可生物降解农用地膜研究现状及发展*

潘 越，郑敏超，周梓欣，裴义山，徐 升

(福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118)

1 农用地膜使用与污染现状

地膜是继种子、农药、化肥之后的第四大农业生产资料。地膜覆盖技术在降低耗水量、促进各种作物水分利用效率、提高作物产量、促进节水农业社会经济发展等方面发挥了重要作用。我国是最大的农膜消费国，农膜用量达260多万吨/年，其中地膜用量约为145万吨。传统地膜的主要成分来自不可降解塑料的石油基产品聚乙烯PE。PE膜成本低、机械性能好，可确保整个种植过程的操作与安装的简易性、功能性，在世界范围内得到广泛应用。由于长期重使用、轻回收，当前我国覆膜农田土壤均有不同程度的地膜残留，当季农膜回收率不足2/3；局部地区地膜残留污染严重，亩均残膜量达4～20 kg。残膜现场焚烧、倾倒、掩埋或堆放处理不仅破坏景观，且破坏农田土壤结构，降低土壤渗透性，阻碍农作物根系生长，影响水分和养分吸收，导致农作物减产；被动物误食，会导致动物死亡；占用土地，污染环境。地膜使用后应进行正确地收集、处理或循环利用。

2016年，国务院出台“土十条”；2017年，“强化土壤污染管控和修复，加强农业面源污染防治”等写入十九大报告。2017年，农业农村部印发《农膜回收行动方案》，研究起草了《农膜管理办法》、《关于加快推进农用地膜污染防治的意见》；2018年，农业农村部将全生物降解地膜替代技术列为十项重大引领性农业技术之一，全面推广全生物降解地膜替代普通PE地膜。积极推广生物降解农用地膜，减少PE地膜使用，能减轻环境压力有利于促进农业高质量发展，并且有益于实现农业生产安全、农产品质量安全和生态环境安全，推进农业绿色发展。

2 可生物降解农用地膜的特点

可生物降解膜所用的复合材料主要包括植物纤维、淀粉等天然材料，资源丰富，成本较低；在自然环境条件下可通过生物酶或微生物的作用被降解，最终产物为CO2和H2O以实现对有限自然资源的合理开发利用和废弃资源的高值化利用，缓解对石油基材料的过度依赖以及塑料废弃物产生的“白色污染”问题，具有绿色、环保、可持续的特点。

3 可生物降解农用地膜的研究

3.1 纸基农用地膜的研究

纸地膜是以常规造纸工艺为基础，选择合适的植物纸浆原料和湿强剂、防腐剂和透明剂等助剂制出地膜原纸，再对其进行加工处理，以达到农用地膜机械强度和透光、透水、保温、增温、保墒性或其他功能的要求[1]。张燕杰等[2]利用废弃棉纤维经湿法造纸工艺制备了可完全降解农用地膜，力学性能达到农用塑料地膜的质量要求，土埋28天后降解率超过20%，且降解产物有利于增加土壤有机质。

Martín-Closas等[3]在番茄种植季节，以聚乙烯(PE)膜为对照，比较了可生物降解地膜(BF、MB)、纸地膜(PSA、PMG)和可氧化降解地膜OXO的降解情况。研究表明：谷类面粉制成的生物降解地膜BF降解最快，纸膜的降解速率大于生物降解塑料膜MB，而对照EVP几乎无降解。

Alicia等[4]分别使用不同方法对番茄地进行杂草处理：无处理、手动除草、覆盖黑色PE地膜、覆盖黑色可生物降解的地膜、覆盖黑色氧化降解地膜、覆盖黑色纸地膜、覆盖棕色牛皮纸、覆盖大麦秸秆，对番茄产量和经济性进行分析结果表明：生物降解塑料地膜、纸地膜的除草效果良好，除草率在80%～100%，番茄产量与覆盖PE膜处理的产量相似，在72%～108%之间，表明了生物降解地膜作为PE膜取代物的技术可行性。

纸膜在20世纪20年代初就已引起了人们的广泛关注，但因其使用寿命短、工艺繁琐、成本较高，不适合商业生产。

3.2 塑料可生物降解农用地膜的研究

3.2.1 天然可生物降解材料制备地膜

来自农业资源的产品，如蛋白质、淀粉、纤维素等，为开发可生物降解材料提供了合适的原料。淀粉是自然界中最重要、最丰富的多糖之一，也可从再生资源中获得，具有相对较低的成本和广泛应用的可能性，也是可生物降解地膜使用最多的原料之一。

Carla等[5]以木薯淀粉为原料，经不同浓度的臭氧改性，制备出可生物降解地膜。张绍英[6]研制了一种由淀粉和海藻酸制成的新型塑料地膜，自然条件下30天即可降解完全。李丽霞等[7]以大豆秸秆纤维为原料制备地膜，同时解决秸秆和塑料地膜带来的环境污染问题。

陈福慧等[8]对不同地膜在水中的生物降解性能进行研究，结果表明普通PE地膜、光降解地膜、玉米淀粉地膜和淀粉接枝共聚物类(SBC)生物降解地膜在水中好氧微生物的作用下均有不同程度的降解，淀粉地膜和SBC地膜相比前两者更易降解，且SBC膜降解程度最大。

王琦等[9]对紫花苜蓿用不同覆盖材料(普通地膜CMR、生物降解地膜BMR和人工压实土壤SR)进行连续两年田间试验表明，覆盖材料对表层土壤温度有明显的影响，BMR和CMR处理的牧草产量显著增加。

3.2.2 可生物降解合成聚合物材料制备地膜

可生物降解聚合物膜对土壤温度、土壤湿度、作物产量和杂草控制的影响已在世界范围内得到了研究，并显示出作为PE膜替代品的竞争潜力。用于商业农膜的合成生物可降解聚合物主要为聚酯，如聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)以及芳香族共聚酯聚己二酸丁二醇酯(PBAT)等。

在以上聚合物中，PLA的利用率最高，但其脆性高的缺点限制了其大规模的使用，因此PLA通常与其他材料混合以制备复合材料。Daniel等[10]以CaCO3为增强剂，采用熔融共混方法制备低成本的PBAT-PLA共混膜，结果表明，CaCO3的加入有助于获得具有更高的杨氏模量、拉伸强度的柔性薄膜。潘莉莎等[11]采用相分离法，以PLA和聚碳酸亚丙酯(PPC)为原料制备超疏水塑料薄膜，该膜在强制降解条件下5天降解率达到34.13%，具有良好的降解性能。

王振华等[12]进行了生物可降解地膜(淀粉聚合物、PBAT、PBSA)替代PE膜提高棉花产量的试验，两年的连续实验研究结果表明，覆盖的滴灌田的棉花产量无显著差异，以上地膜均具有湿润土壤、控制土壤盐分积累的作用，但PE膜积累残留量明显高于生物可降解地膜。

3.2.3 天然-合成聚合物复合可生物降解地膜

淀粉基生物降解膜的机械性能和阻隔性能较差，限制了其商业应用。目前，常用淀粉改性的方法以解决这个问题，如淀粉-乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物和糊化淀粉[13]。Florencia等[14]评价了不同尿素含量木薯淀粉基复合膜在土壤中的耐贮性和生物降解性。Carlos等[15]研究了不同比例(0～60%)聚乙烯醇(PVOH)与马铃薯淀粉复合物对水吸附、水蒸气透过率、力学和热性能的影响，结果表明，该薄膜具有合适的性能，可作为可生物降解的替代物来替代合成包装材料。

此外，热塑性淀粉(TPS)、纤维等与其他聚合物复合，也可产生具有不同性质的地膜。谭志坚等[16]以天然纤维和生物可降解高分子材料为原料制备薄膜，在实验室和现场试验中研究了薄膜的物理性质(如机械性能、保温性、透水性和透光性)和降解特性。实验结果表明，这些纤维-聚合物膜具有良好的物理性能，可用于地膜覆盖。三种膜的降解程度依次为：纤维-淀粉膜>纤维-聚乙烯醇PVA膜>纤维-聚丙烯酸酯膜。纤维-淀粉和纤维-PVA薄膜是由完全可生物降解的材料制成的，具有替代不可生物降解薄膜的潜力。

3.3 可喷涂生物降解农膜的研究

近年来，用于土壤覆盖的可喷涂聚合物体系正成为人们越来越感兴趣的研究热点。土壤上替代涂层的挑战必须是防水，以保持其机械完整性，为了提高地膜覆盖层的力学性能，在配方中需加入羟乙基纤维素等增塑聚合物或甘油、聚甘油等天然增塑剂。目前，我国液体地膜主要以可生物降解高分子材料、富含腐殖酸的有机物废液或煤粉、植物秸秆为原料，添加各种助剂、肥料、除草剂等制成乳悬液，喷洒于土壤表面形成薄膜，起到地膜的作用[17-18]。

Malincoico等[19]使用天然聚合物(如淀粉、纤维素、壳聚糖、海藻酸钠和葡甘聚糖)混合进行改性，开发了几种可喷雾生物降解土壤覆盖系统。聚合物大分子的结构重组有助于冷水膜的稳定性和填充的紧凑性，水凝胶形成过程提供了一种增强的大分子网络，提高了地膜的耐水性；同时增塑剂甘油的加入提高了土壤表面的涂膜柔韧性。Luciana Sartore等[20]以蛋白质基(从制革工业废液中提取蛋白水解物)生物复合材料用喷雾技术制备原位生物农膜，作为低密度PE膜(LDPE)的替代物。实验结果表明，蛋白质基生物降解膜具有与LDPE膜相同的良好农艺性能，在要求的栽培期内可保持地膜覆盖效果，同时保证了植株生长速度；耕作结束后2个月，土壤中的涂层残留量为生物降解涂层初始重量的5%。

吉林省松原市曾在四县一区进行为期四年的应用对比试验，表明液态地膜具有明显的抗寒、增温作用和早熟增产效果，可使小麦、玉米增产20%以上，蔬菜等增产25%以上，同时减少肥料和农药流失，尤其适用于多雨地区。任小龙等[21]采用生物降解塑料地膜、液膜覆盖沟壑或不覆盖沟壑，常规平栽为对照，进行了为期4年的连续野外研究，结果表明，与对照相比，生物降解塑料地膜与液膜的土壤持水水平、平均土壤温度、玉米平均产量、水分利用效率方面具有良好的环境和经济效益。

可喷涂可生物降解聚合物地膜的制备关键在于了解聚合物化学成分、结构和特性与土壤化学、物理和生物学之间的基本关系和相互作用，使用时需了解不同土壤上的地膜形成方式，以及施用时的土壤表面状况对地膜形成的影响。

4 生物降解农用地膜的前景展望

近年来，中央财政每年都安排资金支持地膜清洁生产技术推广，回收废旧地膜，推广生物可降解膜，防治面源污染。一场农业生态的变革正在改变着中国。目前，我国地膜治理已经起步，取得了一定成效，但还面临很多困难。

(1)在现有经济技术条件下，传统农用地膜在相当长时期内仍是不可替代的农资，这就要求废旧地膜残留防控还需坚持提高地膜质量标准，研发高强度地膜、机械化回收、资源化利用等关键技术，以源头减量、回收利用和替代使用为重点以提高回收率和资源化利用。

(2)开发可生物降解地膜用于农业应用的材料和技术的成本阻碍了农民的使用。随着生物降解聚合物地膜生产技术进步，生产成本预计在未来几年内会下降。此后还需政府部门组织开展全生物降解地膜推广补贴机制研究，完善以绿色生态为导向的补贴政策，并充分利用媒体，推动适宜作物上的全生物降解地膜应用。

(3)目前，全生物降解地膜仍处于农田试验和对比评价阶段，全生物降解地膜评价标准体系有待完善，这仍然是阻碍其商业化和推广的障碍之一。仍需进一步完善评价技术规程，验证农田应用的安全性，考虑生物降解聚合物的环境影响：可生物降解地膜发酵过程中的温室气体是排放还是回收；生物降解产物是否会污染水源或对环境中的生物有机体有毒，或是在土壤中积聚等能源、资源问题不容忽视，否则生物降解聚合物地膜对环境的负面影响可能大于传统塑料膜。