JAAS 全生物降解地膜开发及设施内应用探究＊

汪 敏，徐 磊，严旎娜，蒋希芝，冯 敏（农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏南京 210014）

农用地膜目前以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）及聚苯乙烯（PS）材料为主，其在自然条件下的降解周期约为200～400 年[1]。中国是世界上地膜使用量、覆盖面积最大的国家，在地膜大范围使用的背后，中国的地膜回收率却不足60%。因此，大量未回收的地膜残留在农田中，对环境造成了严重危害[2]。2021 年2月21日，中央一号文件第一次明确提出“加强可降解农膜研发推广”的目标。降解地膜为农用地膜现有问题的解决提供了新的路径，在未来替代传统农用地膜已是大势所趋。研究表明，降解地膜在不同地域、不同栽培环境下表现出不同的降解行为[3]。分析原因为地膜的降解过程受土壤、光照、温湿度、微生物、农药、氧气等诸多环境因素的影响，且不同作物种类的生长周期对应地膜的需求期长短也不相同[4]。因此，可降解地膜由于适用性差的问题，在推广过程中出现了许多实际问题和阻碍，推广程度远没有达到能够替代传统地膜的程度。

近几年，设施蔬菜在中国发展迅速，地膜与日光温室或设施大棚配套使用，能够达到更好的增温保墒效果。由于反季节蔬菜通常具有较高的经济效益，其地膜使用量也在日益增加。番茄是江苏省设施农业栽培中比较常见的作物之一，在番茄设施栽培时普遍会使用地膜进行覆盖，以达到提高产量品质和节约用水等目的。

基于以上背景，江苏省农业科学院（JAAS）农用新材料团队采用核心配方、工艺和设备，研制出全生物降解地膜产品，并进行设施内试点应用，考察其应用情况，以期加快降解地膜的推广，为绿色生态农业发展提供技术支撑。

JAAS 全生物降解地膜开发

江苏省农业科学院（JAAS）农用新材料团队以全生物降解聚合物及生物质为主要原料，通过对降解地膜复配配方及成型工艺的探究，制备出两种基础型全生物降解地膜产品（表1）。

表1 JAAS 全生物降解地膜简介

秸秆添加全生物降解地膜JAAS-01

秸秆添加全生物降解地膜JAAS-01 产品是选取秸秆为主要配方之一，通过秸秆的高效多级微粉碎技术研发、秸秆-全生物降解高分子材料的配方设计与优化、成型工艺探究，开发出效益高的秸秆添加全生物降解地膜产品。JAAS-01 产品的开发也解决了当前秸秆等农林废弃物综合利用附加值较低的关键问题。JAAS-01 全生物降解地膜的性能指标见表2。全生物降解地膜JAAS-01 产品主要技术有以下3 种：

表2 JAAS-01 全生物降解地膜（厚度1.0 丝）的性能指标

（1）秸秆的多级微粉碎技术通过研究锤片式和爪齿式刀片对不同含水率秸秆的粉碎效果，探讨多种粉碎方式耦合排布对秸秆粉碎细度和效率的影响，同时优化腔室结构，增加粉碎机内颗粒逃逸阻力，实现抑尘并提高秸秆利用率，形成秸秆多级微粉碎技术。

（2）配方设计与优化首先将秸秆进行功能化改性，然后考察改性后的秸秆与全生物降解高分子材料的共混特性，突破秸秆纤维与全生物降解高分子之间的相容性难题，优化形成可稳定造粒的秸秆与全生物降解高分子共混配方。

（3）JAAS-01 产品的成型工艺以形成的秸秆-全生物降解高分子共混粒子为原料，探究不同成型工艺（流延成型及吹膜成型）参数对秸秆-全生物降解高分子材料流变性质和降解地膜物理力学性质的影响，根据国标要求对成型工艺参数进行优化，最终获得性能稳定、次品率低的JAAS-01 产品。

耐紫外光全生物降解地膜JAAS-02

江苏农科院全生物降解地膜JAAS-02 产品主要针对我国西北地区紫外线强，且棉花、马铃薯等作物使用白色地膜的习惯进行开发。通过配方的设计与优化、成型工艺探究，开发出耐受紫外光线的全生物降解地膜产品。耐紫外光全生物降解地膜JAAS-02 产品主要技术有以下2 点：

（1）配方设计与优化选取PBAT、PHA 等为主要配方，并添加一些特殊助剂，作为JAAS-02 产品的降解控制调节剂。

（2）JAAS-02 产品的成型工艺以PBAT、PHA 等为主要配方制备的粒子为原料，探究不同成型工艺（流延成型及吹膜成型）参数对高分子材料流变性质和降解地膜物理力学性质的影响，根据国标要求对成型工艺参数进行优化，最终获得性能稳定、可连续生产的JAAS-02 产品。

JAAS 全生物降解地膜在设施内 的应用推广情况

将JAAS-01 全生物降解地膜在设施内进行田间覆膜试验，目前应用推广面积为20亩（1.33 hm2），现将应用情况作如下介绍。

JAAS-01 地膜对设施番茄生长的影响

秸秆添加全生物降解地膜JAAS-01 产品，2021 年2月4日在江苏农科院温室大棚进行手工覆膜应用于设施番茄生产。2021 年4月10日番茄作物进入开花期，4月22日进入开花坐果期，JAAS-01 组和PE 地膜组植株长势相当，均优于空白组（图1）。

图1 设施内番茄开花期空白组、PE 地膜组和JAAS-01 组番茄植株长势

从2021 年2月4日番茄苗定植至2021 年6月6日番茄进入果实成熟期，地膜覆盖历时123天，观察PE 地膜和JAAS-01 地膜的降解性能见表3。设施内使用40 天和80 天后，PE 地膜和JAAS-01 地膜均未出现明显变化，肉眼观察表现为完好。设施内使用120 天后，PE 地膜的耐拉伸强度无明显变化，JAAS-01 地膜的耐拉伸强度略有下降。两种地膜都可在番茄收获换茬时回收再利用。地膜的使用周期和降解周期将在后期的回收利用阶段，进一步观测。

表3 JAAS-01 地膜综合效益分析

表3 JAAS-01 地膜在设施内的降解效果

王斌等[5]将PBAT 全生物降解地膜应用于南疆棉花和玉米种植，PBAT 全降解地膜在覆膜80 天左右开始出现裂纹，覆膜90 天左右出现孔洞。冯晨等[6]将PBAT 全生物降解地膜在辽宁半干旱区应用于玉米种植，在覆膜58 天后出现了大的裂纹裂缝，在覆膜98 天后已经产生碎片和大范围降解。

本试验的JAAS-01 全生物降解地膜，PBAT也是其主原料之一，在设施内覆膜120 天后表现为手拉强力稍有下降，整体仍完好。可见，生物降解地膜在设施内降解速度明显低于露天环境降解速度。设施环境和露天环境相比，主要区别为设施环境高温高湿、缺少光照。因此，可以初步推测，相比设施内的高温高湿条件，露天光照条件对PBAT 地膜的降解具有更明显的促进作用。

生物降解地膜降解速度受气候条件、土壤环境、作物类型等因素的影响，降解过程比较复杂，需要在不同地区、不同作物上进行大量的应用试验，收集数据和分析改进，以加快降解地膜的推广。

JAAS 全生物降解地膜设施内应用效果

在植株长势方面，JAAS 全生物降解地膜和普通地膜效果相当；在地膜降解性能方面，设施内使用120 天后，JAAS 全生物降解地膜强度稍有下降，普通地膜未发生明显变化且韧性好，两者均可在后期进行回收利用。

将JAAS-01地膜和PE地膜、PBAT地膜产品进行综合效益分析，如表4 所示。从成本方面相比，PE 地膜的价格为0.5～1 万元/t，PBAT地膜的价格为2～3 万元/t[7]，JAAS-01 地膜则通过将秸秆作为添加原料来降低全生物降解地膜的成本；从影响植株长势方面，有文献表明，PBAT 地膜和普通塑料地膜对番茄植株生长的影响差异不显著[8]，所以JAAS-01 地膜和PE 地膜、PBAT 地膜三者对植株长势的影响相当；从生态效益方面，和PE 地膜相比，PBAT 地膜、JAAS-01 地膜均为全生物降解地膜，可大大减少地膜残留对土壤环境的污染，但降解地膜在降解过程中对土壤生态环境的影响还需长期跟踪研究。因此，综合来看，JAAS-01 地膜性能较好，可以进一步推广应用。

总结

全生物降解地膜作为一种绿色环保农用地膜，具有巨大的发展潜力与应用前景，是塑料地膜工业发展的热点方向，但成本高、降解可控性差等问题有待进一步解决。江苏省农业科学院农用新材料团队将结合不同地区各作物的生长需求，调整材料配方工艺以调控产品的性能和降解周期，以期进一步开发出成本低、适用性强的全生物降解地膜产品。