果。自地膜覆蓋技術引入中國，得到了迅速的推廣應用。經(jīng)過30多年的應用與發(fā)展，地膜覆蓋的作物從最初的經(jīng)濟價值比較高的蔬菜、花卉，到現(xiàn)今的花生、西瓜、甘蔗、煙草、棉花等多種經(jīng)濟作物，以及玉米、小麥、水稻等大宗糧食作物上[1]。地膜覆蓋技術的應用區(qū)域從北方干旱、半干旱地區(qū)擴大到了西南冷涼山地。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全國地膜覆蓋面積從1981年的1.5萬hm2上升到2015年的1 831.8萬hm2，增長了1 221.2倍[2-3]，且增加趨勢仍在持續(xù)，具體情況見圖1。依據(jù)1981—2015年中國地膜覆蓋面積數(shù)據(jù)建立ARIMA模型，預測到2024年中國地膜覆蓋面積將達到2 200萬hm2，具體見圖2。

地膜覆蓋技術已廣泛應用到全國，在覆蓋作物種類、覆蓋面積、應用區(qū)域等方面都有快速的發(fā)展。該技術在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出巨大貢獻的同時，又對環(huán)境造成了嚴重的污染，可謂“讓人歡喜讓人憂”。

研究數(shù)據(jù)表明，地膜覆蓋可促進中國主要農(nóng)作物增產(chǎn)30%～50%[4]。在黃淮海平原、黃土高原、長江流域及中國南方大部分地區(qū)，地膜覆蓋技術可促使蔬菜作物提早5～15 d上市，增產(chǎn)20%～50%；在東北、西北冷涼地區(qū)，促進蔬菜增產(chǎn)20%～80%，生育期縮短7～20 d[5]。地膜覆蓋技術的應用對于降低蔬菜生產(chǎn)地域性、季節(jié)性局限，緩解北方冷涼地區(qū)及高海拔地區(qū)冬春季節(jié)蔬菜短缺發(fā)揮了重要作用。地膜覆蓋已成為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要技術。

但與此同時，由于地膜以聚乙烯（PE）為主要材料，化學結構穩(wěn)定，在自然條件下極難降解；加之大部分市售地膜厚度薄、強度差，在作物生長季后難以進行回收利用，每年均有大量地膜殘留在農(nóng)田土壤中，阻礙土壤水分運移、降低土壤通透性、影響作物根系伸展、導致作物減產(chǎn)，造成嚴重的白色污染[6-7]。研究表明，當耕層土壤中地膜殘留量達到75 kg/hm2時，導致花生減產(chǎn)10.9%；且隨地膜殘留量的增加，其產(chǎn)量下降愈加明顯[5]。土壤殘膜量超過180 kg/hm2時，即超出作物根系對殘膜污染脅迫的適應范圍，阻礙作物根系生長[8]。據(jù)調查，在中國長期覆蓋地膜的農(nóng)田中，地膜殘留量一般在71.9～259.1 kg/hm2，其中西北地區(qū)農(nóng)田土壤殘膜污染最為嚴重，殘膜量遠高于華北和西南地區(qū)[1]，具體見表1。因此發(fā)展環(huán)境友好型降解地膜，對于在保障作物產(chǎn)量和品質的同時從源頭解決地膜殘留污染具有重要意義。

圖1 1981—2015年中國地膜覆蓋面積統(tǒng)計

圖2 2016—2024年中國地膜覆蓋面積預測（ARIMA 模型）

清除地膜殘留造成的“白色污染”，任重而道遠，政府和科研部門都已開展了相應的工作。降解地膜是一種環(huán)保的可降解的新型地膜，是今后地膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著材料科學的發(fā)展，新型可降解地膜日漸走向成熟，其類型及發(fā)展情況如下。

1 降解地膜的發(fā)展與現(xiàn)狀

1973年，英國科學家格里芬提出可降解塑料概念，并率先通過在惰性聚烯烴中加入天然淀粉作為填充劑制成了可降解塑料，在外界因素作用下逐漸分解為水、二氧化碳等小分子物質，引起世界各地材料學家的熱切關注[9]。20世紀80年代，第一批降解塑料地膜面世，為從源頭解決地膜殘留污染問題提供了重要途徑，成為農(nóng)業(yè)新材料發(fā)展的重要方向[10]。經(jīng)過世界各國材料學家、農(nóng)業(yè)學家共同努力，目前主要研發(fā)應用的降解地膜類型達到30余種，根據(jù)其降解機理，分為生物降解地膜、氧化降解地膜、氧化-生物雙降解地膜。

表1 不同區(qū)域長期覆膜農(nóng)田地膜殘留特點

1.1 生物降解地膜

生物降解地膜是指在使用后較短時間內(nèi)，能夠在自然條件下被真菌、細菌等微生物最終分解成二氧化碳、水等無機物，且分解產(chǎn)物不會對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響的高分子材料[11]。生物降解過程主要包括微生物作用的4個步驟：（1）微生物在地膜表面定殖；（2）分泌細胞外酶類切割多聚物高分子；（3）將酶解后的小分子吞入細胞；（4）通過有氧呼吸將小分子裂解生成二氧化碳和水。在這一過程中微生物獲得其生長發(fā)育所需的碳源與能量[12]。

生物降解地膜的生產(chǎn)原料主要是微生物“喜食”的生物基可再生資源以及聚酯類石油基和二氧化碳基材料。代表性物質分別包括，生物基材料：（1）從天然材料中提取產(chǎn)生的高分子物質：如纖維素、淀粉；（2）有機單體通過化學方法聚合生成的高分子材料，如植物發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸通過聚合生成聚乳酸（PLA）；（3）營養(yǎng)不平衡條件下，微生物在細胞內(nèi)積累的能量和碳源儲藏物，如聚脂肪酸酯（PHAs）。石油基材料：由石油產(chǎn)物提煉加工生成的聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己內(nèi)酯（PCL）等。二氧化碳基材料：由二氧化碳通過化學催化聚合生成的聚碳酸亞丙酯（PPC）[13]。

目前在生物降解地膜生產(chǎn)中最為廣泛應用的原料包括纖維素、聚乳酸、聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯、聚碳酸亞丙酯等，現(xiàn)就其主要特性分別簡要介紹如下：

纖維素（Cellulose），由?-葡萄糖縮聚而成的天然大分子，是植物細胞壁的主要組分。其分子結構包括排列整齊、密度較大的結晶區(qū)和排列疏松、密度較小的非結晶區(qū)。結晶結構的存在使得纖維素分子具有強烈的疏水性，因此需要經(jīng)過如酯化、醚化、氧化或接枝共聚等預處理以提高其加工性能及地膜產(chǎn)品穩(wěn)定性[13]，主要產(chǎn)品包括草纖維地膜、紙地膜、麻地膜[14]。纖維素類地膜雖增溫保墑性能明顯弱于普通聚乙烯地膜，但具有良好的透水、透氣性能以及雜草抑制功能，較適用于設施大棚或日光溫室中地膜覆蓋栽培。

聚乳酸（PLA），也稱聚丙交酯，是線性脂肪族聚酯，可由乳酸分子直接脫水縮合形成，或經(jīng)丙交酯開環(huán)聚合產(chǎn)生。PLA具有優(yōu)良的生物相容性和可降解性，在自然界中易于發(fā)生水解作用，使聚乳酸分子鏈的酯鍵斷裂為羧酸和醇，進一步在微生物或動植物體內(nèi)分解代謝，最終形成二氧化碳和水。但是由于聚乳酸本身為線性聚合物，耐熱性、延展性略差，需通過物理化學等方式對其加工性能予以改進[13]。全球PLA塑料最大研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)年產(chǎn)規(guī)?？蛇_14萬t。

聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT），是己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物，兼具己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的優(yōu)點。PBAT中柔性的脂肪鏈使其具有較好的延展性和斷裂伸長率，剛性的芳香鏈賦予其較好的耐熱性和耐沖擊性；此外，酯鍵的存在促使其具有優(yōu)良的生物降解性[13]。目前而言，PBAT是生物降解塑料研究中較為活躍且市場應用評價較好的降解材料。其中，歐洲PBAT生產(chǎn)企業(yè)年產(chǎn)規(guī)模達7萬t；中國年產(chǎn)規(guī)模達10萬t，且技術水平處于領域前沿。

聚碳酸亞丙酯（PPC），是由二氧化碳和環(huán)氧丙烷在金屬催化劑作用下共聚合成的一類非晶型新型高分子材料[13]，生產(chǎn)成本低廉，且對于減少溫室氣體排放具有重要意義，是目前各國對可降解材料研究的一大熱點。該材料具有良好的阻隔性，但是透光性及加工性能較差，仍需要進一步研究改進。中國相關科研院所在PPC塑料研發(fā)領域中占據(jù)世界領先水平。

1.2 氧化降解地膜

氧化降解地膜主要以不可被微生物食用的惰性聚烯烴（如聚乙烯）為原料，加入具有引發(fā)、促進氧化反應作用的敏感基團或物質，催化聚烯烴大分子在特定誘導條件下斷裂為低分子化合物[4]，表現(xiàn)出地膜力學性質減弱，地膜破裂或崩解等現(xiàn)象?？赏ㄟ^調整抗氧化劑與助氧化劑的類型和比例制備具有不同耐候性的地膜產(chǎn)品。這類地膜制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、增溫保墑效果良好；但是早期的氧化降解地膜產(chǎn)品，由于聚烯烴高分子在斷裂為短鏈或翻壓到土壤中后難以繼續(xù)降解，仍將長時間存留在農(nóng)田土壤中，影響土壤理化性質、微生物種類活性，以及作物的生長發(fā)育，未能從根本上解決地膜殘留污染問題。

1.3 氧化-生物雙降解地膜

較新研發(fā)的氧化-生物雙降解地膜在融合氧化降解過程的化學反應、生物降解過程的酶促反應基礎上，引入了納米科技技術。通過構建具有多重降解功能的納米級氧化-生物降解單元，形成了以光敏性納米粒子（納米TiO2等）為結構框架，均勻摻雜具有氧化功能的金屬離子（Co2+、Mn2+、Fe3+等）及具有生物降解促進功能的生物制酸性物質（檸檬酸、茶多酚等）的降解添加劑。并通過對納米降解單元的表面修飾，進一步降低了納米粒徑，加強了降解添加劑在聚烯烴高分子原料中的分散均勻度。有人認為這種地膜產(chǎn)品在自然環(huán)境條件下能夠快速降解為相對分子質量1萬以下的低聚物，再進一步通過微生物的作用最終降解成二氧化碳和水[4]，但也有專家對氧化-生物雙降解地膜環(huán)境安全性存疑，認為降解產(chǎn)物存在不確定性，埋土部分降解極慢，甚至不能降解，可控性存在問題[15-16]。

地膜覆蓋技術對保障蔬菜周年供應和農(nóng)作物產(chǎn)品安全具有重要意義。生物降解地膜在國際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已被初步利用，其在國內(nèi)的具體應用情況如何呢？

2 生物降解地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用

2.1 國際上的應用現(xiàn)狀

歐洲、日本在生物降解地膜研發(fā)應用上處于世界前列，隨著降解材料及其加工工藝的不斷革新、配套農(nóng)機具的研發(fā)應用、種植管理模式的更新完善，目前均已形成了較為成熟的生物降解地膜應用體系，主要用于葉菜類（白菜、甘藍、萵苣）、根莖類（蘿卜、大蒜、洋蔥、馬鈴薯、甘薯）、瓜果類（南瓜、番茄）等蔬菜作物以及棉花、煙草、玉米等其他經(jīng)濟價值較高的農(nóng)作物的生產(chǎn)上。目前在歐洲和日本地膜市場上，降解地膜的市場份額占到10%左右，其中生物降解地膜的覆蓋面積占到全國地膜覆蓋面積的5%左右，如2006—2015年日本生物降解地膜覆蓋面積從3 276 hm2提高到了6 311 hm2，年均增長率達9.3%（圖3）；在日本四國地區(qū)的蔬菜集中產(chǎn)區(qū)，生物降解地膜覆蓋面積達到20%以上。與傳統(tǒng)PE地膜相比較，生物降解地膜在使用后能夠自行降解，免除了殘留地膜回收處理的巨大勞動和經(jīng)濟支出，且便于作物收獲后整地，有利于提早下茬作物播種時間；在作用效果、經(jīng)濟成本、環(huán)境保護等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢及推廣價值，是未來地膜產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國生物降解地膜研究及生產(chǎn)起步較晚，目前仍處于研發(fā)、試驗示范階段。由于生物降解地膜的降解過程受環(huán)境因素顯著影響，仍需要進行大量的評價試驗與應用分析，以了解掌握不同生物降解地膜在中國不同地區(qū)、不同作物上應用的特性。2011年以來，國內(nèi)有關研究單位與相關企業(yè)合作，在西北綠洲、黃土高原、華北平原、東北平原、東北丘陵、西南山地等典型覆膜種植農(nóng)區(qū)，針對玉米、棉花、蔬菜等作物開展了生物降解地膜適宜性評價研究，重點是生物降解地膜上機性、功能性（增溫保墑、雜草防除等）、降解性（降解時間、降解方式、降解程度等）和經(jīng)濟性（比較傳統(tǒng)塑料地膜與降解地膜在生產(chǎn)應用、回收管理、農(nóng)作物增產(chǎn)增收等方面的資金投入與收益）等，促進與區(qū)域及作物特點相適宜的生物降解地膜研發(fā)與應用。目前有關企業(yè)生產(chǎn)的生物降解地膜在機械操作性、增溫保墑性方面得到大幅改善。在云南寧洱縣玉米覆膜種植試驗中，生物降解地膜覆蓋處理出苗整齊、長勢良好，玉米生育期較裸地處理提前5 d，產(chǎn)量分別較普通塑料地膜及裸地處理提高4.3%和27.6%[17]。馬鈴薯覆膜試驗中，生物降解地膜覆膜前期良好的保溫保墑功能保障了馬鈴薯幼苗的生長發(fā)育，在馬鈴薯生育后期隨地膜降解破裂增強了作物根系土壤透氣性，降低了土壤溫度，促進了馬鈴薯淀粉積累以及作物產(chǎn)量和品質的明顯提升[18]。在華北平原大白菜、辣椒和黃土高原娃娃菜生產(chǎn)上，以PBAT、PLA為主要原料的生物降解地膜表現(xiàn)出了良好的增溫保墑作用，作物產(chǎn)量較裸地處理顯著提高，基本達到PE地膜的功效，且生物降解地膜在作物生長季結束后能夠較快降解，表現(xiàn)出良好的應用潛力。在華北平原大蒜生產(chǎn)上，以PLA為主要原料的生物降解地膜覆蓋栽培的大蒜在產(chǎn)量、品質上均明顯高于露地和秸稈覆蓋種植，與PE地膜覆蓋栽培作用相當[19]。在黃土高原冬油菜種植上也具有同樣效果[20]。

圖3 2006—2015年日本生物降解地膜覆蓋面積統(tǒng)計

另一方面，隨著生物降解地膜試驗推廣區(qū)域的擴大和改變，受氣候變化、地理區(qū)域等因素顯著影響，地膜降解過程表現(xiàn)較不穩(wěn)定?？傮w而言，在日照強、溫度高、空氣濕度較大的地區(qū)地膜降解較快，在部分干旱冷涼地區(qū)則降解過慢。實地調查還發(fā)現(xiàn)，降解地膜應用效果不好除與地膜質量有關外，還存在不合理應用的問題，如大部分農(nóng)民對不同類型生物降解地膜的使用特性認識不清，未能根據(jù)區(qū)域環(huán)境及作物生育期特點選擇相應的生物降解地膜；在機械覆膜過程中操作不當，造成地膜一定程度損傷，使生物降解地膜已破損和喪失功能；在膜下滴灌種植體系中，滴灌帶與地膜直接接觸，沒有土層隔離，導致滴灌帶上方的地膜局部過熱，沿滴灌帶破裂。

為有效替代傳統(tǒng)PE地膜，生物降解地膜的研發(fā)和生產(chǎn)之路亟待進一步拓展。中國生物降解地膜研發(fā)已取得哪些進展？同時存在哪些問題和挑戰(zhàn)？且看專家如何分析。

3 中國生物降解地膜研發(fā)進展與存在問題

研發(fā)新型生物降解地膜替代PE地膜是解決白色污染問題的重要途徑之一。經(jīng)國內(nèi)科研院校、降解材料和地膜生產(chǎn)企業(yè)以及農(nóng)業(yè)技術推廣部門的共同努力，近年來，中國在生物降解地膜研發(fā)試驗中取得了一系列突破，但其推廣應用仍面臨諸多問題。

為有效替代傳統(tǒng)PE地膜，降解地膜應用體系需滿足“四性一配套”要求，即：操作性——提高生物降解地膜的拉伸強度，滿足機械覆膜需求；功能性—— 改善生物降解地膜的增溫保墑性能，為作物生長創(chuàng)造良好微環(huán)境；降解可控性—— 保持一定時間不破裂和降解，滿足作物功能需求，生長季結束后在自然條件下完全降解，且降解產(chǎn)物不會對環(huán)境造成惡劣污染；經(jīng)濟性——通過多種措施，降低生物降解地膜的成本，實現(xiàn)經(jīng)濟可用；配套性—— 根據(jù)生物降解地膜特性，改革種植模式和方式，形成與生物降解地膜應用相適應的技術體系。

3.1 操作性得到顯著改善

受材料本身特性限制，早期生產(chǎn)的生物降解地膜普遍存在抗拉伸強度差、無法進行機械化覆膜作業(yè)的問題，嚴重限制了生物降解地膜的推廣應用。經(jīng)過對地膜基料的研發(fā)改性、地膜添加劑開發(fā)利用、地膜加工工藝改革創(chuàng)新；近年來，中國各主要地膜生產(chǎn)廠家的地膜產(chǎn)品在拉伸強度方面均得到了大幅改進，已能夠完全滿足農(nóng)機作業(yè)的要求，為實現(xiàn)生物降解地膜推廣應用邁出了重要的一步。

3.2 功能性基本滿足生產(chǎn)需要

早期生物降解地膜產(chǎn)品的增溫保墑功能明顯較傳統(tǒng)PE地膜存在較大差距，大量試驗評價結果顯示，生物降解地膜覆蓋下的農(nóng)田土壤較PE地膜覆蓋下的農(nóng)田土壤日均溫度低2～3 ℃，土壤水分低3～5個百分點，難以滿足中國不同地區(qū)作物生長發(fā)育的需要。經(jīng)過近些年對生物降解地膜產(chǎn)品配方與加工工藝的不斷改進和革新，生物降解地膜的功能性得到顯著提高，在生物降解地膜膜面完整的情況下能夠基本滿足中國主要農(nóng)業(yè)區(qū)域不同作物種植生產(chǎn)中對地膜覆蓋增溫保墑等功能需求。

3.3 降解性能亟待進一步研究改進

生物降解地膜的降解過程較為復雜，其降解速度與周期受到氣候條件、土壤環(huán)境、作物類型等因素的顯著影響。即便針對同一農(nóng)業(yè)區(qū)域，單一生物降解地膜配方亦難以滿足不同覆膜作物或種植管理模式的需求，嚴重阻礙了生物降解地膜的推廣應用。目前亟需深入開展不同類型生物降解地膜的降解機理、影響機制等方面研究，對生物降解地膜的原材料、配方及生產(chǎn)工藝進行改進，開發(fā)具有高性能、多功能化、能夠滿足不同環(huán)境和作物生長發(fā)育需要的生物降解地膜產(chǎn)品。

3.4 產(chǎn)品成本有待降低

由于生產(chǎn)材料的差異，生物降解地膜的生產(chǎn)成本大致相當于傳統(tǒng)PE地膜生產(chǎn)成本的2.6倍，嚴重限制了生物降解地膜的推廣應用。為改善這一狀況，一方面，地膜生產(chǎn)企業(yè)應通過原材料規(guī)模化生產(chǎn)、配方完善，加工工藝改進等方式降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本；另一方面，在對地膜應用管理與調控過程中，應將傳統(tǒng)PE地膜在使用后的回收成本及地膜殘留污染造成的環(huán)境成本納入生物降解地膜與傳統(tǒng)PE地膜經(jīng)濟成本的核算當中。由此希望政府部門能夠在加強對生物降解地膜研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)的扶持與獎勵制度的同時，借鑒國外地膜管理方面的先進經(jīng)驗，探索建立地膜生產(chǎn)、銷售和應用者責任分擔的共同利益體，延伸地膜生產(chǎn)者和銷售者的責任，由地膜生產(chǎn)企業(yè)和銷售者統(tǒng)一供膜、統(tǒng)一回收，使地膜回收責任由生產(chǎn)、銷售和使用者共同承擔，推動建立新型地膜應用管理制度，推進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.5 生物降解地膜應用的配套技術和管理模式需要進一步完善

每一種科學新產(chǎn)品的推廣應用都離不開其配套技術與生產(chǎn)模式的同步發(fā)展。目前，在生物降解地膜的應用方面還需要改進配套生產(chǎn)、應用技術與管理模式，實現(xiàn)生物降解地膜及其配套技術的有機結合和規(guī)模化應用。

4 結語

生物降解地膜在作物種植生產(chǎn)中表現(xiàn)出良好的增溫保墑、抑制雜草等作用，較不覆膜種植生產(chǎn)明顯提高了作物的產(chǎn)量與品質，達到甚至超過傳統(tǒng)PE地膜的作用水平，顯示出了巨大的應用潛力，為解決地膜殘留污染問題提供了重要途徑。另一方面，中國生物降解地膜的研發(fā)應用仍處于起步階段，面臨諸多問題，需要深入開展地膜降解機理與影響因素分析，加強生物降解地膜原材料、配方和生產(chǎn)工藝等研發(fā)改進，進一步降低生物降解地膜生產(chǎn)成本，提高生物降解地膜品質與適用范圍，開發(fā)出能夠滿足不同環(huán)境和作物生長發(fā)育所需要的生物降解地膜產(chǎn)品。再一方面，鼓勵研發(fā)和完善生物降解地膜應用的配套技術與管理模式，促進生物降解地膜的推廣與規(guī)模化應用。最后，進一步加強地膜殘留污染的宣傳教育，提高公眾的環(huán)保意識，加大對生物降解地膜的研發(fā)推廣扶持力度，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的健康持續(xù)發(fā)展。

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