生物降解地膜应用浅谈

庞买只

地膜不仅能够提高地温、保水、保土、保肥，还能在育苗时确保苗齐、苗全、苗壮，而且还有抑草、防病虫、防旱抗涝等功能，最终提高作物产量。20世纪60年代，地膜覆盖技术在日本、欧美等国家兴起，并得到普及。1979年以来，地膜覆盖栽培技术在我国得到了大力推广。我国1980年农膜覆盖面积仅为0.167万公顷（2.5万亩），2005年地膜覆盖面积达0.09亿公顷（1.35億亩），2011年地膜覆盖栽培面积达0.23亿公顷（3.5亿多亩），全国地膜用量达120万t，我国已成为世界上地膜使用量最多的国家。预计2015年地膜覆盖栽培面积可达0.267亿公顷（4亿亩）左右，地膜需求量达140万t左右。地膜的普及应用，尤其对于干旱、气候条件恶劣的地区，对农作物起到了保温保墒的关键性作用，使得作物产量明显增加，地膜已经逐渐成为农业中不可缺少的生产物资。

一、地膜污染日益严重

随着地膜覆盖面积不断推广，地膜使用量逐年增加，由于普通地膜难以回收，而且在土壤中100年也不降解。因此，经过多年的累积使用，土壤中地膜残留量越来越多，大量废旧地膜年复一年残留累积在土壤中，其危害正日益凸现。

甘肃省农业生态环境保护管理站监测结果显示，不同地膜覆盖地块土壤中的残膜量相差3倍多，每亩残膜量最高的为14.67kg，最少的为5.23kg。中国农业科学院监测数据显示，目前我国长期覆膜的农田土壤，平均每亩地膜残留量在5～15kg。2013年5月8日CCTV-1《焦点访谈》“农田里的白色污染”节目中提到，最严重污染地的残膜量达597kg/公顷。

土壤中的残留地膜对土壤以及环境的危害日益加重：耕地中残留地膜不断增加，土壤的原有结构遭到破坏，土壤肥力水平随之下降；残膜直接影响作物根系的发育和均匀分布，阻碍作物对水分和养分的吸收，导致作物减产；随意弃置于田边、地头的残膜，被风吹散后，挂附在农田周围的树枝、电杆上，飘到地头、路旁沟渠等处，影响自然景观，也影响农村环境卫生；残膜与秸秆、牧草混在一起，被牲畜误食后还会引起病害甚至死亡；残膜随意堆放或者焚烧，又会造成二次水源或气体污染。

废旧农膜残留污染已经成为农业可持续发展的严重威胁，因此，有效防治农田“白色污染”已刻不容缓。

二、解决地膜污染的途径

目前，解决地膜污染的途径主要为2大类。

1.地膜回收利用

地膜回收利用的思路主要是加大地膜回收利用力度，不仅减少了地膜的残留，而且回收的地膜可以得到重新利用，但是目前地膜回收利用也面临着诸多困难。

（1）回收效率低

普通地膜为了达到较高透明度、降低成本等，地膜做的很薄，厚度一般为0.004～0.006mm，这样也使得地膜强度差，使用后由于老化，而且与土壤粘在一起，无论是机器还是人工，都很难回收，回收效率很低。

（2）回收成本高

地膜回收时的人工及设备投入成本大于回收薄膜的收益，社会效益虽大，经济效益却很小，加上残膜回收设备技术不够成熟，而大型残膜回收机械价格过高，农户购买能力不足。

（3）造成二次污染

回收的残膜与根茬、泥土混杂在一起，清洗难度大，即使清洗，也会造成水资源浪费，残膜上的农药、化肥残留等也会对水造成二次污染。如果将残膜进行焚烧，又可能对大气造成污染。

（4）回收后重新利用价值不大

回收的破损地膜碎片，由于风化老化，性能损失严重，几乎没有循环再利用的价值。

因此，人们如果想通过地膜回收利用的途径解决地膜污染问题，还需要做如下几方面的努力：

①加大地膜厚度，减少回收难度。地膜厚度增加后，强度好、老化慢、使用后便于回收，残膜就会很少了。

②修改地膜国标。原来的地膜国标《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB 13735-1992）中地膜的最低厚度为0.008±0.003mm，很多企业为了追求成本最低、利益最大，生产的地膜厚度通常为0.004～0.006mm，因此，为了便于回收，就要从标准上加大地膜厚度，例如修改地膜最低厚度为0.01mm，针对使用期较长的地膜，厚度甚至可以设定为0.015～0.020mm。

③加大地膜补贴。由于地膜增厚了，成本明显增加，农民的积极性下降，因此，政府可以出台相关补贴政策，鼓励农民选用增厚地膜，摒弃使用超薄地膜。

④加大回收机械的研发、研制。地膜回收是一个产业，人工回收成本高，效率低，加大地膜回收机械的研发研制，而且回收机械要做大做好，提高回收效率，降低回收成本。

⑤完善回收机构的机制，激励企业重新处理利用废旧地膜。政府应该建立专业的残膜或回收地膜的回收机构，鼓励回收机构去农田大规模回收，并鼓励回收机构循环利用回收地膜材料。

总之，地膜回收利用这个途径还有很长的路要走。

2.使用降解地膜

解决地膜污染的另外一个途径，是采用降解地膜。降解地膜按照降解方式，可分为光降解、热降解、氧化降解、生物降解以及组合降解等，而真正环保、真正绿色的就是生物降解地膜。我国降解地膜发展经过了图1所示的几个阶段。

降解塑料不等于生物降解塑料，尤其以聚乙烯（PE）为基质，添加各种降解助剂得到的降解材料，并不是真正绿色环保的材料，因为它的降解产物不能被环境代谢吸收，所以它们与生物降解塑料存在着根本的区别。

生物降解塑料是指在自然界如土壤和/或沙土等条件下和/或特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最终完全降解变成二氧化碳（CO2）或/和甲烷（CH4）、水（H2O）及其所含元素的矿化无机盐以及其他新生物质的材料。

目前，世界上已经产业化的几种生物降解塑料有聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯（PBAT）、聚羟基烷酸酯（PHAs）、聚丙撑碳酸酯（PPC）、聚己内酯（PCL）等，这些材料均已符合ASTM D6400和EN 13432的标准。

生物降解塑料地膜是指以完全生物降解塑料为主要材料，或加入淀粉、纤维素等天然生物降解材料，或加入無环境危害的无机填充物、功能性小分子助剂等材料，采用吹塑、流延等工艺生产的农用地面覆盖薄膜。该生物降解地膜可在自然界条件下，由光照、温度、水份、氧、微生物等综合环境因素作用引起降解，并能在1～2个植物生长周期内能最终完全降解为二氧化碳和/或甲烷、水及其所含元素的矿化无机盐以及其他新生物质的地面覆盖薄膜。

生物降解地膜具有与普通PE地膜一样的使用性能，但它废弃后可被环境微生物完全分解，最终成为自然界中碳素循环的一个组成部分。由于其可以完全被环境中的有机质代谢掉，从根本上解决了“白色污染”的问题，因此，它被全球公认为一种真正绿色的环保产品。

在我国这样一个农业大国，地膜使用量最大的国家，推广使用生物降解地膜，不但符合地膜的发展趋势，也适应了国民经济基础产业发展的需求。生物降解地膜本身能够在使用后完全降解，且降解后对土壤、作物、环境不存在任何负面影响，则能够从源头上彻底解决残留地膜造成的“白色污染”问题，是解决地膜污染最环保有效的一种方案。

我国疆域面积广大，各地区农业气候条件差异很大，农作物种类繁多，不同农作物对地膜使用时间、功能作用的要求不同，一种配方组成的地膜无法满足不同地区、不同农作物的生长需求。

因此，生物降解地膜推广应用的瓶颈主要在于——不同地区、不同气候环境下，针对不同作物，开发研制一种降解速度与作物生长需求相匹配的地膜产品，而且该地膜的其他性能指标（力学性能、增温性、保墒性、抑草性、透光性等）也得满足作物需求。

三、生物降解地膜降解机理与工艺技术

1.降解机理

充分认识地膜的降解机理，才能针对性的对地膜的组成进行设计。地膜所处的环境为自然环境，不是堆肥，也不是单纯的土壤，有光照、空气、水份、微生物等复杂条件，降解机理极为复杂，生物降解地膜不可能只发生生物降解，它与普通PE地膜同样经受光、氧降解作用的同时，还要经受水解以及微生物的降解作用。

地膜在自然使用状态下，发生的降解作用有：①光降解。针对棉花等作物，或在新疆等光照强度大、光照时间长的地区，以及高海拔地区，光降解作用会很强烈。②水解。针对水稻等作物，或在雨水充沛的地区，水解作用会很强烈。③生物降解。在一定的温、湿度作用下，微生物活性较高、种群较丰富的地区，生物降解作用会很强烈。④氧化降解。在低海拔地区，氧化降解作用会很强烈。⑤其他降解。土壤中的农药、化肥等对地膜也有一定的降解作用。

2.工艺技术

根据生物降解地膜在自然环境下所经历的多种复杂的降解过程，可以针对性地进行配方组成设计和生产工艺设计，使其性能能够达到作物的使用要求。降解地膜的一些关键技术可概括如下：

（1）地膜专用降解树脂的分子设计与合成技术

树脂材料的分子组成以及分子结构，决定了其各种性能如力学性能、热性能、老化性能等，因此，要想获得特定性能的树脂材料，必须得对其分子组成和分子结构进行设计。例如，地膜吹塑加工时，膜泡直径一般较大，厚度一般很小，吹膜工艺对材料的熔体强度要求较高，因此，可以在树脂的合成阶段引入支化结构，提高材料的熔体强度。

（2）降解地膜专用料的复合改性技术

依据地膜的降解机理，针对性地在地膜材料中引入各种功能性助剂或组分，实现对其降解速率的控制，以及使得地膜达到满足使用要求的力学性能、增温性能、保墒性能等。

（3）降解地膜稳定加工技术

降解材料一般为脂肪族聚酯、脂肪族-芳香族共聚酯材料，分子链上大量酯基以及端羟基、端羧基的存在，使得材料的极性较大，受热加工吹膜时，粘性较大，开口性较差，必须找到合适的爽滑、开口体系解决薄膜的粘性和开口性问题。降解材料的热稳定性较差，加工温度较高时，容易热解。因此，加工温度一般偏低，而此时材料的熔体粘度就会较高，加工设备的负荷就会增大，这就要求设计设备的动力要充足。适用于柔性薄膜的降解材料一般为脂肪族-芳香族共聚酯，由于共聚、支化等原因，导致分子链结构不规整，结晶速度较慢，吹膜加工时，冷却速度就较慢，因此，要通过引入结晶成核剂等方法加快其冷却速度，使其尽快定型。由于降解材料的熔体强度偏低，冷却速度偏慢，在吹膜加工过程中，如果冷却风均匀性、平稳性较差时，膜泡局部区域容易被不稳定气流冲破，就会出现“膜泡摆动或膜泡葫芦状”现象，因此，要对吹膜机的风环结构进行改造，改善冷却风的稳定性和均匀性。适用于柔性薄膜的降解材料柔韧性较好，断裂伸长率较高，弹性较大，在吹膜过程中，牵引、收卷等工序容易张力过大，薄膜就会出现拉伸变形、死皱，因此，要对吹膜机的牵引和收卷系统进行无张力性改造，避免这些问题。由于降解材料的支化结构较少，吹胀比较小时，薄膜的纵横向强度差别较大，为了使得薄膜的纵横向强度均匀，吹胀比2.5以上时，薄膜在纵横向2个方向上都能经过一定的拉伸取向，强度区域均匀，因此，建议吹胀比尽量达到2.5以上。

（4）降解速度可控性关键技术

针对地膜的各种降解作用，设计各种地膜专用料配方，实现对其降解速率的控制。通过地膜厚度的调整，也能实现降解速率的调节。

（5）降解地膜的保水性优化技术

例如，厚度为0.01mm的PBAT薄膜透水率为1 000g/（m2×24h）左右，而PE仅为100g/（m2×24h）左右，保水性差，需要大大改善保水性。优化的技术包括：引入保水性的功能性助剂；引入阻隔材料或多层复合，提高薄膜阻水性。

（6）降解地膜标准与效果评价规范

降解地膜标准与效果评价规范包括：降解地膜厚度、降解速度、透光率等标准需要规范；使用降解地膜的作物有效积温、地膜保水性、增温性、抑草性等也需要标准评价；降解地膜使用后的残膜量，以及降解后对土壤、后续作物的长期影响，也需要进一步评价。

（7）降解地膜的低成本生产技术

降解材料的价格是PE的2～3倍，高昂的成本也是制约其推广应用的一个瓶颈。降解材料规模化的生产、工艺技术的改进，材料成本的降低，将是一个必然趋势。

四、生物降解地膜效果评价

1.初始评价

与普通PE地膜相比，生物降解地膜除了降解特性外，其他力学性能指标如拉伸强度、断裂伸长率、直角撕裂强度、落镖冲击强度等也必须与普通PE地膜指标持平。

2.过程评价

（1）降解速度

生物降解地膜从覆盖到完全消失，要经历几个性状变化的阶段，参照全国农业技术推广服务中心首席专家张真和老师的意见，可以把降解周期分为以下几个阶段：诱导期、破裂期（开裂期）、大裂期（崩解期）、碎裂期（完全崩解期）和无膜期（完全降解期）几个阶段。降解阶段的判定标准见表1。

地膜的降解阶段可以形象的反应地膜的降解速度，也直接影响作物的生长进程，因此，这些降解周期是评价地膜效果最有价值的指标之一。地膜的降解速度要与农作物对降解阶段的要求一致，偏差过大，即降解过快或过慢都可能造成减产。

（2）增温性

使用降解地膜时，记录土壤0～25cm深的温度变化，与使用PE地膜的情况对比，计算其有效积温，满足作物的生长需求。

（3）保墒性

降解地膜最大的挑战莫过于保墒性的提高，在西北部干旱地区，对地膜的保墒性要求非常高，尤其是育苗初期，保墒更为关键。因此，如何改善其保墒性，需要大家共同改进提高。

（4）其他

一些特殊用途或特殊功能的地膜，也可以采用降解材料，如有色地膜、打孔地膜、化学除草地膜、渗水地膜等。

3.结果评价

（1）产量情况

地膜普及使用以后，使用降解地膜，作物产量与不覆盖地膜相比已经没有意义，只能与传统地膜相比，是否出现减产。推广降解地膜的最终目的，不仅仅是要解决普通地膜的污染问题，更重要的是保证作物的增产或不减产。

（2）降解效果

降解地膜在作物生长期结束后，降解效果如何，是否达到无膜期，如果没达到无膜期，残膜量多少，是否影响下一季作物耕种？这些问题都应该考虑。

五、生物降解地膜试验方案与应用情况

1.试验方案

研发、试验、推广生物降解地膜时，应该认真拟定试验方案。具体包括以下4个方面：①地区气候条件分析.分析试验地区近10年来的气候环境数据（风力、光照、雨水、气温、土壤性状、气压情况等。②作物生长特性分析。何时播种、何时发芽、灌溉情况、何时收获、何时进入下一季种植、温湿度需求等。③作物对地膜使用要求分析。力学性能要求、铺膜要求、打孔要求、增温性要求、保水性要求、抑制杂草要求、降解周期要求等。④计地膜配方组成和生产工艺。针对特定地区的气候条件、特定作物的生长特性、以及对地膜使用要求等，设计专用的地膜专用料，生产专用地膜。

2.应用情况

近几年来，先后与地膜方面权威学术单位以及地膜行业知名企业如山东清田塑工有限公司、山东企鹅集团有限公司、白山喜丰塑料股份有限公司、新疆天业集团有限公司、浙江渤海卫生用品有限公司等，通力合作，先后在浙江丽水、山东济宁、新疆昌吉、新疆石河子、新疆博乐、河北平泉、湖北钟祥、云南会泽、山东淄博、黑龙江哈尔滨等地区开展了生物降解地膜应用试验，试验的作物主要有玉米、棉花、蔬菜（豇豆/尖椒）、番茄、大蒜/洋葱、花生、水稻、烟草等。

经过多年的试验，得到一些初步结论总结如下：

（1）初始性能

生物降解地膜的初始性能完全可以达到普通PE的性能指标。

（2）降解性能

生物降解地膜可以完全生物降解，作物收获后，基本能达到无膜期，即使未达到无膜期，残膜量也很少，不会影响下一季作物耕种。

（3）效果评价

①生物降解地膜对于大蒜、洋葱、花生、马铃薯等根系果实类植物增产效果明显。主要原因可能在于生物降解地膜的透气性较好，利于根部呼吸，使得根部生长发达，利于营养吸收，因而增产。

②花生在生长中期时枝叶茂密，对降解地膜起到一定的保护作用，而且花生的生长期为夏季，对地膜的增温保墒性要求不再像初期那么苛刻。因此，降解地膜用于花生时，效果一般较好，而且在花生收获时，降解地膜即使没有达到无膜期，也不会出现像PE地膜缠绕根茎的情况，对于花生植株的回收利用非常有利。

③生物降解地膜对玉米增产效果明显。主要原因可能也與其透气性好有关，利于根部呼吸，使得根部生长发达，利于营养吸收，因而增产。

④棉花采用生物降解地膜后容易出现减产。棉花主要种植区在新疆，新疆地区气候环境恶劣，光照强度高、光照时间长、雨水量少，对地膜的诱导期要求较长，即要求地膜的耐光老化性好，保墒性要好。然而，其他个别地区，例如山东，棉花育苗方式为“钩苗”，降解膜透气性好，不会把苗烫死，反而成了一个优点。

⑤在广东、海南等地区，马铃薯采用生物降解地膜后增产效果明显，由于降解地膜的透气性好，降解地膜的马铃薯，表面青色较少，而且烂果率很低。

⑥在我国南部雨水量较大的地区，降解地膜的透气性好，反而成了一个优点，因为这些地区大都使用黑色地膜，作用主要不是为了增温保墒，更重要的是为了除杂草，尤其是适用于一些种植周期较短的蔬菜类作物时，因其透气性好、不烫苗、不烂果，增产明显，效果较好。

⑦在我国北部或西部雨水量较少的地区，降解地膜的保水性差、耐光解性差、光解速度快，成了制约其推广使用的主要问题，因此，在这些地区，就需要调整配方和工艺，改进其保墒性和耐候性。

3.主要问题

生物降解地膜存在的主要问题为：①降解速度可控性差，受天气环境变化影响大，使用效果的稳定性较差；②与PE相比，生物降解地膜透水性较好、保水性较差，仍需进一步改进；③与PE相比，生物降解地膜成本较高，需要通过各种手段降低成本。

六、结语

到目前为止，我国的生物降解地膜还处于试验推广阶段，可以尝试在局部地区、特定作物使用的基础上，逐步推广使用生物降解地膜，比如海南马铃薯、山东花生、云南烟草等，在逐步扩大的应用前提下，更进一步优化地膜质量、降低地膜成本，形成良性循环，最终在全国地区、各种作物上，全面推广使用生物降解地膜。一些数据和使用效果已经证实了生物降解地膜的重要性，它可以有效解决超薄PE地膜的“白色污染”问题，这对保护农业生态环境，稳定提高土地生产能力，实现农业可持续发展有着深远的意义。