北方庭院環(huán)境治理生態(tài)工程建設(shè)
——廢舊塑料基保水植物栽培基質(zhì)的制備與應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心固體廢棄物處理與資源化實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

【基本情況】

發(fā)展庭院經(jīng)濟(jì)是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略重要的一環(huán)。生態(tài)庭院的建設(shè)可以整合農(nóng)戶閑置的土地資源，充分利用剩余勞動(dòng)力資源，構(gòu)建生活、種植、養(yǎng)殖于一體的復(fù)合型生態(tài)庭院，從而促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。立足于中國(guó)科學(xué)院部署的鄉(xiāng)村振興項(xiàng)目，2019 年10 月至2022 年6 月，中科院生態(tài)環(huán)境研究中心在內(nèi)蒙古庫(kù)倫旗開展了農(nóng)牧區(qū)庭院生態(tài)工程建設(shè)工作。庫(kù)倫旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市南部，地處科爾沁沙地與遼西淺山黃土丘陵區(qū)的過(guò)渡區(qū)，當(dāng)?shù)赝ピ阂话阌袔桩€到幾十畝（1 畝≈0.067 hm2），以養(yǎng)殖和粗放種植為主，人居環(huán)境較差。在庭院環(huán)境治理中，堆積了大量廢舊塑料，亟待安全處理。

項(xiàng)目組結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、干旱少雨、光照充沛和庭院面積大等特點(diǎn)，開展了設(shè)施栽培工程建設(shè)（圖1）。將廢舊塑料通過(guò)增容改性、嫁接擴(kuò)鏈和熔融發(fā)泡，開發(fā)了新型廢舊塑料基超吸水栽培基質(zhì)，具有開孔、輕質(zhì)、柔性和超吸水的特點(diǎn)，可以支撐和維持植物生長(zhǎng)，并成功運(yùn)用于溫室大棚的立體栽培，為突破我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)庭院水資源短缺的問題，以及構(gòu)建環(huán)境整潔、資源集約利用的可持續(xù)庭院形態(tài)提供了科技支撐。工程運(yùn)行結(jié)果表明，開發(fā)的塑料基栽培基質(zhì)具有超吸水能力，可以減少灌溉次數(shù)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了廢舊塑料的高值化利用。

圖1 生態(tài)庭院工程Figure 1 Ecological courtyard engineering

【技術(shù)/案例原理及技術(shù)路線】

（1）案例原理：通過(guò)增容改性、嫁接擴(kuò)鏈和熔融發(fā)泡等方法，合成了具有超吸水能力的塑料基栽培基質(zhì)。熔融狀態(tài)下，交聯(lián)劑分解產(chǎn)生自由基，通過(guò)自由基聚合和去氫反應(yīng)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，提高混合塑料的熔融強(qiáng)度，以承受發(fā)泡過(guò)程中產(chǎn)生的壓力；通過(guò)嫁接超吸水樹脂提高產(chǎn)物的吸水能力，滿足植物生長(zhǎng)的需要（吸水倍率1 188%）。然后在發(fā)泡劑和發(fā)泡助劑的作用下熔融發(fā)泡，通過(guò)氣體的溶脹作用生成具有多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)的塑料基栽培基質(zhì)。

（2）技術(shù)路線：以廢舊塑料為原料，使用課題組開發(fā)的氣固兩相流干洗設(shè)備對(duì)廢舊塑料進(jìn)行干式清洗后，可以達(dá)到93.6%的清洗率，在不消耗水和清洗劑的條件下達(dá)到塑料再生料的清潔度要求。清洗后的廢舊塑料無(wú)需預(yù)先破碎，直接投入多組分混煉機(jī)進(jìn)行混煉，得到均一混煉產(chǎn)物后轉(zhuǎn)移到發(fā)泡設(shè)備，熔融發(fā)泡后即可得到具有超吸水能力的塑料基栽培基質(zhì)。同時(shí)運(yùn)用生態(tài)工程理論，在廣闊的農(nóng)戶院落中建設(shè)了生態(tài)庭院，通過(guò)在生態(tài)庭院的院內(nèi)和墻面搭建立體置物架，充分利用了立體空間資源。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單切割和分裝后，合成的塑料基栽培基質(zhì)可以作為生長(zhǎng)基質(zhì)運(yùn)用在生態(tài)庭院建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)廢棄資源循環(huán)再生。塑料基栽培基質(zhì)合成流程如圖2 所示。

圖2 塑料基栽培基質(zhì)合成流程Figure 2 Flow of the synthesis of plastic-based growing substrate

【技術(shù)/案例特點(diǎn)】

（1）為廢舊塑料的高附加值資源化開辟了新方向。以數(shù)量巨大、難以降解和附加值低的廢舊塑料為原料，合成具有超吸水能力的塑料基栽培基質(zhì)，既可以避免環(huán)境污染，產(chǎn)物還可以代替土壤促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，減少灌溉次數(shù)，達(dá)到節(jié)水的效果。

（2）生態(tài)庭院工程的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。立體農(nóng)業(yè)生態(tài)庭院（圖3）可提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶4 000～5 000 元/a 的收入（主要是冬季的反季節(jié)栽培），占當(dāng)?shù)厝司杖氲?0%以上（2021 年庫(kù)倫旗農(nóng)村人均可支配收入為6 029 元），同時(shí)生態(tài)庭院具有環(huán)境整潔和可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，可以帶來(lái)廣泛的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，推動(dòng)當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)村振興。

圖3 立體農(nóng)業(yè)生態(tài)庭院Figure 3 Three-dimensional agricultural ecological courtyard

（3）生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，便于推廣。本項(xiàng)目開發(fā)的塑料基栽培基質(zhì)生產(chǎn)簡(jiǎn)易，設(shè)備需求度低，條件溫和，在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)也可以大規(guī)模推廣，有助于挖掘豐富的村鎮(zhèn)資源潛力，加快社會(huì)主義新農(nóng)村的建設(shè)。

（4）應(yīng)用前景廣闊。合成的塑料基栽培基質(zhì)具有超吸水能力和獨(dú)立的形狀，在改善城市生態(tài)環(huán)境的立體綠化方面應(yīng)用潛力巨大。除了庭院工程外，產(chǎn)品在荒漠治理和邊坡綠化等生態(tài)修復(fù)工程中也具有廣闊的應(yīng)用前景。

【長(zhǎng)效運(yùn)行模式與機(jī)制】

采取地方政府、基地負(fù)責(zé)人和中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心三方共同負(fù)責(zé)的模式。地方政府指令相關(guān)部門開展廢舊塑料的收集、加工和生態(tài)庭院的建設(shè)；基地負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)日常管理以及植物的種植、采摘和售賣；中科院生態(tài)環(huán)境研究中心提供技術(shù)支持，同時(shí)負(fù)責(zé)推廣相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步落地。三方相互監(jiān)督，相互扶持，保證項(xiàng)目長(zhǎng)效運(yùn)行。

【經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)效益】

（1）經(jīng)濟(jì)效益：“白色垃圾”變身為“栽培基質(zhì)”，實(shí)現(xiàn)了塑料廢棄物的高效資源化，開辟了廢舊塑料回收的新途徑。合成的塑料基栽培基質(zhì)的成本為1 800～2 000 元/m3，是市面上同類產(chǎn)品價(jià)格的1/5（不含基建成本），具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。

（2）環(huán)境效益：廢舊塑料的高價(jià)值資源化和生態(tài)庭院工程可以顯著減少?gòu)U舊塑料的堆積，不斷刷新農(nóng)村地區(qū)的“顏值”，促進(jìn)環(huán)境面貌朝著清潔、美麗和干凈的方向邁進(jìn)，從而形成生態(tài)良好和資源能源集約利用的可持續(xù)院落；生態(tài)庭院工程還可以充分利用太陽(yáng)光，減少灌溉次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)化，減少碳排放。

（3）社會(huì)效益：生態(tài)庭院的建設(shè)可以整合農(nóng)戶勞動(dòng)力和閑置的土地資源，對(duì)優(yōu)化農(nóng)村環(huán)境、建立協(xié)調(diào)發(fā)展的農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)有積極意義。同時(shí)廢舊塑料的資源化可以改善生態(tài)環(huán)境，提高居民的環(huán)境意識(shí)，長(zhǎng)效推進(jìn)村鎮(zhèn)地區(qū)廢舊塑料的高效資源化。由廢舊塑料合成的塑料基栽培基質(zhì)符合LY/T 2700—2016 花木栽培基質(zhì)和DB11/T 770—2010 花卉栽培基質(zhì)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。