JAAS 全生物降解地膜開發(fā)及設(shè)施內(nèi)應(yīng)用探究＊

汪 敏，徐 磊，嚴(yán)旎娜，蔣希芝，馮 敏（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，江蘇南京 210014）

農(nóng)用地膜目前以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）及聚苯乙烯（PS）材料為主，其在自然條件下的降解周期約為200～400 年[1]。中國是世界上地膜使用量、覆蓋面積最大的國家，在地膜大范圍使用的背后，中國的地膜回收率卻不足60%。因此，大量未回收的地膜殘留在農(nóng)田中，對環(huán)境造成了嚴(yán)重危害[2]。2021 年2月21日，中央一號文件第一次明確提出“加強(qiáng)可降解農(nóng)膜研發(fā)推廣”的目標(biāo)。降解地膜為農(nóng)用地膜現(xiàn)有問題的解決提供了新的路徑，在未來替代傳統(tǒng)農(nóng)用地膜已是大勢所趨。研究表明，降解地膜在不同地域、不同栽培環(huán)境下表現(xiàn)出不同的降解行為[3]。分析原因?yàn)榈啬さ慕到膺^程受土壤、光照、溫濕度、微生物、農(nóng)藥、氧氣等諸多環(huán)境因素的影響，且不同作物種類的生長周期對應(yīng)地膜的需求期長短也不相同[4]。因此，可降解地膜由于適用性差的問題，在推廣過程中出現(xiàn)了許多實(shí)際問題和阻礙，推廣程度遠(yuǎn)沒有達(dá)到能夠替代傳統(tǒng)地膜的程度。

近幾年，設(shè)施蔬菜在中國發(fā)展迅速，地膜與日光溫室或設(shè)施大棚配套使用，能夠達(dá)到更好的增溫保墑效果。由于反季節(jié)蔬菜通常具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，其地膜使用量也在日益增加。番茄是江蘇省設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培中比較常見的作物之一，在番茄設(shè)施栽培時(shí)普遍會使用地膜進(jìn)行覆蓋，以達(dá)到提高產(chǎn)量品質(zhì)和節(jié)約用水等目的。

基于以上背景，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（JAAS）農(nóng)用新材料團(tuán)隊(duì)采用核心配方、工藝和設(shè)備，研制出全生物降解地膜產(chǎn)品，并進(jìn)行設(shè)施內(nèi)試點(diǎn)應(yīng)用，考察其應(yīng)用情況，以期加快降解地膜的推廣，為綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

JAAS 全生物降解地膜開發(fā)

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（JAAS）農(nóng)用新材料團(tuán)隊(duì)以全生物降解聚合物及生物質(zhì)為主要原料，通過對降解地膜復(fù)配配方及成型工藝的探究，制備出兩種基礎(chǔ)型全生物降解地膜產(chǎn)品（表1）。

表1 JAAS 全生物降解地膜簡介

秸稈添加全生物降解地膜JAAS-01

秸稈添加全生物降解地膜JAAS-01 產(chǎn)品是選取秸稈為主要配方之一，通過秸稈的高效多級微粉碎技術(shù)研發(fā)、秸稈-全生物降解高分子材料的配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化、成型工藝探究，開發(fā)出效益高的秸稈添加全生物降解地膜產(chǎn)品。JAAS-01 產(chǎn)品的開發(fā)也解決了當(dāng)前秸稈等農(nóng)林廢棄物綜合利用附加值較低的關(guān)鍵問題。JAAS-01 全生物降解地膜的性能指標(biāo)見表2。全生物降解地膜JAAS-01 產(chǎn)品主要技術(shù)有以下3 種：

表2 JAAS-01 全生物降解地膜（厚度1.0 絲）的性能指標(biāo)

（1）秸稈的多級微粉碎技術(shù)通過研究錘片式和爪齒式刀片對不同含水率秸稈的粉碎效果，探討多種粉碎方式耦合排布對秸稈粉碎細(xì)度和效率的影響，同時(shí)優(yōu)化腔室結(jié)構(gòu)，增加粉碎機(jī)內(nèi)顆粒逃逸阻力，實(shí)現(xiàn)抑塵并提高秸稈利用率，形成秸稈多級微粉碎技術(shù)。

（2）配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化首先將秸稈進(jìn)行功能化改性，然后考察改性后的秸稈與全生物降解高分子材料的共混特性，突破秸稈纖維與全生物降解高分子之間的相容性難題，優(yōu)化形成可穩(wěn)定造粒的秸稈與全生物降解高分子共混配方。

（3）JAAS-01 產(chǎn)品的成型工藝以形成的秸稈-全生物降解高分子共混粒子為原料，探究不同成型工藝（流延成型及吹膜成型）參數(shù)對秸稈-全生物降解高分子材料流變性質(zhì)和降解地膜物理力學(xué)性質(zhì)的影響，根據(jù)國標(biāo)要求對成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得性能穩(wěn)定、次品率低的JAAS-01 產(chǎn)品。

耐紫外光全生物降解地膜JAAS-02

江蘇農(nóng)科院全生物降解地膜JAAS-02 產(chǎn)品主要針對我國西北地區(qū)紫外線強(qiáng)，且棉花、馬鈴薯等作物使用白色地膜的習(xí)慣進(jìn)行開發(fā)。通過配方的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、成型工藝探究，開發(fā)出耐受紫外光線的全生物降解地膜產(chǎn)品。耐紫外光全生物降解地膜JAAS-02 產(chǎn)品主要技術(shù)有以下2 點(diǎn)：

（1）配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化選取PBAT、PHA 等為主要配方，并添加一些特殊助劑，作為JAAS-02 產(chǎn)品的降解控制調(diào)節(jié)劑。

（2）JAAS-02 產(chǎn)品的成型工藝以PBAT、PHA 等為主要配方制備的粒子為原料，探究不同成型工藝（流延成型及吹膜成型）參數(shù)對高分子材料流變性質(zhì)和降解地膜物理力學(xué)性質(zhì)的影響，根據(jù)國標(biāo)要求對成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得性能穩(wěn)定、可連續(xù)生產(chǎn)的JAAS-02 產(chǎn)品。

JAAS 全生物降解地膜在設(shè)施內(nèi) 的應(yīng)用推廣情況

將JAAS-01 全生物降解地膜在設(shè)施內(nèi)進(jìn)行田間覆膜試驗(yàn)，目前應(yīng)用推廣面積為20畝（1.33 hm2），現(xiàn)將應(yīng)用情況作如下介紹。

JAAS-01 地膜對設(shè)施番茄生長的影響

秸稈添加全生物降解地膜JAAS-01 產(chǎn)品，2021 年2月4日在江蘇農(nóng)科院溫室大棚進(jìn)行手工覆膜應(yīng)用于設(shè)施番茄生產(chǎn)。2021 年4月10日番茄作物進(jìn)入開花期，4月22日進(jìn)入開花坐果期，JAAS-01 組和PE 地膜組植株長勢相當(dāng)，均優(yōu)于空白組（圖1）。

圖1 設(shè)施內(nèi)番茄開花期空白組、PE 地膜組和JAAS-01 組番茄植株長勢

從2021 年2月4日番茄苗定植至2021 年6月6日番茄進(jìn)入果實(shí)成熟期，地膜覆蓋歷時(shí)123天，觀察PE 地膜和JAAS-01 地膜的降解性能見表3。設(shè)施內(nèi)使用40 天和80 天后，PE 地膜和JAAS-01 地膜均未出現(xiàn)明顯變化，肉眼觀察表現(xiàn)為完好。設(shè)施內(nèi)使用120 天后，PE 地膜的耐拉伸強(qiáng)度無明顯變化，JAAS-01 地膜的耐拉伸強(qiáng)度略有下降。兩種地膜都可在番茄收獲換茬時(shí)回收再利用。地膜的使用周期和降解周期將在后期的回收利用階段，進(jìn)一步觀測。

表3 JAAS-01 地膜綜合效益分析

表3 JAAS-01 地膜在設(shè)施內(nèi)的降解效果

王斌等[5]將PBAT 全生物降解地膜應(yīng)用于南疆棉花和玉米種植，PBAT 全降解地膜在覆膜80 天左右開始出現(xiàn)裂紋，覆膜90 天左右出現(xiàn)孔洞。馮晨等[6]將PBAT 全生物降解地膜在遼寧半干旱區(qū)應(yīng)用于玉米種植，在覆膜58 天后出現(xiàn)了大的裂紋裂縫，在覆膜98 天后已經(jīng)產(chǎn)生碎片和大范圍降解。

本試驗(yàn)的JAAS-01 全生物降解地膜，PBAT也是其主原料之一，在設(shè)施內(nèi)覆膜120 天后表現(xiàn)為手拉強(qiáng)力稍有下降，整體仍完好。可見，生物降解地膜在設(shè)施內(nèi)降解速度明顯低于露天環(huán)境降解速度。設(shè)施環(huán)境和露天環(huán)境相比，主要區(qū)別為設(shè)施環(huán)境高溫高濕、缺少光照。因此，可以初步推測，相比設(shè)施內(nèi)的高溫高濕條件，露天光照條件對PBAT 地膜的降解具有更明顯的促進(jìn)作用。

生物降解地膜降解速度受氣候條件、土壤環(huán)境、作物類型等因素的影響，降解過程比較復(fù)雜，需要在不同地區(qū)、不同作物上進(jìn)行大量的應(yīng)用試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)和分析改進(jìn)，以加快降解地膜的推廣。

JAAS 全生物降解地膜設(shè)施內(nèi)應(yīng)用效果

在植株長勢方面，JAAS 全生物降解地膜和普通地膜效果相當(dāng)；在地膜降解性能方面，設(shè)施內(nèi)使用120 天后，JAAS 全生物降解地膜強(qiáng)度稍有下降，普通地膜未發(fā)生明顯變化且韌性好，兩者均可在后期進(jìn)行回收利用。

將JAAS-01地膜和PE地膜、PBAT地膜產(chǎn)品進(jìn)行綜合效益分析，如表4 所示。從成本方面相比，PE 地膜的價(jià)格為0.5～1 萬元/t，PBAT地膜的價(jià)格為2～3 萬元/t[7]，JAAS-01 地膜則通過將秸稈作為添加原料來降低全生物降解地膜的成本；從影響植株長勢方面，有文獻(xiàn)表明，PBAT 地膜和普通塑料地膜對番茄植株生長的影響差異不顯著[8]，所以JAAS-01 地膜和PE 地膜、PBAT 地膜三者對植株長勢的影響相當(dāng)；從生態(tài)效益方面，和PE 地膜相比，PBAT 地膜、JAAS-01 地膜均為全生物降解地膜，可大大減少地膜殘留對土壤環(huán)境的污染，但降解地膜在降解過程中對土壤生態(tài)環(huán)境的影響還需長期跟蹤研究。因此，綜合來看，JAAS-01 地膜性能較好，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

總結(jié)

全生物降解地膜作為一種綠色環(huán)保農(nóng)用地膜，具有巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用前景，是塑料地膜工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)方向，但成本高、降解可控性差等問題有待進(jìn)一步解決。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)用新材料團(tuán)隊(duì)將結(jié)合不同地區(qū)各作物的生長需求，調(diào)整材料配方工藝以調(diào)控產(chǎn)品的性能和降解周期，以期進(jìn)一步開發(fā)出成本低、適用性強(qiáng)的全生物降解地膜產(chǎn)品。