全生物降解地膜研發(fā)推廣應(yīng)用現(xiàn)狀與對策措施

胡美華，徐友利，邵偉強，王華英，杜葉紅，周佳燕

(1.浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 310020； 2.上海弘睿生物科技有限公司，上海 201199；3.浙江勿忘農(nóng)種業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310020； 4.蕭山區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 311200)

1 農(nóng)膜使用與全生物降解地膜

1.1 農(nóng)膜使用

地膜從20世紀80年代引入中國，因其使用方便、對作物生長與增產(chǎn)效果明顯、能促進作物穩(wěn)產(chǎn)早熟而得到大面積的推廣應(yīng)用，全國年使用農(nóng)用地膜達145.5萬t[1]，對保證我國糧食安全，促進農(nóng)民增收等方面發(fā)揮了重要作用。但是，目前使用的地膜主要材料為聚乙烯，需要幾百年才能在自然界中得以分解，不僅回收費工費時，土壤殘膜情況普遍，成為嚴重的“白色污染”，而且存在于土壤中的未降解的地膜也會阻礙作物的正常生長，降低土壤的疏松性，造成土壤板結(jié)，影響農(nóng)業(yè)機械作業(yè)，問題突出[2]。

1.2 農(nóng)膜污染治理

目前，國內(nèi)外緩解農(nóng)膜污染問題主要有3種策略：一是使用易于回收的厚地膜，在使用完成后通過回收機進行回收再加工；二是降低農(nóng)膜的覆蓋率，或一膜二(多)用，從源頭上減少地膜的用量；三是使用降解地膜。我國小農(nóng)戶為節(jié)約成本，目前普遍使用6～8 μm超薄型地膜，使用后因破碎基本不能回收，尤其是西北、東北等地區(qū)的農(nóng)膜污染問題較為突出。為此2017年農(nóng)業(yè)部提出了農(nóng)膜回收行動，印發(fā)《農(nóng)膜回收行動方案》，加強農(nóng)膜污染治理，提高廢舊農(nóng)膜資源化利用水平，并制定了到2020年全國農(nóng)膜回收利用率達到80%以上，“白色污染”得到有效防控的工作目標。該方案指出以加厚地膜應(yīng)用、機械化撿拾、專業(yè)化回收、資源化利用為主攻方向，完善扶持政策，加強試點示范，強化科技支撐，創(chuàng)新回收機制，推進農(nóng)膜回收，提升廢舊農(nóng)膜資源化利用水平，防控“白色污染”。GB 13735—2017《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》明確提出普通地膜厚度不低于10 μm，而生物降解地膜則不受限制。同時在2018年頒布的《中華人民共和國土壤污染防治法》以法律的形式明確規(guī)定了地膜的回收工作。2019年初國家有關(guān)部門召開了地膜覆蓋及殘留污染防控研討會，認為治理地膜殘留污染，要完善頂層設(shè)計，針對不同區(qū)域不同作物提出地膜污染治理的策略，建議加大對合理使用地膜和有效回收殘膜的政策支持力度，加強地膜殘留污染綜合治理科技研發(fā)及創(chuàng)新平臺建設(shè)，重點在殘膜機械化撿拾和全生物降解地膜應(yīng)用技術(shù)上取得突破。

1.3 降解地膜

針對以上問題，作為同樣具有覆蓋和增溫保墑等生物學(xué)效益，又可自然降解，無須回收處理的降解地膜 ，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并進行了大量研究試驗。目前使用的降解地膜主要包括光氧降解地膜和生物降解地膜2種。光氧降解主要是通過往PE地膜中加入光催化劑等助劑實現(xiàn)在紫外線的照射下將PE分子鏈斷開，從而降低分子量并實現(xiàn)最終的分解。但是，該種地膜在國內(nèi)外多年的使用經(jīng)驗證明，通過這一方式并不能實現(xiàn)完全降解。一方面紫外線的強度及照射量無法達到完全降解PE分子鏈，進而實現(xiàn)不了完全降解；另一方面添加的助劑對土壤有負面影響，PE膜降解的碎片及中間產(chǎn)物也對環(huán)境也不友好：因此目前逐漸放棄使用光氧降解地膜[1]。

完全生物降解地膜，使用具有完全生物降解特性的脂肪族-芳香族共聚酯、脂肪族聚酯、二氧化碳-環(huán)氧化合物共聚物，以及其他可生物降解聚合物中的一種或者多種樹脂為主要成分，在配方中加入適當比例的淀粉和其他無環(huán)境危害的無機填充物、功能性助劑，通過采用吹塑等工藝生產(chǎn)的農(nóng)用地面覆蓋薄膜，替代普通聚乙烯地膜，在自然界存在的微生物作用下，最終完全降解變成二氧化碳、水及其所含元素的礦化無機鹽。該技術(shù)避免了普通PE地膜殘留破壞土壤結(jié)構(gòu)、影響農(nóng)事作業(yè)等不良影響，且降解后對土壤及作物無毒副作用，是目前研究與試驗示范的熱點[2-3]。

2 生物降解地膜研發(fā)與推廣應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 生物降解地膜原材料

降解地膜主要降解材料包括聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚碳酸亞丙酯(PPC)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)等。

PLA通過淀粉制備而來，是一種完全生物基全降解高分子材料，降解至最后生成的乳酸可以完全被微生物分解，是目前最優(yōu)秀的一類降解地膜推薦使用材料，PLA總消耗量約3萬t。因為PLA的剛性過大，所以制備出的薄膜韌性差、厚度大，不能很好地在農(nóng)業(yè)中實際使用，需要通過添加韌性降解材料進行改進，才可以獲得較好的使用效果。

PBAT是巴斯夫公司研發(fā)的一類可以通過水解及微生物分解實現(xiàn)全降解的石油基降解高分子材料，它主要通過3種組分縮聚制備，實際消耗量超過萬噸。由于PBAT的黏性較大，并且抗撕裂效果不佳，因此也不能單獨用來制備地膜，需要通過黏性較低及撕裂性提升改進，才能獲得較好的應(yīng)用。

PPC是一種通過環(huán)氧丙烷與二氧化碳聚合的方式制備出的石油基降解高分子材料，由于該高分子的重復(fù)單元短并且鍵能不穩(wěn)定，因此較容易發(fā)生水解以及紫外線光降解，使用壽命短，適應(yīng)性較差。

PHA是一類可以通過石油基聚合而成，也可以通過微生物體內(nèi)合成的降解高分子材料。由于成本高，PHA未能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，主要應(yīng)用在生物醫(yī)療等方面。

國內(nèi)PBAT技術(shù)研究主要有中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、清華大學(xué)、新疆藍山屯河聚酯有限公司等。其中，中國科學(xué)院已建設(shè)7.5萬t·a-1的生產(chǎn)裝置并投入生產(chǎn)，金發(fā)科技股份有限公司也具有6萬t·a-1PBAT樹脂產(chǎn)能。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所針對國外開發(fā)的全生物降解脂肪族聚酯合成技術(shù)中存在擴鏈劑、生物安全性低的問題，開發(fā)出低成本、高力學(xué)性能、高生物安全性的全生物降解聚酯PBAT，可替代通用難降解的塑料制品，緩解廢棄塑料環(huán)境污染，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PBAT生產(chǎn)工藝包、成套生產(chǎn)及應(yīng)用專利技術(shù)。中國科學(xué)院化學(xué)研究所通過技術(shù)整合、工藝設(shè)計以及結(jié)構(gòu)調(diào)整，也已掌握了穩(wěn)定的PBAT合成工藝，并通過了中國塑料加工工業(yè)協(xié)會、全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心組織的完全生物降解地膜農(nóng)田試驗[3-4]。

2.2 生物降解地膜開發(fā)

生物降解地膜是可降解地膜中相對比較重要的一類，又可分為完全生物可降解地膜和不完全生物可降解地膜2種。其中，不完全生物可降解地膜由可生物降解塑料與通用型合成樹脂通過共混或共聚制備得到。20世紀70年代Griffin發(fā)明的第一個淀粉/PE材料就屬于此類，但其主要是淀粉降解，PE部分難以降解，不能實現(xiàn)完全可生物降解，長期使用仍會對土壤造成污染。完全生物可降解地膜是以在自然環(huán)境中易被微生物作用而降解的高分子物質(zhì)為材料制備的地膜，根據(jù)配方可分為合成型生物可降解地膜、天然高分子共混型生物可降解地膜、植物纖維地膜和液態(tài)地膜等。目前，廣東金發(fā)科技股份公司已經(jīng)開發(fā)出PBAT樹脂、PBAT改性材料(包含完全生物降解地膜材料)、PLA改性材料系列共10個品牌的產(chǎn)品，形成了以“ECOPOND”為商品牌號的產(chǎn)品族[3-4]。

由于聚乳酸和PBAT均存在各自的優(yōu)缺點，而通過各自改性或者兩者共混改性則可有效解決缺點，實現(xiàn)較好的性能提升與實際應(yīng)用。朱立邦[5]通過調(diào)節(jié)PLA與PBAT共混復(fù)合材料中的反應(yīng)型含有環(huán)氧基團增容劑及擴鏈劑的不同含量，優(yōu)選反應(yīng)型增容改性劑，采用熔融共混制備PBAT/PLA復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)增容劑的加入使得海島相轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相，擴鏈劑的加入及其含量增加則可以使2種材料界面變得模糊，促進了兩者之間的相容性。

張玉欣[6]通過往PBAT中加入蒙脫土和云母，并通過溶液涂膜法和溶液流延法制備薄膜，研究發(fā)現(xiàn)蒙脫土的加入可以改善地膜的力學(xué)性能，使熔融和結(jié)晶溫度提高，并提高地膜的保水性能。同時研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改性過的蒙脫土和云母對PBAT地膜的性能改善效果更為明顯。中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所通過將PBAT與聚乳酸進行共聚，制備出共聚物，使獲得的材料同時具備兩者的性能，一方面可以使2種材料實現(xiàn)互容，另一方面可以大幅度降低由于材料改性過程產(chǎn)生的損耗及成本提升，目前已完成中試生產(chǎn)。

2.3 生物降解地膜試驗示范

云南、新疆等地是國內(nèi)最早開展降解地膜試驗示范并大面積推廣應(yīng)用的省份[7-9]，經(jīng)在棉花、玉米、馬鈴薯等作物上進行全生物降解地膜應(yīng)用試驗，結(jié)果顯示，降解地膜覆蓋生物學(xué)效應(yīng)良好，基本滿足生產(chǎn)需要，表現(xiàn)為增溫、保濕，作物生育期與產(chǎn)量基本不受影響，但有的膜提前降解，使保濕及防草性能受到影響，且膜的韌性差，破膜等作業(yè)相對費工。2014年浙江大學(xué)在玉米上開展全生物降解地膜試驗，選用的5種可降解地膜在提高土壤溫度、促進玉米生長發(fā)育方面具有顯著的效果，且得到了比普通地膜更高的玉米鮮穗產(chǎn)量，表明可降解地膜具有更強的生物學(xué)效應(yīng)。在地膜田間降解方面，結(jié)合玉米生育進程，可降解地膜的啟動降解期稍早，尚不能有效抑制前期雜草生長，地膜在自身受到損壞的同時，其受雜草生長導(dǎo)致的機械力影響而破裂更加明顯。到覆膜100 d后，可降解地膜幾乎從田間表面消失，在生物學(xué)效應(yīng)上基本不影響作物后期的生長[10]。

2015年農(nóng)業(yè)部啟動了“全國生物降解地膜評價試驗”專項，在全國13個省區(qū)市的30多個試驗點，進行了8種農(nóng)作物的生物降解地膜評比試驗，篩選既滿足增溫、保墑、防老化等覆蓋生物學(xué)效應(yīng)，又能及時降解、不影響機械翻耕作業(yè)及土壤性狀等各種要求的降解地膜。3年試驗結(jié)果顯示，我國生物降解材料和生物降解地膜研發(fā)都取得了很大進展，目前生物降解地膜已在廣東、云南、湖南、新疆、北京、山東等地進行試驗示范與推廣應(yīng)用[9-13]。根據(jù)浙江省農(nóng)膜回收處置實際情況[14]，先后在西瓜、蘿卜等瓜菜作物上廣泛開展了生物降解地膜試驗示范推廣工作，并引進廣東金發(fā)、上海弘睿等多個不同廠家生產(chǎn)與不同規(guī)格的降解地膜，初步篩選出適合不同蔬菜作物栽培需要、降解周期適宜的完全生物可降解地膜，基本達到覆蓋效應(yīng)良好，并能降解、翻耕不纏繞的預(yù)期目標。降解地膜的覆蓋增溫保墑增產(chǎn)效應(yīng)與普通地膜沒有明顯的區(qū)別，具有良好的生物學(xué)覆蓋效應(yīng),以8 μm的白膜降解較好，性價比較高。經(jīng)現(xiàn)場機耕作業(yè)，全生物降解地膜降解性能良好，不污染環(huán)境，無須進行清除回收[15]。

2.4 生物可降解膜綜合評價

地膜覆蓋栽培試驗結(jié)果表明，不同配方、不同厚度的生物可降解地膜，在不同生態(tài)環(huán)境條件下，降解臨界期不同，降解速度也不同，總體能基本滿足作物各個生育期對土壤溫、濕度的需求。有關(guān)專家對杭州市蕭山區(qū)雙膜覆蓋西瓜降解地膜試驗進行了現(xiàn)場考察評價，認為降解地膜的增溫保墑農(nóng)藝性能與普通地膜沒有顯著差異，在換茬翻耕時基本裂解，不影響機械作業(yè)，對土壤環(huán)境及作物產(chǎn)量、品質(zhì)均無明顯影響；雖然膜的使用成本提高210～705元·hm-2，但降解膜后茬可直接翻耕，節(jié)省揭膜人工費用360～900元·hm-2，綜合成本基本相當。綜合各地的試驗研究證明，生物可降解膜具有與普通地膜相近的覆蓋效應(yīng)，且能有效減少對農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有較好的應(yīng)用前景[15]。

3 主要問題與對策措施

3.1 主要問題

隨著生物降解地膜推廣應(yīng)用面積的不斷擴大，使用過程中也遇到了一些問題，一是降解膜性能有待改進。生物可降解地膜降解的可控性不穩(wěn)定，誘導(dǎo)期過短或過長，不能完全滿足作物生長關(guān)鍵時期對地膜增溫保墑的需求。拉伸強度不夠，韌性不足，覆膜過程中易破損，存在打不透、連絲、錯位等現(xiàn)象，在一定程度上影響播種進度和出苗率，且增溫性和保水性相對不足。二是成本價格過高。目前，生物可降解地膜覆蓋成本為2 250～4 500元·hm-2，普通地膜為750～1 200元·hm-2，成本價格已成為生物可降解地膜推廣應(yīng)用的最大瓶頸。三是技術(shù)不配套。降解膜的耐候期與種植業(yè)覆膜的時期長短、土壤雨水性質(zhì)、栽培模式等均有相關(guān)性，如降解破碎過早或過遲，對應(yīng)用效益都會造成一定的影響[2,7，10]。

3.2 對策措施

根據(jù)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展要求，全國各地要繼續(xù)加大對廢舊農(nóng)膜的回收處置工作，生物降解膜可從源頭上治理農(nóng)膜污染，是今后的主導(dǎo)發(fā)展方向[1-2]。但目前應(yīng)用規(guī)?？傮w上偏小，使用成本偏高，用戶自發(fā)推廣應(yīng)用的積極性不高，且降解地膜對各地區(qū)土壤、氣候和應(yīng)用領(lǐng)域的效應(yīng)不同等諸多問題，還需開展大量細致的試驗，才能明確適宜不同地區(qū)的推廣類型和應(yīng)用規(guī)范。建議從以下2方面來提高全生物降解地膜替代技術(shù)的實用性，進而擴大應(yīng)用面積與覆蓋率：一是提高降解膜的性能，降低應(yīng)用成本；二是要研究集成示范降解膜的配套關(guān)鍵技術(shù)，既滿足地膜覆蓋的增溫保墑防草效應(yīng)，又不影響機器翻耕等作業(yè)。

3.2.1 加強研發(fā),提高性能,降低成本

加強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，尤其是要研發(fā)針對特定區(qū)域和特定作物的專用生物降解地膜產(chǎn)品，以滿足和適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多樣性的要求，同時要降低膜的成本[1-2，4]。生物降解材料的原材料成本比不可降解地膜有明顯的增加，聚乳酸和PBAT的價格在2萬元·t-1左右，比普通PE膜貴1倍。控制生物降解地膜成本主要通過添加價格較為低廉的無機物添加劑、降低地膜厚度、降低降解高分子原材料的成本等方法實現(xiàn)，縮小與普通地膜的差距。部分單位通過在降解地膜中添加定量的碳酸鈣等無機粉末，降低了單位重量的成本，也導(dǎo)致難以生產(chǎn)較薄的地膜。上海弘睿生物通過納米材料改性方法批量制備4～6 μm厚度的降解地膜，成本得到大幅度降低。目前還有采用制備多層膜，改變作物種植方式，改變原材料等多種方式進行改進和性能調(diào)節(jié)[4-5]。

3.2.2 加強應(yīng)用模式與配套關(guān)鍵技術(shù)集成

在加強生物降解地膜產(chǎn)品研究的同時，應(yīng)根據(jù)降解地膜產(chǎn)品的特性，做好配套農(nóng)藝技術(shù)和措施的研究集成示范。通過改進相應(yīng)的農(nóng)藝技術(shù)，使栽培模式能夠適合生物降解地膜產(chǎn)品的性能，從而實現(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。目前，主要是做好茬口搭配，選擇應(yīng)用面積、栽培模式比較固定的大田作物，對地膜覆蓋生物學(xué)效應(yīng)要求比較一致，避免因生育期不同或溫度光照等變化過大，造成降解膜提前破損或作物采收時仍未進入誘導(dǎo)期，影響地膜覆蓋生物學(xué)效益與機器翻耕作業(yè)等現(xiàn)象[1-2]。

目前，浙江省在蘿卜、鮮食大豆、馬鈴薯、花椰菜等主要作物開展降解膜的試驗示范，建立一批示范基地，取得初步進展，如浙江勿忘農(nóng)集團的科研基地露地區(qū)塊菜稻輪作模式已普及應(yīng)用降解地膜，菜茬前期覆蓋降解膜具有增溫保墑防草等生物學(xué)覆蓋效益，采收期結(jié)束后，將蔬菜殘體及降解地膜一道直接翻耕，節(jié)省清理人工成本，后茬種植水稻后，第二年地膜完全降解，對水稻茬翻耕后再種植蔬菜無明顯不利影響，對土壤環(huán)境友好，經(jīng)濟、生態(tài)效益良好[16]。

4 小結(jié)與展望

隨著國家政策的不斷推動和人們對環(huán)境保護意識的不斷加強，對生物降解地膜的關(guān)注與投入必然會越來越多。預(yù)計生物降解地膜研究利用將向薄型化、高性能化、本土定制化等方向發(fā)展。質(zhì)量性能不斷改進提高，成本穩(wěn)步降低，應(yīng)用模式技術(shù)配套完善，推廣應(yīng)用前景廣闊，將為促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展起到積極的作用。