潘 越，鄭敏超，周梓欣，裴義山，徐 升

(福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建 福州 350118)

1 農(nóng)用地膜使用與污染現(xiàn)狀

地膜是繼種子、農(nóng)藥、化肥之后的第四大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。地膜覆蓋技術(shù)在降低耗水量、促進(jìn)各種作物水分利用效率、提高作物產(chǎn)量、促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。我國(guó)是最大的農(nóng)膜消費(fèi)國(guó)，農(nóng)膜用量達(dá)260多萬(wàn)噸/年，其中地膜用量約為145萬(wàn)噸。傳統(tǒng)地膜的主要成分來(lái)自不可降解塑料的石油基產(chǎn)品聚乙烯PE。PE膜成本低、機(jī)械性能好，可確保整個(gè)種植過(guò)程的操作與安裝的簡(jiǎn)易性、功能性，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。由于長(zhǎng)期重使用、輕回收，當(dāng)前我國(guó)覆膜農(nóng)田土壤均有不同程度的地膜殘留，當(dāng)季農(nóng)膜回收率不足2/3；局部地區(qū)地膜殘留污染嚴(yán)重，畝均殘膜量達(dá)4～20 kg。殘膜現(xiàn)場(chǎng)焚燒、傾倒、掩埋或堆放處理不僅破壞景觀，且破壞農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤滲透性，阻礙農(nóng)作物根系生長(zhǎng)，影響水分和養(yǎng)分吸收，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)；被動(dòng)物誤食，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物死亡；占用土地，污染環(huán)境。地膜使用后應(yīng)進(jìn)行正確地收集、處理或循環(huán)利用。

2016年，國(guó)務(wù)院出臺(tái)“土十條”；2017年，“強(qiáng)化土壤污染管控和修復(fù)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染防治”等寫入十九大報(bào)告。2017年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《農(nóng)膜回收行動(dòng)方案》，研究起草了《農(nóng)膜管理辦法》、《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)用地膜污染防治的意見(jiàn)》；2018年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將全生物降解地膜替代技術(shù)列為十項(xiàng)重大引領(lǐng)性農(nóng)業(yè)技術(shù)之一，全面推廣全生物降解地膜替代普通PE地膜。積極推廣生物降解農(nóng)用地膜，減少PE地膜使用，能減輕環(huán)境壓力有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，并且有益于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和生態(tài)環(huán)境安全，推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

2 可生物降解農(nóng)用地膜的特點(diǎn)

可生物降解膜所用的復(fù)合材料主要包括植物纖維、淀粉等天然材料，資源豐富，成本較低；在自然環(huán)境條件下可通過(guò)生物酶或微生物的作用被降解，最終產(chǎn)物為CO2和H2O以實(shí)現(xiàn)對(duì)有限自然資源的合理開(kāi)發(fā)利用和廢棄資源的高值化利用，緩解對(duì)石油基材料的過(guò)度依賴以及塑料廢棄物產(chǎn)生的“白色污染”問(wèn)題，具有綠色、環(huán)保、可持續(xù)的特點(diǎn)。

3 可生物降解農(nóng)用地膜的研究

3.1 紙基農(nóng)用地膜的研究

紙地膜是以常規(guī)造紙工藝為基礎(chǔ)，選擇合適的植物紙漿原料和濕強(qiáng)劑、防腐劑和透明劑等助劑制出地膜原紙，再對(duì)其進(jìn)行加工處理，以達(dá)到農(nóng)用地膜機(jī)械強(qiáng)度和透光、透水、保溫、增溫、保墑性或其他功能的要求[1]。張燕杰等[2]利用廢棄棉纖維經(jīng)濕法造紙工藝制備了可完全降解農(nóng)用地膜，力學(xué)性能達(dá)到農(nóng)用塑料地膜的質(zhì)量要求，土埋28天后降解率超過(guò)20%，且降解產(chǎn)物有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)。

Martín-Closas等[3]在番茄種植季節(jié)，以聚乙烯(PE)膜為對(duì)照，比較了可生物降解地膜(BF、MB)、紙地膜(PSA、PMG)和可氧化降解地膜OXO的降解情況。研究表明：谷類面粉制成的生物降解地膜BF降解最快，紙膜的降解速率大于生物降解塑料膜MB，而對(duì)照EVP幾乎無(wú)降解。

Alicia等[4]分別使用不同方法對(duì)番茄地進(jìn)行雜草處理：無(wú)處理、手動(dòng)除草、覆蓋黑色PE地膜、覆蓋黑色可生物降解的地膜、覆蓋黑色氧化降解地膜、覆蓋黑色紙地膜、覆蓋棕色牛皮紙、覆蓋大麥秸稈，對(duì)番茄產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析結(jié)果表明：生物降解塑料地膜、紙地膜的除草效果良好，除草率在80%～100%，番茄產(chǎn)量與覆蓋PE膜處理的產(chǎn)量相似，在72%～108%之間，表明了生物降解地膜作為PE膜取代物的技術(shù)可行性。

紙膜在20世紀(jì)20年代初就已引起了人們的廣泛關(guān)注，但因其使用壽命短、工藝繁瑣、成本較高，不適合商業(yè)生產(chǎn)。

3.2 塑料可生物降解農(nóng)用地膜的研究

3.2.1 天然可生物降解材料制備地膜

來(lái)自農(nóng)業(yè)資源的產(chǎn)品，如蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素等，為開(kāi)發(fā)可生物降解材料提供了合適的原料。淀粉是自然界中最重要、最豐富的多糖之一，也可從再生資源中獲得，具有相對(duì)較低的成本和廣泛應(yīng)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]以木薯淀粉為原料，經(jīng)不同濃度的臭氧改性，制備出可生物降解地膜。張紹英[6]研制了一種由淀粉和海藻酸制成的新型塑料地膜，自然條件下30天即可降解完全。李麗霞等[7]以大豆秸稈纖維為原料制備地膜，同時(shí)解決秸稈和塑料地膜帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

陳?；鄣萚8]對(duì)不同地膜在水中的生物降解性能進(jìn)行研究，結(jié)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類(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地膜相比前兩者更易降解，且SBC膜降解程度最大。

王琦等[9]對(duì)紫花苜蓿用不同覆蓋材料(普通地膜CMR、生物降解地膜BMR和人工壓實(shí)土壤SR)進(jìn)行連續(xù)兩年田間試驗(yàn)表明，覆蓋材料對(duì)表層土壤溫度有明顯的影響，BMR和CMR處理的牧草產(chǎn)量顯著增加。

3.2.2 可生物降解合成聚合物材料制備地膜

可生物降解聚合物膜對(duì)土壤溫度、土壤濕度、作物產(chǎn)量和雜草控制的影響已在世界范圍內(nèi)得到了研究，并顯示出作為PE膜替代品的競(jìng)爭(zhēng)潛力。用于商業(yè)農(nóng)膜的合成生物可降解聚合物主要為聚酯，如聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)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，但其脆性高的缺點(diǎn)限制了其大規(guī)模的使用，因此PLA通常與其他材料混合以制備復(fù)合材料。Daniel等[10]以CaCO3為增強(qiáng)劑，采用熔融共混方法制備低成本的PBAT-PLA共混膜，結(jié)果表明，CaCO3的加入有助于獲得具有更高的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度的柔性薄膜。潘莉莎等[11]采用相分離法，以PLA和聚碳酸亞丙酯(PPC)為原料制備超疏水塑料薄膜，該膜在強(qiáng)制降解條件下5天降解率達(dá)到34.13%，具有良好的降解性能。

王振華等[12]進(jìn)行了生物可降解地膜(淀粉聚合物、PBAT、PBSA)替代PE膜提高棉花產(chǎn)量的試驗(yàn)，兩年的連續(xù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，覆蓋的滴灌田的棉花產(chǎn)量無(wú)顯著差異，以上地膜均具有濕潤(rùn)土壤、控制土壤鹽分積累的作用，但PE膜積累殘留量明顯高于生物可降解地膜。

3.2.3 天然-合成聚合物復(fù)合可生物降解地膜

淀粉基生物降解膜的機(jī)械性能和阻隔性能較差，限制了其商業(yè)應(yīng)用。目前，常用淀粉改性的方法以解決這個(gè)問(wèn)題，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]評(píng)價(jià)了不同尿素含量木薯淀粉基復(fù)合膜在土壤中的耐貯性和生物降解性。Carlos等[15]研究了不同比例(0～60%)聚乙烯醇(PVOH)與馬鈴薯淀粉復(fù)合物對(duì)水吸附、水蒸氣透過(guò)率、力學(xué)和熱性能的影響，結(jié)果表明，該薄膜具有合適的性能，可作為可生物降解的替代物來(lái)替代合成包裝材料。

此外，熱塑性淀粉(TPS)、纖維等與其他聚合物復(fù)合，也可產(chǎn)生具有不同性質(zhì)的地膜。譚志堅(jiān)等[16]以天然纖維和生物可降解高分子材料為原料制備薄膜，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中研究了薄膜的物理性質(zhì)(如機(jī)械性能、保溫性、透水性和透光性)和降解特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些纖維-聚合物膜具有良好的物理性能，可用于地膜覆蓋。三種膜的降解程度依次為：纖維-淀粉膜>纖維-聚乙烯醇PVA膜>纖維-聚丙烯酸酯膜。纖維-淀粉和纖維-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潛力。

3.3 可噴涂生物降解農(nóng)膜的研究

近年來(lái)，用于土壤覆蓋的可噴涂聚合物體系正成為人們?cè)絹?lái)越感興趣的研究熱點(diǎn)。土壤上替代涂層的挑戰(zhàn)必須是防水，以保持其機(jī)械完整性，為了提高地膜覆蓋層的力學(xué)性能，在配方中需加入羥乙基纖維素等增塑聚合物或甘油、聚甘油等天然增塑劑。目前，我國(guó)液體地膜主要以可生物降解高分子材料、富含腐殖酸的有機(jī)物廢液或煤粉、植物秸稈為原料，添加各種助劑、肥料、除草劑等制成乳懸液，噴灑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、纖維素、殼聚糖、海藻酸鈉和葡甘聚糖)混合進(jìn)行改性，開(kāi)發(fā)了幾種可噴霧生物降解土壤覆蓋系統(tǒng)。聚合物大分子的結(jié)構(gòu)重組有助于冷水膜的穩(wěn)定性和填充的緊湊性，水凝膠形成過(guò)程提供了一種增強(qiáng)的大分子網(wǎng)絡(luò)，提高了地膜的耐水性；同時(shí)增塑劑甘油的加入提高了土壤表面的涂膜柔韌性。Luciana Sartore等[20]以蛋白質(zhì)基(從制革工業(yè)廢液中提取蛋白水解物)生物復(fù)合材料用噴霧技術(shù)制備原位生物農(nóng)膜，作為低密度PE膜(LDPE)的替代物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蛋白質(zhì)基生物降解膜具有與LDPE膜相同的良好農(nóng)藝性能，在要求的栽培期內(nèi)可保持地膜覆蓋效果，同時(shí)保證了植株生長(zhǎng)速度；耕作結(jié)束后2個(gè)月，土壤中的涂層殘留量為生物降解涂層初始重量的5%。

吉林省松原市曾在四縣一區(qū)進(jìn)行為期四年的應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)，表明液態(tài)地膜具有明顯的抗寒、增溫作用和早熟增產(chǎn)效果，可使小麥、玉米增產(chǎn)20%以上，蔬菜等增產(chǎn)25%以上，同時(shí)減少肥料和農(nóng)藥流失，尤其適用于多雨地區(qū)。任小龍等[21]采用生物降解塑料地膜、液膜覆蓋溝壑或不覆蓋溝壑，常規(guī)平栽為對(duì)照，進(jìn)行了為期4年的連續(xù)野外研究，結(jié)果表明，與對(duì)照相比，生物降解塑料地膜與液膜的土壤持水水平、平均土壤溫度、玉米平均產(chǎn)量、水分利用效率方面具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

可噴涂可生物降解聚合物地膜的制備關(guān)鍵在于了解聚合物化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和特性與土壤化學(xué)、物理和生物學(xué)之間的基本關(guān)系和相互作用，使用時(shí)需了解不同土壤上的地膜形成方式，以及施用時(shí)的土壤表面狀況對(duì)地膜形成的影響。

4 生物降解農(nóng)用地膜的前景展望

近年來(lái)，中央財(cái)政每年都安排資金支持地膜清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣，回收廢舊地膜，推廣生物可降解膜，防治面源污染。一場(chǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)的變革正在改變著中國(guó)。目前，我國(guó)地膜治理已經(jīng)起步，取得了一定成效，但還面臨很多困難。

(1)在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，傳統(tǒng)農(nóng)用地膜在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍是不可替代的農(nóng)資，這就要求廢舊地膜殘留防控還需堅(jiān)持提高地膜質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)高強(qiáng)度地膜、機(jī)械化回收、資源化利用等關(guān)鍵技術(shù)，以源頭減量、回收利用和替代使用為重點(diǎn)以提高回收率和資源化利用。

(2)開(kāi)發(fā)可生物降解地膜用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的材料和技術(shù)的成本阻礙了農(nóng)民的使用。隨著生物降解聚合物地膜生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)成本預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)下降。此后還需政府部門組織開(kāi)展全生物降解地膜推廣補(bǔ)貼機(jī)制研究，完善以綠色生態(tài)為導(dǎo)向的補(bǔ)貼政策，并充分利用媒體，推動(dòng)適宜作物上的全生物降解地膜應(yīng)用。

(3)目前，全生物降解地膜仍處于農(nóng)田試驗(yàn)和對(duì)比評(píng)價(jià)階段，全生物降解地膜評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善，這仍然是阻礙其商業(yè)化和推廣的障礙之一。仍需進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程，驗(yàn)證農(nóng)田應(yīng)用的安全性，考慮生物降解聚合物的環(huán)境影響：可生物降解地膜發(fā)酵過(guò)程中的溫室氣體是排放還是回收；生物降解產(chǎn)物是否會(huì)污染水源或?qū)Νh(huán)境中的生物有機(jī)體有毒，或是在土壤中積聚等能源、資源問(wèn)題不容忽視，否則生物降解聚合物地膜對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響可能大于傳統(tǒng)塑料膜。