紙地膜研究現(xiàn)狀

楊維紅， 劉 忠， 劉曉嵐， 楊博文， 徐 艷

（中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點實驗室， 天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300457）

自1978年引入地膜以來， 其對中國的糧食和蔬菜種植貢獻了巨大的力量。 中國是農(nóng)業(yè)大國，對地膜的需求量極大， 但是隨著地膜的大量使用，許多問題也隨之而來，其中最嚴峻的便是環(huán)境污染問題。 由于地膜多為不可降解的聚乙烯材料，需要至少百年才能降解，因此產(chǎn)生了大量白色垃圾，使用地膜也從增產(chǎn)增收的“白色革命”變成了不可降解的“白色污染”。中國已于2008年施行了限塑令。于是，可降解地膜成為了研究熱點。 紙地膜是以植物纖維為基本原料，采用傳統(tǒng)的制漿造紙工藝，在漿料中加入各種助劑，如透明劑、干強劑、濕強劑、防水劑、防老化劑等制備出原紙，然后對其進行再處理，使之達到農(nóng)用地膜對機械強度、抗水性、透氣性、保溫保濕性等的要求，其可以在一定時間內(nèi)降解，并起到堆肥土壤的作用[1-2]。

本文對國內(nèi)外紙地膜的研究進行總結(jié)，重點是紙地膜的應(yīng)用性及降解性等方面的研究。

1 紙地膜與塑料地膜的對比

1.1 紙地膜的特點

紙地膜的優(yōu)點是：（1）紙地膜原料來源廣、種類多，而且多為綠色天然高分子材料；（2）紙地膜的最大優(yōu)勢為可降解，降解后又可作為肥料促進農(nóng)作物生長，進而降低回收和種植成本；（3）用紙地膜代替部分塑料地膜，可減少對土壤的污染，防止土壤板結(jié)而影響種子的發(fā)芽率。

紙地膜的缺點是：（1） 紙地膜的原料多為植物纖維，所以地膜表面存在孔隙，影響地膜的抗水性和透氣性；（2）纖維素含有大量羥基，極易親水，用其制備的紙地膜在遇水后強度降低，若不進行抗水性處理，在實際使用中極易破損；（3）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大多采用機械進行鋪膜，而紙地膜的柔韌性和彈性比塑料地膜低很多，難實現(xiàn)自動化鋪膜；（4）紙地膜的各項性能指標還有待考察，對紙地膜的應(yīng)用多數(shù)處于實驗階段；（5） 在紙地膜的制作過程中需要加入各種助劑以改善其性能，所以與塑料地膜相比，單位面積的成本大大提高。

雖然紙地膜目前還存在多種缺陷，但是其優(yōu)異的環(huán)保性能依然使得其有廣闊的前景。 所以，要想實現(xiàn)紙地膜的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，必須要解決在提高紙地膜干濕強度的同時又不影響其生物降解性，在保障紙地膜性能的同時又有較低的成本這兩個問題。

1.2 塑料地膜的危害性

塑料地膜價格便宜，使用效果較好，再加上可降解地膜尚未推廣使用，所以農(nóng)業(yè)種植還是以使用塑料地膜為主。 減少對塑料的使用量及對塑料地膜所產(chǎn)生污染的治理已經(jīng)刻不容緩。

塑料地膜是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等為主的高分子化合物， 播種后將其覆蓋在土壤表層，可以提高地表的溫度， 減少土壤中水分的喪失，維護土壤結(jié)構(gòu)，防止病蟲害對農(nóng)作物的損害，促進農(nóng)作物的生長發(fā)育。

塑料地膜的危害性在于：（1） 塑料地膜不可降解，中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，會產(chǎn)生大量的“白色垃圾”，處理起來費時費力，成本高；（2）由于塑料碎片無法回收處理，殘留在土壤中易造成土壤板結(jié)，透氣性降低，致使農(nóng)作物種子發(fā)芽率下降、生長緩慢、產(chǎn)量下降；（3）殘留在土壤中的塑料地膜可能含有害物質(zhì)，會對農(nóng)作物產(chǎn)生毒性，影響葉綠素的形成，最終使農(nóng)作物黃化或死亡；（4）殘留在土壤中的塑料地膜會纏繞在鋪膜機械的齒輪上，容易造成機械磨損，進而增加農(nóng)業(yè)成本；（5） 塑料地膜的回收系統(tǒng)不完善，加之回收處理的成本較高， 所以多數(shù)農(nóng)業(yè)勞動者或棄之，或焚燒于田地，極易造成環(huán)境污染。

2 研究現(xiàn)狀

當前， 可用于造紙的植物纖維原料包括雜草纖維，如龍須草、荻、葦，農(nóng)業(yè)秸稈纖維如玉米稈、棉稈[3]；此外，也有采用麻類[4-6]、木材、廢紙等纖維素原料[7-8]。不同種類的纖維會對產(chǎn)品的性能和價格產(chǎn)生直接影響：如草纖維和農(nóng)業(yè)秸稈纖維，雖然來源廣泛、價格便宜，但用其生產(chǎn)的紙地膜強度低；麻類纖維的纖維長度和強度均好于普通秸稈纖維， 但是用其生產(chǎn)紙地膜的成本較高。

2.1 國內(nèi)概況

國內(nèi)有很多單位曾開發(fā)研制過紙地膜， 如湖北枝城市第一造紙廠、新疆和田農(nóng)業(yè)科技開發(fā)中心、天津市園藝工程研究所、天津科技大學(xué)、中國國際科技促進會等[6]。

高玉杰等[9]用草漿配加木漿及少量合成纖維，加入1%PAE 和0.1%CMC 后抄造紙地膜，通過黃瓜及番茄的種植實驗表明， 紙地膜具有和塑料地膜相當?shù)男阅苤笜?，在作物產(chǎn)量提高上相差無幾。

1996年，傅玉全[10]開展了紙地膜的應(yīng)用實驗，將地膜原紙進行功能化處理， 處理后紙地膜的主要性能指標為：原紙定量（35±5） g/m2，寬度800～1000 mm，裂斷長3600～3700 m，濕強度20%，涂布量8～10 g/m2，透明度65%～70%。所種作物主要有辣椒、棉花和玉米，在不同的天氣下分別對塑料地膜、紙地膜覆蓋和無覆蓋條件下的三種作物進行了地表、地下10 cm 的溫度測定。 結(jié)果表明，無論是地面溫度還是地下10 cm 的溫度， 塑料地膜和紙地膜的保溫效果相當， 且二者均比露天種植的溫度高。 在不同覆膜對玉米和棉花生長期影響的探究中， 結(jié)果顯示， 塑料地膜和紙地膜覆蓋的農(nóng)作物生長發(fā)育期基本一致。 實驗結(jié)果證明了紙地膜在實際應(yīng)用中已基本可以達到塑料地膜的標準，且紙地膜更環(huán)保，對農(nóng)作物更有利。

1997年，天津科技大學(xué)以植物纖維為主要原料制備了農(nóng)用紙地膜，并進行了小型的種植實驗[11]及降解實驗[12]。實驗發(fā)現(xiàn)，紙地膜能促進植物的生長發(fā)育，改善植物的光合作用，農(nóng)作物產(chǎn)量也有相對的提高，在滿足使用要求后，能在規(guī)定的時間內(nèi)降解。

1999年，黑龍江省哈爾濱市賓縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心應(yīng)用紙質(zhì)地膜進行了水稻覆蓋栽培實驗[13]。 結(jié)果表明，應(yīng)用紙地膜可以節(jié)水、保溫、除草。

李志明等[14]采用未漂的紅麻全稈漿為原料，通過添加殼聚糖、 羧甲基纖維素CMC 和水溶性PVA等助劑抄造紙地膜。 考慮到在實際應(yīng)用中地膜覆蓋可能受天氣因素的影響， 所以進行了不同天氣條件下的應(yīng)用實驗。 結(jié)果表明， 紅麻地膜的保溫效果與塑料地膜接近，且均比無覆蓋的溫度高，晴天時差異更加顯著。

2002年，任文濤等[15]將紙地膜應(yīng)用在水稻種植中，采用不同紙地膜及處理方式，包括日本再生紙地膜、國產(chǎn)普通牛皮紙以及臺灣農(nóng)用膜，以無覆蓋為對照，共有8 種處理方式，分別為每種覆蓋模式下的乳芽直播和插秧。 實驗結(jié)果證明了紙地膜在農(nóng)業(yè)種植中的可行性，采用紙地膜覆蓋后的水稻，用水量較之前明顯減少，雜草的種類及數(shù)量也相對降低。

2003年，周景輝等[16]利用紅麻全稈漿為原料，以CMC、PAE 為助劑，配加少量的水溶性PVA 和丙綸纖維，制備了環(huán)保型的紙基麻地膜。 該地膜的干、濕強度等各項指標均可滿足地膜覆蓋的要求， 可代替塑料地膜，并可完全生物降解，增加土壤有機質(zhì)，避免了塑料地膜給土壤帶來的污染。

2011年，張燕杰等[17]利用廢棄棉纖維制備可完全降解的農(nóng)用紙地膜， 通過用石蠟浸漬、 聚乙烯醇（PVA）膠液處理的方式得到紙基地膜小樣，并對該紙基小樣進行物理測試。 結(jié)果表明， 該紙基棉質(zhì)地膜在可見光范圍內(nèi)有一定的透光率，可維持在68%左右，足以應(yīng)用在玉米、棉花、辣椒等農(nóng)作物的育苗上，該小樣經(jīng)28 d 的土埋降解后，降解率達到20.2%，而普通塑料地膜的質(zhì)量無明顯變化， 這表明紙地膜能在較短的時間內(nèi)降解，降解后可作為作物的肥料。

2016年，郭帥等[18]以廢舊棉纖維和廢紙為原料，添加助劑或輔料制備性能良好的紙基地膜，其抗張、撕裂指數(shù)與棉纖維地膜相比均有提高， 濕強度保留率也較高，說明該紙地膜的機械性能良好。 同時，該工藝實現(xiàn)了廢舊棉纖維和廢紙的再利用， 具有一定的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

2017年，張鴻超[19]研究了秸稈纖維基地膜和塑料地膜分別對土壤養(yǎng)分變化和作物覆蓋栽培性能的影響。 結(jié)果顯示，采用秸稈纖維基地膜后，土壤溫度明顯提高，土壤的結(jié)構(gòu)明顯改善，土壤PH 值顯著降低，而土壤的孔隙度相對增加，土壤變得疏松多孔，同時具有顯著抑制雜草生長的效果。

2017年，丁旗[20]將全植物纖維地膜紙應(yīng)用在我國北方水稻的種植上， 通過實驗證明了覆膜水稻技術(shù)具有抑制雜草生長、增溫、節(jié)水等作用。 此外，水稻覆膜技術(shù)還具有較高的經(jīng)濟價值， 能夠使得凈值增加2 倍以上。

2019年，李輝等[21]以棉稈纖維和廢舊棉纖維為原料，通過添加助劑制備了一種本色、不透明的環(huán)保型棉稈纖維地膜紙，與黑色塑料地膜相比，其功能大致相同， 但保溫性略低。 紙地膜的保溫性雖不及塑料地膜， 但是其可完全降解， 是塑料地膜無法媲美的。 研究表明，該紙地膜可在5 個月內(nèi)完全降解，對土壤無污染且可轉(zhuǎn)化為作物生長的養(yǎng)料。

2.2 國外概況

1990年，日本選用針葉木機械漿研制農(nóng)用紙地膜，該紙地膜可生物降解且性能優(yōu)良[22]，能透氣、透水，濕強度高，且降解后可作為土壤中的養(yǎng)料，改善土壤的缺陷。

1996年，ANDERSON 等[23]利用再生纖維為原料，通過添加硫制備牛皮紙， 然后將牛皮紙浸泡在植物油中，其目的在于提高紙張的透光性和機械強度，并且減緩其分解。 將處理后的牛皮紙作為蔬菜的覆蓋物應(yīng)用于田間，探究了其替代塑料地膜的可行性。

1999年，MIZUGUCHI 等[24]以 植 物 纖 維 為 原 料制備原紙，在原紙表面涂布或浸漬生物降解緩蝕劑，得到一種具有較好機械強度、抗張強度的地膜紙，其降解時間明顯延長，可用于植物栽培。 同時，由于在紙張的縱向側(cè)邊緣部分添加了抗微生物劑， 可有效防止地膜紙腐壞破爛。

2003年， 美國華盛頓州立大學(xué)與研究所合作，通過在牛皮紙上涂布植物油制備了黑色紙地膜，并將牛皮紙、 黑色塑料地膜以及生物降解型地膜作為對照組，以羅勒作為實驗植株進行了短期種植實驗。實驗結(jié)果表明， 在生長過程中使用紙地膜、 塑料地膜、生物降解型地膜時，羅勒的生長狀況基本相同，紙地膜表面的植物油并不能縮短其降解期， 對植物的生長也沒明顯的作用效果[25]。?

2012年，梅西大學(xué)自然資源研究所為了探究紙地膜是否有除草的效果， 對市面上的一種紙地膜進行了評估， 主要考察紙覆蓋物在田間應(yīng)用的持久性及防治雜草的能力， 結(jié)果證明紙地膜具有良好的除草效果[26]。

HAAPALA 等[27]在2011—2012年期間通過實驗研究了不同紙地膜（如棕色牛皮紙、上表面用炭黑涂布的牛皮紙等）和兩種生物可降解塑料地膜（主要原料為玉米淀粉，厚度分別為18 μm 和30 μm）對黃瓜產(chǎn)量的影響。 研究發(fā)現(xiàn)， 上表面較暗的紙地膜或生物降解塑料地膜對提高黃瓜產(chǎn)量有較大影響，且深色紙地膜對于黃瓜產(chǎn)量的影響與生物可降解塑料地膜相當，能夠提高地溫，有效抑制雜草，可替代塑料地膜作為黃瓜生產(chǎn)的覆蓋物。

2020年，DE OLIVEIRA 等[28]用再生紙作為意大利西葫蘆的覆蓋物， 探究再生紙對西葫蘆的蒸發(fā)蒸騰作用和作物系數(shù)。 實驗結(jié)果表明， 使用再生紙作為該植物的覆蓋物并不會改變其果實產(chǎn)量， 并且可以減少澆灌的用水量。

3 紙地膜的降解

土埋法能較好地模擬聚合物生物降解的自然條件， 在紙地膜覆蓋物的降解性測試中應(yīng)用廣泛。 在李輝[29]的降解性研究中，埋入土中1 個月的紙地膜已開始降解， 埋入土中2 個月的紙地膜已經(jīng)降解了50%左右，而埋入土中3 個月時已經(jīng)降解了90%。李志明等[14]進行了紅麻地膜的降解性研究，在紙地膜埋在土壤中8 周后，質(zhì)量損失接近50%，強度損失接近90%，10 周后的質(zhì)量損失難以測量， 而強度已無法測量， 認為此時的強度損失已接近100%。KASIRAJAN 等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，埋在土壤中的紙地膜與裸露在土壤外的紙地膜， 二者的降解速度存在差異， 埋在土壤中的降解速度要高于覆蓋在土壤表層的紙地膜；此外，紙地膜的降解性能還與所選擇的原料種類和質(zhì)量有關(guān)。 MARTIN-CLOSAS 等[31]的實驗也表明，在植物的生長發(fā)育階段，埋在土壤中的紙地膜先降解， 但這種降解并不會產(chǎn)生其他特殊問題。SANCHEZ 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，降解速率最快的是報紙，然后是碎報紙， 降解最慢的是稻草類的紙地膜。UENO 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，當紙地膜的原材料為回收紙時，在實際的應(yīng)用中可在40～50 d 內(nèi)降解，且對雜草的生長有抑制作用。

4 總結(jié)與展望

雖然國家大力支持可降解農(nóng)膜的研發(fā)， 但是其存在的種種問題使得可降解地膜尚未得到大力推廣應(yīng)用，尤其是全降解類的地膜，如紙地膜。 紙地膜的全降解性是其他地膜無法比擬的優(yōu)勢， 而且研究也表明其具備實際應(yīng)用的條件，其保溫、保濕、抑制雜草的能力基本可以與塑料地膜相媲美。 紙地膜的推廣應(yīng)用存在較大困難，主要原因如下：

（1）由于紙地膜的制作成本和原料成本的限制，在現(xiàn)有的經(jīng)濟條件下，農(nóng)民無力承擔高額的費用，所以多數(shù)農(nóng)民依然選擇功能性好、 價格便宜的塑料地膜。 這就要求企業(yè)在生產(chǎn)紙地膜時， 要降低生產(chǎn)成本；另一方面，國家也需要出臺相關(guān)的惠農(nóng)政策，給予農(nóng)民政策上的支持。

（2） 人們的環(huán)保意識還需提高。 作為一種新產(chǎn)品，企業(yè)要生產(chǎn)紙地膜，勢必要投入巨額的推廣、研發(fā)及宣傳費用， 這使得多數(shù)企業(yè)對紙地膜的生產(chǎn)望而卻步。

（3） 對紙地膜的實際應(yīng)用情況還需要進一步考察，通過大面積、多植物的覆蓋研究，建立一套完整的評價標準體系。

我國作為農(nóng)業(yè)大國， 每年的農(nóng)膜使用量達上百萬噸， 而且還在增加。 傳統(tǒng)的塑料地膜在相當長的時間內(nèi)仍然是不可替代的農(nóng)資， 使用塑料地膜給環(huán)境帶來的危害性也與日俱增。 因此， 未來可降解地膜必將得到推廣， 其中紙地膜要想在市場中得到推廣與應(yīng)用，必須要提高紙地膜的機械強度、抗水性、透明度，降低透氣性，但關(guān)鍵還是如何在保證這些條件的前提下，降低其生產(chǎn)成本，使得其應(yīng)用效果與塑料地膜相當，價格又不高于塑料地膜。 因此，未來應(yīng)著重從降低紙地膜的成本入手， 研究提高紙地膜的各項性能。 當解決了成本這一問題后， 紙地膜必將在農(nóng)膜市場上占有一席之地。