嚴(yán)昌榮，劉 勤

（中國(guó)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，北京 100081）

生物降解地膜在我國(guó)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)*

嚴(yán)昌榮，劉 勤

（中國(guó)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，北京 100081）

文章通過(guò)梳理生物降解地膜的研發(fā)與應(yīng)用歷程，挖掘其存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)利用生物降解地膜解決地膜殘留污染問(wèn)題在我國(guó)尚屬起步階段。在此基礎(chǔ)上，提出加強(qiáng)生物降解地膜的原材料、配方和生產(chǎn)工藝的研究，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的建議。

生物降解地膜 農(nóng)業(yè)應(yīng)用 地膜污染

地膜是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)資料之一，地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用帶動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的顯著提高和生產(chǎn)方式的改變。2014年全國(guó)地膜用量達(dá)到144.1萬(wàn)t，覆蓋面積超過(guò)0.2億hm2，應(yīng)用區(qū)域已從北方干旱、半干旱區(qū)域擴(kuò)展到南方的高山、冷涼地區(qū)，覆蓋作物種類也從經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)大到大宗糧食作物。地膜覆蓋增溫保墑、防病抗蟲(chóng)和抑制雜草等功能使作物增產(chǎn)20%～50%，對(duì)保障中國(guó)食物安全供給做出了重大貢獻(xiàn)。但同時(shí)，地膜覆蓋廣泛應(yīng)用也帶來(lái)了一系列問(wèn)題，如技術(shù)泛用和回收不利，地膜殘留導(dǎo)致的“白色污染”等，生物降解地膜的研發(fā)已成為塑料工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向。

1 生物降解地膜概念和主要成分

生物降解地膜是指在自然環(huán)境中通過(guò)微生物的作用而引起降解的一類塑料薄膜。日本生物降解塑料研究技術(shù)委員會(huì)將其定義為“在自然界中通過(guò)微生物的作用可以分解成不會(huì)對(duì)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。”

根據(jù)主要原料可以分為天然生物質(zhì)為原料的降解地膜和石油基為原料的降解地膜。天然生物質(zhì)如淀粉、纖維素、甲殼素等，通過(guò)對(duì)這些原料改性、再合成形成生物降解地膜的生產(chǎn)原料。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。添加型生物降解地膜是用PE塑料中添加具有生物降解特性的天然或合成聚合物等混合制成的原料，再添加相溶劑、抗氧化劑和加工助劑等吹制而成，不屬于完全生物降解的地膜。以淀粉為原料生產(chǎn)的完全生物降解地膜主要是通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，乳酸經(jīng)過(guò)再合成形成聚乳酸，以聚乳酸為主要原料生產(chǎn)的地膜。另一類重要的天然生物質(zhì)是纖維，通過(guò)對(duì)纖維素醚化、酯化以及氧化成酸、醛和酮后可制成地膜，屬于完全生物降解的地膜。以石油基生產(chǎn)生物降解地膜的主要成分是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）、聚羥基丁酸酯（PHB）、二氧化碳共聚物-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 生物降解地膜的研發(fā)與應(yīng)用

生物降解地膜研發(fā)初期，淀粉添加型生物降解地膜一直研發(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)出能夠能被生物降解的塑料，然后生產(chǎn)地膜。該種地膜具有工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)研發(fā)單位大部分生產(chǎn)添加型淀粉塑料，其產(chǎn)品中淀粉含量為10%～30%。

20世紀(jì)80年代初，英國(guó)發(fā)現(xiàn)β羥基丁酸酯（PHB）提取和純化方法并制成薄膜，生產(chǎn)出最早的降解薄膜，但PHB抗沖擊強(qiáng)度和耐溶性較差，不能真正用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。我國(guó)的聚羥基烷酸酯（PHA）的研究始于20世紀(jì)80年代，上海有機(jī)所和天津大學(xué)采用化學(xué)法對(duì)PHB共聚物合成進(jìn)行探索，也有人開(kāi)始利用植物的葉子或根來(lái)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。目前開(kāi)發(fā)的用于生物降解地膜生產(chǎn)的材料主要有淀粉進(jìn)行發(fā)酵成乳酸，再聚合成完全生物降解的聚乳酸（PLA）；由丁二酸和丁二醇聚合而成的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）；二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚生成的聚碳酸亞丙酯（PPC）以及由β-己內(nèi)酯在催化劑作用下開(kāi)環(huán)聚合生成的聚己內(nèi)酯（PCL）等。

以天然纖維為原料生產(chǎn)生物降解地膜也一直是研究的熱點(diǎn)，這類地膜雖然在增溫保墑等功能方面不及普通PE地膜，但具有很好的透水透氣性能，能通過(guò)改變顏色有效抑制雜草。國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了草纖維地膜、紙基地膜的研究和應(yīng)用，如中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)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(kāi)發(fā)出紙地膜。中國(guó)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。

在世界范圍內(nèi)，歐洲和日本是生物降解材料、技術(shù)和生物降解地膜研發(fā)和應(yīng)用最先進(jìn)的國(guó)家和地區(qū)。隨著生物降解材料和加工工藝進(jìn)步，生物降解地膜應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要用于園藝和蔬菜生產(chǎn)方面。目前，日本和歐洲生物降解地膜在地膜市場(chǎng)的份額不斷上升，已達(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超過(guò)20%。

2010年以來(lái)，國(guó)外生物降解地膜材料研發(fā)生產(chǎn)大企業(yè)開(kāi)始與中國(guó)有關(guān)科研和農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門(mén)合作，在西北的新疆、西南的云南、華北的北京、河北，以及西北甘肅和內(nèi)蒙古等對(duì)主要農(nóng)作物，如棉花、玉米、煙草、馬鈴薯和蔬菜等進(jìn)行了試驗(yàn)和示范，覆蓋作物超過(guò)10個(gè)，面積超0.13萬(wàn)hm2。近年來(lái)，我國(guó)在生物降解地膜的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，尤其通過(guò)二元酸二元醇共聚酯合成技術(shù)和設(shè)備的改進(jìn)，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(shí)產(chǎn)權(quán)的生物降解塑料生產(chǎn)的核心技術(shù)和工藝。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(wàn)噸級(jí)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(kāi)展了試驗(yàn)示范。

3 生物降解地膜存在的問(wèn)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(wú)法進(jìn)行機(jī)械化覆膜作業(yè)，這個(gè)問(wèn)題在新疆尤為突出。只有通過(guò)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。

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(wú)法滿足作物對(duì)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(wèn)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(guò)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(wú)法發(fā)揮。

3.3 增溫保墑性能需要進(jìn)一步加強(qiáng)

大部分生物降解地膜的增溫保墑功能與普通PE地膜相比存在一定的差異，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(méi)有作物冠層遮蓋條件下，除11∶00～16∶00，二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 產(chǎn)品生產(chǎn)成本制約大規(guī)模應(yīng)用

生物降解地膜的高成本是大規(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(xiāo)售價(jià)格是普通PE地膜3倍左右，這是地膜原材料屬性、厚度等多因素決定的。一方面需要通過(guò)原材料規(guī)?；a(chǎn)、配方完善降解產(chǎn)品價(jià)格，另一方面，應(yīng)綜合評(píng)價(jià)地膜使用成本，明確生物降解地膜與普通PE地膜的成本差異，促進(jìn)降解地膜的規(guī)?；瘧?yīng)用。據(jù)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(gòu)買(mǎi)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(wú)回收處理成本。在我國(guó)，由于勞動(dòng)力相對(duì)便宜，加上大量普通PE地膜沒(méi)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(huì)越來(lái)越小，生物降解地膜的應(yīng)用將具有良好的前期。

4 主要結(jié)論與建議

生物降解地膜是解決地膜殘留污染重要途徑之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具極好效果，潛力巨大，但技術(shù)問(wèn)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

*本文摘自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院網(wǎng)