新疆农田残膜治理现状及PHA新技术的应用

范治璇 ， 余桂玲

（昌吉回族自治州昌吉市滨湖镇农业（畜牧业）发展服务中心，新疆 昌吉 831102）

新疆是我国重要粮棉产区，地膜覆盖技术的大面积推广对提高当地粮食及经济作物产量起到巨大作用，一度被称为新疆农业发展史上的“白色革命”。但多年不间断铺膜种植过程中，超常累积的残膜严重破坏耕作层土壤的结构，阻碍水肥平衡，危害作物根系生长，影响农产品产量和质量。近年来，农田残膜造成的危害引起各级部门重视，从政策层面组织开展综合化治理以减少地表残膜危害[1]，取得了很好的效果，但从长远看，研究应用可降解生物地膜才是解决残膜危害的根本之策。

1 残膜对农业生产的危害

农作物地膜覆盖栽培技术最早于1979年被引入我国，其具有适合于旱作农业区的保温、保水、保肥特点。新疆各地在20世纪90年代开始全面推广作物覆膜种植技术。使用地膜有利于干旱区作物生长和农业增产，但长期使用造成的残膜危害却很难治理。

1.1 残膜对耕地造成的危害

农用地膜的主要原料聚乙烯是一种石油基高分子化合物，该类物质化学性质非常稳定，在土壤中很难被光、酶、细菌降解。理论上，聚乙烯地膜埋藏在土壤中可存留200年以上，可见其残留危害的持久性。

经测算，经过简单机械化残膜回收的棉田，其当年地膜残留率一般仍能达到10%~20%。在连续15年铺膜播种的棉田，其地膜残留量已达到375 kg/hm2，最高可达555 kg/hm2。在南疆地区，棉田使用地膜两年后，耕作层地膜残留量即可达到41.9 kg/hm2。年复一年地使用农用地膜，使农田的残膜逐年累积，造成土壤的永久性污染。经实地调查，土壤中的残留地膜主要分布在30 cm的耕作层，其中70%的残留量分布在0~10 cm的地表浅层，其余30%分布在地表10 cm以下的土壤中。

土壤中大量的残膜不仅会阻碍养分的输送，还使其透气性降低、毛细管作用失效，对土壤容重、孔隙度和通透性都产生不良影响，造成土壤板结、地力下降。此外，地表水渗透量因地膜残留增加而减少，土壤含水量的下降，削弱了土壤的抗旱能力，甚至会引起次生盐碱化[2-3]。

1.2 残膜对作物生长的影响

残留在农田的地膜破坏土壤结构、阻碍耕作层水汽循环和营养传送，严重影响作物根系对水分和肥料的吸收利用。同时，残留农膜会阻挡作物根系的扩张，影响作物的生长，最终导致作物产量下降。此外，残膜还会抑制土壤微生物生长，改变土壤生物特性，造成作物早衰。棉花种植数据显示：棉花出苗率会随着残膜量的增加而呈下降趋势。究其原因，残膜会导致烂种和烂芽率大幅度提高，在生长期导致棉苗侧根稀少，出现单株蕾期推迟、铃数减少、脱落增加的现象。测算结果表明，单株成铃数较对照组减少0.4~12个，脱落率增加3.9%~5.5%。

1.3 残膜对经济作物品质的影响

在棉花采收加工领域，残膜因轻薄透明易产生静电的特性而成为机采棉难以清除的杂质。机采棉在采收过程中带入的残膜碎屑在籽棉清选和皮棉清选等除杂工序后最终被打成更碎的片屑混入皮棉，严重影响皮棉品质。目前，机采棉含有的地膜碎屑是造成国产机采棉与进口机采棉质量差距的原因之一。

2 现行残膜治理的方式

现阶段，农田残膜污染治理是一个系统工程，在解决农田残膜机械化回收的同时，还要从全产业链的薄弱环节着手，由政府部门牵头，联合高校、科研院所及企业，通过多种渠道吸纳资金投入到回收后的残膜预处理关键技术的研究开发工作，并加快科技成果转化速度，实现产品的市场推广应用，需要打通地膜生产、使用，残膜回收、运输、初清理及资源化利用的各个环节，形成全产业链闭环处理模式[4-5]。

近年来，各级政府通过推广残膜回收机械、提高农用地膜标准、设立回收补贴资金等措施大力推进农田残膜治理工作。这些工作的开展，有力地促进了残膜治理的深入，为减少残膜危害、部分恢复耕地的土壤理化指标、保障农业的可持续发展做出了有益尝试。

2.1 机械化残膜回收

残膜的机械化治理首先要推广机械化残膜回收技术。通过近年来的大力宣传和示范推广，广大农民群众也在生产实践中深刻体会到残留地膜对土壤和农作物的危害，认可残膜回收这项工作的重要性。机械化残膜清理以农机与农艺融合为出发点，在苗期或作物收获后应用机械化技术开展残膜治理。在实践中采用膜杂分离技术，通过边膜收获、起膜挑膜、输膜脱膜环节实现耕层残膜回收[6-7]。通过农机购置补贴政策残膜回收整机在农户购买总支出减少，降低残膜清理均摊机械成本，增加经济效益，提高农民积极性。另外，通过政策资金投入，对残膜回收可以引进专门的装卸、打捆及转运机械，解决残膜转运问题。

2.2 使用新国标增厚地膜

新修订的GB 13735—2017《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》强制性国家标准在2018年5月正式实施。新标准修订了地膜的适用范围、分类、产品等级、厚度偏差、拉伸性能、耐候性能等多项指标，为便于田间残膜机械回收而特别提高了地膜的厚度标准。新标准规定，地膜厚度应大于等于0.010 mm，正负偏差为+0.003 mm和-0.002 mm。这对于解决现阶段地膜残留问题、减少农田“白色污染”，改善农业生态环境、助力乡村振兴有重要意义。

实际上，市面上售卖的地膜厚度虽然达到了《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》的相关厚度标准，但其强度未必能满足实际需要。新疆地膜覆盖时间一般在100 d以上，若残膜碎片化较为严重、含杂量较高，这类地膜在回收时强度不够，也很难收集[8-9]。

2.3 使用淀粉基可降解地膜

聚乙烯塑料给环境带来危害，主要原因在于难降解。我国地膜的年使用量达到120多万吨，土壤中残膜完全回收较为困难。全淀粉可降解塑料地膜理论上可以从根本上解决残膜问题，但因产品性能远低于聚乙烯薄膜，且成本高、使用效果差，不能满足实际需要，导致农民群众接受度差，推广受阻。只有加快研制新型地膜，在达到普通地膜使用性能指标的前提下，可以在一定的时间内迅速降解，免除高成本的地膜回收环节，从根本上减少地膜对土壤和农作物产生的危害。

2.4 残膜预处理及再加工

干旱地区可采用适应水资源约束条件下的残膜预处理工艺，配备满足生产需要的成套设备，合理布置加工工艺流程。新疆干旱缺水的自然条件不适合水洗为主的残膜预处理生产线，对再生造粒为主的残膜再加工多采用干式分离法。干式分离法在膜杂不分离的情况下进行残膜预处理，可以降低企业运行成本及设备要求，在一定程度上减少二次环境污染。

2.5 残膜资源化利用

在残膜预处理及再加工的基础上，利用丰富的农作物秸秆资源，进行木塑制粒加工，经后续成型工艺将木塑颗粒制成木塑制品，产品可用于室内外装修、景区建设、环保物品制作及物流包装等，可以减少木材的使用、消耗。残膜资源化利用还可将残膜作为燃料用于催化热解及生物质发电，将其转化为电能，促进节能减排及绿色可持续发展[10-11]。

3 PHA新技术的应用

PHA，通用名为聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates），是制造生物塑料的基本材料。其材料学特性与普通塑料类似，可在石油基塑料一半以上的应用领域使用，代替聚乙烯塑料制造薄膜、购物袋、餐具、饮料瓶等。

PHA生物塑料薄膜作为农田残膜的终极解决办法，克服了植物淀粉基降解地膜使用周期内不耐用、降解不完全的缺点。

3.1 PHA技术的起源

PHA材料的研究起源于20世纪70年代的世界石油危机，科学家在研究石油替代物的过程中发现了300余种能够产生PHA的微生物，并开发出较为稳定的生产工艺。PHA本质上是一些特定细菌体内生长出来的脂肪体，用来储存微生物多余的能量，作用相当于动物体内的脂肪。在自然界，许多微生物可以把PHA作为营养物质消化吸收，因此，PHA在自然环境中降解很快。经试验，PHA在土壤中3~6个月内就能降解，其他微生物吃掉这种材料制成的生物塑料后还能加快繁殖，使土壤更加肥沃。

但是，传统工艺生产的PHA生物塑料直到现在还未大范围普及，主要原因就是成本较高。据国内某批发平台的数据，按目前工艺生产的PHA生物塑料的价格，大致是普通聚乙烯和聚丙烯价格的3倍至10倍。

3.2 PHA新技术生物塑料的生产

PHA新技术是利用在新疆吐鲁番艾丁盐湖发现的野生盐单胞菌（Halomonas）TD和盐单胞菌LS21，通过合成生物学技术重新编辑单胞菌DNA编码，重构这两种细菌的微生物生长模式，使之产生更多“脂肪”。一般情况，单胞菌经过“养肥”，再把它们的“脂肪”提炼出来，称为“产物纯化”，但是通过生物编程技术，这个步骤省去了。这两种单胞菌会在生命的最后一刻互相连接在一起，成团自行沉到水底，通过提取、干燥、造粒、应用加工的工艺流程，即可完成从PHA合成、高分子加工改性到产品化的全过程。

3.3 PHA新技术低成本的原因

PHA生物塑料想要大范围普及，就必须把成本降下来。清华大学生命科学学院陈国强教授领衔利用生物合成技术解决了PHA生产成本高昂的问题。传统的PHA生产工艺需要营造无菌的环境，为了防止杂菌侵入，必须使用巨大的不锈钢发酵罐，通过消耗外部能源维持特定的温度、湿度。PHA传统提取工艺要使用5 000 r/min的高速离心设备，在大规模工业生产中，设备和能耗也占据相当大的一块成本。

清华大学研究人员利用“合成生物学”技术，把野生盐单胞菌（Halomonas）TD和盐单胞菌LS21进行DNA改造，重构了整个PHA的生产流程，使之不再需要封闭无菌环境，可以在盐碱环境中生长，省去无菌发酵的设备和能耗成本，在工业化生产中可以用取之不尽的海水来养殖单胞菌，节约大量淡水资源。研究人员还把细菌一变二分裂的繁殖方式转变成指数级的增长方式。PHA生产过程的简化减少了设备、能源成本，生产总成本比国内外现有工艺技术降低一半，走在了世界的最前列。目前，该项目已完成PHA生物塑料新技术工业化中试，开始5万~10万吨规模的量产。

3.4 PHA新技术的应用场景

新一代PHA生物技术突破了此前工业化生产的局限性，其工业化生产已经完成了全技术链条中期试验。用于PHA全生物基可降解材料生产已经具备完全工业化条件。现有生产线合成的PHA粒料已经制成了可生物降解的农用地膜、纯PHA餐具、彩色3D打印丝、电纺纤维、超市购物袋、外卖的包装材料，甚至PHA还纺成了纱线，并织成布料用以代替丝绸。

4 展望

农田残膜治理的根本出路在于找到满足农业生产实际要求的可降解地膜并大规模推广使用。PHA新材料如能实现规模化生产并在农用地膜使用领域全面普及，将会彻底改变现有残膜治理模式，节约大量社会资源和人力成本，其应用发展前景十分广阔。建议将这项新技术作为农业领域战略性发展项目进行试点验证并给予政策支持，为PHA技术下一步推广应用打下坚实基础。