五種常見可降解地膜的研究應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

曹曉慶 李 璐 張鋒偉 戴 飛 張方圓 李向陽 喬偉豪

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

我國是農(nóng)業(yè)大國，自20 世紀(jì)70 年代起，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式在地膜覆蓋技術(shù)引進(jìn)后發(fā)生了徹底改變。農(nóng)用地膜具有保溫、保水、保墑和防風(fēng)固沙等作用［1］，可將農(nóng)作物產(chǎn)量提高20%～50%［2］，使用效果明顯，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，是繼種子、化肥和農(nóng)藥之后，一項(xiàng)十分重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料［3］。但大量使用的傳統(tǒng)農(nóng)用地膜因降解困難造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染［4-6］，其中土壤污染問題［7］更為突出，制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，解決塑料地膜污染問題受到高度重視。目前，解決此問題的方式有兩種：一是殘膜回收，二是研發(fā)新型可降解地膜。由于地膜厚度不達(dá)標(biāo)、易風(fēng)化，以及殘膜回收機(jī)具落后等原因，殘膜回收困難［8］；而可降解地膜無需回收，對環(huán)境無污染且能改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)作物生長［9］，因此，可降解地膜成為了地膜研究的熱點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

目前已研究出多種可降解地膜產(chǎn)品，其中最常見的有光降解地膜、全生物可降解地膜、光/生物雙降解地膜、液態(tài)地膜和植物纖維地膜［10］?？山到獾啬ぴ谠牧?、制備工藝和降解產(chǎn)物等方面與傳統(tǒng)塑料地膜相比區(qū)別較大，主要以淀粉、產(chǎn)業(yè)廢棄物、農(nóng)作物秸稈等可降解材料為制備原料，具有可降解性、綠色環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)［11］。技術(shù)的不斷革新促進(jìn)了地膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［12］，可降解地膜產(chǎn)品的出現(xiàn)對解決塑料地膜污染問題，以及在挖掘日益枯竭的石油資源替代品方面［13］，具有舉足輕重的作用。因此，本研究基于農(nóng)用地膜的發(fā)展及其應(yīng)用情況，闡述五種可降解地膜的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題，分析各類可降解地膜的降解原理及特點(diǎn)，并展望地膜的發(fā)展趨勢，旨在為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 光降解地膜

光降解地膜是一種在光照條件下可降解的塑料地膜［14］，其研制路線大致可分為光敏劑型、填料型兩條，制備材料主要是大分子鏈上含有雙鍵的聚合物，以聚乙烯為主，制備過程中會(huì)添加一些光敏劑以及其他助劑，以促進(jìn)其對太陽紫外線的吸收及能量的轉(zhuǎn)換，引起光氧化反應(yīng)使光降解地膜中的聚乙烯分子鏈斷裂，從而使得地膜脆化、分裂，進(jìn)而降解［15］。此外，通過調(diào)節(jié)光敏劑及其他助劑的使用劑量以控制降解程度和降解速率，通過添加光降解調(diào)節(jié)劑來調(diào)節(jié)光降解地膜的誘導(dǎo)期，以適應(yīng)不同的用途或使用場合。

我國從1981 年開始采用擠出吹塑雙向拉伸的技術(shù)路線研制聚乙烯（polyethylene，PE）可控光降解地膜，試制出不同使用周期的光降解地膜，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，該產(chǎn)品在規(guī)格、物理性能、使用周期、應(yīng)用效果等方面基本達(dá)到農(nóng)藝要求，具有一定的降解性［16-17］。20 世紀(jì)80 年代初期，張秀波等［17］采用填料型研究路線，通過添加重質(zhì)CaCO3（粒度400 目）、紫外線吸收劑（UV-327、UV-531）、自然基捕捉劑（GW-540）以及界面活性劑等進(jìn)行聚乙烯基光降解地膜的研制，并對該地膜的物理性能、降解性能及其對作物產(chǎn)量的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該地膜降解、增產(chǎn)效果較好，其規(guī)格、物理性能、使用周期等與日本研究的產(chǎn)品接近，但掩埋在土中的地膜因沒有光照條件而無法降解，造成降解不均勻且有殘膜留存。2000 年左右，陳慶華等［18］采用二乙基二硫代氨基甲酸鐵、硬脂酸鐵等五種不同類型的光敏劑研制光敏型地膜，試驗(yàn)結(jié)果表明光敏劑能夠促進(jìn)地膜降解，且降解效果差異顯著，其中硬脂酸鐵對地膜的降解效果尤為明顯，同時(shí)可通過改變添加劑劑量來控制降解周期，以適應(yīng)不同作物以及不同的農(nóng)藝要求。2012 年，張躍彬等［19］基于光敏型地膜，根據(jù)甘蔗生長的特點(diǎn)發(fā)明了一種以線性低密度聚乙烯（linear low density polyethylene，LLDPE）顆粒、光敏劑、熱降解促進(jìn)劑和光降解調(diào)節(jié)劑為原料的光熱降解地膜（厚度0.004～0.1 mm，誘導(dǎo)降解時(shí)間控制在90～150 d），能夠滿足甘蔗的生長要求。近期，元欣等［20］以線性低密度聚乙烯樹脂和玉米淀粉為主要原料，通過添加硬脂酸錳、芥酸酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚等助劑，研制了一種耐久光降解添加型地膜，其降解、除蟲害效果較好，生產(chǎn)成本較低。

國外關(guān)于光降解地膜的研究較早，20 世紀(jì)70 年代，已開展在塑料地膜中添加各種光敏劑以及單線態(tài)氧的研究，蘇聯(lián)、日本等國研制的光降解地膜在國外已獲得許多專利并有產(chǎn)品出售［21］。20世紀(jì)80年代中期，美國DOW化學(xué)公司、杜邦公司和聯(lián)合碳化物公司等研究機(jī)構(gòu)以乙烯/一氧化碳共聚物、乙烯/乙烯基酮共聚物等為原料，制備出了能完全降解的光降解塑料［21］。后期對光降解地膜制備所用光敏劑做了進(jìn)一步研究，如加拿大GUILLETE 公司在聚乙烯中添加甲基乙烯酮和光活性甲基苯乙烯接枝共聚物的光降解母料，美國AMPACT公司生產(chǎn)的含過渡金屬鐵離子的光降解母料等使得光降解地膜降解效果良好［22］。但近年來在光降解地膜方面的研究較少。

綜上所述，光降解地膜在一定條件下能夠完全降解，短期內(nèi)可降低傳統(tǒng)塑料地膜使用量，緩解塑料地膜造成的白色污染問題。但在光降解地膜研制以及實(shí)際應(yīng)用過程中還存在一定問題：因降解條件的限制，被埋在土壤中或者被遮陰的部分地膜不能降解或降解緩慢，僅解決耕作表層中的殘膜；降解后微塑料的長期積累存在對大氣、水質(zhì)和土壤等造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)；制備原料不足、制造成本高、降解時(shí)間不可控等因素制約了光降解地膜的實(shí)際推廣應(yīng)用。光降解地膜的研究主要集中在20 世紀(jì)末到21 世紀(jì)初期，近年來，國內(nèi)外在光降解地膜方面的研究較少。

2 生物降解地膜

生物降解是在自然條件下微生物將地膜分解成細(xì)小物質(zhì)的過程，生物降解材料分為合成型降解材料和天然高分子降解材料。合成型生物降解地膜有化學(xué)合成型和微生物合成型兩種，是使用人工合成高分子進(jìn)行制備的可降解產(chǎn)品，目前已研發(fā)出多種產(chǎn)品。天然高分子型可降解材料資源豐富且可再生，在生物可降解地膜的研究中以對淀粉、纖維素的研究最為廣泛。幾種常見可降解材料的制備方法及特點(diǎn)如表1～3所示。

2.1 合成型生物降解地膜

可降解材料雖豐富多樣，但并非都適用于生物降解地膜的制備。在化學(xué)合成型可降解材料方面，何和智等［36］基于原位反應(yīng)增容原理制備了一種可生物降解的聚乳酸/聚己內(nèi)酯（polylactic acid/polycaprolactone，PLA/PCL）共混材料，通過研究不同配比制備出了增韌性良好的可降解材料，可作為地膜制備的原材料。管彤暉等［37］研究了以聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯［poly（butyleneadipate-co-terephthalate），PBAT］為主要原料的全生物降解地膜在實(shí)地埋土降解試驗(yàn)過程中的降解行為，對其降解過程中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該材料在埋土試驗(yàn)中降解性良好。在使用微生物合成可降解材料方面，尹凌鵬等［38］利用可降解高分子材料PLA 和PBS，在其中添加紫外線吸收劑UV-928及受阻胺光穩(wěn)定劑HS-944制備PLA/PBS生物降解復(fù)合材料，通過研究材料復(fù)合比例及雙螺桿混煉工藝參數(shù)對材料性能的影響，對所制備材料進(jìn)行了光敏波長、光穩(wěn)定性、拉伸性能等指標(biāo)的測定，并通過模擬老化測試分析其在戶外照明條件下的使用壽命，探究降解周期，結(jié)果表明，紫外線吸收劑及受阻胺光穩(wěn)定劑能顯著提升PLA/PBS 生物降解復(fù)合材料耐候性及光穩(wěn)定性，為可降解農(nóng)用地膜的研制提供了可靠依據(jù)。

國外對生物降解材料的研究已經(jīng)比較成熟。Ecochem、Cargill 和Boechringer 等公司生產(chǎn)的聚乳酸（PLA）以及聯(lián)合碳化物公司的聚己內(nèi)酯（PCL）、卜內(nèi)門公司的聚羥基丁、戊酸酯［poly（3-hydroxybutyrate-cohydroxyvaletrte), PHBV］等是利用發(fā)酵和化學(xué)方法制備的可生物降解材料，可用作降解地膜的生產(chǎn)基材［19］。這類產(chǎn)品雖生物降解性能良好，但價(jià)格昂貴，推廣困難，不宜作為農(nóng)用地膜的制備材料。前人對各種生物降解材料的降解性能及應(yīng)用做了較多研究，例如Sintim 等［39］通過評(píng)估四種可生物降解塑料覆蓋物對兩個(gè)地點(diǎn)（田納西州諾克斯維爾和華盛頓州弗農(nóng)山）土壤健康的影響，發(fā)現(xiàn)部分材料對六種土壤性質(zhì)、四種土壤健康指標(biāo)和一種土壤功能的影響顯著，但能否成為傳統(tǒng)地膜的替代品還需進(jìn)一步深入研究。Barragn 等［40］對五種可能可生物降解的地膜（玉米熱塑性淀粉-共聚酯、谷物粉-共聚酯、聚乳酸-共聚酯、聚羥基丁酸酯和馬鈴薯熱塑性淀粉-共聚酯）進(jìn)行了測試，以評(píng)估其在土壤中的降解情況，結(jié)果表明，可生物降解的塑料覆蓋物可能是聚乙烯的可行替代品，但需要在長期研究下進(jìn)行評(píng)估，以更好地確定其對土壤健康的影響。Moreno 等［41］采用聚乙烯膜和生物降解膜在西班牙中部地區(qū)對番茄進(jìn)行覆蓋，分析了不同覆蓋膜對番茄產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)的影響。Rillig 等［42］利用前人對原生生物類群吞噬作用研究的數(shù)據(jù)，研究分析微塑性顆粒對土壤原生生物群落和功能的長期影響。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，可生物降解材料的研究及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。

表2 微生物合成型可降解材料的制備方法及其特點(diǎn)Table 2 Preparation methods and characteristics of microbial synthetic degradable materials

表3 天然高分子型可降解材料的制備方法及其特點(diǎn)Table 3 Preparation methods and characteristics of natural polymer type degradable material

2.2 天然高分子生物降解地膜

天然高分子生物降解地膜制備的原材料主要包括動(dòng)植物的蛋白質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素、淀粉、甲殼素/殼聚糖等多糖以及天然橡膠等［34］。其中淀粉和纖維素在農(nóng)用地膜研究上的應(yīng)用最為廣泛，淀粉作為可降解材料的研究受到廣大研究者的熱切關(guān)注，根據(jù)淀粉的特點(diǎn)，在以淀粉為原料進(jìn)行地膜制備時(shí)需對淀粉進(jìn)行酯化、醚化或使其與其他高分子結(jié)合等化學(xué)或物理改性處理［35］。

早在21世紀(jì)初期，滕立軍等［43］以淀粉-聚乙烯生物降解膜和通用塑料膜PE、流延聚丙烯薄膜（cast polypropylene，CPP）為試驗(yàn)材料，對其物理性能、力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，試驗(yàn)所用降解材料在20～30 d內(nèi)的降解率大于20%；吸水率、滲透性高于通用薄膜聚丙烯（polypropylene，PP）、CPP；力學(xué)性能指標(biāo)能滿足使用要求。李金海等［44］采用流延法，以富含碳源和羥基而易于降解的淀粉與聚乙烯醇等為原料制備出馬鈴薯淀粉基可降解地膜材料，測試結(jié)果表明其保溫、保墑及降解性能良好，土埋法測得其在60 d的降解率接近60%?？偟膩碚f，國內(nèi)生物降解地膜發(fā)展較快，技術(shù)逐漸成熟，為新型降解地膜的研制提供了理論和技術(shù)保障。

國外在生物降解地膜上的研究技術(shù)比較成熟，在以淀粉為原料制備可降解產(chǎn)品方面的研究較為豐富，淀粉基可降解材料被廣泛使用的關(guān)鍵問題是解決淀粉的溶水性，為提升淀粉基可降解材料的 阻水性和強(qiáng)度，國外學(xué)者進(jìn)行了淀粉與其他塑料的混合試驗(yàn)［45-46］。此外，通過淀粉與疏水單體共聚的方法消除羥基，可維持淀粉基可降解材料的穩(wěn)定性。但穩(wěn)定性上升的同時(shí)，也會(huì)帶來可降解性下降的問題［47］。美國NOVON PRODUCTS DIV 公司以熱塑性淀粉為原料生產(chǎn)的NOVON 全降解塑料［48］，日本玉米淀粉公司生產(chǎn)的淀粉基聚合物［49］，德國巴特爾研究所由改性淀粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%其他天然資源系添加劑共混制成的生物降解塑料［50］在降解性、力學(xué)性能、膜的質(zhì)量等方面都有一定的提升。雖然淀粉地膜成本低，但機(jī)械性能較差。近年來，隨著技術(shù)的不斷提升，全淀粉降解材料的開發(fā)已經(jīng)成為更多企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，其中以意大利NOVAMONT 公司［51］為代表，已實(shí)現(xiàn)全淀粉降解材料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

綜上所述，生物降解地膜原材料因豐富多樣、發(fā)展前景可觀、研發(fā)空間大等優(yōu)勢而受到研究者的廣泛關(guān)注，近年來，生物降解地膜在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，應(yīng)用效果良好，能夠緩解地膜污染問題，有望帶來巨大的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也存在力學(xué)性能差、耐水性差、使用周期短、產(chǎn)能低、生產(chǎn)成本普遍偏高等不足，限制了其代替?zhèn)鹘y(tǒng)地膜在農(nóng)業(yè)種植上的大面積推廣應(yīng)用。在生物可降解地膜的研發(fā)過程中，主要是通過對材料改性以及共混來制備不同可降解材料。理論上地膜降解后會(huì)在土壤中留下一定的微塑料，已有研究表明，微塑料對土壤中的微生物等具有一定影響［52］，但影響領(lǐng)域和程度目前鮮有報(bào)道，可能將成為新的環(huán)境污染源。作為目前研究比較成熟的可降解產(chǎn)品，生物降解地膜在農(nóng)業(yè)上被大面積推廣，解決地膜產(chǎn)能和生產(chǎn)成本問題是生物降解地膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)地膜的關(guān)鍵所在。

3 光/生物雙降解地膜

光/生物降解地膜又稱雙降解地膜，主要結(jié)合了光降解地膜與生物降解地膜的降解機(jī)理，利用淀粉等可被微生物分解的物質(zhì)與聚乙烯、合成樹脂等共混制成［53］。根據(jù)光降解材料與生物降解材料存在的特點(diǎn)，在兩種降解材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，研制出光/生物雙降解材料，并以其為原料制備的新型地膜可以同時(shí)發(fā)生光降解和生物降解，理論上光/生物降解地膜能夠滿足完全降解的基本要求［54］。

20 世紀(jì)90 年代以來，國內(nèi)在光/生物降解地膜方面的研究較多，且研究進(jìn)展較快，目前技術(shù)比較成熟，已有多種產(chǎn)品進(jìn)行大田試驗(yàn)。20 世紀(jì)末，“潔境”牌雙降解地膜作為高新科技產(chǎn)品由北京塑料研究所推出［55］，該產(chǎn)品未添加淀粉，而是利用微生物活性化合物作為生物降解體系并以含鐵有機(jī)化合物為光敏體系，來調(diào)控地膜的降解周期。21 世紀(jì)初期，Ding 等［56］利用傳統(tǒng)的塑料加工設(shè)備制得以玉米淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約30%）、低密度聚乙烯和線型低密度聚乙烯為主要原料的光/生物降解塑料薄膜（厚度約20 μm），該材料力學(xué)性能、降解性能良好。劉再滿等［57］研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的淀粉光/生物降解聚乙烯薄膜的光降解性能、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及降解機(jī)理，分析了光敏劑種類和用量對地膜降解速率的影響，發(fā)現(xiàn)光敏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%時(shí)制得的光/生物降解薄膜光降解性能較好。齊宇虹等［58］研究了由光敏劑硬脂酸鐵和抗氧劑1076 組成的光/生物雙降解聚乙烯薄膜各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律，以及硬脂酸鐵和抗氧劑對地膜相關(guān)指標(biāo)和降解性能的影響。2016 年中旬，周濤等［59］通過填埋試驗(yàn)和老化箱試驗(yàn)分別研究了光氧生物雙降解地膜的生物降解性能和紫外線降解性能，探究了地膜在填埋前后的特性黏數(shù)和力學(xué)性能變化，結(jié)果表明地膜在充足光照條件下的降解能力更優(yōu)。

國外對于光/生物雙降解地膜開展相關(guān)研究的時(shí)間較早，已初見成效的技術(shù)有加拿大ST淀粉公司與瑞士ROXO 公司合作開發(fā)的Ecostar 金屬有機(jī)化合物復(fù)合母粒Ecostarplus，它兼具光降解和生物降解的雙重特性，比E-costar 的降解速度快了近5 倍［60］。1988 年，英國GRIFFIN 公司推出了以低密度聚乙烯、淀粉、增塑劑、光化學(xué)降解劑為材料的光/生物雙降解地膜產(chǎn)品，美國、加拿大的幾家公司先后按此專利開始投入工業(yè)化生產(chǎn)，主要代表產(chǎn)品為淀粉型光/生物降解地膜［61］。但近年來關(guān)于光/生物雙降解地膜的研究鮮有報(bào)道。

光/生物降解地膜降解效果較好，可被降解成小顆粒，短期內(nèi)對作物生長及微生物沒有明顯的負(fù)面影響［62］。但生產(chǎn)成本偏高，成本問題是光/生物降解地膜推廣的主要障礙，且降解條件抑制了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用。理論上，隨著光/生物降解地膜使用時(shí)間的延長，土壤中微塑料顆粒將逐漸增加且難以清除，可能帶來微塑料二次污染，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，光/生物雙降解地膜對土壤生態(tài)和作物生長的影響有待進(jìn)一步深入研究。受降解條件以及生產(chǎn)成本的制約，近年來對光/生物雙降解地膜的研制轉(zhuǎn)向氧化-生物雙降解地膜。

4 液態(tài)地膜

液態(tài)地膜起源于19 世紀(jì)中后期，是以農(nóng)作物秸稈為原料，由木質(zhì)素、膠原蛋白、表面活性劑等天然高分子物質(zhì)經(jīng)特殊加工而形成的高分子材料。液態(tài)地膜原料豐富，最早使用石油渣油或?yàn)r青為原料［63］，后續(xù)又研究出以生物質(zhì)、腐植酸和造紙黑液［64］、釀酒廢液、淀粉廢液等有機(jī)質(zhì)為原料的液態(tài)地膜，并發(fā)明了腐植酸可降解褐色地膜粉體化技術(shù)［65］，近年來，以畜禽糞便為原料的液態(tài)地膜也有報(bào)道［66］，其降解產(chǎn)物仍可作為肥料還田，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物生長。

我國液態(tài)地膜的研究工作起步較晚，1986 年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所根據(jù)比利時(shí)瀝青乳化劑的相關(guān)研究路線，首次研制了我國的農(nóng)用液態(tài)地膜［67］。但因當(dāng)時(shí)研究技術(shù)不夠成熟，在國內(nèi)環(huán)境適應(yīng)性較差，以及價(jià)格昂貴、運(yùn)輸不便等原因，未能進(jìn)行大面積的推廣。1998 年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所聯(lián)合國內(nèi)北京燕山石化公司研究院等研究機(jī)構(gòu)，研發(fā)出我國第一代液態(tài)地膜［68］。之后隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及人們對環(huán)境問題的關(guān)注，在液態(tài)地膜的研究方面出現(xiàn)了較多研究團(tuán)隊(duì)，以乳化瀝青、大分子有機(jī)物腐植酸、褐煤以及各種工業(yè)廢液為原料，通過添加交聯(lián)劑、成膜劑、保水劑等添加劑以及硅肥、微量元素、除草劑等進(jìn)行了多功能可降解液態(tài)地膜的研究，到目前為止已有五代液態(tài)地膜研制成功［69］。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，在液態(tài)地膜研究方面，2001—2014 年期間液態(tài)地膜的發(fā)明專利有20 多項(xiàng)［67］，其材料多樣，主要以泥炭、風(fēng)化煤及制造的腐植酸為主。近年來，液態(tài)地膜產(chǎn)品較多［70-72］，以畜禽糞便［73］、沼渣［74］、蒙旦蠟樹脂［75］等為原料的新型產(chǎn)品也有報(bào)道，這些液態(tài)地膜在功能以及性能上都有很大提升。

2020 年，嚴(yán)國富等［76］通過從褐藻（馬尾藻）中提取海藻多糖，添加保水劑，加入一定量的甲殼胺等研制出了海藻生物保水液態(tài)地膜，并對其保水性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，海藻生物保水液態(tài)地膜成膜性好，具有一定韌性，透光率強(qiáng)，能夠減少水分蒸發(fā)和蒸騰。楊娜［77］針對城市綠地緊實(shí)、結(jié)構(gòu)差、保水保肥性能差等問題，研究江蘇省連云港市金河液態(tài)地膜廠生產(chǎn)的液態(tài)地膜對土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及植株生長量（以孔雀草為供試材料）的影響，結(jié)果表明，施用該液態(tài)地膜能夠較好地改良土壤物理和營養(yǎng)性質(zhì)，促進(jìn)植株生長。近期，隋振全等［78］采用溶液共混法以殼聚糖和聚乙烯醇為原料制備了一種新型可降解液態(tài)地膜，通過研究兩種材料的質(zhì)量比對共混干膜的力學(xué)性能、水蒸氣透過率和水溶性的影響規(guī)律，得出了綜合性能較好的原料配比參數(shù)，即濃度為1.0%殼聚糖溶液和濃度為4.0%聚乙烯醇溶液的質(zhì)量比（mA∶mB）為8∶2 時(shí)干膜的綜合性能較好，試驗(yàn)證明該液態(tài)地膜對提升土壤含水率、蔬菜種子發(fā)芽率及大棚番茄生長發(fā)育具有積極影響。

1963 年，比利時(shí)開發(fā)了瀝青乳化劑，研究發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品施入土壤后能將分散的土壤顆粒迅速凝聚成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具有增溫保墑、改良土壤的作用［67］。1990 年，意大利研發(fā)了一種天然高分子材料的新型噴灑式液體地膜，20 世紀(jì)末，德國、意大利、瑞典等國將該產(chǎn)品在番茄、蘆筍、草莓、馬鈴薯等作物種植上進(jìn)行了試驗(yàn)，效果顯著［79］。21 世紀(jì)以來，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，研究人員對液態(tài)地膜進(jìn)行改良得到了成本相對較低、質(zhì)量更穩(wěn)定的產(chǎn)品［67］。Warnick 等［80］以報(bào)紙、石膏、廢棉紗為主要原料制備了一種可降解液體地膜，并在美國佛羅里達(dá)州進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究表明該產(chǎn)品能有效抑制雜草生長。Montesano 等［81］以羧甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素兩種纖維素衍生物為原料，制備了一種適用于短周期作物的新產(chǎn)品，并以黃瓜為試驗(yàn)對象進(jìn)行了田間試驗(yàn)，研究表明該產(chǎn)品降解周期短，且促進(jìn)瓜果蔬菜等作物生長的效果顯著。Sartore 等［82］以皮革廢液中的蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物為主要原料制備了可降解液態(tài)地膜，田間試驗(yàn)研究表明，該產(chǎn)品促進(jìn)了生菜干物質(zhì)的積累，經(jīng)檢測，蔬菜收獲60 d 后，土壤中殘留的液體地膜質(zhì)量僅為初始質(zhì)量的5%。可見，液態(tài)地膜對農(nóng)業(yè)種植具有一定的促進(jìn)作用，可針對不同時(shí)期、不同種類的農(nóng)作物進(jìn)行推廣［83］。

綜上所述，液態(tài)地膜原材料以農(nóng)業(yè)廢棄物、工業(yè)廢棄物為主，可直接噴灑在地里面，也可用水將其稀釋、溶解成液體后再噴灑在地里面，待凝固后會(huì)在土地表面形成一層薄膜，并在一定時(shí)間內(nèi)自然降解，降解后的產(chǎn)物短期內(nèi)對環(huán)境無明顯影響，有改善土壤結(jié)構(gòu)的功效，解決環(huán)境污染的同時(shí)可進(jìn)行廢棄物的資源化利用，對于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極作用，但在研究以及使用過程中存在以下不足之處：液態(tài)地膜噴施后與土粒粘連的同時(shí)，對噴射設(shè)備也具有粘連作用，會(huì)導(dǎo)致噴頭堵塞等問題［84］；液態(tài)地膜儲(chǔ)存、運(yùn)輸不便，環(huán)境適應(yīng)性較差，施用時(shí)受環(huán)境影響較大；施用過程中不易均勻噴施在土壤表面，不能形成完全密閉的膜層，施用者過量噴施會(huì)造成出苗困難、成本增加、降解周期變長等問題；石油瀝青不可再生，瀝青及其所含蒽、菲、吡啶等均是有毒物質(zhì)，會(huì)對土壤造成污染，而污染物阻止外界降水進(jìn)入土壤，降低土壤的滲透性［85］。故在噴施設(shè)備、液態(tài)膜材料和添加劑方面還需要進(jìn)一步的深入研究，以盡可能降低生產(chǎn)成本、提升性能，提高環(huán)境適應(yīng)性。

5 植物纖維地膜

隨著農(nóng)用地膜制備技術(shù)的不斷發(fā)展，20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了以植物纖維為主要原料的農(nóng)用地膜——植物纖維地膜。植物纖維地膜是以玉米、水稻、小麥、大豆、棉花等多種農(nóng)作物秸稈以及各種牧草、廢舊織物纖維、廢棄藥渣、廢舊紙漿等為主要原材料制成的可降解纖維地膜，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可促進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展。纖維素因具有可生物降解性和環(huán)保性等特性，是纖維地膜制備的首選材料，使用不同纖維材料制備的地膜在性能上存在巨大差異［86］。

纖維品質(zhì)對地膜性能起決定性作用，原材料的前期處理和地膜的后期處理都會(huì)改變地膜的性能，不同的材料和處理方式?jīng)Q定產(chǎn)品生產(chǎn)成本，在植物纖維地膜的研究中，以廢舊紙漿、農(nóng)作物秸稈、麻類纖維、中草藥渣、廢舊棉織物等為地膜生產(chǎn)原料的較多。其中紙基地膜是以廢舊紙漿、造紙所用材料（玉米、大豆、水稻、小麥等農(nóng)作物秸稈）等為主原料，并通過添加適量的輔料和濕強(qiáng)劑、透明劑等助劑以改善紙地膜的紙張性能［87］。隨著地膜制備技術(shù)的不斷改進(jìn)，紙地膜產(chǎn)品不斷創(chuàng)新且性能不斷優(yōu)化，為后續(xù)纖維地膜的研究提供了技術(shù)與理論支撐。

麻類纖維地膜自上世紀(jì)末開始研究以來一直受到很大關(guān)注，在21 世紀(jì)初期麻纖維地膜迅速發(fā)展，成果顯著，產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)。周文春［88］研究比較了濕法造紙、干法造紙以及常規(guī)造紙等不同制備工藝對麻纖維地膜性能的影響，表明采用濕法造紙生產(chǎn)麻纖維地膜較優(yōu)，提出了地膜定量、強(qiáng)度、生產(chǎn)成本等技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為后續(xù)纖維地膜的研究以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。解決好品質(zhì)和成本之間的矛盾是纖維地膜大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵所在。付登強(qiáng)［89］研究表明，麻纖維地膜具有良好的集雨、節(jié)水效應(yīng)以及溫和的保溫效應(yīng)，可減輕低溫、干旱對作物的影響，促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。宋建龍［90］研究表明麻纖維地膜降解周期短（6～7個(gè)月完全降解），降解后可促進(jìn)土壤微生物數(shù)量的增加，改善土壤環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)作物生長。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，植物纖維地膜受到更多研究者的關(guān)注，以玉米、大豆、水稻、小麥等農(nóng)作物秸稈以及廢舊棉纖維為材料制備的地膜新產(chǎn)品迅速發(fā)展［91-92］。近年來，前人開展了以水稻、玉米、小麥、大豆等多種農(nóng)作物秸稈為原材料的可降解纖維地膜研究，結(jié)果表明，不同材料的地膜性能差異較大，可通過不同材料混合制備來提高地膜性能，通過添加一定的助劑能改善地膜降解周期、疏水、透氣、透光等性能，且效果良好［67，93-96］。同時(shí)，陳星智［97］針對蔗渣特性、污染問題，采用機(jī)械法打漿，高溫蒸煮和半化學(xué)半機(jī)械法進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，分析不同濃度NaOH 對蔗渣各組成成分的影響，蒸煮打漿并抄制地膜，測定膜的相應(yīng)力學(xué)性能指標(biāo)，通過建模以及參數(shù)優(yōu)化，制造出了降解性能良好且材料新穎的蔗渣基可降解地膜。王溦［98］則以藥渣為主要原料，通過添加防腐劑等助劑，同樣制造出新型的可降解地膜，且性能良好。綜上，在纖維地膜的研究中，原材料極為豐富且為綠色環(huán)?？稍偕Y源，具有巨大的發(fā)展空間，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料地膜，成為新一代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。

國外對地膜的研究和應(yīng)用相對較早，其中日本是較早研究可降解農(nóng)用地膜的國家之一。日本在紙地膜方面的研究較多，研制出了不同用途的紙基地膜產(chǎn)品，但因研究初期價(jià)格較高而未在農(nóng)業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。日本三井化學(xué)株式會(huì)社研究的無紡布地膜（表4）用于蔬菜種植后，防蟲害效果良好，進(jìn)而大大減少了農(nóng)藥的使用，使得蔬菜更加清潔，生產(chǎn)成本隨之降低，且使用周期長（3 年左右），普遍應(yīng)用于胡蘿卜、洋蔥、土豆、甜玉米等蔬菜種植［99］。

表4 三井化學(xué)株式會(huì)社研究的無紡布地膜Table 4 Non-woven mulch researched by Mitsui Chemicals Co.

20 世紀(jì)末，Ueno 等［100］以回收的廢紙為材料研制出了紙基地膜，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其降解性能良好，降解周期較短（40～60 d），且能夠抑制雜草生長，但存在降解不均勻的現(xiàn)象。目前，許多紙類材料以及造紙所用的原材料已應(yīng)用于紙地膜的制造，如牛皮紙、重型紙、蠟紙、瀝青浸潤紙、黑色紙、報(bào)紙等，牛皮紙性能較優(yōu)，可直接作為地膜使用，又可做地膜原材料，是目前使用最多的一種紙地膜原材料。另外，因紙地膜原紙存在疏水性能差、機(jī)械強(qiáng)度小等缺點(diǎn)，可通過使用大豆油、石蠟、聚乙烯膜、可降解聚乙烯等涂層材料來處理紙地膜以改善其性能［101］。法國、德國、意大利、加拿大、荷蘭和韓國等國家對地膜的需求量日益增大，對于環(huán)保地膜的渴求強(qiáng)烈，從而帶動(dòng)了國際環(huán)保地膜產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。目前，法國很多蔬菜和水果的種植采用無紡布地膜，國外正在進(jìn)行全淀粉型地膜材料、淀粉與大麻纖維混合的降解地膜材料等的研制［102］。

我國秸稈資源豐富，但被重新回收利用的資源卻很少，導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重，若將秸稈資源用于地膜制備，不僅可減少普通塑料地膜的使用量以解決環(huán)境問題，還能促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄原料的資源化利用。植物纖維能被土壤中的微生物分解，且分解產(chǎn)物可作為肥料還田，促進(jìn)農(nóng)作物生長，與液態(tài)地膜相比，更易于儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)，若能廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可在帶來經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的同時(shí)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展。由原材料自身環(huán)保到纖維地膜產(chǎn)品環(huán)保性的轉(zhuǎn)變，為解決地膜污染問題提供了保障，纖維地膜有望成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料地膜的新型產(chǎn)品。但是植物纖維地膜的研究還存在一定的不足：由于麻纖維的優(yōu)質(zhì)特性，大量用于農(nóng)用地膜的制備，生產(chǎn)成本過高，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大面積推廣應(yīng)用必然受限；目前國內(nèi)有塑料膜、紙和紙版的標(biāo)準(zhǔn)，但缺乏紙基地膜的標(biāo)準(zhǔn)；其他植物纖維地膜還處于研發(fā)階段，在力學(xué)性能、增溫保墑、降解性能等方面的研究還不成熟，因此需要更進(jìn)一步的深入研究。

6 可降解地膜的應(yīng)用

可降解地膜作為新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。早期光降解地膜的研究多應(yīng)用于甘蔗、煙草等作物［103-104］。在地膜研發(fā)過程中，生物降解地膜更受關(guān)注，目前研究技術(shù)較為成熟、研究成果顯著、應(yīng)用范圍廣，已被廣泛應(yīng)用于糧食、瓜果蔬菜等多種作物［105-114］?？傮w來說，生物降解地膜覆蓋效果與傳統(tǒng)塑料地膜接近，且降解性良好，降解產(chǎn)物無污染，無需殘膜撿拾。光/生物雙降解地膜結(jié)合了光降解地膜與生物降解地膜的優(yōu)點(diǎn)，在棉花［115-117］、玉米［118］等多種作物中進(jìn)行了大田試驗(yàn)，在保溫效果、地膜性能上與普通地膜類似，因具有降解性而使田間殘膜量減少，對于環(huán)境保護(hù)具有一定的效果，但作物增產(chǎn)效果不明顯。液態(tài)地膜也被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，不僅在玉米［119-121］、馬 鈴 薯［122-123］、花 生［124-126］、烤 煙［127］以 及 瓜 果 蔬菜［128-129］等作物中均有應(yīng)用，在防治水土流失、植樹造林等方面也有應(yīng)用［130］，實(shí)際應(yīng)用情況表明，液態(tài)地膜可提高作物產(chǎn)量、改善土壤環(huán)境、防風(fēng)固沙、防止水土流失［67］，但儲(chǔ)存和運(yùn)輸不便，環(huán)境適應(yīng)性較差。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，近年來對植物纖維地膜的研究逐漸受到關(guān)注，在水稻等作物栽培方面進(jìn)行了應(yīng)用［131-132］，但使用范圍小，應(yīng)用較為匱乏。

五種可降解地膜中最成熟的生物降解地膜近幾年的應(yīng)用情況如表5所示［133］。

表5 近幾年生物降解地膜應(yīng)用情況Table 5 Application of biodegradable mulch in recent years

7 結(jié)論與展望

地膜覆蓋技術(shù)作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要栽培方式，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，特別在干旱區(qū)由于地膜的保溫、保墑、集雨、除雜草等優(yōu)點(diǎn)使得作物增產(chǎn)增收效果明顯，是農(nóng)業(yè)發(fā)展不可或缺的一種生產(chǎn)資料。本研究對五種常見可降解地膜的研究進(jìn)展、地膜應(yīng)用情況以及地膜污染問題進(jìn)行了總結(jié)，總體上，由于可降解地膜普遍生產(chǎn)成本高，力學(xué)性能、物理性能、環(huán)保性等方面還存在一些問題，因此，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大面積推廣應(yīng)用受限。

近年來，對植物纖維地膜的研究受到廣泛關(guān)注。植物纖維地膜原材料豐富、可再生、綠色環(huán)保，產(chǎn)品可降解、無污染，且降解后可直接還田，改善土壤生態(tài)環(huán)境，既能提高秸稈廢棄物等的資源化利用，又可促進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，為人民帶來良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益。但植物纖維地膜力學(xué)性能、增溫保墑、降解性能等方面的研究不夠成熟，基于目前研發(fā)現(xiàn)狀與應(yīng)用實(shí)踐情況，可從以下幾方面進(jìn)一步深入研究：

第一、基于不同種類植物纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理特征，在材料預(yù)處理過程中避免產(chǎn)生污染環(huán)境的廢棄物；

第二、使用不同纖維制備地膜時(shí)，在滿足使用強(qiáng)度要求的前提下盡量降低紙張克重；

第三、以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為準(zhǔn)則，優(yōu)化植物纖維地膜后處理工藝，提高其疏水、透氣、透光等性能；

第四、以農(nóng)業(yè)機(jī)械化為目的，提升地膜的機(jī)械強(qiáng)度，以適應(yīng)實(shí)際的機(jī)械作業(yè)生產(chǎn)相匹配的機(jī)械設(shè)備，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程；

第五、針對使用環(huán)境、土壤特點(diǎn)，不同作物生長特性以及地膜的使用季，針對性研究不同作物秸稈纖維的特性，將其獨(dú)特性用于不同功能地膜的研究，以提升植物纖維地膜的適應(yīng)性；

第六、加快推進(jìn)纖維地膜原料預(yù)處理方式、制備技術(shù)、應(yīng)用實(shí)踐，形成一套完善的生產(chǎn)應(yīng)用流程；

第七、繼續(xù)拓展各類植物纖維在地膜上的應(yīng)用研究。