張加凡，梁靜，羅守楊，姚宗沐，田春杰，孫雨

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 秸稈綜合利用與黑土保持教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130102)

0 引 言

農(nóng)田地膜常用的材質(zhì)是聚乙烯(PE)塑料，它是由乙烯單體經(jīng)聚合而成，其基本結(jié)構(gòu)為-[-CH2-CH2-]n-[1]。聚乙烯分為高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和線性低密度聚乙烯(LLDPE)，而LDPE和LLDPE用于薄膜制品，其中48.7%的聚乙烯薄膜產(chǎn)品用于農(nóng)田覆蓋[2]。地膜優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：減少表層水分蒸發(fā)[3]，既可以保濕節(jié)水還可以減輕土壤次生鹽漬化；減少地面土壤輻射，尤其在晚上起到保持地溫[4]；減少水流和風(fēng)力侵蝕，防止水土流失，起到保土保肥的作用；抑制雜草生長(zhǎng)和防止病蟲(chóng)害侵襲[5]。20世紀(jì)50年代，塑料薄膜覆蓋因具有提高土壤溫度的能力而首次被人們注意到[6]，直到1978年地膜覆蓋栽培技術(shù)才從日本引進(jìn)我國(guó)[7]。

地膜首先應(yīng)用于北方寒冷、干旱和半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植，對(duì)于提高或穩(wěn)定作物產(chǎn)量作用顯著[8]。如今，地膜覆蓋作物面積已經(jīng)從北方擴(kuò)展到南方寒冷的高海拔地區(qū)[9]。因其技術(shù)簡(jiǎn)單、對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量提高作用明顯等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[10]。目前，我國(guó)地膜消耗量巨大，2018年消耗量約210萬(wàn)t，占世界的90%，使用地膜土地面積已超0.2億hm2[11]。

農(nóng)田地膜覆蓋能有效地改變農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境促進(jìn)作物早熟，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和水分利用效率[12]。地膜覆蓋的應(yīng)用使得我國(guó)的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量分別提高了20%～35%和20%～60%[13]。據(jù)Ma等[14]的研究表明，地膜覆蓋下谷物和玉米產(chǎn)量分別提高了43.1%和79.4%，不僅在產(chǎn)量方面得到提升，對(duì)表層土壤(0～20 cm)的水分和硝酸鹽濃度也有明顯提升，地膜覆蓋下谷物和玉米土壤中硝酸鹽濃度分別提高了12.9%和28.2%，而硝酸鹽正是作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要氮源之一。馬鈴薯作為經(jīng)濟(jì)作物，在地膜覆蓋下我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用率分別提高了30.6%和30.3%[15]。地膜覆蓋不僅在谷物、玉米和馬鈴薯的實(shí)踐應(yīng)用中增加了產(chǎn)量，在花生、棉花及水稻等農(nóng)田作物上均取得了成功[5]。因此，農(nóng)用地膜的廣泛應(yīng)用提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展[16]。

1 地膜殘留污染

農(nóng)膜覆蓋回收后，還有部分地膜殘留在農(nóng)田難以回收，并且在自然條件下極難降解[15]。隨著地膜覆蓋年限的不斷增加，殘膜在土壤中逐年積累，導(dǎo)致農(nóng)田污染嚴(yán)重[16]。我國(guó)每年農(nóng)田中殘留的地膜高達(dá)35萬(wàn)t，殘膜率42%[19-20]。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、東北三省、山西省和河北省部分地區(qū)土壤平均殘膜量均在100 kg·hm-2以上[21]，在新疆維吾爾自治區(qū)土壤中殘膜量約為265.3 kg·hm-2，是目前殘膜污染最為嚴(yán)重的地區(qū)[20]，農(nóng)田地膜覆蓋已由原來(lái)的“白色革命”變成“白色污染”[23]。

大量殘留的塑料薄膜會(huì)顯著改變土壤理化性質(zhì)及其微生物的種群結(jié)構(gòu)與數(shù)量[24]，對(duì)土壤及土壤微生物群落帶來(lái)巨大的威脅。研究發(fā)現(xiàn)，塑料在高暴露濃度(>90 g·kg-1)下對(duì)土壤生物具有潛在的毒性作用[25]；隨著地膜殘留量的增加，土壤酶活性和微生物多樣性會(huì)逐漸降低，當(dāng)殘膜量高于450 kg·hm-2時(shí)，土壤微生物量、微生物群落多樣性和土壤酶活顯著降低[26-27]。微生物的毒性作用一部分來(lái)源于地膜生產(chǎn)過(guò)程中含Ba、Cd和Pb等的熱穩(wěn)定劑的添加所導(dǎo)致，增加了土壤重金屬污染。還有一部分是地膜中含有的增塑劑、抗氧化劑和阻燃劑。這些最常用的添加劑，包括溴化阻燃劑、鄰苯二甲酸鹽、壬基酚、雙酚A和抗氧化劑，均已被確定為持久性有機(jī)污染物[28]。并且這些添加劑很少與塑料聚合物發(fā)生化學(xué)結(jié)合，會(huì)隨著塑料的降解和風(fēng)化從塑料中浸出，從而進(jìn)入土壤，這也是導(dǎo)致土壤有機(jī)物污染的主要原因。

目前有關(guān)常見(jiàn)塑料化學(xué)添加劑的生態(tài)毒性的報(bào)道指出：塑料添加劑會(huì)引發(fā)神經(jīng)毒性、炎癥、脂質(zhì)代謝改變和致癌[29-30]。有關(guān)塑料中添加劑的研究主要集中在雙酚A和鄰苯二甲酸酯，發(fā)現(xiàn)這兩種化學(xué)物質(zhì)會(huì)浸出到土壤中，對(duì)土壤動(dòng)物產(chǎn)生毒性[31-32]。地膜殘留物不僅有毒性作用，其本身作為固體物質(zhì)進(jìn)入土壤，會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)。隨著農(nóng)田翻耕，地膜殘片會(huì)留在耕層中，阻礙水分下滲，減少了土壤水分存儲(chǔ)，影響土壤中N2、O2和CO2的交換，并改變水和養(yǎng)分的正常運(yùn)輸和分配[33]。殘膜存在還會(huì)導(dǎo)致土壤通透性改變，引起土壤質(zhì)地變硬或板結(jié)，造成耕種困難[34]。

殘膜不僅對(duì)土壤微生物群落、土壤結(jié)構(gòu)、水和養(yǎng)分的運(yùn)輸造成影響，還會(huì)嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量[35-36]。殘膜的存在對(duì)作物生長(zhǎng)和根系發(fā)育具有極大的危害，嚴(yán)重影響著農(nóng)田環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)啬埩袅窟_(dá)到120 kg·hm-2時(shí)，小麥、玉米和棉花產(chǎn)量分別下降17.8%、13.2%和16.0%[37]。Gu等[15]發(fā)現(xiàn)殘膜量在0～240 kg·hm-2之間對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響，但是當(dāng)殘膜量大于240 kg·hm-2后，馬鈴薯產(chǎn)量顯著下降。蔣兆霞[38]通過(guò)田間小區(qū)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，殘膜會(huì)導(dǎo)致棉花出苗率和棉花產(chǎn)量下降。毛新穎等[39]在殘膜對(duì)大豆產(chǎn)量和根際土壤微生物影響的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著殘膜倍量(殘膜1倍量：實(shí)際生產(chǎn)中單位面積半覆膜使用新農(nóng)膜的量；殘膜2倍量：實(shí)際生產(chǎn)中單位面積半覆膜使用新農(nóng)膜量的2倍，以此類(lèi)推)的增加，大豆出苗率降低，殘膜倍量從1增加到5倍，出苗率從89%下降到76%。正常狀態(tài)下，根系會(huì)以垂直和水平方向向地下延伸，汲取土壤中的養(yǎng)分和水分，而小麥、玉米、大豆和棉花產(chǎn)量降低的原因可能是由于殘膜的存在阻礙了作物根系的正常伸展，影響作物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的正常吸收，從而阻礙了根系發(fā)育及地上部分作物生長(zhǎng)[40]。

地膜殘留還會(huì)引起牛羊等動(dòng)物誤食，而塑料固體物質(zhì)會(huì)阻塞消化道，在腸胃中無(wú)法被消化或排出體外，造成機(jī)體消化不良，更甚至?xí)蚰c胃損傷致死[21]。殘膜也會(huì)在自然環(huán)境(風(fēng)、沙、雨和機(jī)械力等綜合多方面條件作用)下破碎成微塑料(粒徑小5 mm的塑料纖維、碎片、顆粒)[41]。人們?cè)谕寥?、大氣和海洋，甚至在人跡罕至的南極也發(fā)現(xiàn)了微塑料的蹤跡，遍布整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[42]。為探究微塑料的存在對(duì)哺乳動(dòng)物產(chǎn)生的影響，康愷等[43]利用小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微塑料導(dǎo)致小腸顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，小鼠生長(zhǎng)明顯受到抑制。還有些實(shí)驗(yàn)研究了微塑料對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的影響，并且給出了微塑料導(dǎo)致基因表達(dá)發(fā)生改變、出現(xiàn)氧化應(yīng)激的跡象和能量代謝變化以及導(dǎo)致的組織病理學(xué)腸道損傷的證據(jù)[44-49]。Natalie等[50]還發(fā)現(xiàn)微塑料對(duì)海洋動(dòng)物也會(huì)產(chǎn)生危害。微塑料以食物鏈方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移和富集積累[51]，人們食用這些帶有微塑料的海鮮和禽畜，在機(jī)體中不斷累積，長(zhǎng)此以往，不僅影響人體健康，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及整個(gè)生態(tài)圈也構(gòu)成嚴(yán)重威脅[52](圖1)。

圖1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中地膜殘留的影響

2 農(nóng)田廢膜治理現(xiàn)狀

目前解決農(nóng)田殘膜污染主要有兩種途徑：一是殘膜回收循環(huán)利用，嚴(yán)格規(guī)定生產(chǎn)、流通和使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)地膜，并及時(shí)回收農(nóng)田廢膜，保證廢膜回收率達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(80%以上)，同時(shí)做好地膜回收后的后續(xù)處理；二是生物降解地膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)聚乙烯地膜，生物降解地膜的使用可緩解當(dāng)前傳統(tǒng)地膜帶來(lái)的塑料薄膜殘留問(wèn)題，生物降解地膜應(yīng)用于農(nóng)田污染防治，可促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色、健康及可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)于農(nóng)田地膜回收，政府的政策具有導(dǎo)向性。目前在美國(guó)、歐盟及日本等些國(guó)家的政策規(guī)定農(nóng)膜厚度都要求在0.02 mm以上。這種厚度的農(nóng)膜機(jī)械性能好，使用機(jī)械回收和人工回收也較為容易，而且國(guó)外有較完善的農(nóng)膜回收體系。我國(guó)頒布了一系列政策來(lái)完善地膜標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)質(zhì)量控制機(jī)制，提高地膜回收率，促進(jìn)地膜回收。2017年之前，規(guī)定的農(nóng)膜厚度為(0.008±0.003)mm，且允許有20%的偏差，導(dǎo)致市面上流通的農(nóng)膜厚度在0.004～0.006 mm之間，農(nóng)膜機(jī)械性能差，不利于機(jī)械化回收[53]。2018年實(shí)施的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13735-2017，要求提高地膜機(jī)械性能，增加地膜厚度[54]，有利于地膜機(jī)播作業(yè)和回收再利用[55]。2020年國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部明確提出：禁止生產(chǎn)和銷(xiāo)售厚度小于0.01 mm的聚乙烯農(nóng)用地膜[56]。2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部、生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局提出：到2020年實(shí)現(xiàn)基本建立回收體系，農(nóng)膜回收率達(dá)80%以上；到2025年，農(nóng)膜基本實(shí)現(xiàn)全回收[57](表1)。

表1 我國(guó)關(guān)于農(nóng)用地膜主要實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)和意見(jiàn)內(nèi)容

據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)，內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省3省(區(qū))100個(gè)地膜回收示范縣面積已達(dá)8.25×105萬(wàn)hm2，占總覆蓋面積的56%。2017年甘肅省回收廢舊地膜13.6萬(wàn)t，回收利用率達(dá)80.1%，新疆自治區(qū)40個(gè)覆膜大縣回收地膜已接近80%，重點(diǎn)區(qū)域已經(jīng)穩(wěn)定在75%以上。甘肅省從事廢舊農(nóng)膜回收加工的各類(lèi)企業(yè)已達(dá)224家，已設(shè)立鄉(xiāng)、村回收網(wǎng)點(diǎn)2 352個(gè)，新疆維吾爾自治區(qū)已建成86個(gè)廢舊地膜回收加工廠，475個(gè)廢舊農(nóng)膜回收站，基本實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域全覆蓋。我國(guó)農(nóng)田土壤環(huán)境治理政策不斷完善，殘膜回收體系逐漸健全，地膜生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、使用規(guī)范和地膜回收標(biāo)準(zhǔn)正逐漸提升。

殘膜回收方式分為人工拾取和機(jī)械回收[58]。我國(guó)殘膜回收農(nóng)具的主要機(jī)型有纏繞式、伸縮桿式、彈性齒式、齒輪齒式、滾筒式、氣動(dòng)式等(圖2)[59]。機(jī)械化殘膜回收率最高達(dá)80%～90%，機(jī)械回收裝備的出現(xiàn)代替人力投入，提高了殘膜拾取效率。隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械回收農(nóng)具不斷改進(jìn)和優(yōu)化，將極大提高作業(yè)效率及殘膜回收率，降低農(nóng)田廢膜對(duì)土壤的破壞和對(duì)作物生產(chǎn)的影響，同時(shí)也有利于殘膜拾取機(jī)的普及和推廣。

注：1.纏繞式；2.伸縮桿式；3.彈性齒式；4.齒輪齒式；5.滾筒式；6.氣動(dòng)式。

目前，機(jī)械化回收農(nóng)具的出現(xiàn)在一定程度上提高了殘膜的拾取效率，但殘膜回收率卻沒(méi)有太大提升。受地理環(huán)境因素影響，多數(shù)地區(qū)還是以人工回收為主，人力投入多、人工成本高。各地區(qū)缺少殘膜回收政策，無(wú)法調(diào)動(dòng)農(nóng)民對(duì)殘膜回收的積極性。生物降解地膜價(jià)格高于傳統(tǒng)地膜，農(nóng)戶只考慮到生物降解地膜購(gòu)買(mǎi)價(jià)格比傳統(tǒng)PE地膜高，卻沒(méi)有考慮到殘膜的危害和傳統(tǒng)地膜回收的綜合成本。

農(nóng)田廢膜的再利用既能消除農(nóng)田殘膜危機(jī)，又能實(shí)現(xiàn)資源再生，有利于保護(hù)環(huán)境節(jié)約資源。農(nóng)膜回收再利用的生產(chǎn)過(guò)程主要是將回收的殘膜清洗去污、破碎和干燥后擠出造粒，重新加工成農(nóng)膜或其它塑料制品繼續(xù)投入使用，形成資源的循環(huán)利用[60]?；厥绽眠^(guò)程中首要的步驟是對(duì)殘膜的處理，而殘膜中夾雜大量泥土和植物殘?bào)w，增大了殘膜清理難度，當(dāng)前技術(shù)下生產(chǎn)1 t聚乙烯塑料顆粒成本約5 500元，而利用廢舊農(nóng)膜生產(chǎn)1 t再生塑料顆粒成本約3 500元[61]，廢膜再生利用不僅降低了塑料生產(chǎn)成本，還節(jié)約了石油資源。也可以通過(guò)高溫催化裂解技術(shù)將農(nóng)田廢膜中的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化成汽油或柴油等液體燃料產(chǎn)品[62]，廢塑料制油技術(shù)的主要步驟包括預(yù)處理、裂解及餾分等步驟[63]，其過(guò)程是在非氧化環(huán)境中在400 ℃～700 ℃的高溫下將長(zhǎng)鏈烴化合物熱分解成較小的化合物，在催化劑作用下可以控制在較低溫度范圍內(nèi)完成反應(yīng)[64]。Kaimal[65]和Murugan[66]報(bào)道了熱解油作為燃料在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的利用，并證明了塑料熱解油的性能與柴油相當(dāng)。如今不斷上漲的原油價(jià)格使廢棄塑料生產(chǎn)液體燃料技術(shù)受到人們的關(guān)注。熱解工藝生產(chǎn)的液體燃料既減少塑料引起的環(huán)境問(wèn)題，又能節(jié)約石油資源，也是對(duì)農(nóng)田廢膜最理想的處理方式。當(dāng)然，塑料殘膜處理方法多樣各有其利弊，表2為目前主要的塑料殘膜處理方式及其優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 殘膜處理方式優(yōu)缺點(diǎn)[67-70]

3 地膜殘留降解研究現(xiàn)狀

為了更好解決土壤中的塑料薄膜，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，研究人員利用微生物解決塑料引起的環(huán)境問(wèn)題。從自然環(huán)境中篩選微生物來(lái)降解傳統(tǒng)PE塑料一直是研究熱點(diǎn)，也是一種經(jīng)濟(jì)可行的環(huán)境保護(hù)方式。目前報(bào)道了很多關(guān)于從土壤、海洋和動(dòng)物腸道等地發(fā)現(xiàn)降解傳統(tǒng)PE塑料的微生物。在土壤中，Anna等[71]分離到一株HDPE降解菌，測(cè)得菌株A.xylosoxidansPE-1降解150天后HDPE的失重率為9%；在海洋中，Harshvardhan等[72]篩選出三株LDPE降解菌，測(cè)得菌株KocuriapalustrisM16、BacilluspumilusM27和BacillussubtilisH1584降解30天后LDPE的失重率分別為1%、1.5%和1.75%；在蠟蟲(chóng)腸道中，Yang等[73]分離出兩株P(guān)E降解菌，測(cè)得菌株EnterobacterasburiaeYT1和Bacillussp.YP1降解60天后PE的失重率為分別為10.7%和6.1%。以上具有塑料降解功能的微生物主要是通過(guò)以PE塑料為唯一碳源下的生長(zhǎng)曲線作為篩選指標(biāo)，通過(guò)塑料材質(zhì)的失重分析了解塑料重量損失情況，掃描電子顯微鏡觀察塑料表面出現(xiàn)的孔洞、破損等物理形貌變化，傅里葉紅外變換光譜觀察塑料化學(xué)結(jié)構(gòu)或官能團(tuán)變化來(lái)分析其降解特性。微生物降解聚乙烯塑料的研究為農(nóng)田地膜殘余處理提供了新的解決途徑。

聚乙烯薄膜生物降解過(guò)程首先是微生物分泌蛋白質(zhì)和多糖物質(zhì)在膜表面形成生物膜，降低膜表面疏水性，使微生物附著于膜表面；然后，細(xì)胞分泌具有降解功能的胞外酶，通過(guò)酶的氧化和水解作用使得地膜分解成低分子量寡聚物、二聚體和單體等分子碎片；最后，由聚乙烯分解產(chǎn)生的小分子物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入微生物體內(nèi)，進(jìn)入β氧化和三羧酸循環(huán)系統(tǒng)分解成CO2、H2O和能量物質(zhì)為細(xì)胞供能(圖3)[74]。對(duì)于微生物將大分子聚合物轉(zhuǎn)變成小分子聚合物和小分子轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、H2O的過(guò)程中參與的酶系尚未有相關(guān)研究報(bào)道。生物降解并非單一酶參與，而是多種酶協(xié)同作用，相互促進(jìn)的過(guò)程[75]。

圖3 聚乙烯的生物氧化降解過(guò)程[74]

目前關(guān)于聚乙烯地膜的降解面臨很多問(wèn)題。通過(guò)傳統(tǒng)的微生物學(xué)方法雖然可以得到降解菌株，但以聚乙烯塑料為碳源進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，菌株分離篩選和降解驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)。已發(fā)現(xiàn)能夠降解聚乙烯塑料的微生物菌種資源較少，普遍降解效率低，只能在實(shí)驗(yàn)室受控條件下才能達(dá)到一定的降解效果，在實(shí)際應(yīng)用中降解效果并不明顯。有關(guān)聚乙烯微生物降解的降解機(jī)理、關(guān)鍵基因及酶系的研究尚也未完全闡述清楚。

4 生物降解地膜應(yīng)用現(xiàn)狀

生物降解地膜在土壤微生物作用下能夠完全降解，最終只產(chǎn)生H2O和CO2[76]，降解產(chǎn)物對(duì)土壤、農(nóng)作物均不會(huì)造成危害[77]。生物降解地膜的使用省略了傳統(tǒng)殘膜的回收和處理這兩個(gè)步驟，節(jié)省殘膜機(jī)械回收及管理費(fèi)用，降低了生物降解地膜的綜合使用成本[23]?？偟膩?lái)說(shuō)生物降解地膜與聚乙烯的保溫、保墑等性能接近，還具有降解性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)[78]，能有效緩解農(nóng)田污染。

目前生物降解塑料主要包括：聚乳酸(PLA)、聚碳酸亞丙酯(PPC)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBAT)、聚己內(nèi)酯(PCL)以及聚3-羥基烷酸酯(PHA)等[79]，這些塑料聚合物均屬于脂肪族聚酯類(lèi)材料，其中PBAT和PPC被作為生產(chǎn)生物降解地膜的主要原料。PPC是通過(guò)環(huán)氧丙烷開(kāi)環(huán)并與CO2單體共聚制備而成[80]。PPC塑料的生產(chǎn)以CO2作為原料，不僅來(lái)源廣泛，還降低了原料成本，并且是可生物降解材料，有利于保護(hù)環(huán)境[81]。PBAT通過(guò)對(duì)苯二甲酸丁二醇酯和己二酸丁二醇酯反應(yīng)生成，它作為芳香族和脂肪族的共聚產(chǎn)物，綜合了芳香族聚酯塑料的機(jī)械性能和脂肪族聚酯塑料的降解性能[82]，其加工成薄膜的工藝與LDPE非常相似，目前LDPE設(shè)備吹膜技術(shù)成熟，因此可用于PBAT的薄膜的生產(chǎn)[83]。PBAT和PPC主要市場(chǎng)是塑料包裝薄膜、農(nóng)用薄膜、一次性塑料袋和一次性塑料餐具。產(chǎn)量方面，2011-2019年我國(guó)PBAT樹(shù)脂產(chǎn)量由1.19萬(wàn)t增加至3.92萬(wàn)t。2014-2019年我國(guó)聚碳酸亞丙酯(PPC)產(chǎn)量由0.68萬(wàn)t增加至1.94萬(wàn)t。PBAT和PPC可生物降解塑料與傳統(tǒng)LDPE塑料的綜合性能對(duì)比如表3所示。

表3 不同塑料種類(lèi)的綜合性能比較

為探究?jī)煞N生物降解地膜的農(nóng)藝性能，研究人員對(duì)生物降解地膜進(jìn)行了作物生產(chǎn)研究，從生物降解地膜的降解時(shí)間、覆膜溫度、覆膜土壤水分及作物產(chǎn)量進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。畢昕媛等[84]通過(guò)在陜西地區(qū)進(jìn)行的PPC地膜覆蓋高粱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1 300 mm×0.007 mm的PPC與PE地膜覆蓋下產(chǎn)量水平相當(dāng)，覆膜65天內(nèi)土壤的溫度和水分與PE地膜無(wú)明顯差異，6個(gè)月后PPC殘留率為30.8%。楊曉庭等[85]通過(guò)在山西地區(qū)進(jìn)行的PPC地膜和PE地膜在農(nóng)田土壤中的降解試驗(yàn)表明，150天時(shí)間降解率達(dá)到39.7%，而普通地膜表面無(wú)明顯變化。胡宏亮[86]通過(guò)在浙江地區(qū)進(jìn)行的PBAT生物降解地膜覆蓋種植玉米的研究發(fā)現(xiàn)， PBAT地膜保溫能力和覆膜產(chǎn)量與PE地膜無(wú)明顯差異，PBAT膜約20天后損傷開(kāi)始出現(xiàn)，90～100天基本完全降解。王斌等[87]通過(guò)在新疆地區(qū)進(jìn)行的PBAT和PE地膜覆蓋馬鈴薯的試驗(yàn)表明，PBAT生物降解地膜的降解性能良好，對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、土壤溫濕度和土壤養(yǎng)分等指標(biāo)的影響與聚乙烯差異不顯著。

通過(guò)這些研究對(duì)比可知，PPC和PBAT地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)土壤溫度和水分的保持與PE地膜相當(dāng)。同時(shí)，盡管與當(dāng)?shù)貧夂蚝退钟嘘P(guān)，但仍可以看出在農(nóng)田土壤中PBAT降解速度比PPC快，這也說(shuō)明了PBAT和PPC生物降解地膜不僅具有和傳統(tǒng)PE地膜相同的農(nóng)藝性能，而且使用后可在農(nóng)田中完全降解。因此，發(fā)展生物降解地膜是解決今后殘膜污染問(wèn)題最便捷、最可行的方法，其應(yīng)用前景廣闊，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[88]。

目前，在生物降解地膜在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)存在一些問(wèn)題。生物降解地膜的市場(chǎng)價(jià)格普遍高于聚乙烯地膜，約是聚乙烯地膜價(jià)格的3倍，這也是多數(shù)農(nóng)戶選擇傳統(tǒng)聚乙烯地膜的最主要原因。生物降解地膜降解時(shí)間不易掌控，不同地區(qū)的地膜降解速度不同，地膜過(guò)早出現(xiàn)降解會(huì)導(dǎo)致作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量受到影響。生物降解塑料制成的塑料薄膜的機(jī)械性能不如聚乙烯薄膜，通過(guò)塑料添加劑改性能也會(huì)造成環(huán)境污染。

5 對(duì)策建議

5.1 殘膜回收處理的建議

(1)從地膜功能特性與生態(tài)安全性考慮，增加傳統(tǒng)地膜厚度，在保持機(jī)械性能前提下減少生產(chǎn)過(guò)程中有害添加劑的使用；(2)使用和回收方面，使用大于0.01 mm厚度的地膜，降低機(jī)械或人工回收難度，減少農(nóng)田地膜殘留，通過(guò)危害宣傳教育增強(qiáng)農(nóng)民殘膜回收意識(shí)，增強(qiáng)自覺(jué)性并主動(dòng)配合殘膜回收，根據(jù)不同地區(qū)頒布相應(yīng)地膜回收強(qiáng)制措施和補(bǔ)貼措施并建立全國(guó)范圍的回收網(wǎng)點(diǎn)，對(duì)殘膜回收率做出相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 農(nóng)田中地膜殘留降解的建議

目前已發(fā)現(xiàn)的降解聚乙烯塑料的菌種資源較少，降解效率低。因此關(guān)于農(nóng)田中地膜殘留降解問(wèn)題的建議是：(1)繼續(xù)篩選高效降解菌株的同時(shí)，探索優(yōu)化微生物篩選手段；(2)在已有菌株的基礎(chǔ)上通過(guò)誘變等方法提高微生物降解效率；(3)對(duì)地膜降解菌的降解機(jī)理、關(guān)鍵基因及酶系進(jìn)行深入研究，為構(gòu)建高效降解系統(tǒng)的工程菌株提供理論基礎(chǔ)。將微生物降解技術(shù)運(yùn)用于降解地膜殘留，徹底解決地膜殘留對(duì)土壤的破壞和對(duì)作物產(chǎn)量的影響，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展。

5.3 生物降解地膜應(yīng)用的建議

生物降解地膜在覆膜期間也存在著一些問(wèn)題，諸如機(jī)械性能差、降解時(shí)間的不確定性和成本高等問(wèn)題。因此針對(duì)這些問(wèn)題的建議是：(1)因地制宜選用不同材質(zhì)的地膜來(lái)適應(yīng)不同地區(qū)環(huán)境，精確控制地膜的降解時(shí)間，以適應(yīng)不同發(fā)育周期的作物；(2)進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝，在保證農(nóng)藝要求的前提下具有與PE地膜相當(dāng)?shù)男詢r(jià)比；(3)對(duì)塑料進(jìn)行共混改性研究來(lái)提高生物降解塑料各項(xiàng)性能，從而減少有害添加劑的使用，有效降低成本，解決生物降解地膜目前的弊端；(4)政府主導(dǎo)推廣和進(jìn)行農(nóng)商合作形式，使其進(jìn)入大眾視野，讓農(nóng)民全面了解生物降解地膜的優(yōu)勢(shì)。

農(nóng)田殘膜污染是長(zhǎng)期累積的結(jié)果，殘膜的治理不僅需要政府的政策支持和農(nóng)民自身的努力，還需要各研究機(jī)構(gòu)共同參與，針對(duì)不同地區(qū)研發(fā)不同的殘膜回收農(nóng)具來(lái)提升地區(qū)適應(yīng)性和殘膜回收率，探索地膜降解微生物來(lái)降解傳統(tǒng)聚乙烯殘膜以及研究降低生物降解地膜工藝生產(chǎn)成本的方法，從多種途徑著手解決殘膜污染問(wèn)題。