纸地膜的研究进展及发展前景

路翠萍　田映良　马青斌　郑旺斌　刘晓娇　王茹娟

摘要 介绍了纸地膜的概念和结构特点，阐述了国内外纸地膜的产品开发与改进情况，总结了国内外纸地膜降解的研究进展，最后对纸地膜的发展前景进行了展望。

关键词 塑料地膜；白色污染；可降解塑料；纸地膜

中图分类号 S181；X322 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）05-095-02

Abstract We introduced the concept and structure characteristics of paper mulch， elaborated the product development and improvement status of paper mulch at home and abroad， and summarized the research advance of paper mulch degradation at home and abroad. Finally， development prospect of paper mulch was forecasted.

Key words Plastic mulch； White pollution； Degradable plastics； Paper mulch

在农业生产中，为提高农田生产条件，常采用铺膜技术，将不同材料制成的膜覆盖于土壤表面，以达到保墒保水、积温灭草的目的。1 000余年前，农民用石块、砂砾、卵石、火山灰和灰渣等石材作为地膜，这种方法不仅降低了土壤水分的蒸发，还减小了土壤的风蚀和地表径流[1-2]。自20世纪50年代塑料被应用于农业生产以来，使用量急剧增加，我国作为一个农业大国，农用塑料地膜的使用量居世界首位，是其他国家使用量总和的1.6倍[3]。我国地膜覆盖技术应用带来的累积经济增产值在800亿元以上，可见地膜已成为现代农业发展的重要的农用产品[4-6]。随着塑料地膜的大面积推广应用，塑料残留物对环境的危害也日益加剧。目前世界上处理塑料废弃物的方法有填埋、焚烧、回收和降解，而这些方法存在一些弊端，如填埋虽然操作简单经济，但是降解速率低；焚烧会产生大量的二氧化碳及有害气体，易形成温室效应和酸雨；回收再利用难度大，成本高且再加工后的塑料制品性能明显下降[7-8]，因此必须从源头做起，大力开发和推广环境可降解高分子材料。近年来，纸地膜因其独特的降解特性而备受关注，其在农业生产中的应用日益成为研究热点[9-12]。因此，笔者对纸地膜的开发、降解及其对土壤和作物生长的影响等方面的研究进展进行了综述，以期为纸地膜在农业生产中的广泛应用提供借鉴。

1 纸地膜的概念与结构特点

纸地膜是以植物纸浆为基本原料，在纸浆内添加湿强剂、防腐剂和透明剂等助剂，采用常规造纸工艺制造出原纸，然后对其进行加工处理，使纸张具有地膜所要求的机械强度及透光、透水、保温、增温、保墒等功能。纸地膜可在要求时间内降解，还田埋入土壤中可当做肥料使用，因此纸地膜的应用可以解决塑料地膜的难降解问题。

纸地膜的成分和结构较塑料地膜复杂，在大多数情况下，首先是将木质纤维进行湿压，然后进行干燥处理。木质造纸纤维的长度和直径分别为1.000～3.000和0.009～0.030 mm，纤维之间通过氢键结合在一起，在蒸煮过程中，溶解木材的木质素制成化学纸浆纤维，这使得分离的纤维素含有极低的木质素。机械纸浆纤维通过机械法从木材中分离提纯得到，机械纤维的成分接近其木材原料，含有40%～45%的纤维素，25%～35%的半纤维素和25%～35%的木质素，当需要中等或高等亮度的白纸时，需要对纤维进行漂白。

2 纸地膜的开发

日本已经成功研制了农用纸地膜，该地膜材料主要包括壳聚糖及植物纤维素，能促进对农作物生长有利的土壤细菌的繁殖，其保温性能比塑料地膜优越，透气性能好，且具有吸水性强与蒸发散热功能等特点，适用范围广泛，目前日本已推广使用[12]。

我国湖北省枝城市第一造纸厂制造了多功能农用纸地膜，并已批量投产，该纸地膜能在2～3个月内自行分解变成肥料，具有防病虫害、除杂草、增养分和改善土质结构的功能[3]；天津市园艺工程研究所研制出多效农艺营养纸膜，以求用其代替塑料地膜，通过试验证明，该产品不仅能自行分解，还能释放多种营养成分，促进植物的生长发育，具有一定防治植物病虫害的作用；傅玉全[13]开展了纸基地膜地面覆盖的应用试验，结果表明，该纸基地膜的增温、保温性能与塑料地膜接近，均较露天栽培高，纸膜覆盖较露地栽培的产量提高了29.72%，且30～40 d开始降解，60 d全部降解，不仅消除了塑膜对农田的污染，还增加了农田的有机质含量；高玉杰等[14]以植物纤维为主要原料制备了透明度较高的纸基地膜，应用试验结果表明，纸基地膜的各项使用性能与塑料地膜相当。周文春[15]开展了纸基地膜的田间试验，结果表明，纸膜覆盖栽培，在保温增温、催熟作用、农田保墒、防止土壤板结及农作物增产方面，具有与塑膜覆盖相同的效果，但相对于光降解地膜和淀粉添加PE地膜来说，植物纤维地膜或纸地膜的技术尚不成熟，综合性能还存在一些难点，离实用化仍有距离[15]。

目前，许多纸类材料已应用于纸地膜的制造，如牛皮纸、棕色牛皮纸、回收牛皮纸、重型纸、厚纸、蜡纸、沥青浸润纸、黑色纸、碎报纸等，其中牛皮纸既能直接作为地膜，又可做地膜原材料，是目前应用最多的一种纸地膜[16]。另外，许多涂层材料也运用于纸地膜上，如大豆油、石蜡、聚乙烯膜、可降解聚乙烯等，将涂层材料涂布在原纸材料上制备纸地膜，以此来提高原纸材料的性能[17]。

3 纸地膜的降解

Kasirajan等[18]研究表明，纸地膜降解时，埋在土壤中的部分先降解，覆盖在土壤上面的后降解，常会出现降解不均衡的现象，此外，纸地膜降解能力及降解时间很大程度上受纸地膜的质量和类型的制约。Sanchez等[19]发现，报纸的降解速率最快，其次是碎报纸，而稻草质膜的降解最慢。Ueno等[20]以回收纸作为原材料制备了纸地膜，应用试验发现，种植40～50 d内，纸地膜被降解不再可见，且能抑制杂草生长。

大多数纸地膜存在与土壤接触边缘的地膜快速降解问题。MartinClosas等[21]研究表明，在种植时间内，纸地膜所埋边缘最先降解，但这种降解并未导致其他特殊问题。Anzalon等[22]研究表明，地膜在番茄栽培的应用试验中，在土地表面的生物降解塑料发生降解后，种植结束后纸地膜和黑色塑料膜仍保持原样。

为解决纸地膜与土壤接触部分的快速降解问题，有学者发现在朝上的一面涂布生物降解塑料可以延长其降解时间。如Coolong[23]发现，蜡纸、厚纸和牛皮纸地膜可以完全降解，但是聚乙烯包覆的牛皮纸地膜其纸部分可完全降解，塑料层未降解，但将有涂层的一面朝下时，生物降解速率会降低，而且在雨季地膜表面丰富的水分可滋生大量病菌。

使用油脂涂层也是解决纸地膜快速降解的一种方法。Anderson等[24]研究表明，废弃的食物油能延迟纸地膜的降解，并可提高纸地膜的拉伸强度。Shogren等[25]研究发现，表面涂有蔬菜油的纸地膜，其形状能保持3个月，随后出现一些裂纹和孔洞，但是这不会导致大量杂草生长从而戳破地膜或使地膜从掩埋线破裂。油脂涂覆能降低纸地膜的降解率，有一种解释是纸地膜埋入土壤部分的降解是由地膜边缘的微生物分解腐烂所引起的，而油脂恰好可以保护地膜免受微生物的分解；还有一种解释是油脂涂覆部分覆盖或填充了纤维素微纤束之间的空隙，减小了微生物组织生长的空间面积[26]。使用油脂浸渍纸地膜虽然可以降低其降解速度，但油脂浸渍后纸地膜不易操作，且铺膜速度慢，另外还有研究发现，油脂处理实际上并不能提高纸地膜的耐久性[27]。

总体来说，纸地膜的降解能力是一个复杂问题，降解过程在很大程度上与纸的质量和类型、涂膜物质及土壤质量和季节相关。

4 纸地膜对土壤和植物生长的影响

目前，纸地膜已应用于番茄、豌豆、甜菜、辣椒、莴苣、甜玉米、黄瓜、甜瓜等作物生产，而气候环境、植物种类、种植方式和地膜材料均会对试验结果产生影响。

纸地膜与黑色塑料地膜和无膜土壤相比，其能使土壤温度降低，这可能是由于透明度较高的纸反射光，而裸露的土壤和黑色塑料地膜都吸收光的缘故，纸地膜能均匀地控制温度[27]。经油脂处理后可能会提高纸地膜的热辐射传输能力，从而提高其覆盖土壤的温度，使其较裸露的土壤和未经油浸处理的纸覆盖的土壤温度高，但并不比黑色聚乙烯地膜所覆盖的土壤温度高[25]。

虽然纸地膜的保温效果不如聚乙烯，但土壤温度还与地理位置相关，有些地方需要土壤具有较高的温度，而有些地方需要较低的土壤温度来实现增产，如印度新德里的小麦，覆盖地膜后，产量并未增加，这归因于过高的土壤温度影响其产量。而纸地膜更适合寒季植物或者温季植物中期生产，这是由于纸地膜具有的使土壤升温性能正是这些植物早期所需要的[25]。

纸地膜易使水分渗入土壤，但是快速的降解使水分蒸发更快，而油浸处理能改善纸地膜的保水性能。目前，纸地膜对植物虫害的影响的相关报道表明，在作物种植早期出现害虫减少的现象可能是由于纸地膜延迟了病毒性的感染[26]。纸地膜覆盖土壤的产量和塑料地膜覆盖土壤的产量受地膜材料和气候条件的影响，如Radics等[28]分别在干旱年份和雨水充沛年份，使用8种类型的地膜进行种植试验，结果表明，干旱年份使用纸地膜、塑料地膜和秸秆地膜，产量相差不大，而在雨水充沛的年份，使用纸地膜的产量最好。虽然地膜类型会影响作物产量，但是环境因素对产量也有一定影响。除此之外，作物种类也是影响纸地膜增产的因素之一，如在佛罗里达州使用3种纸地膜、黑色和黑白的聚乙烯地膜以及裸露的土壤种植西瓜和辣椒，结果表明，使用塑料地膜地块的西瓜最早熟，且产量最高，但是季节性产量最高的辣椒则是采用3种纸地膜和黑白聚乙烯地膜所种植，黑色塑料地膜和未覆盖地膜地块生产的作物产量最低[17]。

5 展望

综上所述，与其他地膜相比，纸地膜存在一些弊端，如耐久性差，生产成本高，农用适用性不强，保温、保墒、保水性差等，因此在今后的研究中需进一步弥补纸地膜存在的不足。首先，针对耐久性和农用适用性方面的不足，需对其所使用的原材料进行成分和质量改进；其次，针对纸本身具有孔洞结构和吸湿性的弊端，可通过压延和起皱等处理及添加不同成分（如矿物填料、干湿增强剂、着色剂和水驱虫剂等）改变其性能和外观；再次，与聚乙烯地膜和生物降解地膜相比，纸地膜缺乏弹性，需对其进行起皱等特殊处理；最后，降低纸地膜制造成本和原料成本，提高其农用适用性。在农业可持续发展要求下，随着国内外研究人员对纸地膜生产与应用的研究，相信纸地膜必将在农业生产中得到广泛的应用。

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