嚴(yán)昌榮，何文清，薛穎昊，劉恩科，劉勤

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081

2 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京　100125

綜述

生物降解地膜應(yīng)用與地膜殘留污染防控

嚴(yán)昌榮1，何文清1，薛穎昊2，劉恩科1，劉勤1

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

2 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京100125

嚴(yán)昌榮，何文清，薛穎昊，等. 生物降解地膜應(yīng)用與地膜殘留污染防控. 生物工程學(xué)報(bào)，2016，32（6）: 748-760.

Yan CR，He WQ，Xue YH，et al. Application of biodegradable plastic film to reduce plastic film residual pollution in Chinese agriculture. Chin J Biotech，2016，32（6）: 748-760.

地膜是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)資料之一，過去30多年，地膜用量和農(nóng)作物覆膜面積一直穩(wěn)定增長，2014年地膜用量達(dá)到了144萬t，覆膜面積超過1 800萬hm2，該技術(shù)對保障我國農(nóng)產(chǎn)品安全供給作出了重大貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，地膜殘留污染問題越來越嚴(yán)重，一些農(nóng)田的地膜殘留量超過250 kg/hm2，在我國西北的局部區(qū)域，地膜殘留已經(jīng)對農(nóng)田土壤、作物生長發(fā)育、農(nóng)事作業(yè)等造成嚴(yán)重影響和危害。生物降解地膜成為替代普通PE地膜、解決地膜殘留污染的一種有效措施和手段，目前生物降解地膜正處于產(chǎn)品研發(fā)和評價(jià)試驗(yàn)的關(guān)鍵階段，部分生物降解地膜產(chǎn)品在馬鈴薯、花生、煙草生產(chǎn)上顯示出良好的效果，但總體上還面臨巨大挑戰(zhàn)，主要包括需要進(jìn)一步提高地膜產(chǎn)品質(zhì)量，提高地膜產(chǎn)品破裂和降解可控性，改善地膜的增溫保墑能力，實(shí)現(xiàn)滿足農(nóng)作物對地膜覆蓋功能的要求；此外，需要降低生物降解地膜綜合成本，促進(jìn)生物降解地膜規(guī)模化應(yīng)用?？傮w上，隨著技術(shù)進(jìn)步和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的變化，生物降解地膜應(yīng)用將具有良好的前景。

地膜殘留污染，生物降解地膜，機(jī)遇與挑戰(zhàn)

Chinese Journal of Biotechnology

http://journals.im.ac.cn/cjbcn

June 25，2016，32（6）: 748-760

?2016 Chin J Biotech，All rights reserved

地膜覆蓋的增溫保墑、抑制雜草等功能，導(dǎo)致該技術(shù)應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)增收，也使得地膜成為種子、農(nóng)藥、化肥之外的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。20世紀(jì)50年代日本科學(xué)家發(fā)明了地膜覆蓋技術(shù)，在發(fā)明初期，覆蓋的主要對象是經(jīng)濟(jì)作物，尤其是園藝作物。20世紀(jì)70年代末，中國引入地膜覆蓋技術(shù)，隨著塑料行業(yè)科技進(jìn)步，尤其是地膜材料研發(fā)、吹膜工藝的進(jìn)步和完善，以及覆膜機(jī)械的廣泛應(yīng)用，地膜產(chǎn)品和覆膜方式的不斷改進(jìn)，使得地膜覆蓋技術(shù)迅速得到普及應(yīng)用。目前，地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用使我國蔬菜、玉米、花生、棉花等農(nóng)作物產(chǎn)量大幅度提高，對保障我國農(nóng)產(chǎn)品安全供給作出了重大貢獻(xiàn)［1］。中國也成為世界上地膜用量最多、覆蓋面積最大、覆蓋作物種類最多的國家，2014年全國地膜用量達(dá)到144.1萬t，覆蓋面積超過1 800萬hm2。

與此同時(shí)，地膜覆蓋廣泛應(yīng)用也帶來了一系列問題，如技術(shù)泛用和濫用，地膜殘留導(dǎo)致的“白色污染”等［2］。因此，地膜覆蓋技術(shù)合理利用和新型環(huán)境友好型生物降解地膜產(chǎn)品研制成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新需求。

1　地膜覆蓋應(yīng)用及殘留污染特點(diǎn)

1.1地膜覆蓋技術(shù)對農(nóng)業(yè)的影響

增加地溫、保持土壤水分、抑草滅草、抑鹽保苗、增加作物冠層中下部光照均勻程度和增加散射光等是地膜覆蓋的主要功能特點(diǎn)，也是能夠提高農(nóng)作物產(chǎn)量和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。這些特點(diǎn)對我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了極為重要的影響。

1.1.1地膜覆蓋對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

過去30多年來，地膜覆蓋的規(guī)模應(yīng)用對我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，使得我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）改變作物播期，擴(kuò)大了作物種植區(qū)域。據(jù)估算，2012年以來，全國有667萬-800萬hm2春玉米采用了地膜覆蓋，占全國玉米全部播種面積的1/4以上［3］。在我國的北方寒旱區(qū)和西南高海拔地區(qū)，如隴東、寧夏中南部山區(qū)和西南高海拔地區(qū)等，由于積溫偏低，玉米無法成熟或者產(chǎn)量低的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了玉米的正常生產(chǎn)，玉米種植北界北移了2-3個(gè)緯度，播種時(shí)間提前5-10 d，種植面積也大幅度增加［3-4］。地膜覆蓋使新疆棉區(qū)成為我國最重要的棉花產(chǎn)區(qū)，播種面積占比由20世紀(jì)80年代占全國9個(gè)棉花主產(chǎn)省的10%以下，提高到現(xiàn)在的30%以上；區(qū)域棉花平均單產(chǎn)水平也由20世紀(jì)80年代全國的最低，發(fā)展成目前棉花單產(chǎn)遠(yuǎn)高于全國平均水平的區(qū)域［5］。

2）改變區(qū)域種植結(jié)構(gòu)，構(gòu)建新型種植模式。隴東是黃土旱塬的代表性地區(qū)，旱作農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本形式，由于水分和熱量不足，基本上是一年一熟或兩年三熟。由于全膜雙壟覆膜和頂凌覆膜技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用，原有的冬小麥-冬油菜輪作模式迅速萎縮，取而代之的是地膜玉米-冬油菜、地膜玉米-冬小麥等模式。

3）提高農(nóng)作物產(chǎn)量，保障國家糧食安全。北方旱作區(qū)是我國耕地面積最大的區(qū)域，但由于水熱條件較差，農(nóng)作物產(chǎn)量一直較低，近年來，通過廣泛采用地膜覆蓋技術(shù)，極大促進(jìn)了農(nóng)作物產(chǎn)量的提高。長期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，地膜覆蓋使北方旱作區(qū)玉米增產(chǎn)率超過150%，大范圍內(nèi)玉米平均增產(chǎn)率為25%-30%。據(jù)估算［5］，地膜覆蓋技術(shù)使我國玉米每年增產(chǎn)100億-150億kg，貢獻(xiàn)了相當(dāng)于全國玉米總產(chǎn)量的5%-8%，棉花產(chǎn)量的30%。

1.1.2地膜覆蓋應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1）地膜用量持續(xù)增加，覆膜面積進(jìn)一步上升。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示［6］，我國地膜使用量由1982年的0.6萬t增加到2014年的144.1萬t，未來仍有繼續(xù)增加的趨勢。農(nóng)作物地膜覆蓋面積也一直保持持續(xù)增長態(tài)勢，1982年農(nóng)作物覆蓋面積僅為11.7萬hm2，2014年已超過了1 800萬hm2，主要分布在冷涼和干旱區(qū)域。

2）應(yīng)用區(qū)域不斷擴(kuò)大，地膜使用強(qiáng)度逐年提高。選擇1991年、2001年和2011年3個(gè)年份全國所有省 （區(qū)、市）的相關(guān)數(shù)據(jù)［6-8］，分別計(jì)算了全國各省 （區(qū)、市）的地膜使用強(qiáng)度。結(jié)果顯示，在這20年來地膜使用強(qiáng)度都呈現(xiàn)增加趨勢，幅度一般為3-10倍，尤其是北方寒旱區(qū)提高幅度大，使用強(qiáng)度大。調(diào)查數(shù)據(jù)還顯示，西北玉米和棉花產(chǎn)區(qū)、東北花生產(chǎn)區(qū)、華北花生和棉花產(chǎn)區(qū)、西南煙草產(chǎn)區(qū)及所有蔬菜集中產(chǎn)區(qū)是地膜使用強(qiáng)度較高的區(qū)域［9］。

3）覆膜作物種類增加，技術(shù)模式日臻完善。地膜覆蓋應(yīng)用的作物種類急劇增加，地膜覆蓋最初主要用于經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較高的蔬菜、花卉生產(chǎn)上［10-11］，經(jīng)過30多年的理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐，現(xiàn)已擴(kuò)大到花生、西瓜、甘蔗、煙草、棉花等多種經(jīng)濟(jì)作物，以及玉米、小麥、水稻等大宗糧食作物上。

1.2地膜殘留污染特征與危害

1.2.1地膜殘留污染時(shí)空分異特點(diǎn)

殘留地膜污染調(diào)查的結(jié)果表明，不同地區(qū)由于使用量、使用方式及覆膜年限的不同，土壤中殘膜量也存在顯著差異。綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)、黃土旱源區(qū)、東北風(fēng)沙區(qū)、華北地區(qū)和西南山區(qū)等5大區(qū)域長期覆膜農(nóng)田土壤中地膜殘留量為71.9-231.0 kg/hm2。從區(qū)域上看，新疆綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地膜殘留量最高，長期覆膜農(nóng)田平均地膜殘留量達(dá)231.0 kg/hm2，最高可達(dá)304.0 kg/hm2，尤其是北疆地區(qū)。西北黃土旱塬區(qū)也是一個(gè)地膜殘留污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，長期覆膜農(nóng)田的地膜殘留量在100 kg/hm2左右，但總體情況稍好于西北綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。東北風(fēng)沙旱作區(qū)雖然大規(guī)模使用地膜的時(shí)間不長，但農(nóng)田殘膜污染已比較嚴(yán)重，長期覆膜農(nóng)田平均地膜殘留量與西北旱作區(qū)基本一致，最高可達(dá)129.7 kg/hm2，主要原因是缺乏主動(dòng)地膜回收措施，導(dǎo)致地膜殘留量急劇增加。華北棉花、蔬菜種植區(qū)，以及西南煙草種植區(qū)雖然也有地膜殘留的問題，但總體上污染程度較輕，平均地膜殘留量在50 kg/hm2以下。

1.2.2地膜殘留污染的主要危害

1）破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低了耕地地力水平。普通PE地膜是不易分解的高分子聚合物，在農(nóng)田土壤中長期累積，并對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響。有研究結(jié)果顯示［12］，隨著殘膜量增加，土壤通透性和土壤孔隙度會逐漸下降，如趙素榮等［13］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中地膜殘留量由0提高到225 kg/hm2時(shí)，土壤孔隙度降低13.8%。有人認(rèn)為地膜殘留能夠使得土壤容重增加［14］，但也有研究結(jié)果顯示地膜殘留對土壤容重不產(chǎn)生影響［15］。但一致認(rèn)為，地膜殘留會影響土壤通透性，破壞土壤結(jié)構(gòu)。

2）影響土壤中水肥運(yùn)移，降低了水肥有效性。大量研究結(jié)果表明，殘留在土壤的地膜影響土壤中水分和養(yǎng)分的運(yùn)移，而且影響程度隨著殘膜量增加會越來越嚴(yán)重［14-16］。李仙岳等［17］模擬結(jié)果顯示，在滴灌條件下，隨著土壤中殘膜量增加，滴灌濕潤鋒的運(yùn)移距離明顯變小，濕潤體縮小，且呈現(xiàn)明顯不規(guī)則性。尤其是當(dāng)殘膜面積大于16 cm2時(shí)，殘膜極易在土壤集中，造成毛管斷裂，使毛管水上升速度減慢［18］。殘留地膜對土壤中水分和養(yǎng)分運(yùn)移速度和途徑的阻隔，降低了土壤水分和養(yǎng)分的可利用性。

3）影響作物生長發(fā)育，降低農(nóng)作物產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，地膜殘留導(dǎo)致小麥基本苗和冬前分蘗數(shù)降低，小麥表現(xiàn)出苗慢、出苗率低、根系扎得淺，有些根系由于無法穿透殘膜碎片而呈現(xiàn)彎曲橫向發(fā)展，同樣殘留地膜對玉米、茄子、白菜和花生生長發(fā)育具有明顯的抑制作用，尤其是苗期［13，19-21］。地膜殘留通過影響土壤結(jié)構(gòu)、水分運(yùn)移和作物生長發(fā)育，進(jìn)而影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量，尤其是對須根系作物［21-26］。

4）殘留地膜的其他不良影響。地膜殘留對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)環(huán)境也會帶來一系列的其他負(fù)面作用，如農(nóng)戶將回收的殘膜置于地頭焚燒，燃燒殘膜產(chǎn)生的有害氣體會污染大氣；殘膜碎片與農(nóng)作物秸稈及青草混雜在一起，牛、羊等家畜誤食后，可導(dǎo)致腸胃功能失調(diào)，膘情下跌，嚴(yán)重時(shí)引起厭食和進(jìn)食困難，造成死亡［27］。土壤中的殘留地膜會影響農(nóng)田機(jī)械耕作，播種時(shí)殘膜容易纏繞開溝器，導(dǎo)致播種質(zhì)量下降。

2　生物降解地膜研發(fā)與應(yīng)用

2.1生物降解地膜的基本情況

生物降解地膜是指在自然環(huán)境中可通過微生物作用而引起降解的塑料生產(chǎn)的薄膜。日本生物降解塑料研究技術(shù)委員會將其定義為“在自然界中通過微生物的作用可以分解成不會對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響的低分子化合物的高分子及其摻混物”［28］。根據(jù)主要原料可以分為天然生物質(zhì)為原料的可降解地膜和石油基為原料的可降解地膜。天然生物質(zhì)如淀粉、纖維素、甲殼素等，通過對這些原料改性、再合成形成生物降解地膜的生產(chǎn)原料。尤其是淀粉應(yīng)用在生物降解地膜生產(chǎn)原料方面開展了大量工作。淀粉作為主要原料的地膜按照降解機(jī)理和破壞形式又可分為淀粉添加型不完全生物降解地膜和以淀粉為主要原料的完全生物降解地膜［29-32］。添加型降解地膜，是在不具有降解特性的通用塑料基礎(chǔ)上，添加具有生物降解特性的天然或合成聚合物等混合制成［33］，它不屬于完全生物降解的地膜。目前，添加型降解地膜，主要由通用塑料、淀粉、相容劑、自氧化劑、加工助劑等組成，其存留PE或聚酯不能完全生物降解；以淀粉為原料生產(chǎn)的完全生物降解地膜主要是通過發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，乳酸經(jīng)過再合成形成聚乳酸 （PLA），以聚乳酸為主要原料生產(chǎn)的地膜。另一類重要的天然物質(zhì)是纖維絲為原料生產(chǎn)的地膜，通過對纖維素醚化、酯化以及氧化成酸、醛和酮后制成地膜，可完全降解［34］。以石油基為原料的可降解地膜生產(chǎn)主要包括二元酸二元醇共聚酯 （PBS、PBAT等）、聚羥基烷酸酯 （PHA）、聚己內(nèi)酯 （PCL）［35］、聚羥基丁酸酯 （PHB）［36］、CO2共聚物-聚碳酸亞丙酯（PPC）等。這些高分子物質(zhì)在自然界中能夠很快分解和被微生物利用，最終降解產(chǎn)物為二氧化碳和水。

2.2主要生物降解地膜的研發(fā)

2.2.1淀粉基降解地膜

在生物降解地膜研發(fā)初期，淀粉基降解地膜一直是研發(fā)的重點(diǎn)，從最初用6%-20%淀粉和聚合物烯烴共混制備地膜逐漸發(fā)展到由50%淀粉和親水性聚合物共混制備地膜；目前是將淀粉進(jìn)行改性，生產(chǎn)出能夠被生物降解的塑料，然后生產(chǎn)地膜。這種地膜具有工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)［37-38］。國內(nèi)研發(fā)淀粉基降解地膜單位大部分生產(chǎn)添加型淀粉塑料，其產(chǎn)品中的淀粉含量一般為10%-30%［39］。

2.2.2完全生物降解地膜

20世紀(jì)80年代初，英國發(fā)現(xiàn)β羥基丁酸酯（PHB）提取和純化方法并制成薄膜［29］，但PHB的耐沖擊強(qiáng)度和耐溶性較差。日本東京工業(yè)大學(xué)將部分丙酸變換成乙酸，合成4HB-3HV無規(guī)共聚物［29］，使其性能大幅度改善。我國的聚羥基烷酸酯的研究始于20世紀(jì)80年代，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所最早開展相關(guān)工作［32］。天津大學(xué)采用化學(xué)法對PHB共聚物合成進(jìn)行探索［40］，也有人開始利用植物的葉子或根來生產(chǎn)PHBV，由于PHBV自身固有一些缺陷 （脆性等），成本高和價(jià)格昂貴限制了作為地膜的應(yīng)用［32］。

目前開發(fā)的用于生物降解地膜生產(chǎn)的材料主要由淀粉進(jìn)行發(fā)酵成乳酸，再聚合成完全生物降解的半晶質(zhì)聚合物，可在水和土壤中完全降解的聚乳酸 （PLA）［41］；由丁二酸和丁二醇兩種單體聚合而成的聚丁二酸丁二醇酯 （PBS）［42-44］；二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚生成的聚碳酸亞丙酯（PPC）［45］以及由β-己內(nèi)酯在催化劑作用下開環(huán)聚合生成的聚己內(nèi)酯 （PCL）［46］等。

2.2.3纖維素類生物降解地膜

以天然纖維絲為原料生產(chǎn)生物降解地膜一直是研究的熱點(diǎn)，這類地膜雖然在增溫保墑等功能方面不如普通PE地膜，但具有很好的透水透氣性能。國內(nèi)多家單位開展了草纖維地膜、紙基地膜的研究和應(yīng)用，如中國國際科技促進(jìn)會北京膜科學(xué)所研制出CXW-1草纖維農(nóng)用地膜；湖北枝城第一造紙廠、新疆和田地區(qū)農(nóng)科中心等開發(fā)出紙地膜；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所應(yīng)用麻纖維研制出麻地膜，被大規(guī)模應(yīng)用在水稻育秧和南方蔬菜種植方面［47-49］。

2.3生物降解地膜的應(yīng)用

在世界范圍內(nèi)，歐洲、美國和日本是降解材料技術(shù)和生物降解地膜研發(fā)和應(yīng)用最先進(jìn)的國家和地區(qū)。2010年以來，隨著生物降解材料和加工工藝技術(shù)進(jìn)步，生物降解地膜應(yīng)用越來越廣泛。目前，日本和歐洲生物降解地膜在地膜市場的份額不斷上升，近年來達(dá)到了10%左右，局部區(qū)域的應(yīng)用比例更高，如日本蔬菜種植中生物降解地膜比例已經(jīng)超過20%。而PE地膜等傳統(tǒng)地膜則逐漸下降［5］（圖1）。這些生物降解地膜主要用于園藝和蔬菜生產(chǎn)方面，如日本現(xiàn)在每年有約2 000 t生物降解地膜用于南瓜、萵苣、大白菜、甜薯、土豆、洋蔥、蘿卜和煙草等，歐洲也基本如此。

圖1　日本近10多年來不同地膜用量的變化 (日本昭和小野實(shí)輝)[5]Fig. 1　The change of plastic film used in Japan in recent 10 years［5］.

2010年以來，日本昭和電工株式會社、德國BASF、法國Limagrain開始與中國有關(guān)科研和農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門合作，進(jìn)行生物降解地膜的試驗(yàn)和示范工作，重點(diǎn)在西北的新疆、甘肅和內(nèi)蒙古地區(qū)，西南的云南以及華北的北京、河北等，應(yīng)用作物有棉花、玉米、煙草、馬鈴薯和蔬菜等。在地方政府的大力支持下，法國Limagrain在云南開展了大規(guī)模的生物降解地膜應(yīng)用示范，覆蓋作物超過10個(gè)，面積超過了1 000多hm2。與此同時(shí)，國內(nèi)有關(guān)企業(yè)，如金發(fā)科技、浙江鑫富藥業(yè)、新疆蘭山屯河等，在生物降解樹脂材料生產(chǎn)線完成的基礎(chǔ)上，開始進(jìn)行降解地膜的研發(fā)和應(yīng)用，并不斷改進(jìn)和完善產(chǎn)品配方，使得產(chǎn)品應(yīng)用性能、經(jīng)濟(jì)性能都得到了大幅度提高。

近年來，我國在生物降解地膜的研究和應(yīng)用取得了長足進(jìn)步，尤其通過二元酸二元醇共聚酯合成技術(shù)和設(shè)備的改進(jìn)［50］，PLA合成中關(guān)鍵催化劑技術(shù)的突破，已經(jīng)形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物降解塑料生產(chǎn)的核心技術(shù)和工藝［51］。在此基礎(chǔ)上，生物降解地膜生產(chǎn)配方和工藝也得到進(jìn)一步改進(jìn)和完善，已形成萬噸級的生物降解地膜生產(chǎn)能力，并在局部區(qū)域和典型作物上開展了試驗(yàn)示范。2011年以來，在農(nóng)業(yè)部支持下，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所與國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)合作，在新疆石河子市、河北成安縣、遼寧阜新、湖北恩施、云南曲靖、山東青島、內(nèi)蒙古武川、甘肅鎮(zhèn)原、寧夏海原等地建立了生物降解地膜適宜性評價(jià)基地，選擇國內(nèi)外主要生物降解地膜生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，進(jìn)行產(chǎn)品上機(jī)性能、農(nóng)藝性能 （增溫保墑、雜草防除等）、降解性能 （降解時(shí)間、降解方式和程度等）、經(jīng)濟(jì)性 （與PE地膜比較，獲取可降解地膜在投入、農(nóng)作物產(chǎn)量增產(chǎn)、回收等參數(shù)）的綜合評價(jià)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出產(chǎn)品配方改進(jìn)和完善的建議。

2015年，國家有關(guān)部門設(shè)立了專項(xiàng)資金進(jìn)行全國生物降解地膜試驗(yàn)評價(jià)，選擇了20多家公司的不同生物降解地膜，在東北、華北、西北和西南四大區(qū)域的11個(gè)省 （區(qū)）23個(gè)縣 （市）的7種農(nóng)作物上開展了試驗(yàn) （表1）。目的是明確不同生物降解地膜的降解特性和區(qū)域差異，不同降解地膜增溫保墑和防除雜草的功效及對作物產(chǎn)量的影響，促進(jìn)與區(qū)域和作物特點(diǎn)相適宜的降解地膜的研發(fā)與應(yīng)用和為國家有關(guān)決策部門制定地膜應(yīng)用及污染防治提供依據(jù)。綜合評價(jià)結(jié)果顯示，目前大多數(shù)生物降解地膜在煙草、花生等覆膜時(shí)間較短作物上具較好的適宜性，而對需要覆膜時(shí)間長的作物適應(yīng)性較差。從區(qū)域上看，華北和西南地區(qū)生物降解地膜適宜性要高于西北地區(qū)，尤其是西北內(nèi)陸地區(qū)，對生物降解地膜要求相對較高。生物降解地膜存在的普遍性問題是機(jī)械強(qiáng)度不夠，鋪膜時(shí)容易斷裂，機(jī)械化操作困難；降解的時(shí)間可控性差，破裂時(shí)間過早；增溫保墑性能弱于普通PE地膜，尤其是作物生育前期最明顯，對作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成造成一定的影響。

表1　2015年全國降解地膜評價(jià)試驗(yàn)地點(diǎn)和作物種類表Table 1　The pilot sites and crops of assessment of biodegradable plastics in 2015 China

3　生物降解地膜存在的問題和挑戰(zhàn)

3.1產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度有待于進(jìn)一步提高

生物降解地膜的機(jī)械強(qiáng)度不夠，無法進(jìn)行規(guī)?；鳂I(yè)是生物降解地膜大規(guī)模應(yīng)用的限制因子之一。由于基礎(chǔ)材料本身的特性，大多數(shù)生物降解地膜抗拉伸強(qiáng)度不夠，在一些以機(jī)械作業(yè)為主的農(nóng)區(qū)，無法進(jìn)行機(jī)械化覆膜作業(yè)，這個(gè)問題在新疆尤為突出。只有通過完善和改進(jìn)地膜配方，提高地膜的抗拉伸強(qiáng)度，滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)要求，才能為較大規(guī)模應(yīng)用生物降解地膜創(chuàng)造條件 （圖2）。

3.2降解可控性與農(nóng)作物需求存在差異

地膜覆蓋的作用具有多方面，重點(diǎn)是增溫保墑和抑制雜草，為了實(shí)現(xiàn)地膜的這些功能必須保證覆蓋的時(shí)間，否則就無法滿足作物對地膜覆蓋的功能要求。目前，大多數(shù)生物降解地膜破裂和降解可控性還存在問題，大量試驗(yàn)結(jié)果顯示，現(xiàn)有的生物降解地膜產(chǎn)品破裂和降解過早，覆蓋時(shí)間遠(yuǎn)低于作物地膜覆蓋安全期，導(dǎo)致其功能無法發(fā)揮。如圖3A所示，在華北地區(qū)，利用某種生物降解地膜進(jìn)行玉米種植，覆膜日期為2015年4月13日，破裂時(shí)間是2015年5月21日，通過覆膜增加玉米生育前期地溫、保持土壤水分和抑制雜草的功能都沒有發(fā)揮，導(dǎo)致玉米生長與普通PE地膜覆蓋差異明顯。而新疆棉花地膜覆蓋試驗(yàn)也出現(xiàn)同樣情況，有些生物降解地膜能夠保持膜面完整的時(shí)間在40 d 左右（2015年4月23日播種覆膜，5月29日地膜開始破裂），無法滿足棉花對覆膜功能的需求 （圖3B）。

圖2　生物降解地膜上機(jī)試驗(yàn) （A：強(qiáng)度不夠，無法作業(yè)；B：能夠正常作業(yè)）Fig. 2　The mulching film trial of biodegradable plastics films by mulch applicator. （A）Lack of strength，unable mulching. （B）Normal mulching.

圖3　生物降解地膜破裂過早影響農(nóng)作物生長Fig. 3　Adverse effect of early fractured biodegradable plastics films on crop growth.

3.3增溫保墑性能需要進(jìn)一步加強(qiáng)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，大部分生物降解地膜的增溫保墑功能與普通PE地膜相比還是存在一定的差異，如圖4所示，10 μm厚度生物降解地膜與8 μm厚的PE地膜覆蓋的土壤溫度存在顯著不同，在沒有作物冠層遮蓋條件下，除11點(diǎn)到16點(diǎn)，二者的增溫效果相同外，其余時(shí)間均是PE地膜覆蓋土壤溫度高于生物降解地膜覆蓋的。利用模擬試驗(yàn)進(jìn)行的水分保持試驗(yàn)結(jié)果也顯示，生物降解地膜在保水性方面明顯遜于PE地膜。

3.4降低產(chǎn)品成本，促進(jìn)大規(guī)模應(yīng)用

生物降解地膜的高成本是目前產(chǎn)品大規(guī)模推廣應(yīng)用的另一個(gè)限制因素。一般情況下，生物降解地膜銷售價(jià)格是普通PE地膜3倍左右，這是地膜原材料、厚度、加工成本和利潤等多方面因素決定的。一方面，需要通過原材料規(guī)?；a(chǎn)、配方完善降低產(chǎn)品價(jià)格，另一方面，應(yīng)該綜合評價(jià)地膜使用成本，促進(jìn)降解地膜的規(guī)模化應(yīng)用。根據(jù)日本昭和電工株式會社的調(diào)查和計(jì)算，日本普通PE地膜應(yīng)用的總成本包括地膜產(chǎn)品購買成本和回收處理成本，二者各占50%，而生物降解地膜應(yīng)用則無回收處理成本。在我國，由于勞動(dòng)力相對便宜，加上大量普通PE地膜沒有進(jìn)行回收和處理，則突顯生物降解地膜應(yīng)用的高成本。隨著普通PE地膜回收處理必要性提高，地膜回收處理法律法規(guī)的完善，以及農(nóng)村勞動(dòng)力成本提高，普通PE地膜與生物降解地膜應(yīng)用的綜合成本差異將會越來越小。因此，隨著降解材料技術(shù)的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境變化，生物降解地膜的應(yīng)用將具有良好的前景。

圖4　不同種類地膜覆蓋旱地0–20 cm土層溫度 (2015年5月)Fig. 4　The soil temperature mulched with different plastic films.

4　主要結(jié)論與建議

地膜覆蓋對糧食安全至關(guān)重要，不可或缺，地膜產(chǎn)品市場潛力巨大，但地膜殘留污染問題將越來越嚴(yán)重，如不解決將在局部區(qū)域造成環(huán)境災(zāi)難?，F(xiàn)階段不但要進(jìn)行已經(jīng)污染農(nóng)田的治理工作，而且還要對地膜應(yīng)用強(qiáng)度高的輕度和未污染區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)控，做好預(yù)防工作。

生物降解地膜是解決地膜殘留污染問題的重要途徑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有極好效果，潛力巨大，但技術(shù)問題不少，屬于起步階段。目前需要加強(qiáng)生物降解地膜的原材料、配方和生產(chǎn)工藝的研究，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本，尤其是要研發(fā)出分區(qū)域和分作物的生物降解地膜產(chǎn)品，以滿足和適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多樣性的要求。

在加強(qiáng)生物降解地膜產(chǎn)品研究的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要和地膜產(chǎn)品的特性，做好配套農(nóng)藝技術(shù)和措施的研究。通過改進(jìn)農(nóng)藝技術(shù)，使其能夠適合生物降解地膜產(chǎn)品的性能，從而實(shí)現(xiàn)生物降解地膜產(chǎn)品與農(nóng)藝技術(shù)緊密結(jié)合，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。

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（本文責(zé)編郝麗芳）

January 6，2016； Accepted: March 14，2016

Qin Liu. Tel: +86-10-82109773； Fax: +86-10-82106018； E-mail: liuqin02@caas.cn

Application of biodegradable plastic film to reduce plastic film residual pollution in Chinese agriculture

Changrong Yan1, Wenqing He1, Yinghao Xue2, Enke Liu1, and Qin Liu1
1 Key Laboratory of Dryland Agriculture，Ministry of Agriculture Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China
2 Rural Energy & Environment Agency，the Ministry of Agriculture，Beijing 100125，China

Plastic film has become an important agriculture production material in recent years. Over the past three decades，the amount and application area of plastic film have increased steadily，and in 2014，which are 1.4 million tons and more than 180 million hm2respectively. It plays a key role for ensuring the supply of agricultural goods in China. Meanwhile，plastic film residual pollution becomes more and more serious，and in some regions，the amount of plastic film residues has reached over 250 kg/hm2. In part of the Northwest region，soil structure of farmland has been destroyed by plastic film residues and then crop growth and farming operations were suppressed. It is recognized as a good choice to replace plastic film with biodegradable plastic film，an effective measure to solve the plastic film residue pollution. Now，it is in a critical stage of study and assessment of biodegradable plastic film in China and fortunately some biodegradable plastic films show effects in the production of potatoes，peanuts and tobacco. Overall，a series of challenges has still been faced by the biodegradable plastic film，mainly including improving the quality of biodegradable plastic products，such as tensile strength，flexibility，improving the controllability of rupture and degradation，enhancing the ability of increasing soil temperature and preserving soil moisture，and to satisfy the demand of crops production with mulching. In addition，it is essential to reduce the cost of the biodegradable film and promote the application of biodegradable film on large-scale. With the development of biodegradable plastic technology and agricultural production environment，the application of the biodegradable film will have a good future.

plastic film residual pollution，biodegradable plastic films，chance and challenge

10.13345/j.cjb.160008

Supported by: National Natural Science Foundation of China （No. 31370522），The Ministry of Agriculture Public Welfare Industry（agriculture）Special Funds Scientific Research Projects （No. 201503105），Degradable Mulch Films Regional Assessment and Plastic Recycling Technology Research and Policy Measures of MOA.

國家自然科學(xué)基金 （No. 31370522），農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè) （農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目 （No. 201503105），2015農(nóng)業(yè)部可降解地膜區(qū)域評價(jià)技術(shù)支撐、示范和地膜回收利用技術(shù)及政策措施研究項(xiàng)目資助。