北方庭院环境治理生态工程建设——废旧塑料基保水植物栽培基质的制备与应用

中国科学院生态环境研究中心固体废弃物处理与资源化实验室；中国科学院大学

【基本情况】

发展庭院经济是乡村振兴战略重要的一环。生态庭院的建设可以整合农户闲置的土地资源，充分利用剩余劳动力资源，构建生活、种植、养殖于一体的复合型生态庭院，从而促进农村经济的发展。立足于中国科学院部署的乡村振兴项目，2019 年10 月至2022 年6 月，中科院生态环境研究中心在内蒙古库伦旗开展了农牧区庭院生态工程建设工作。库伦旗位于内蒙古自治区通辽市南部，地处科尔沁沙地与辽西浅山黄土丘陵区的过渡区，当地庭院一般有几亩到几十亩（1 亩≈0.067 hm2），以养殖和粗放种植为主，人居环境较差。在庭院环境治理中，堆积了大量废旧塑料，亟待安全处理。

项目组结合当地经济欠发达、干旱少雨、光照充沛和庭院面积大等特点，开展了设施栽培工程建设（图1）。将废旧塑料通过增容改性、嫁接扩链和熔融发泡，开发了新型废旧塑料基超吸水栽培基质，具有开孔、轻质、柔性和超吸水的特点，可以支撑和维持植物生长，并成功运用于温室大棚的立体栽培，为突破我国北方干旱、半干旱地区庭院水资源短缺的问题，以及构建环境整洁、资源集约利用的可持续庭院形态提供了科技支撑。工程运行结果表明，开发的塑料基栽培基质具有超吸水能力，可以减少灌溉次数，促进作物生长，实现了废旧塑料的高值化利用。

图1 生态庭院工程Figure 1 Ecological courtyard engineering

【技术/案例原理及技术路线】

（1）案例原理：通过增容改性、嫁接扩链和熔融发泡等方法，合成了具有超吸水能力的塑料基栽培基质。熔融状态下，交联剂分解产生自由基，通过自由基聚合和去氢反应发生交联反应，提高混合塑料的熔融强度，以承受发泡过程中产生的压力；通过嫁接超吸水树脂提高产物的吸水能力，满足植物生长的需要（吸水倍率1 188%）。然后在发泡剂和发泡助剂的作用下熔融发泡，通过气体的溶胀作用生成具有多孔质结构的塑料基栽培基质。

（2）技术路线：以废旧塑料为原料，使用课题组开发的气固两相流干洗设备对废旧塑料进行干式清洗后，可以达到93.6%的清洗率，在不消耗水和清洗剂的条件下达到塑料再生料的清洁度要求。清洗后的废旧塑料无需预先破碎，直接投入多组分混炼机进行混炼，得到均一混炼产物后转移到发泡设备，熔融发泡后即可得到具有超吸水能力的塑料基栽培基质。同时运用生态工程理论，在广阔的农户院落中建设了生态庭院，通过在生态庭院的院内和墙面搭建立体置物架，充分利用了立体空间资源。经过简单切割和分装后，合成的塑料基栽培基质可以作为生长基质运用在生态庭院建设中，实现废弃资源循环再生。塑料基栽培基质合成流程如图2 所示。

图2 塑料基栽培基质合成流程Figure 2 Flow of the synthesis of plastic-based growing substrate

【技术/案例特点】

（1）为废旧塑料的高附加值资源化开辟了新方向。以数量巨大、难以降解和附加值低的废旧塑料为原料，合成具有超吸水能力的塑料基栽培基质，既可以避免环境污染，产物还可以代替土壤促进植物的生长，减少灌溉次数，达到节水的效果。

（2）生态庭院工程的经济效益和环境效益显著。立体农业生态庭院（图3）可提高当地农户4 000～5 000 元/a 的收入（主要是冬季的反季节栽培），占当地人均收入的60%以上（2021 年库伦旗农村人均可支配收入为6 029 元），同时生态庭院具有环境整洁和可持续发展的特点，可以带来广泛的经济和生态效益，推动当地的乡村振兴。

图3 立体农业生态庭院Figure 3 Three-dimensional agricultural ecological courtyard

（3）生产工艺简单，便于推广。本项目开发的塑料基栽培基质生产简易，设备需求度低，条件温和，在经济不发达的地区也可以大规模推广，有助于挖掘丰富的村镇资源潜力，加快社会主义新农村的建设。

（4）应用前景广阔。合成的塑料基栽培基质具有超吸水能力和独立的形状，在改善城市生态环境的立体绿化方面应用潜力巨大。除了庭院工程外，产品在荒漠治理和边坡绿化等生态修复工程中也具有广阔的应用前景。

【长效运行模式与机制】

采取地方政府、基地负责人和中国科学院生态环境研究中心三方共同负责的模式。地方政府指令相关部门开展废旧塑料的收集、加工和生态庭院的建设；基地负责人负责日常管理以及植物的种植、采摘和售卖；中科院生态环境研究中心提供技术支持，同时负责推广相关技术进一步落地。三方相互监督，相互扶持，保证项目长效运行。

【经济、环境及社会效益】

（1）经济效益：“白色垃圾”变身为“栽培基质”，实现了塑料废弃物的高效资源化，开辟了废旧塑料回收的新途径。合成的塑料基栽培基质的成本为1 800～2 000 元/m3，是市面上同类产品价格的1/5（不含基建成本），具有显著的成本优势。

（2）环境效益：废旧塑料的高价值资源化和生态庭院工程可以显著减少废旧塑料的堆积，不断刷新农村地区的“颜值”，促进环境面貌朝着清洁、美丽和干净的方向迈进，从而形成生态良好和资源能源集约利用的可持续院落；生态庭院工程还可以充分利用太阳光，减少灌溉次数，从而实现生态化，减少碳排放。

（3）社会效益：生态庭院的建设可以整合农户劳动力和闲置的土地资源，对优化农村环境、建立协调发展的农村生态系统有积极意义。同时废旧塑料的资源化可以改善生态环境，提高居民的环境意识，长效推进村镇地区废旧塑料的高效资源化。由废旧塑料合成的塑料基栽培基质符合LY/T 2700—2016 花木栽培基质和DB11/T 770—2010 花卉栽培基质等相关标准的要求。