竹基可降解農(nóng)用地膜研究現(xiàn)狀與展望*

張康健 余林鵬 代福寬 汪佑宏 馬千里 江澤慧 田根林*

(1 國際竹藤中心 竹藤生物質(zhì)新材料研究所 北京 100102；2 國家林業(yè)與草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室 北京 100102；3 安徽農(nóng)業(yè)大學林學與園林學院 合肥 230036)

我國是世界上農(nóng)用地膜生產(chǎn)和使用量最多的國家， 地膜覆蓋是我國農(nóng)產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)、 安全供應的關鍵舉措之一。 地膜是繼種子、 農(nóng)藥和化肥之后的又一農(nóng)業(yè)重要生產(chǎn)資料， 其應用為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一場革命[1-2]。 地膜可以防止雜草生長， 給土壤增溫、 保熵， 改良作物生長環(huán)境，提高土壤養(yǎng)分的利用率， 在抗蟲、 防病等方面也有著顯著作用[3]。 但塑料地膜的長期大量使用和缺乏有效的回收處理措施， 已對我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了直接危害和損失， 如惡化土壤結(jié)構(gòu)、 影響作物生長、 限制農(nóng)業(yè)發(fā)展， 其難以降解的特性也帶來較大的環(huán)境問題[4-6]。 因此， 尋求更為綠色環(huán)保的可降解地膜材料， 對于農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)和環(huán)境保護都有著十分重要的意義。

竹材作為一種可降解的天然材料， 具有資源豐富、 生長速度快、 材性優(yōu)良、 一次造林永續(xù)利用、 固碳能力強等優(yōu)點， 可作為塑料的良好代替材料。 目前， “以竹代塑” 產(chǎn)品已廣泛應用于日用、 交通運輸、 裝飾、 水利等諸多領域， 對社會、生態(tài)、 經(jīng)濟具有積極作用。 2021 年我國竹林面積已達756.27 萬hm2， 且呈逐年增加趨勢[7]。 隨著農(nóng)業(yè)塑料污染問題的日益突出， 開發(fā)綠色環(huán)保農(nóng)業(yè)代塑產(chǎn)品， 促進農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展， 已經(jīng)成為全球共識和必然選擇。 本文詳細介紹了目前常見的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可降解地膜類型， 結(jié)合“以竹代塑” 倡議， 總結(jié)了竹基可降解農(nóng)用地膜的發(fā)展現(xiàn)狀， 以期為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供新的解決方案。

1 傳統(tǒng)可降解農(nóng)用地膜

可降解農(nóng)用地膜是指在一定條件下以化學、物理或生物等方式能自行降解的地膜。 基于目前研發(fā)現(xiàn)狀與應用情況， 傳統(tǒng)可降解農(nóng)用地膜材料主要可分為光降解地膜、 生物降解地膜、 雙解地膜和植物纖維地膜[8-9]。

1.1 光降解地膜

光降解地膜是指在樹脂中加入光敏劑和促進劑， 使其能在光照后自行降解的地膜。 元欣等[10]以線性低密度聚乙烯樹脂、 玉米淀粉等為原料，引入抗老化劑、 乳化劑、 光敏劑及分散劑， 吹塑成型出一種低透光率的耐久光降解農(nóng)用地膜。 20世紀80 年代， 美國杜邦公司、 陶氏化學公司(DOW) 和聯(lián)合碳化物公司等生產(chǎn)的乙烯/一氧化碳共聚物及乙烯/乙烯基酮共聚物就已經(jīng)具有了完全光降解的性能[11]。 然而在實際應用推廣中， 地膜的光降解只能消除耕地表面的殘膜污染， 而土壤中的地膜則無法分解， 雖然深耕能把一些殘膜翻到土壤表面， 但仍有很多殘留在土壤中， 長期積累會破壞土壤結(jié)構(gòu)和肥力[12]。 晏祥玉等[13]在探究光降解地膜和普通地膜不同覆蓋方式對甘蔗生長的影響時， 甚至出現(xiàn)了試驗實施90 d 仍未發(fā)現(xiàn)光降解膜降解破口的情況。

1.2 生物降解地膜

生物降解地膜可分為微生物合成型、 天然高分子型和化學合成型3 類[14]。 伊科(E-cochem)、嘉吉(Cargill)、 勃林格殷格翰(Boechringer) 以及聯(lián)合碳化物等公司采用發(fā)酵法和化學方法制備了聚乳酸(PLA)、 聚己內(nèi)酯(PCL) 等可生物降解材料， 作為生產(chǎn)降解地膜的基材[15]。 李金海等[16]以淀粉與聚乙烯醇(PVA) 為原料， 通過單因素調(diào)控實驗， 優(yōu)化生產(chǎn)工藝， 采用流延法制備了馬鈴薯淀粉基可降解地膜。 該膜保水、 保溫、保墑及降解性能良好， 土埋60 d 后地膜的降解率接近60%。 生物可降解農(nóng)用地膜大多屬于天然高分子型中的淀粉添加型地膜材料， 淀粉添加含量只有達到50%以上才具有較好的生物降解作用[17]。 此類膜中的淀粉在微生物的作用下可以分解， 而殘留的聚烯烴膜仍以低強度的多孔結(jié)構(gòu)形態(tài)存在， 因而淀粉添加型的可降解農(nóng)用地膜只是一種不完全的生物降解薄膜[18-19]。

1.3 雙解地膜

雙解地膜分為光—生物雙降解地膜和氧化—生物雙降解地膜。 前者是將易被微生物分解的物質(zhì)(如淀粉) 與合成樹脂混合并加入光敏劑， 誘導期過后， 加入的物質(zhì)與合成樹脂便可在光和微生物的共同作用下分解， 進而減少對環(huán)境的污染[20]； 后者則是添加劑型降解地膜， 綜合利用氧化降解和生物降解， 以達到良好的降解效果。 雙解地膜降解性能優(yōu)異， 降解時間可控性良好[21]。蔣瑞萍等[22]以超細化淀粉作為主要降解成分， 以增塑劑、 合成降解材料等形成的淀粉衍生物作為生物降解劑， 并將光降解和熱氧化降解引入體系，吹塑成型出淀粉/EAA/PE 可降解地膜， 與普通地膜相比， 此膜保溫、 保濕效果并無差別。 周濤等[23]通過填埋實驗和老化箱實驗分別研究了2 種光氧生物雙降解地膜的生物降解性能和紫外線降解性能， 發(fā)現(xiàn)二者的降解程度不同， 地膜的光氧降解能力優(yōu)于微生物降解能力。

1.4 植物纖維地膜

植物纖維地膜是以植物纖維為原料， 經(jīng)過一系列加工處理制成的地膜， 其對環(huán)境的污染較小，同時還能改善土壤質(zhì)量， 具有良好的透氣性和干濕強度。 市場上的植物纖維地膜主要分為麻纖維地膜和紙地膜。 麻纖維具有纖維強度高、 耐磨性好、 韌皮纖維多、 加工簡單、 有利于土壤微生物增殖等優(yōu)點， 但其生產(chǎn)成本較高， 在實際應用中不易推廣[24]。 紙地膜是以植物紙漿為基本原料，在紙漿內(nèi)添加濕強劑、 防腐劑和透明劑等助劑，采用常規(guī)造紙工藝抄制出原紙， 然后對其進行加工處理， 使紙張具有地膜所要求的機械強度、 透光、 透 水、 保 溫、 增 溫、 保 墑 性 及 其 他 功能[25-26]。 紙地膜無需回收， 可完全降解為有機質(zhì)， 無污染， 并可增肥土壤， 相較于其他類型的地膜具有很多優(yōu)勢， 符合綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展要求[27]。

美國和加拿大研究顯示[1]， 紙地膜具有與塑料地膜、 生物降解型地膜相同的作用效果。 國內(nèi)也有不少機構(gòu)和團隊開展了紙地膜的研究， 傅玉全[28]研究顯示， 相較于裸地栽培， 紙地膜可明顯改善作物的光合作用， 增加土壤溫度， 改善土壤水分狀況， 同時具有抑制雜草、 促進增產(chǎn)的作用。天津市園藝工程研究所研制的多效農(nóng)藝營養(yǎng)紙膜，不僅能自行分解， 還能釋放多種營養(yǎng)成分， 促進植物生長發(fā)育， 同時具有一定的防治植物病蟲害作用[29]。

2 竹基可降解農(nóng)用地膜

竹材是優(yōu)良的植物纖維原料， 其抗拉、 抗壓強度均高于木材， 纖維長而細， 機械性能優(yōu)異，纖維素含量介于針、 闊葉材之間， 細胞壁微觀結(jié)構(gòu)特殊， 漿料光學特性良好， 半纖維素含量較高，打漿時潤漲性能好， 有利于提升材料的交織結(jié)構(gòu)，使其獲得更好的防水性能[30-32]。 竹纖維的優(yōu)良特性使其成為制備可降解地膜的良好材料。

2.1 竹基液體地膜

竹基液體地膜是一種利用竹纖維素作為原料的可降解農(nóng)用地膜。 任荷玲[33]以廢棄竹粉為原料， 采用臭氧微波聯(lián)合進行預處理， 經(jīng)醚化法制備竹纖維羧甲基纖維素(CMC)， 并引入聚乙烯醇、 甘油輔劑等填充劑， 最終采用戊二醛交聯(lián)法制成全生物可降解地膜。 Xu 等[34]通過對竹材脫木素化和醚化處理來制備竹制羧甲基纖維素， 然后與聚乙烯醇混合， 并通過戊二醛交聯(lián)制備了液體膜， 該地膜具有出色的保水性， 機械性能達到18.2 MPa， 透光性為74.2%， 吸濕性為141%，只需在土壤表面噴灑就可以形成一層覆蓋物， 而且覆蓋物生物降解率約64%。 解安慶[35]將竹屑浸入NaOH 溶液并用微波加熱對竹纖維進行預處理，在經(jīng)一系列處理反應后制得竹纖維羧甲基纖維素；將該纖維素先后與蒸餾水、 溶解的聚乙烯醇及甘油混合， 經(jīng)微波處理后再與制備的耐磨防水劑混合， 超聲振蕩分散， 即可制得液體地膜溶液。

2.2 竹漿紙地膜

竹漿紙地膜是以竹漿作為原料， 借鑒傳統(tǒng)造紙工藝制備的地膜。 劉潔等[36]使用100%的竹纖維漿， 經(jīng)15%～20%的高濃度打漿后過中濃盤磨打漿， 設置上網(wǎng)濃度為0.18%～0.45%， 上網(wǎng)pH值為6.5～7.5， 上網(wǎng)成型后經(jīng)四輥三壓區(qū)壓榨干度為45%～48%， 制備了地膜紙， 其縱向抗張強度為1.2 ～ 3.2 kN/m， 橫向抗張強度為0.8 ～2.0 kN/m。 張斌[37]對竹材進行微納化處理制備機械竹漿并研究淀粉、 納米微纖絲(CNF) 和聚乙烯醇纖維3 種增強劑對地膜紙各項性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)3 種增強劑復合使用的地膜紙保水性最好、 透氣性最大、 機械竹漿纖維結(jié)合得更為緊密，在實際應用中， 相較于塑料地膜更能促進作物生長。 Wang 等[38]采用濕法非織造布技術， 將竹造紙污泥同楊木纖維、 粘膠纖維混合抄造成可降解紙張， 可替代農(nóng)業(yè)塑料薄膜用于土壤保濕， 促進植物生長。

2.3 竹基吹塑成型地膜

竹基吹塑地膜是將竹材粉碎成微小顆粒， 并與其他樹脂、 助劑攪拌均勻， 吹塑成型的薄膜材料。 封金財[39]以聚乳酸為基體樹脂， 引入竹纖維， 配合改性納米二氧化硅、 檸檬酸三丁酯于攪拌機中攪拌， 將混合物吹塑出農(nóng)用可降解復合地膜， 其中的竹纖維與聚乳酸形成了網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)，有效增強了復合膜的力學性能。 邱述兵等[40]將聚丙烯、 淀粉、 竹炭粉、 硅藻土烘干預熱， 然后用混合機混合， 在混合物加入偶聯(lián)劑及聚乙二醇并由雙螺桿擠出機擠出共混產(chǎn)物， 冷卻后切粒保存并吹塑成可降解地膜。

2.4 竹基流延成型地膜

竹基流延地膜是以竹粉等原料， 復配其他材料， 采用流延成型工藝制得的地膜。 肖安國[41]將聚乙烯醇溶解到水中， 加入玉米淀粉糊化， 然后加入竹粉和塑化劑攪拌， 再加入交聯(lián)劑， 在一定溫度下攪拌一段時間后趁熱倒入模板， 流延成膜，雙面施膠后在室溫條件下干燥一段時間， 即得到竹基地膜。 李榮榮等[42]將增稠劑海藻酸鈉與淀粉引入體系， 對經(jīng)堿化、 醚化及羧甲基化反應后的毛竹采伐剩余物進行改性， 使用流延法制得了可降解膜， 增稠劑海藻酸鈉和淀粉可改善成膜性能，提高拉伸強度， 但會降低斷裂伸長率。

3 展望與建議

2022 年11 月中國政府同國際竹藤組織攜手落實全球發(fā)展倡議， 共同發(fā)起“以竹代塑” 倡議， 推動各國減少塑料污染， 應對氣候變化， 加快落實聯(lián)合國2030 年可持續(xù)發(fā)展議程[43]。 發(fā)揮我國豐富的竹資源優(yōu)勢， 研發(fā)竹基地膜材料， 不僅可拓展竹材利用方向， 也是推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、踐行“以竹代塑” 倡議和實現(xiàn)“雙碳” 戰(zhàn)略時代使命的題中之義[44]。 為加快推進竹基地膜制造關鍵技術， 形成一套完善的研發(fā)及生產(chǎn)應用流程，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境， 建議以后重點開展以下工作。

1) 研發(fā)不同應用場景下的功能性竹基可降解地膜。 不同地區(qū)的環(huán)境條件包括溫度、 日照、 降水量差異較大， 而不同農(nóng)作物也有著不同的種植培育要求， 這就需要研發(fā)類型豐富的地膜， 通過對原材料改性、 添加功能性助劑調(diào)控地膜的降解速度， 增強降解地膜在農(nóng)作物生長過程中的安全性。

2) 建立完善的竹基可降解地膜標準體系。 響應“以竹代塑” 的倡議， 系統(tǒng)評價竹基地膜產(chǎn)品的經(jīng)濟、 生態(tài)和社會效益， 建立完善的竹基地膜產(chǎn)品標準體系， 將有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量， 增強產(chǎn)品的市場競爭力。

3) 積極推動竹基地膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料地膜的相關政策制定。 政府應進一步限制塑料地膜的使用，通過財政扶持、 稅收優(yōu)惠等措施鼓勵使用竹基地膜， 鼓勵支持相關企業(yè)加強技術研發(fā)和創(chuàng)新， 促進竹基地膜產(chǎn)品質(zhì)量提升和產(chǎn)品升級， 降低竹基地膜生產(chǎn)和銷售成本， 提高市場占有率。