应用可降解地膜，推动农业清洁生产

李 真，秦丽娟，何文清，刘 勤，刘恩科，严昌荣*

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.农业部农膜污染防控重点实验室，北京 100081）

地膜覆盖通过改变地表与环境间的物质能量交换，能够显著提高光、热、水、养分等农业生产资源的利用效率，实现增温保墒、减少土壤及养分流失、抑盐保苗、抑灭杂草等重要作用，获得农作物高产、优质、早熟的良好效果。自地膜覆盖技术引入中国，得到了迅速的推广应用。经过30多年的应用与发展，地膜覆盖的作物从最初的经济价值比较高的蔬菜、花卉，到现今的花生、西瓜、甘蔗、烟草、棉花等多种经济作物，以及玉米、小麦、水稻等大宗粮食作物上[1]。地膜覆盖技术的应用区域从北方干旱、半干旱地区扩大到了西南冷凉山地。据统计数据，全国地膜覆盖面积从1981年的1.5万hm2上升到2015年的1 831.8万hm2，增长了1 221.2倍[2-3]，且增加趋势仍在持续，具体情况见图1。依据1981—2015年中国地膜覆盖面积数据建立ARIMA模型，预测到2024年中国地膜覆盖面积将达到2 200万hm2，具体见图2。

地膜覆盖技术已广泛应用到全国，在覆盖作物种类、覆盖面积、应用区域等方面都有快速的发展。该技术在为农业生产做出巨大贡献的同时，又对环境造成了严重的污染，可谓“让人欢喜让人忧”。

研究数据表明，地膜覆盖可促进中国主要农作物增产30%～50%[4]。在黄淮海平原、黄土高原、长江流域及中国南方大部分地区，地膜覆盖技术可促使蔬菜作物提早5～15 d上市，增产20%～50%；在东北、西北冷凉地区，促进蔬菜增产20%～80%，生育期缩短7～20 d[5]。地膜覆盖技术的应用对于降低蔬菜生产地域性、季节性局限，缓解北方冷凉地区及高海拔地区冬春季节蔬菜短缺发挥了重要作用。地膜覆盖已成为中国农业生产中不可或缺的重要技术。

但与此同时，由于地膜以聚乙烯（PE）为主要材料，化学结构稳定，在自然条件下极难降解；加之大部分市售地膜厚度薄、强度差，在作物生长季后难以进行回收利用，每年均有大量地膜残留在农田土壤中，阻碍土壤水分运移、降低土壤通透性、影响作物根系伸展、导致作物减产，造成严重的白色污染[6-7]。研究表明，当耕层土壤中地膜残留量达到75 kg/hm2时，导致花生减产10.9%；且随地膜残留量的增加，其产量下降愈加明显[5]。土壤残膜量超过180 kg/hm2时，即超出作物根系对残膜污染胁迫的适应范围，阻碍作物根系生长[8]。据调查，在中国长期覆盖地膜的农田中，地膜残留量一般在71.9～259.1 kg/hm2，其中西北地区农田土壤残膜污染最为严重，残膜量远高于华北和西南地区[1]，具体见表1。因此发展环境友好型降解地膜，对于在保障作物产量和品质的同时从源头解决地膜残留污染具有重要意义。

图1 1981—2015年中国地膜覆盖面积统计

图2 2016—2024年中国地膜覆盖面积预测（ARIMA 模型）

清除地膜残留造成的“白色污染”，任重而道远，政府和科研部门都已开展了相应的工作。降解地膜是一种环保的可降解的新型地膜，是今后地膜产业的发展趋势。随着材料科学的发展，新型可降解地膜日渐走向成熟，其类型及发展情况如下。

1 降解地膜的发展与现状

1973年，英国科学家格里芬提出可降解塑料概念，并率先通过在惰性聚烯烃中加入天然淀粉作为填充剂制成了可降解塑料，在外界因素作用下逐渐分解为水、二氧化碳等小分子物质，引起世界各地材料学家的热切关注[9]。20世纪80年代，第一批降解塑料地膜面世，为从源头解决地膜残留污染问题提供了重要途径，成为农业新材料发展的重要方向[10]。经过世界各国材料学家、农业学家共同努力，目前主要研发应用的降解地膜类型达到30余种，根据其降解机理，分为生物降解地膜、氧化降解地膜、氧化-生物双降解地膜。

表1 不同区域长期覆膜农田地膜残留特点

1.1 生物降解地膜

生物降解地膜是指在使用后较短时间内，能够在自然条件下被真菌、细菌等微生物最终分解成二氧化碳、水等无机物，且分解产物不会对环境产生恶劣影响的高分子材料[11]。生物降解过程主要包括微生物作用的4个步骤：（1）微生物在地膜表面定殖；（2）分泌细胞外酶类切割多聚物高分子；（3）将酶解后的小分子吞入细胞；（4）通过有氧呼吸将小分子裂解生成二氧化碳和水。在这一过程中微生物获得其生长发育所需的碳源与能量[12]。

生物降解地膜的生产原料主要是微生物“喜食”的生物基可再生资源以及聚酯类石油基和二氧化碳基材料。代表性物质分别包括，生物基材料：（1）从天然材料中提取产生的高分子物质：如纤维素、淀粉；（2）有机单体通过化学方法聚合生成的高分子材料，如植物发酵产生的乳酸通过聚合生成聚乳酸（PLA）；（3）营养不平衡条件下，微生物在细胞内积累的能量和碳源储藏物，如聚脂肪酸酯（PHAs）。石油基材料：由石油产物提炼加工生成的聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己内酯（PCL）等。二氧化碳基材料：由二氧化碳通过化学催化聚合生成的聚碳酸亚丙酯（PPC）[13]。

目前在生物降解地膜生产中最为广泛应用的原料包括纤维素、聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸亚丙酯等，现就其主要特性分别简要介绍如下：

纤维素（Cellulose），由ß-葡萄糖缩聚而成的天然大分子，是植物细胞壁的主要组分。其分子结构包括排列整齐、密度较大的结晶区和排列疏松、密度较小的非结晶区。结晶结构的存在使得纤维素分子具有强烈的疏水性，因此需要经过如酯化、醚化、氧化或接枝共聚等预处理以提高其加工性能及地膜产品稳定性[13]，主要产品包括草纤维地膜、纸地膜、麻地膜[14]。纤维素类地膜虽增温保墒性能明显弱于普通聚乙烯地膜，但具有良好的透水、透气性能以及杂草抑制功能，较适用于设施大棚或日光温室中地膜覆盖栽培。

聚乳酸（PLA），也称聚丙交酯，是线性脂肪族聚酯，可由乳酸分子直接脱水缩合形成，或经丙交酯开环聚合产生。PLA具有优良的生物相容性和可降解性，在自然界中易于发生水解作用，使聚乳酸分子链的酯键断裂为羧酸和醇，进一步在微生物或动植物体内分解代谢，最终形成二氧化碳和水。但是由于聚乳酸本身为线性聚合物，耐热性、延展性略差，需通过物理化学等方式对其加工性能予以改进[13]。全球PLA塑料最大研发生产企业年产规模可达14万t。

聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT），是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物，兼具己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的优点。PBAT中柔性的脂肪链使其具有较好的延展性和断裂伸长率，刚性的芳香链赋予其较好的耐热性和耐冲击性；此外，酯键的存在促使其具有优良的生物降解性[13]。目前而言，PBAT是生物降解塑料研究中较为活跃且市场应用评价较好的降解材料。其中，欧洲PBAT生产企业年产规模达7万t；中国年产规模达10万t，且技术水平处于领域前沿。

聚碳酸亚丙酯（PPC），是由二氧化碳和环氧丙烷在金属催化剂作用下共聚合成的一类非晶型新型高分子材料[13]，生产成本低廉，且对于减少温室气体排放具有重要意义，是目前各国对可降解材料研究的一大热点。该材料具有良好的阻隔性，但是透光性及加工性能较差，仍需要进一步研究改进。中国相关科研院所在PPC塑料研发领域中占据世界领先水平。

1.2 氧化降解地膜

氧化降解地膜主要以不可被微生物食用的惰性聚烯烃（如聚乙烯）为原料，加入具有引发、促进氧化反应作用的敏感基团或物质，催化聚烯烃大分子在特定诱导条件下断裂为低分子化合物[4]，表现出地膜力学性质减弱，地膜破裂或崩解等现象。可通过调整抗氧化剂与助氧化剂的类型和比例制备具有不同耐候性的地膜产品。这类地膜制备工艺简单、生产成本低廉、增温保墒效果良好；但是早期的氧化降解地膜产品，由于聚烯烃高分子在断裂为短链或翻压到土壤中后难以继续降解，仍将长时间存留在农田土壤中，影响土壤理化性质、微生物种类活性，以及作物的生长发育，未能从根本上解决地膜残留污染问题。

1.3 氧化-生物双降解地膜

较新研发的氧化-生物双降解地膜在融合氧化降解过程的化学反应、生物降解过程的酶促反应基础上，引入了纳米科技技术。通过构建具有多重降解功能的纳米级氧化-生物降解单元，形成了以光敏性纳米粒子（纳米TiO2等）为结构框架，均匀掺杂具有氧化功能的金属离子（Co2+、Mn2+、Fe3+等）及具有生物降解促进功能的生物制酸性物质（柠檬酸、茶多酚等）的降解添加剂。并通过对纳米降解单元的表面修饰，进一步降低了纳米粒径，加强了降解添加剂在聚烯烃高分子原料中的分散均匀度。有人认为这种地膜产品在自然环境条件下能够快速降解为相对分子质量1万以下的低聚物，再进一步通过微生物的作用最终降解成二氧化碳和水[4]，但也有专家对氧化-生物双降解地膜环境安全性存疑，认为降解产物存在不确定性，埋土部分降解极慢，甚至不能降解，可控性存在问题[15-16]。

地膜覆盖技术对保障蔬菜周年供应和农作物产品安全具有重要意义。生物降解地膜在国际农业生产中已被初步利用，其在国内的具体应用情况如何呢？

2 生物降解地膜在农业生产中的应用

2.1 国际上的应用现状

欧洲、日本在生物降解地膜研发应用上处于世界前列，随着降解材料及其加工工艺的不断革新、配套农机具的研发应用、种植管理模式的更新完善，目前均已形成了较为成熟的生物降解地膜应用体系，主要用于叶菜类（白菜、甘蓝、莴苣）、根茎类（萝卜、大蒜、洋葱、马铃薯、甘薯）、瓜果类（南瓜、番茄）等蔬菜作物以及棉花、烟草、玉米等其他经济价值较高的农作物的生产上。目前在欧洲和日本地膜市场上，降解地膜的市场份额占到10%左右，其中生物降解地膜的覆盖面积占到全国地膜覆盖面积的5%左右，如2006—2015年日本生物降解地膜覆盖面积从3 276 hm2提高到了6 311 hm2，年均增长率达9.3%（图3）；在日本四国地区的蔬菜集中产区，生物降解地膜覆盖面积达到20%以上。与传统PE地膜相比较，生物降解地膜在使用后能够自行降解，免除了残留地膜回收处理的巨大劳动和经济支出，且便于作物收获后整地，有利于提早下茬作物播种时间；在作用效果、经济成本、环境保护等方面表现出明显优势及推广价值，是未来地膜产业的重要发展趋势。

2.2 国内发展现状

中国生物降解地膜研究及生产起步较晚，目前仍处于研发、试验示范阶段。由于生物降解地膜的降解过程受环境因素显著影响，仍需要进行大量的评价试验与应用分析，以了解掌握不同生物降解地膜在中国不同地区、不同作物上应用的特性。2011年以来，国内有关研究单位与相关企业合作，在西北绿洲、黄土高原、华北平原、东北平原、东北丘陵、西南山地等典型覆膜种植农区，针对玉米、棉花、蔬菜等作物开展了生物降解地膜适宜性评价研究，重点是生物降解地膜上机性、功能性（增温保墒、杂草防除等）、降解性（降解时间、降解方式、降解程度等）和经济性（比较传统塑料地膜与降解地膜在生产应用、回收管理、农作物增产增收等方面的资金投入与收益）等，促进与区域及作物特点相适宜的生物降解地膜研发与应用。目前有关企业生产的生物降解地膜在机械操作性、增温保墒性方面得到大幅改善。在云南宁洱县玉米覆膜种植试验中，生物降解地膜覆盖处理出苗整齐、长势良好，玉米生育期较裸地处理提前5 d，产量分别较普通塑料地膜及裸地处理提高4.3%和27.6%[17]。马铃薯覆膜试验中，生物降解地膜覆膜前期良好的保温保墒功能保障了马铃薯幼苗的生长发育，在马铃薯生育后期随地膜降解破裂增强了作物根系土壤透气性，降低了土壤温度，促进了马铃薯淀粉积累以及作物产量和品质的明显提升[18]。在华北平原大白菜、辣椒和黄土高原娃娃菜生产上，以PBAT、PLA为主要原料的生物降解地膜表现出了良好的增温保墒作用，作物产量较裸地处理显著提高，基本达到PE地膜的功效，且生物降解地膜在作物生长季结束后能够较快降解，表现出良好的应用潜力。在华北平原大蒜生产上，以PLA为主要原料的生物降解地膜覆盖栽培的大蒜在产量、品质上均明显高于露地和秸秆覆盖种植，与PE地膜覆盖栽培作用相当[19]。在黄土高原冬油菜种植上也具有同样效果[20]。

图3 2006—2015年日本生物降解地膜覆盖面积统计

另一方面，随着生物降解地膜试验推广区域的扩大和改变，受气候变化、地理区域等因素显著影响，地膜降解过程表现较不稳定。总体而言，在日照强、温度高、空气湿度较大的地区地膜降解较快，在部分干旱冷凉地区则降解过慢。实地调查还发现，降解地膜应用效果不好除与地膜质量有关外，还存在不合理应用的问题，如大部分农民对不同类型生物降解地膜的使用特性认识不清，未能根据区域环境及作物生育期特点选择相应的生物降解地膜；在机械覆膜过程中操作不当，造成地膜一定程度损伤，使生物降解地膜已破损和丧失功能；在膜下滴灌种植体系中，滴灌带与地膜直接接触，没有土层隔离，导致滴灌带上方的地膜局部过热，沿滴灌带破裂。

为有效替代传统PE地膜，生物降解地膜的研发和生产之路亟待进一步拓展。中国生物降解地膜研发已取得哪些进展？同时存在哪些问题和挑战？且看专家如何分析。

3 中国生物降解地膜研发进展与存在问题

研发新型生物降解地膜替代PE地膜是解决白色污染问题的重要途径之一。经国内科研院校、降解材料和地膜生产企业以及农业技术推广部门的共同努力，近年来，中国在生物降解地膜研发试验中取得了一系列突破，但其推广应用仍面临诸多问题。

为有效替代传统PE地膜，降解地膜应用体系需满足“四性一配套”要求，即：操作性——提高生物降解地膜的拉伸强度，满足机械覆膜需求；功能性—— 改善生物降解地膜的增温保墒性能，为作物生长创造良好微环境；降解可控性—— 保持一定时间不破裂和降解，满足作物功能需求，生长季结束后在自然条件下完全降解，且降解产物不会对环境造成恶劣污染；经济性——通过多种措施，降低生物降解地膜的成本，实现经济可用；配套性—— 根据生物降解地膜特性，改革种植模式和方式，形成与生物降解地膜应用相适应的技术体系。

3.1 操作性得到显著改善

受材料本身特性限制，早期生产的生物降解地膜普遍存在抗拉伸强度差、无法进行机械化覆膜作业的问题，严重限制了生物降解地膜的推广应用。经过对地膜基料的研发改性、地膜添加剂开发利用、地膜加工工艺改革创新；近年来，中国各主要地膜生产厂家的地膜产品在拉伸强度方面均得到了大幅改进，已能够完全满足农机作业的要求，为实现生物降解地膜推广应用迈出了重要的一步。

3.2 功能性基本满足生产需要

早期生物降解地膜产品的增温保墒功能明显较传统PE地膜存在较大差距，大量试验评价结果显示，生物降解地膜覆盖下的农田土壤较PE地膜覆盖下的农田土壤日均温度低2～3 ℃，土壤水分低3～5个百分点，难以满足中国不同地区作物生长发育的需要。经过近些年对生物降解地膜产品配方与加工工艺的不断改进和革新，生物降解地膜的功能性得到显著提高，在生物降解地膜膜面完整的情况下能够基本满足中国主要农业区域不同作物种植生产中对地膜覆盖增温保墒等功能需求。

3.3 降解性能亟待进一步研究改进

生物降解地膜的降解过程较为复杂，其降解速度与周期受到气候条件、土壤环境、作物类型等因素的显著影响。即便针对同一农业区域，单一生物降解地膜配方亦难以满足不同覆膜作物或种植管理模式的需求，严重阻碍了生物降解地膜的推广应用。目前亟需深入开展不同类型生物降解地膜的降解机理、影响机制等方面研究，对生物降解地膜的原材料、配方及生产工艺进行改进，开发具有高性能、多功能化、能够满足不同环境和作物生长发育需要的生物降解地膜产品。

3.4 产品成本有待降低

由于生产材料的差异，生物降解地膜的生产成本大致相当于传统PE地膜生产成本的2.6倍，严重限制了生物降解地膜的推广应用。为改善这一状况，一方面，地膜生产企业应通过原材料规模化生产、配方完善，加工工艺改进等方式降低产品生产成本；另一方面，在对地膜应用管理与调控过程中，应将传统PE地膜在使用后的回收成本及地膜残留污染造成的环境成本纳入生物降解地膜与传统PE地膜经济成本的核算当中。由此希望政府部门能够在加强对生物降解地膜研发、生产企业的扶持与奖励制度的同时，借鉴国外地膜管理方面的先进经验，探索建立地膜生产、销售和应用者责任分担的共同利益体，延伸地膜生产者和销售者的责任，由地膜生产企业和销售者统一供膜、统一回收，使地膜回收责任由生产、销售和使用者共同承担，推动建立新型地膜应用管理制度，推进农业可持续发展。

3.5 生物降解地膜应用的配套技术和管理模式需要进一步完善

每一种科学新产品的推广应用都离不开其配套技术与生产模式的同步发展。目前，在生物降解地膜的应用方面还需要改进配套生产、应用技术与管理模式，实现生物降解地膜及其配套技术的有机结合和规模化应用。

4 结语

生物降解地膜在作物种植生产中表现出良好的增温保墒、抑制杂草等作用，较不覆膜种植生产明显提高了作物的产量与品质，达到甚至超过传统PE地膜的作用水平，显示出了巨大的应用潜力，为解决地膜残留污染问题提供了重要途径。另一方面，中国生物降解地膜的研发应用仍处于起步阶段，面临诸多问题，需要深入开展地膜降解机理与影响因素分析，加强生物降解地膜原材料、配方和生产工艺等研发改进，进一步降低生物降解地膜生产成本，提高生物降解地膜品质与适用范围，开发出能够满足不同环境和作物生长发育所需要的生物降解地膜产品。再一方面，鼓励研发和完善生物降解地膜应用的配套技术与管理模式，促进生物降解地膜的推广与规模化应用。最后，进一步加强地膜残留污染的宣传教育，提高公众的环保意识，加大对生物降解地膜的研发推广扶持力度，推动农业生产环境的健康持续发展。

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