新疆農(nóng)田殘膜治理現(xiàn)狀及PHA新技術的應用

范治璇 ， 余桂玲

（昌吉回族自治州昌吉市濱湖鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)（畜牧業(yè)）發(fā)展服務中心，新疆 昌吉 831102）

新疆是我國重要糧棉產(chǎn)區(qū)，地膜覆蓋技術的大面積推廣對提高當?shù)丶Z食及經(jīng)濟作物產(chǎn)量起到巨大作用，一度被稱為新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展史上的“白色革命”。但多年不間斷鋪膜種植過程中，超常累積的殘膜嚴重破壞耕作層土壤的結構，阻礙水肥平衡，危害作物根系生長，影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質量。近年來，農(nóng)田殘膜造成的危害引起各級部門重視，從政策層面組織開展綜合化治理以減少地表殘膜危害[1]，取得了很好的效果，但從長遠看，研究應用可降解生物地膜才是解決殘膜危害的根本之策。

1 殘膜對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害

農(nóng)作物地膜覆蓋栽培技術最早于1979年被引入我國，其具有適合于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的保溫、保水、保肥特點。新疆各地在20世紀90年代開始全面推廣作物覆膜種植技術。使用地膜有利于干旱區(qū)作物生長和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，但長期使用造成的殘膜危害卻很難治理。

1.1 殘膜對耕地造成的危害

農(nóng)用地膜的主要原料聚乙烯是一種石油基高分子化合物，該類物質化學性質非常穩(wěn)定，在土壤中很難被光、酶、細菌降解。理論上，聚乙烯地膜埋藏在土壤中可存留200年以上，可見其殘留危害的持久性。

經(jīng)測算，經(jīng)過簡單機械化殘膜回收的棉田，其當年地膜殘留率一般仍能達到10%~20%。在連續(xù)15年鋪膜播種的棉田，其地膜殘留量已達到375 kg/hm2，最高可達555 kg/hm2。在南疆地區(qū)，棉田使用地膜兩年后，耕作層地膜殘留量即可達到41.9 kg/hm2。年復一年地使用農(nóng)用地膜，使農(nóng)田的殘膜逐年累積，造成土壤的永久性污染。經(jīng)實地調查，土壤中的殘留地膜主要分布在30 cm的耕作層，其中70%的殘留量分布在0~10 cm的地表淺層，其余30%分布在地表10 cm以下的土壤中。

土壤中大量的殘膜不僅會阻礙養(yǎng)分的輸送，還使其透氣性降低、毛細管作用失效，對土壤容重、孔隙度和通透性都產(chǎn)生不良影響，造成土壤板結、地力下降。此外，地表水滲透量因地膜殘留增加而減少，土壤含水量的下降，削弱了土壤的抗旱能力，甚至會引起次生鹽堿化[2-3]。

1.2 殘膜對作物生長的影響

殘留在農(nóng)田的地膜破壞土壤結構、阻礙耕作層水汽循環(huán)和營養(yǎng)傳送，嚴重影響作物根系對水分和肥料的吸收利用。同時，殘留農(nóng)膜會阻擋作物根系的擴張，影響作物的生長，最終導致作物產(chǎn)量下降。此外，殘膜還會抑制土壤微生物生長，改變土壤生物特性，造成作物早衰。棉花種植數(shù)據(jù)顯示：棉花出苗率會隨著殘膜量的增加而呈下降趨勢。究其原因，殘膜會導致爛種和爛芽率大幅度提高，在生長期導致棉苗側根稀少，出現(xiàn)單株蕾期推遲、鈴數(shù)減少、脫落增加的現(xiàn)象。測算結果表明，單株成鈴數(shù)較對照組減少0.4~12個，脫落率增加3.9%~5.5%。

1.3 殘膜對經(jīng)濟作物品質的影響

在棉花采收加工領域，殘膜因輕薄透明易產(chǎn)生靜電的特性而成為機采棉難以清除的雜質。機采棉在采收過程中帶入的殘膜碎屑在籽棉清選和皮棉清選等除雜工序后最終被打成更碎的片屑混入皮棉，嚴重影響皮棉品質。目前，機采棉含有的地膜碎屑是造成國產(chǎn)機采棉與進口機采棉質量差距的原因之一。

2 現(xiàn)行殘膜治理的方式

現(xiàn)階段，農(nóng)田殘膜污染治理是一個系統(tǒng)工程，在解決農(nóng)田殘膜機械化回收的同時，還要從全產(chǎn)業(yè)鏈的薄弱環(huán)節(jié)著手，由政府部門牽頭，聯(lián)合高校、科研院所及企業(yè)，通過多種渠道吸納資金投入到回收后的殘膜預處理關鍵技術的研究開發(fā)工作，并加快科技成果轉化速度，實現(xiàn)產(chǎn)品的市場推廣應用，需要打通地膜生產(chǎn)、使用，殘膜回收、運輸、初清理及資源化利用的各個環(huán)節(jié)，形成全產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)處理模式[4-5]。

近年來，各級政府通過推廣殘膜回收機械、提高農(nóng)用地膜標準、設立回收補貼資金等措施大力推進農(nóng)田殘膜治理工作。這些工作的開展，有力地促進了殘膜治理的深入，為減少殘膜危害、部分恢復耕地的土壤理化指標、保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了有益嘗試。

2.1 機械化殘膜回收

殘膜的機械化治理首先要推廣機械化殘膜回收技術。通過近年來的大力宣傳和示范推廣，廣大農(nóng)民群眾也在生產(chǎn)實踐中深刻體會到殘留地膜對土壤和農(nóng)作物的危害，認可殘膜回收這項工作的重要性。機械化殘膜清理以農(nóng)機與農(nóng)藝融合為出發(fā)點，在苗期或作物收獲后應用機械化技術開展殘膜治理。在實踐中采用膜雜分離技術，通過邊膜收獲、起膜挑膜、輸膜脫膜環(huán)節(jié)實現(xiàn)耕層殘膜回收[6-7]。通過農(nóng)機購置補貼政策殘膜回收整機在農(nóng)戶購買總支出減少，降低殘膜清理均攤機械成本，增加經(jīng)濟效益，提高農(nóng)民積極性。另外，通過政策資金投入，對殘膜回收可以引進專門的裝卸、打捆及轉運機械，解決殘膜轉運問題。

2.2 使用新國標增厚地膜

新修訂的GB 13735—2017《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》強制性國家標準在2018年5月正式實施。新標準修訂了地膜的適用范圍、分類、產(chǎn)品等級、厚度偏差、拉伸性能、耐候性能等多項指標，為便于田間殘膜機械回收而特別提高了地膜的厚度標準。新標準規(guī)定，地膜厚度應大于等于0.010 mm，正負偏差為+0.003 mm和-0.002 mm。這對于解決現(xiàn)階段地膜殘留問題、減少農(nóng)田“白色污染”，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、助力鄉(xiāng)村振興有重要意義。

實際上，市面上售賣的地膜厚度雖然達到了《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》的相關厚度標準，但其強度未必能滿足實際需要。新疆地膜覆蓋時間一般在100 d以上，若殘膜碎片化較為嚴重、含雜量較高，這類地膜在回收時強度不夠，也很難收集[8-9]。

2.3 使用淀粉基可降解地膜

聚乙烯塑料給環(huán)境帶來危害，主要原因在于難降解。我國地膜的年使用量達到120多萬噸，土壤中殘膜完全回收較為困難。全淀粉可降解塑料地膜理論上可以從根本上解決殘膜問題，但因產(chǎn)品性能遠低于聚乙烯薄膜，且成本高、使用效果差，不能滿足實際需要，導致農(nóng)民群眾接受度差，推廣受阻。只有加快研制新型地膜，在達到普通地膜使用性能指標的前提下，可以在一定的時間內迅速降解，免除高成本的地膜回收環(huán)節(jié)，從根本上減少地膜對土壤和農(nóng)作物產(chǎn)生的危害。

2.4 殘膜預處理及再加工

干旱地區(qū)可采用適應水資源約束條件下的殘膜預處理工藝，配備滿足生產(chǎn)需要的成套設備，合理布置加工工藝流程。新疆干旱缺水的自然條件不適合水洗為主的殘膜預處理生產(chǎn)線，對再生造粒為主的殘膜再加工多采用干式分離法。干式分離法在膜雜不分離的情況下進行殘膜預處理，可以降低企業(yè)運行成本及設備要求，在一定程度上減少二次環(huán)境污染。

2.5 殘膜資源化利用

在殘膜預處理及再加工的基礎上，利用豐富的農(nóng)作物秸稈資源，進行木塑制粒加工，經(jīng)后續(xù)成型工藝將木塑顆粒制成木塑制品，產(chǎn)品可用于室內外裝修、景區(qū)建設、環(huán)保物品制作及物流包裝等，可以減少木材的使用、消耗。殘膜資源化利用還可將殘膜作為燃料用于催化熱解及生物質發(fā)電，將其轉化為電能，促進節(jié)能減排及綠色可持續(xù)發(fā)展[10-11]。

3 PHA新技術的應用

PHA，通用名為聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates），是制造生物塑料的基本材料。其材料學特性與普通塑料類似，可在石油基塑料一半以上的應用領域使用，代替聚乙烯塑料制造薄膜、購物袋、餐具、飲料瓶等。

PHA生物塑料薄膜作為農(nóng)田殘膜的終極解決辦法，克服了植物淀粉基降解地膜使用周期內不耐用、降解不完全的缺點。

3.1 PHA技術的起源

PHA材料的研究起源于20世紀70年代的世界石油危機，科學家在研究石油替代物的過程中發(fā)現(xiàn)了300余種能夠產(chǎn)生PHA的微生物，并開發(fā)出較為穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。PHA本質上是一些特定細菌體內生長出來的脂肪體，用來儲存微生物多余的能量，作用相當于動物體內的脂肪。在自然界，許多微生物可以把PHA作為營養(yǎng)物質消化吸收，因此，PHA在自然環(huán)境中降解很快。經(jīng)試驗，PHA在土壤中3~6個月內就能降解，其他微生物吃掉這種材料制成的生物塑料后還能加快繁殖，使土壤更加肥沃。

但是，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的PHA生物塑料直到現(xiàn)在還未大范圍普及，主要原因就是成本較高。據(jù)國內某批發(fā)平臺的數(shù)據(jù)，按目前工藝生產(chǎn)的PHA生物塑料的價格，大致是普通聚乙烯和聚丙烯價格的3倍至10倍。

3.2 PHA新技術生物塑料的生產(chǎn)

PHA新技術是利用在新疆吐魯番艾丁鹽湖發(fā)現(xiàn)的野生鹽單胞菌（Halomonas）TD和鹽單胞菌LS21，通過合成生物學技術重新編輯單胞菌DNA編碼，重構這兩種細菌的微生物生長模式，使之產(chǎn)生更多“脂肪”。一般情況，單胞菌經(jīng)過“養(yǎng)肥”，再把它們的“脂肪”提煉出來，稱為“產(chǎn)物純化”，但是通過生物編程技術，這個步驟省去了。這兩種單胞菌會在生命的最后一刻互相連接在一起，成團自行沉到水底，通過提取、干燥、造粒、應用加工的工藝流程，即可完成從PHA合成、高分子加工改性到產(chǎn)品化的全過程。

3.3 PHA新技術低成本的原因

PHA生物塑料想要大范圍普及，就必須把成本降下來。清華大學生命科學學院陳國強教授領銜利用生物合成技術解決了PHA生產(chǎn)成本高昂的問題。傳統(tǒng)的PHA生產(chǎn)工藝需要營造無菌的環(huán)境，為了防止雜菌侵入，必須使用巨大的不銹鋼發(fā)酵罐，通過消耗外部能源維持特定的溫度、濕度。PHA傳統(tǒng)提取工藝要使用5 000 r/min的高速離心設備，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，設備和能耗也占據(jù)相當大的一塊成本。

清華大學研究人員利用“合成生物學”技術，把野生鹽單胞菌（Halomonas）TD和鹽單胞菌LS21進行DNA改造，重構了整個PHA的生產(chǎn)流程，使之不再需要封閉無菌環(huán)境，可以在鹽堿環(huán)境中生長，省去無菌發(fā)酵的設備和能耗成本，在工業(yè)化生產(chǎn)中可以用取之不盡的海水來養(yǎng)殖單胞菌，節(jié)約大量淡水資源。研究人員還把細菌一變二分裂的繁殖方式轉變成指數(shù)級的增長方式。PHA生產(chǎn)過程的簡化減少了設備、能源成本，生產(chǎn)總成本比國內外現(xiàn)有工藝技術降低一半，走在了世界的最前列。目前，該項目已完成PHA生物塑料新技術工業(yè)化中試，開始5萬~10萬噸規(guī)模的量產(chǎn)。

3.4 PHA新技術的應用場景

新一代PHA生物技術突破了此前工業(yè)化生產(chǎn)的局限性，其工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)完成了全技術鏈條中期試驗。用于PHA全生物基可降解材料生產(chǎn)已經(jīng)具備完全工業(yè)化條件?，F(xiàn)有生產(chǎn)線合成的PHA粒料已經(jīng)制成了可生物降解的農(nóng)用地膜、純PHA餐具、彩色3D打印絲、電紡纖維、超市購物袋、外賣的包裝材料，甚至PHA還紡成了紗線，并織成布料用以代替絲綢。

4 展望

農(nóng)田殘膜治理的根本出路在于找到滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際要求的可降解地膜并大規(guī)模推廣使用。PHA新材料如能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)并在農(nóng)用地膜使用領域全面普及，將會徹底改變現(xiàn)有殘膜治理模式，節(jié)約大量社會資源和人力成本，其應用發(fā)展前景十分廣闊。建議將這項新技術作為農(nóng)業(yè)領域戰(zhàn)略性發(fā)展項目進行試點驗證并給予政策支持，為PHA技術下一步推廣應用打下堅實基礎。