楊維紅, 劉 忠, 劉曉嵐, 楊博文, 徐 艷
(中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300457)
自1978年引入地膜以來, 其對中國的糧食和蔬菜種植貢獻(xiàn)了巨大的力量。 中國是農(nóng)業(yè)大國,對地膜的需求量極大, 但是隨著地膜的大量使用,許多問題也隨之而來,其中最嚴(yán)峻的便是環(huán)境污染問題。 由于地膜多為不可降解的聚乙烯材料,需要至少百年才能降解,因此產(chǎn)生了大量白色垃圾,使用地膜也從增產(chǎn)增收的“白色革命”變成了不可降解的“白色污染”。中國已于2008年施行了限塑令。于是,可降解地膜成為了研究熱點(diǎn)。 紙地膜是以植物纖維為基本原料,采用傳統(tǒng)的制漿造紙工藝,在漿料中加入各種助劑,如透明劑、干強(qiáng)劑、濕強(qiáng)劑、防水劑、防老化劑等制備出原紙,然后對其進(jìn)行再處理,使之達(dá)到農(nóng)用地膜對機(jī)械強(qiáng)度、抗水性、透氣性、保溫保濕性等的要求,其可以在一定時(shí)間內(nèi)降解,并起到堆肥土壤的作用[1-2]。
本文對國內(nèi)外紙地膜的研究進(jìn)行總結(jié),重點(diǎn)是紙地膜的應(yīng)用性及降解性等方面的研究。
紙地膜的優(yōu)點(diǎn)是:(1)紙地膜原料來源廣、種類多,而且多為綠色天然高分子材料;(2)紙地膜的最大優(yōu)勢為可降解,降解后又可作為肥料促進(jìn)農(nóng)作物生長,進(jìn)而降低回收和種植成本;(3)用紙地膜代替部分塑料地膜,可減少對土壤的污染,防止土壤板結(jié)而影響種子的發(fā)芽率。
紙地膜的缺點(diǎn)是:(1) 紙地膜的原料多為植物纖維,所以地膜表面存在孔隙,影響地膜的抗水性和透氣性;(2)纖維素含有大量羥基,極易親水,用其制備的紙地膜在遇水后強(qiáng)度降低,若不進(jìn)行抗水性處理,在實(shí)際使用中極易破損;(3)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大多采用機(jī)械進(jìn)行鋪膜,而紙地膜的柔韌性和彈性比塑料地膜低很多,難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鋪膜;(4)紙地膜的各項(xiàng)性能指標(biāo)還有待考察,對紙地膜的應(yīng)用多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)階段;(5) 在紙地膜的制作過程中需要加入各種助劑以改善其性能,所以與塑料地膜相比,單位面積的成本大大提高。
雖然紙地膜目前還存在多種缺陷,但是其優(yōu)異的環(huán)保性能依然使得其有廣闊的前景。 所以,要想實(shí)現(xiàn)紙地膜的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,必須要解決在提高紙地膜干濕強(qiáng)度的同時(shí)又不影響其生物降解性,在保障紙地膜性能的同時(shí)又有較低的成本這兩個(gè)問題。
塑料地膜價(jià)格便宜,使用效果較好,再加上可降解地膜尚未推廣使用,所以農(nóng)業(yè)種植還是以使用塑料地膜為主。 減少對塑料的使用量及對塑料地膜所產(chǎn)生污染的治理已經(jīng)刻不容緩。
塑料地膜是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等為主的高分子化合物, 播種后將其覆蓋在土壤表層,可以提高地表的溫度, 減少土壤中水分的喪失,維護(hù)土壤結(jié)構(gòu),防止病蟲害對農(nóng)作物的損害,促進(jìn)農(nóng)作物的生長發(fā)育。
塑料地膜的危害性在于:(1) 塑料地膜不可降解,中國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,會(huì)產(chǎn)生大量的“白色垃圾”,處理起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力,成本高;(2)由于塑料碎片無法回收處理,殘留在土壤中易造成土壤板結(jié),透氣性降低,致使農(nóng)作物種子發(fā)芽率下降、生長緩慢、產(chǎn)量下降;(3)殘留在土壤中的塑料地膜可能含有害物質(zhì),會(huì)對農(nóng)作物產(chǎn)生毒性,影響葉綠素的形成,最終使農(nóng)作物黃化或死亡;(4)殘留在土壤中的塑料地膜會(huì)纏繞在鋪膜機(jī)械的齒輪上,容易造成機(jī)械磨損,進(jìn)而增加農(nóng)業(yè)成本;(5) 塑料地膜的回收系統(tǒng)不完善,加之回收處理的成本較高, 所以多數(shù)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者或棄之,或焚燒于田地,極易造成環(huán)境污染。
當(dāng)前, 可用于造紙的植物纖維原料包括雜草纖維,如龍須草、荻、葦,農(nóng)業(yè)秸稈纖維如玉米稈、棉稈[3];此外,也有采用麻類[4-6]、木材、廢紙等纖維素原料[7-8]。不同種類的纖維會(huì)對產(chǎn)品的性能和價(jià)格產(chǎn)生直接影響:如草纖維和農(nóng)業(yè)秸稈纖維,雖然來源廣泛、價(jià)格便宜,但用其生產(chǎn)的紙地膜強(qiáng)度低;麻類纖維的纖維長度和強(qiáng)度均好于普通秸稈纖維, 但是用其生產(chǎn)紙地膜的成本較高。
國內(nèi)有很多單位曾開發(fā)研制過紙地膜, 如湖北枝城市第一造紙廠、新疆和田農(nóng)業(yè)科技開發(fā)中心、天津市園藝工程研究所、天津科技大學(xué)、中國國際科技促進(jìn)會(huì)等[6]。
高玉杰等[9]用草漿配加木漿及少量合成纖維,加入1%PAE 和0.1%CMC 后抄造紙地膜,通過黃瓜及番茄的種植實(shí)驗(yàn)表明, 紙地膜具有和塑料地膜相當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo),在作物產(chǎn)量提高上相差無幾。
1996年,傅玉全[10]開展了紙地膜的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),將地膜原紙進(jìn)行功能化處理, 處理后紙地膜的主要性能指標(biāo)為:原紙定量(35±5) g/m2,寬度800~1000 mm,裂斷長3600~3700 m,濕強(qiáng)度20%,涂布量8~10 g/m2,透明度65%~70%。所種作物主要有辣椒、棉花和玉米,在不同的天氣下分別對塑料地膜、紙地膜覆蓋和無覆蓋條件下的三種作物進(jìn)行了地表、地下10 cm 的溫度測定。 結(jié)果表明,無論是地面溫度還是地下10 cm 的溫度, 塑料地膜和紙地膜的保溫效果相當(dāng), 且二者均比露天種植的溫度高。 在不同覆膜對玉米和棉花生長期影響的探究中, 結(jié)果顯示, 塑料地膜和紙地膜覆蓋的農(nóng)作物生長發(fā)育期基本一致。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了紙地膜在實(shí)際應(yīng)用中已基本可以達(dá)到塑料地膜的標(biāo)準(zhǔn),且紙地膜更環(huán)保,對農(nóng)作物更有利。
1997年,天津科技大學(xué)以植物纖維為主要原料制備了農(nóng)用紙地膜,并進(jìn)行了小型的種植實(shí)驗(yàn)[11]及降解實(shí)驗(yàn)[12]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),紙地膜能促進(jìn)植物的生長發(fā)育,改善植物的光合作用,農(nóng)作物產(chǎn)量也有相對的提高,在滿足使用要求后,能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)降解。
1999年,黑龍江省哈爾濱市賓縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心應(yīng)用紙質(zhì)地膜進(jìn)行了水稻覆蓋栽培實(shí)驗(yàn)[13]。 結(jié)果表明,應(yīng)用紙地膜可以節(jié)水、保溫、除草。
李志明等[14]采用未漂的紅麻全稈漿為原料,通過添加殼聚糖、 羧甲基纖維素CMC 和水溶性PVA等助劑抄造紙地膜。 考慮到在實(shí)際應(yīng)用中地膜覆蓋可能受天氣因素的影響, 所以進(jìn)行了不同天氣條件下的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果表明, 紅麻地膜的保溫效果與塑料地膜接近,且均比無覆蓋的溫度高,晴天時(shí)差異更加顯著。
2002年,任文濤等[15]將紙地膜應(yīng)用在水稻種植中,采用不同紙地膜及處理方式,包括日本再生紙地膜、國產(chǎn)普通牛皮紙以及臺(tái)灣農(nóng)用膜,以無覆蓋為對照,共有8 種處理方式,分別為每種覆蓋模式下的乳芽直播和插秧。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了紙地膜在農(nóng)業(yè)種植中的可行性,采用紙地膜覆蓋后的水稻,用水量較之前明顯減少,雜草的種類及數(shù)量也相對降低。
2003年,周景輝等[16]利用紅麻全稈漿為原料,以CMC、PAE 為助劑,配加少量的水溶性PVA 和丙綸纖維,制備了環(huán)保型的紙基麻地膜。 該地膜的干、濕強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足地膜覆蓋的要求, 可代替塑料地膜,并可完全生物降解,增加土壤有機(jī)質(zhì),避免了塑料地膜給土壤帶來的污染。
2011年,張燕杰等[17]利用廢棄棉纖維制備可完全降解的農(nóng)用紙地膜, 通過用石蠟浸漬、 聚乙烯醇(PVA)膠液處理的方式得到紙基地膜小樣,并對該紙基小樣進(jìn)行物理測試。 結(jié)果表明, 該紙基棉質(zhì)地膜在可見光范圍內(nèi)有一定的透光率,可維持在68%左右,足以應(yīng)用在玉米、棉花、辣椒等農(nóng)作物的育苗上,該小樣經(jīng)28 d 的土埋降解后,降解率達(dá)到20.2%,而普通塑料地膜的質(zhì)量無明顯變化, 這表明紙地膜能在較短的時(shí)間內(nèi)降解,降解后可作為作物的肥料。
2016年,郭帥等[18]以廢舊棉纖維和廢紙為原料,添加助劑或輔料制備性能良好的紙基地膜,其抗張、撕裂指數(shù)與棉纖維地膜相比均有提高, 濕強(qiáng)度保留率也較高,說明該紙地膜的機(jī)械性能良好。 同時(shí),該工藝實(shí)現(xiàn)了廢舊棉纖維和廢紙的再利用, 具有一定的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
2017年,張鴻超[19]研究了秸稈纖維基地膜和塑料地膜分別對土壤養(yǎng)分變化和作物覆蓋栽培性能的影響。 結(jié)果顯示,采用秸稈纖維基地膜后,土壤溫度明顯提高,土壤的結(jié)構(gòu)明顯改善,土壤PH 值顯著降低,而土壤的孔隙度相對增加,土壤變得疏松多孔,同時(shí)具有顯著抑制雜草生長的效果。
2017年,丁旗[20]將全植物纖維地膜紙應(yīng)用在我國北方水稻的種植上, 通過實(shí)驗(yàn)證明了覆膜水稻技術(shù)具有抑制雜草生長、增溫、節(jié)水等作用。 此外,水稻覆膜技術(shù)還具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 能夠使得凈值增加2 倍以上。
2019年,李輝等[21]以棉稈纖維和廢舊棉纖維為原料,通過添加助劑制備了一種本色、不透明的環(huán)保型棉稈纖維地膜紙,與黑色塑料地膜相比,其功能大致相同, 但保溫性略低。 紙地膜的保溫性雖不及塑料地膜, 但是其可完全降解, 是塑料地膜無法媲美的。 研究表明,該紙地膜可在5 個(gè)月內(nèi)完全降解,對土壤無污染且可轉(zhuǎn)化為作物生長的養(yǎng)料。
1990年,日本選用針葉木機(jī)械漿研制農(nóng)用紙地膜,該紙地膜可生物降解且性能優(yōu)良[22],能透氣、透水,濕強(qiáng)度高,且降解后可作為土壤中的養(yǎng)料,改善土壤的缺陷。
1996年,ANDERSON 等[23]利用再生纖維為原料,通過添加硫制備牛皮紙, 然后將牛皮紙浸泡在植物油中,其目的在于提高紙張的透光性和機(jī)械強(qiáng)度,并且減緩其分解。 將處理后的牛皮紙作為蔬菜的覆蓋物應(yīng)用于田間,探究了其替代塑料地膜的可行性。
1999年,MIZUGUCHI 等[24]以 植 物 纖 維 為 原 料制備原紙,在原紙表面涂布或浸漬生物降解緩蝕劑,得到一種具有較好機(jī)械強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度的地膜紙,其降解時(shí)間明顯延長,可用于植物栽培。 同時(shí),由于在紙張的縱向側(cè)邊緣部分添加了抗微生物劑, 可有效防止地膜紙腐壞破爛。
2003年, 美國華盛頓州立大學(xué)與研究所合作,通過在牛皮紙上涂布植物油制備了黑色紙地膜,并將牛皮紙、 黑色塑料地膜以及生物降解型地膜作為對照組,以羅勒作為實(shí)驗(yàn)植株進(jìn)行了短期種植實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在生長過程中使用紙地膜、 塑料地膜、生物降解型地膜時(shí),羅勒的生長狀況基本相同,紙地膜表面的植物油并不能縮短其降解期, 對植物的生長也沒明顯的作用效果[25]。?
2012年,梅西大學(xué)自然資源研究所為了探究紙地膜是否有除草的效果, 對市面上的一種紙地膜進(jìn)行了評估, 主要考察紙覆蓋物在田間應(yīng)用的持久性及防治雜草的能力, 結(jié)果證明紙地膜具有良好的除草效果[26]。
HAAPALA 等[27]在2011—2012年期間通過實(shí)驗(yàn)研究了不同紙地膜(如棕色牛皮紙、上表面用炭黑涂布的牛皮紙等)和兩種生物可降解塑料地膜(主要原料為玉米淀粉,厚度分別為18 μm 和30 μm)對黃瓜產(chǎn)量的影響。 研究發(fā)現(xiàn), 上表面較暗的紙地膜或生物降解塑料地膜對提高黃瓜產(chǎn)量有較大影響,且深色紙地膜對于黃瓜產(chǎn)量的影響與生物可降解塑料地膜相當(dāng),能夠提高地溫,有效抑制雜草,可替代塑料地膜作為黃瓜生產(chǎn)的覆蓋物。
2020年,DE OLIVEIRA 等[28]用再生紙作為意大利西葫蘆的覆蓋物, 探究再生紙對西葫蘆的蒸發(fā)蒸騰作用和作物系數(shù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 使用再生紙作為該植物的覆蓋物并不會(huì)改變其果實(shí)產(chǎn)量, 并且可以減少澆灌的用水量。
土埋法能較好地模擬聚合物生物降解的自然條件, 在紙地膜覆蓋物的降解性測試中應(yīng)用廣泛。 在李輝[29]的降解性研究中,埋入土中1 個(gè)月的紙地膜已開始降解, 埋入土中2 個(gè)月的紙地膜已經(jīng)降解了50%左右,而埋入土中3 個(gè)月時(shí)已經(jīng)降解了90%。李志明等[14]進(jìn)行了紅麻地膜的降解性研究,在紙地膜埋在土壤中8 周后,質(zhì)量損失接近50%,強(qiáng)度損失接近90%,10 周后的質(zhì)量損失難以測量, 而強(qiáng)度已無法測量, 認(rèn)為此時(shí)的強(qiáng)度損失已接近100%。KASIRAJAN 等[30]的研究發(fā)現(xiàn),埋在土壤中的紙地膜與裸露在土壤外的紙地膜, 二者的降解速度存在差異, 埋在土壤中的降解速度要高于覆蓋在土壤表層的紙地膜;此外,紙地膜的降解性能還與所選擇的原料種類和質(zhì)量有關(guān)。 MARTIN-CLOSAS 等[31]的實(shí)驗(yàn)也表明,在植物的生長發(fā)育階段,埋在土壤中的紙地膜先降解, 但這種降解并不會(huì)產(chǎn)生其他特殊問題。SANCHEZ 等[32]研究發(fā)現(xiàn),降解速率最快的是報(bào)紙,然后是碎報(bào)紙, 降解最慢的是稻草類的紙地膜。UENO 等[33]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)紙地膜的原材料為回收紙時(shí),在實(shí)際的應(yīng)用中可在40~50 d 內(nèi)降解,且對雜草的生長有抑制作用。
雖然國家大力支持可降解農(nóng)膜的研發(fā), 但是其存在的種種問題使得可降解地膜尚未得到大力推廣應(yīng)用,尤其是全降解類的地膜,如紙地膜。 紙地膜的全降解性是其他地膜無法比擬的優(yōu)勢, 而且研究也表明其具備實(shí)際應(yīng)用的條件,其保溫、保濕、抑制雜草的能力基本可以與塑料地膜相媲美。 紙地膜的推廣應(yīng)用存在較大困難,主要原因如下:
(1)由于紙地膜的制作成本和原料成本的限制,在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)條件下,農(nóng)民無力承擔(dān)高額的費(fèi)用,所以多數(shù)農(nóng)民依然選擇功能性好、 價(jià)格便宜的塑料地膜。 這就要求企業(yè)在生產(chǎn)紙地膜時(shí), 要降低生產(chǎn)成本;另一方面,國家也需要出臺(tái)相關(guān)的惠農(nóng)政策,給予農(nóng)民政策上的支持。
(2) 人們的環(huán)保意識還需提高。 作為一種新產(chǎn)品,企業(yè)要生產(chǎn)紙地膜,勢必要投入巨額的推廣、研發(fā)及宣傳費(fèi)用, 這使得多數(shù)企業(yè)對紙地膜的生產(chǎn)望而卻步。
(3) 對紙地膜的實(shí)際應(yīng)用情況還需要進(jìn)一步考察,通過大面積、多植物的覆蓋研究,建立一套完整的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。
我國作為農(nóng)業(yè)大國, 每年的農(nóng)膜使用量達(dá)上百萬噸, 而且還在增加。 傳統(tǒng)的塑料地膜在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍然是不可替代的農(nóng)資, 使用塑料地膜給環(huán)境帶來的危害性也與日俱增。 因此, 未來可降解地膜必將得到推廣, 其中紙地膜要想在市場中得到推廣與應(yīng)用,必須要提高紙地膜的機(jī)械強(qiáng)度、抗水性、透明度,降低透氣性,但關(guān)鍵還是如何在保證這些條件的前提下,降低其生產(chǎn)成本,使得其應(yīng)用效果與塑料地膜相當(dāng),價(jià)格又不高于塑料地膜。 因此,未來應(yīng)著重從降低紙地膜的成本入手, 研究提高紙地膜的各項(xiàng)性能。 當(dāng)解決了成本這一問題后, 紙地膜必將在農(nóng)膜市場上占有一席之地。