五种常见可降解地膜的研究应用现状和展望_曹晓庆.pdf

核 农 学 报 2023，37（5）：10761087Journal of Nuclear Agricultural Sciences五种常见可降解地膜的研究应用现状和展望曹晓庆 李璐*张锋伟 戴飞 张方圆 李向阳 乔伟豪（甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070）摘 要：地膜覆盖是广泛应用的农业技术，但目前使用的传统塑料地膜在带来巨大经济效益的同时，存在严重的生态环境污染问题，影响农业的可持续发展，发展可降解环保地膜是必然趋势。本研究系统阐述了国内外光降解地膜、生物降解地膜、光/生物双降解地膜、液态地膜和植物纤维地膜制备材料、制备技术和产品的研究进展与应用现状，以及五种可降解地膜的优势和不足，并对植物纤维地膜的研究方向和发展前景进行了展望。本研究结果为进一步发展绿色环保、可完全生物降解的农用地膜，促进农业的绿色可持续发展提供了理论依据。关键词：地膜覆盖；可降解地膜；植物纤维；可持续发展DOI：10.11869/j.issn.1000-8551.2023.05.1076我国是农业大国，自20世纪70年代起，传统的农业生产方式在地膜覆盖技术引进后发生了彻底改变。农用地膜具有保温、保水、保墒和防风固沙等作用1，可将农作物产量提高20%50%2，使用效果明显，促进了农业快速发展，是继种子、化肥和农药之后，一项十分重要的农业生产资料3。但大量使用的传统农用地膜因降解困难造成了严重的环境污染4-6，其中土壤污染问题7更为突出，制约了农业经济的可持续发展。因此，解决塑料地膜污染问题受到高度重视。目前，解决此问题的方式有两种：一是残膜回收，二是研发新型可降解地膜。由于地膜厚度不达标、易风化，以及残膜回收机具落后等原因，残膜回收困难8；而可降解地膜无需回收，对环境无污染且能改善土壤结构，促进农作物生长9，因此，可降解地膜成为了地膜研究的热点，受到广泛关注。目前已研究出多种可降解地膜产品，其中最常见的有光降解地膜、全生物可降解地膜、光/生物双降解地膜、液态地膜和植物纤维地膜10。可降解地膜在原材料、制备工艺和降解产物等方面与传统塑料地膜相比区别较大，主要以淀粉、产业废弃物、农作物秸秆等可降解材料为制备原料，具有可降解性、绿色环保、可再生等优点11。技术的不断革新促进了地膜产业的发展12，可降解地膜产品的出现对解决塑料地膜污染问题，以及在挖掘日益枯竭的石油资源替代品方面13，具有举足轻重的作用。因此，本研究基于农用地膜的发展及其应用情况，阐述五种可降解地膜的国内外研究现状及存在问题，分析各类可降解地膜的降解原理及特点，并展望地膜的发展趋势，旨在为农业绿色可持续发展提供理论参考。1光降解地膜光降解地膜是一种在光照条件下可降解的塑料地膜14，其研制路线大致可分为光敏剂型、填料型两条，制备材料主要是大分子链上含有双键的聚合物，以聚乙烯为主，制备过程中会添加一些光敏剂以及其他助剂，以促进其对太阳紫外线的吸收及能量的转换，引起光氧化反应使光降解地膜中的聚乙烯分子链断裂，从而使得地膜脆化、分裂，进而降解15。此外，通过调节光敏剂及其他助剂的使用剂量以控制降解程度和降解速率，通过添加光降解调节剂来调节光降解地膜的诱导期，以适应不同的用途或使用场合。我国从1981年开始采用挤出吹塑双向拉伸的技术路线研制聚乙烯（polyethylene，PE）可控光降解地膜，试制出不同使用周期的光降解地膜，并进行田间试验，结果表明，该产品在规格、物理性能、使用周期、应用效果等方面基本达到农艺要求，具有一定的降解性16-17。20世纪 80年代初期，张秀波等17采用填料文章编号：1000-8551（2023）05-1076-12收稿日期：2022-06-06 接受日期：2022-09-06基金项目：甘肃省高等学校基金创新项目（2021A-052），国家自然科学基金项目（52065005），甘肃省教育科技创新项目（2021CXZX-395）作者简介：曹晓庆，男，主要从事可生物降解地膜的制备及研究。E-mial：*通讯作者：李璐，女，副教授，主要从事先进材料与表征的研究。E-mail：10765 期五种常见可降解地膜的研究应用现状和展望型研究路线，通过添加重质CaCO3（粒度400目）、紫外线吸收剂（UV-327、UV-531）、自然基捕捉剂（GW-540）以及界面活性剂等进行聚乙烯基光降解地膜的研制，并对该地膜的物理性能、降解性能及其对作物产量的影响进行了分析，结果表明，该地膜降解、增产效果较好，其规格、物理性能、使用周期等与日本研究的产品接近，但掩埋在土中的地膜因没有光照条件而无法降解，造成降解不均匀且有残膜留存。2000年左右，陈庆华等18采用二乙基二硫代氨基甲酸铁、硬脂酸铁等五种不同类型的光敏剂研制光敏型地膜，试验结果表明光敏剂能够促进地膜降解，且降解效果差异显著，其中硬脂酸铁对地膜的降解效果尤为明显，同时可通过改变添加剂剂量来控制降解周期，以适应不同作物以及不同的农艺要求。2012年，张跃彬等19基于光敏型地膜，根据甘蔗生长的特点发明了一种以线性低密度聚乙烯（linear low density polyethylene，LLDPE）颗粒、光敏剂、热降解促进剂和光降解调节剂为原料的光热降解地膜（厚度0.0040.1 mm，诱导降解时间控制在90150 d），能够满足甘蔗的生长要求。近期，元欣等20以线性低密度聚乙烯树脂和玉米淀粉为主要原料，通过添加硬脂酸锰、芥酸酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚等助剂，研制了一种耐久光降解添加型地膜，其降解、除虫害效果较好，生产成本较低。国外关于光降解地膜的研究较早，20 世纪 70年代，已开展在塑料地膜中添加各种光敏剂以及单线态氧的研究，苏联、日本等国研制的光降解地膜在国外已获得许多专利并有产品出售21。20世纪80年代中期，美国DOW化学公司、杜邦公司和联合碳化物公司等研究机构以乙烯/一氧化碳共聚物、乙烯/乙烯基酮共聚物等为原料，制备出了能完全降解的光降解塑料21。后期对光降解地膜制备所用光敏剂做了进一步研究，如加拿大GUILLETE公司在聚乙烯中添加甲基乙烯酮和光活性甲基苯乙烯接枝共聚物的光降解母料，美国AMPACT公司生产的含过渡金属铁离子的光降解母料等使得光降解地膜降解效果良好22。但近年来在光降解地膜方面的研究较少。综上所述，光降解地膜在一定条件下能够完全降解，短期内可降低传统塑料地膜使用量，缓解塑料地膜造成的白色污染问题。但在光降解地膜研制以及实际应用过程中还存在一定问题：因降解条件的限制，被埋在土壤中或者被遮阴的部分地膜不能降解或降解缓慢，仅解决耕作表层中的残膜；降解后微塑料的长期积累存在对大气、水质和土壤等造成二次污染的风险；制备原料不足、制造成本高、降解时间不可控等因素制约了光降解地膜的实际推广应用。光降解地膜的研究主要集中在20世纪末到21世纪初期，近年来，国内外在光降解地膜方面的研究较少。2生物降解地膜生物降解是在自然条件下微生物将地膜分解成细小物质的过程，生物降解材料分为合成型降解材料和天然高分子降解材料。合成型生物降解地膜有化学合成型和微生物合成型两种，是使用人工合成高分子进行制备的可降解产品，目前已研发出多种产品。天然高分子型可降解材料资源丰富且可再生，在生物可降解地膜的研究中以对淀粉、纤维素的研究最为广泛。几种常见可降解材料的制备方法及特点如表13所示。2.1合成型生物降解地膜可降解材料虽丰富多样，但并非都适用于生物降解地膜的制备。在化学合成型可降解材料方面，何和智等36基于原位反应增容原理制备了一种可生物降解的聚乳酸/聚己内酯（polylactic acid/polycaprolactone，PLA/PCL）共混材料，通过研究不同配比制备出了增韧性良好的可降解材料，可作为地膜制备的原材料。管彤晖等37研究了以聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯 poly（butyleneadipate-co-terephthalate），PBAT为主要原料的全生物降解地膜在实地埋土降解试验过程中的降解行为，对其降解过程中的各项指标进行了分析，结果表明该材料在埋土试验中降解性良好。在使用微生物合成可降解材料方面，尹凌鹏等38利用可降解高分子材料PLA和PBS，在其中添加紫外线吸收剂UV928及受阻胺光稳定剂HS944制备PLA/PBS生物降解复合材料，通过研究材料复合比例及双螺杆混炼工艺参数对材料性能的影响，对所制备材料进行了光敏波长、光稳定性、拉伸性能等指标的测定，并通过模拟老化测试分析其在户外照明条件下的使用寿命，探究降解周期，结果表明，紫外线吸收剂及受阻胺光稳定剂能显著提升PLA/PBS生物降解复合材料耐候性及光稳定性，为可降解农用地膜的研制提供了可靠依据。国外对生物降解材料的研究已经比较成熟。E-cochem、Cargill 和 Boechringer 等公司生产的聚乳酸（PLA）以及联合碳化物公司的聚己内酯（PCL）、卜内门公司的聚羟基丁、戊酸酯 poly（3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvaletrte),PHBV 等是利用发酵和化学方法制备的可生物降解材料，可用作降解地膜的生产基材19。这类产品虽生物降解性能良好，但价格昂贵，推广困难，不宜作为农用地膜的制备材料。前人对各种生物1077核农学报37 卷 降解材料的降解性能及应用做了较多研究，例如Sintim等39通过评估四种可生物降解塑料覆盖物对两个地点（田纳西州诺克斯维尔和华盛顿州弗农山）土壤健康的影响，发现部分材料对六种土壤性质、四种土壤健康指标和一种土壤功能的影响显著，但能否成为传统地膜的替代品还需进一步深入研究。Barragn等40对五种可能可生物降解的地膜（玉米热塑性淀粉-共聚酯、谷物粉-共聚酯、聚乳酸-共聚酯、聚羟基丁酸酯和马铃薯热塑性淀粉-共聚酯）进行了测试，以评估其在土壤中的降解情况，结果表明，可生物降解的塑料覆盖物可能是聚乙烯的可行替代品，但需要在长期研究下进行评估，以更好地确定其对土壤健康的影响。表1化学合成型可降解材料的制备方法及其特点Table 1Preparation methods and characteristics of chemically synthesized degradable materials产品Products聚甲基乙撑碳酸酯Poly propylene carbonate（PPC）聚乙烯醇Polyvinyl alcohol（PVA）聚己内酯Polycaprolactone（PCL）聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯Poly（butyleneadipate-co-terephthalate）（PBAT）制备方法Preparation method由二氧化碳（CO2）和环氧丙烷（PO）在催化剂作用下共聚而成。是一种人工合成的水溶性高分子化合物，工业上通常由聚醋酸乙烯酯经皂化制得。由-己内酯开环聚合得到。以对苯二甲酸、己二酸、丁二醇为原料，采用直接酯化或酯交换法制备。分子结构Molecular structure特点Features分子链柔软，力学性能、耐热性较差，不可单独使用，需对其进行改性处理，在生产中常与其它材料混合使用。综合性能优良，耐热性能和力学性能优于聚烯烃，与工程塑料相当，阻隔性能优异，耐磨、减伸等一些性能指标远高于大部分的天然高分子浆料，在环境中很难降解，是一种非环保材料。PCL是半结晶性的柔性分子链，极易热塑成型，具有良好的弹性。是一种可完全生物降解的线型脂肪族聚酯，是不可再生的石油基聚合物。其力学性能与聚乙烯（PE）相当。是一种脂肪族-芳香族无规共聚酯，具有良好的可生物降解性能、力学和热学性能，耐高温、延展性好，断裂伸长率高。参考文献References23-24252627表2微生物合成型可降解材料的制备方法及其特点Table 2Preparation methods and characteristics of microbial synthetic degradable materials产品Products聚丁二酸丁二醇酯Poly（butylene succinate）（PBS）聚乳酸Polylactic acid（PLA）聚羟基脂肪酸酯Polyhydroxyalkanoates（PHAs）制备方法Preparation method是由丁二酸和丁二醇两种单体聚合而成的脂肪族聚酯，其中丁二酸和丁二醇均可以纤维素、淀粉、葡萄糖、果糖与乳糖等可再生资源为原料，经生物发酵途径生产。是生物质原料（甘蔗、甜菜、秸秆纤维素、木薯等）经微生物发酵得到的小分子乳酸聚合而成的线型高分子，属聚-羟基酯类。是一类细胞体内的生物降解聚合物，许多细菌在营养不平衡的条件下合成的细胞内能量和碳源贮藏性物质。分子结构Molecular structure特点Features具有生物降解性、熔融加工性以及耐热性和耐化学性等多种优异性能。另外，通过添加己二酸可增强共聚酯的结晶性和堆肥降解性，得到丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物 Poly（butylene succinate-co-butylene adipate），PBSA。强度高、生物相容性及降解性好，在食品包装、工业、医用等行业广泛使用。在制备PLA基生物降解地膜时，需对其进行改性或者共混。既具有生物降解性、生物相容性、憎水性、良好的阻透性等特性，又具有石油基树脂的热塑加工性，也可以和其他材料复合。参考文献References2829-303110785 期五种常见可降解地膜的研究应用现状和展望Moreno等41采用聚乙烯膜和生物降解膜在西班牙中部地区对番茄进行覆盖，分析了不同覆盖膜对番茄产量和果实品质的影响。Rillig等42利用前人对原生生物类群吞噬作用研究的数据，研究分析微塑性颗粒对土壤原生生物群落和功能的长期影响。随着技术的不断改进，可生物降解材料的研究及其在农业上的应用不断扩大。2.2天然高分子生物降解地膜天然高分子生物降解地膜制备的原材料主要包括动植物的蛋白质、纤维素、木质素、淀粉、甲壳素/壳聚糖等多糖以及天然橡胶等34。其中淀粉和纤维素在农用地膜研究上的应用最为广泛，淀粉作为可降解材料的研究受到广大研究者的热切关注，根据淀粉的特点，在以淀粉为原料进行地膜制备时需对淀粉进行酯化、醚化或使其与其他高分子结合等化学或物理改性处理35。早在21世纪初期，滕立军等43以淀粉聚乙烯生物降解膜和通用塑料膜 PE、流延聚丙烯薄膜（cast polypropylene，CPP）为试验材料，对其物理性能、力学性能进行了研究，结果表明，试验所用降解材料在2030 d内的降解率大于20%；吸水率、渗透性高于通用薄膜聚丙烯（polypropylene，PP）、CPP；力学性能指标能满足使用要求。李金海等44采用流延法，以富含碳源和羟基而易于降解的淀粉与聚乙烯醇等为原料制备出马铃薯淀粉基可降解地膜材料，测试结果表明其保温、保墒及降解性能良好，土埋法测得其在60 d的降解率接近60%。总的来说，国内生物降解地膜发展较快，技术逐渐成熟，为新型降解地膜的研制提供了理论和技术保障。国外在生物降解地膜上的研究技术比较成熟，在以淀粉为原料制备可降解产品方面的研究较为丰富，淀粉基可降解材料被广泛使用的关键问题是解决淀粉的溶水性，为提升淀粉基可降解材料的 阻水性和强度，国外学者进行了淀粉与其他塑料的混合试验45-46。此外，通过淀粉与疏水单体共聚的方法消除羟基，可维持淀粉基可降解材料的稳定性。但稳定性上升的同时，也会带来可降解性下降的问题47。美国 NOVON PRODUCTS DIV 公司以热塑性淀粉为原料生产的NOVON全降解塑料48，日本玉米淀粉公司生产的淀粉基聚合物49，德国巴特尔研究所由改性淀粉和质量分数10%其他天然资源系添加剂共混制成的生物降解塑料50在降解性、力学性能、膜的质量等方面都有一定的提升。虽然淀粉地膜成本低，但机械性能较差。近年来，随着技术的不断提升，全淀粉降解材料的开发已 经 成 为 更 多 企 业 的 发 展 目 标，其 中 以 意 大 利NOVAMONT 公司51为代表，已实现全淀粉降解材料产业化生产。综上所述，生物降解地膜原材料因丰富多样、发展前景可观、研发空间大等优势而受到研究者的广泛关注，近年来，生物降解地膜在农业领域的应用逐渐扩大，应用效果良好，能够缓解地膜污染问题，有望带来巨大的环境效益、社会效益和经济效益，但同时也存在力学性能差、耐水性差、使用周期短、产能低、生产成本普遍偏高等不足，限制了其代替传统地膜在农业种植表3天然高分子型可降解材料的制备方法及其特点Table 3Preparation methods and characteristics of natural polymer type degradable material产品Products纤维素Cellulose淀粉Amylum制备方法Preparation method广泛存在于植物、动物和菌类的体内。主要存在于农作物的果实，高等植物的根、茎、叶中。分子结构Molecular structure特点Features纤维素是第一大天然高分子材料，取向度、结晶度高，不溶于一般溶剂，很难塑化且不易成膜，在地膜制备时要对其进行改性、修饰或者共混处理。是一种半结晶物质，淀粉的亲水性导致其所制备的材料耐候性受限，淀粉与聚乙烯不相溶，制备的材料性能不高，使用淀粉作为原料制备地膜时需对淀粉进行化学或物理改性处理，对淀粉进行酯化、醚化，或者使其与其他高分子结合。参考文献References32-3334-351079核农学报37 卷 上的大面积推广应用。在生物可降解地膜的研发过程中，主要是通过对材料改性以及共混来制备不同可降解材料。理论上地膜降解后会在土壤中留下一定的微塑料，已有研究表明，微塑料对土壤中的微生物等具有一定影响52，但影响领域和程度目前鲜有报道，可能将成为新的环境污染源。作为目前研究比较成熟的可降解产品，生物降解地膜在农业上被大面积推广，解决地膜产能和生产成本问题是生物降解地膜代替传统地膜的关键所在。3光/生物双降解地膜光/生物降解地膜又称双降解地膜，主要结合了光降解地膜与生物降解地膜的降解机理，利用淀粉等可被微生物分解的物质与聚乙烯、合成树脂等共混制成53。根据光降解材料与生物降解材料存在的特点，在两种降解材料的基础上进行优势互补，研制出光/生物双降解材料，并以其为原料制备的新型地膜可以同时发生光降解和生物降解，理论上光/生物降解地膜能够满足完全降解的基本要求54。20世纪90年代以来，国内在光/生物降解地膜方面的研究较多，且研究进展较快，目前技术比较成熟，已有多种产品进行大田试验。20世纪末，“洁境”牌双降解地膜作为高新科技产品由北京塑料研究所推出55，该产品未添加淀粉，而是利用微生物活性化合物作为生物降解体系并以含铁有机化合物为光敏体系，来调控地膜的降解周期。21世纪初期，Ding等56利用传统的塑料加工设备制得以玉米淀粉（质量分数约30%）、低密度聚乙烯和线型低密度聚乙烯为主要原料的光/生物降解塑料薄膜（厚度约20 m），该材料力学性能、降解性能良好。刘再满等57研究了质量分数为35%的淀粉光/生物降解聚乙烯薄膜的光降解性能、产物结构及降解机理，分析了光敏剂种类和用量对地膜降解速率的影响，发现光敏剂质量分数为 0.2%0.3%时制得的光/生物降解薄膜光降解性能较好。齐宇虹等58研究了由光敏剂硬脂酸铁和抗氧剂1076组成的光/生物双降解聚乙烯薄膜各项指标的变化规律，以及硬脂酸铁和抗氧剂对地膜相关指标和降解性能的影响。2016年中旬，周涛等59通过填埋试验和老化箱试验分别研究了光氧生物双降解地膜的生物降解性能和紫外线降解性能，探究了地膜在填埋前后的特性黏数和力学性能变化，结果表明地膜在充足光照条件下的降解能力更优。国外对于光/生物双降解地膜开展相关研究的时间较早，已初见成效的技术有加拿大ST淀粉公司与瑞士 ROXO公司合作开发的 Ecostar金属有机化合物复合母粒Ecostarplus，它兼具光降解和生物降解的双重特性，比E-costar的降解速度快了近5倍60。1988年，英国GRIFFIN 公司推出了以低密度聚乙烯、淀粉、增塑剂、光化学降解剂为材料的光/生物双降解地膜产品，美国、加拿大的几家公司先后按此专利开始投入工业化生产，主要代表产品为淀粉型光/生物降解地膜61。但近年来关于光/生物双降解地膜的研究鲜有报道。光/生物降解地膜降解效果较好，可被降解成小颗粒，短期内对作物生长及微生物没有明显的负面影响62。但生产成本偏高，成本问题是光/生物降解地膜推广的主要障碍，且降解条件抑制了其在农业生产上的推广应用。理论上，随着光/生物降解地膜使用时间的延长，土壤中微塑料颗粒将逐渐增加且难以清除，可能带来微塑料二次污染，不利于农业的可持续发展。因此，光/生物双降解地膜对土壤生态和作物生长的影响有待进一步深入研究。受降解条件以及生产成本的制约，近年来对光/生物双降解地膜的研制转向氧化-生物双降解地膜。4液态地膜液态地膜起源于19世纪中后期，是以农作物秸秆为原料，由木质素、胶原蛋白、表面活性剂等天然高分子物质经特殊加工而形成的高分子材料。液态地膜原料丰富，最早使用石油渣油或沥青为原料63，后续又研究出以生物质、腐植酸和造纸黑液64、酿酒废液、淀粉废液等有机质为原料的液态地膜，并发明了腐植酸可降解褐色地膜粉体化技术65，近年来，以畜禽粪便为原料的液态地膜也有报道66，其降解产物仍可作为肥料还田，改善土壤结构，促进作物生长。我国液态地膜的研究工作起步较晚，1986年，中国农业科学院土壤肥料研究所根据比利时沥青乳化剂的相关研究路线，首次研制了我国的农用液态地膜67。但因当时研究技术不够成熟，在国内环境适应性较差，以及价格昂贵、运输不便等原因，未能进行大面积的推广。1998年，中国农业科学院土壤肥料研究所联合国内北京燕山石化公司研究院等研究机构，研发出我国第一代液态地膜68。之后随着材料科学的发展以及人们对环境问题的关注，在液态地膜的研究方面出现了较多研究团队，以乳化沥青、大分子有机物腐植酸、褐煤以及各种工业废液为原料，通过添加交联10805 期五种常见可降解地膜的研究应用现状和展望剂、成膜剂、保水剂等添加剂以及硅肥、微量元素、除草剂等进行了多功能可降解液态地膜的研究，到目前为止已有五代液态地膜研制成功69。经查阅相关文献统计，在液态地膜研究方面，20012014年期间液态地膜的发明专利有20多项67，其材料多样，主要以泥炭、风化煤及制造的腐植酸为主。近年来，液态地膜产品较多70-72，以畜禽粪便73、沼渣74、蒙旦蜡树脂75等为原料的新型产品也有报道，这些液态地膜在功能以及性能上都有很大提升。2020年，严国富等76通过从褐藻（马尾藻）中提取海藻多糖，添加保水剂，加入一定量的甲壳胺等研制出了海藻生物保水液态地膜，并对其保水性能进行研究，结果表明，海藻生物保水液态地膜成膜性好，具有一定韧性，透光率强，能够减少水分蒸发和蒸腾。杨娜77针对城市绿地紧实、结构差、保水保肥性能差等问题，研究江苏省连云港市金河液态地膜厂生产的液态地膜对土壤物理、化学性质及植株生长量（以孔雀草为供试材料）的影响，结果表明，施用该液态地膜能够较好地改良土壤物理和营养性质，促进植株生长。近期，隋振全等78采用溶液共混法以壳聚糖和聚乙烯醇为原料制备了一种新型可降解液态地膜，通过研究两种材料的质量比对共混干膜的力学性能、水蒸气透过率和水溶性的影响规律，得出了综合性能较好的原料配比参数，即浓度为1.0%壳聚糖溶液和浓度为4.0%聚乙烯醇溶液的质量比（mAmB）为8 2时干膜的综合性能较好，试验证明该液态地膜对提升土壤含水率、蔬菜种子发芽率及大棚番茄生长发育具有积极影响。1963年，比利时开发了沥青乳化剂，研究发现该产品施入土壤后能将分散的土壤颗粒迅速凝聚成土壤团粒结构，具有增温保墒、改良土壤的作用67。1990年，意大利研发了一种天然高分子材料的新型喷洒式液体地膜，20世纪末，德国、意大利、瑞典等国将该产品在番茄、芦笋、草莓、马铃薯等作物种植上进行了试验，效果显著79。21世纪以来，随着技术的不断改进，研究人员对液态地膜进行改良得到了成本相对较低、质量更稳定的产品67。Warnick等80以报纸、石膏、废棉纱为主要原料制备了一种可降解液体地膜，并在美国佛罗里达州进行田间试验，研究表明该产品能有效抑制杂草生长。Montesano等81以羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素两种纤维素衍生物为原料，制备了一种适用于短周期作物的新产品，并以黄瓜为试验对象进行了田间试验，研究表明该产品降解周期短，且促进瓜果蔬菜等作物生长的效果显著。Sartore等82以皮革废液中的蛋白质水解产物为主要原料制备了可降解液态地膜，田间试验研究表明，该产品促进了生菜干物质的积累，经检测，蔬菜收获60 d后，土壤中残留的液体地膜质量仅为初始质量的5%。可见，液态地膜对农业种植具有一定的促进作用，可针对不同时期、不同种类的农作物进行推广83。综上所述，液态地膜原材料以农业废弃物、工业废弃物为主，可直接喷洒在地里面，也可用水将其稀释、溶解成液体后再喷洒在地里面，待凝固后会在土地表面形成一层薄膜，并在一定时间内自然降解，降解后的产物短期内对环境无明显影响，有改善土壤结构的功效，解决环境污染的同时可进行废弃物的资源化利用，对于农业可持续发展具有积极作用，但在研究以及使用过程中存在以下不足之处：液态地膜喷施后与土粒粘连的同时，对喷射设备也具有粘连作用，会导致喷头堵塞等问题84；液态地膜储存、运输不便，环境适应性较差，施用时受环境影响较大；施用过程中不易均匀喷施在土壤表面，不能形成完全密闭的膜层，施用者过量喷施会造成出苗困难、成本增加、降解周期变长等问题；石油沥青不可再生，沥青及其所含蒽、菲、吡啶等均是有毒物质，会对土壤造成污染，而污染物阻止外界降水进入土壤，降低土壤的渗透性85。故在喷施设备、液态膜材料和添加剂方面还需要进一步的深入研究，以尽可能降低生产成本、提升性能，提高环境适应性。5植物纤维地膜随着农用地膜制备技术的不断发展，20世纪90年代出现了以植物纤维为主要原料的农用地膜植物纤维地膜。植物纤维地膜是以玉米、水稻、小麦、大豆、棉花等多种农作物秸秆以及各种牧草、废旧织物纤维、废弃药渣、废旧纸浆等为主要原材料制成的可降解纤维地膜，应用于农业领域可促进农业的绿色发展。纤维素因具有可生物降解性和环保性等特性，是纤维地膜制备的首选材料，使用不同纤维材料制备的地膜在性能上存在巨大差异86。纤维品质对地膜性能起决定性作用，原材料的前期处理和地膜的后期处理都会改变地膜的性能，不同的材料和处理方式决定产品生产成本，在植物纤维地膜的研究中，以废旧纸浆、农作物秸秆、麻类纤维、中草药渣、废旧棉织物等为地膜生产原料的较多。其中纸基地膜是以废旧纸浆、造纸所用材料（玉米、大豆、水稻、小麦等农作物秸秆）等为主原料，并通过添加适量的辅料和湿强剂、透明剂等助剂以改善纸地膜的纸张性能87。随着地膜制备技术的不断改进，纸地膜产品1081核农学报37 卷 不断创新且性能不断优化，为后续纤维地膜的研究提供了技术与理论支撑。麻类纤维地膜自上世纪末开始研究以来一直受到很大关注，在21世纪初期麻纤维地膜迅速发展，成果显著，产品优质。周文春88研究比较了湿法造纸、干法造纸以及常规造纸等不同制备工艺对麻纤维地膜性能的影响，表明采用湿法造纸生产麻纤维地膜较优，提出了地膜定量、强度、生产成本等技术与经济指标，为后续纤维地膜的研究以及产业化发展奠定了基础。解决好品质和成本之间的矛盾是纤维地膜大规模发展的关键所在。付登强89研究表明，麻纤维地膜具有良好的集雨、节水效应以及温和的保温效应，可减轻低温、干旱对作物的影响，促进作物生长发育，提高产量和品质。宋建龙90研究表明麻纤维地膜降解周期短（67个月完全降解），降解后可促进土壤微生物数量的增加，改善土壤环境，进而促进作物生长。随着技术的不断进步，植物纤维地膜受到更多研究者的关注，以玉米、大豆、水稻、小麦等农作物秸秆以及废旧棉纤维为材料制备的地膜新产品迅速发展91-92。近年来，前人开展了以水稻、玉米、小麦、大豆等多种农作物秸秆为原材料的可降解纤维地膜研究，结果表明，不同材料的地膜性能差异较大，可通过不同材料混合制备来提高地膜性能，通过添加一定的助剂能改善地膜降解周期、疏水、透气、透光等性能，且效果良好67，93-96。同时，陈星智97针对蔗渣特性、污染问题，采用机械法打浆，高温蒸煮和半化学半机械法进行预试验，分析不同浓度NaOH对蔗渣各组成成分的影响，蒸煮打浆并抄制地膜，测定膜的相应力学性能指标，通过建模以及参数优化，制造出了降解性能良好且材料新颖的蔗渣基可降解地膜。王溦98则以药渣为主要原料，通过添加防腐剂等助剂，同样制造出新型的可降解地膜，且性能良好。综上，在纤维地膜的研究中，原材料极为丰富且为绿色环保可再生资源，具有巨大的发展空间，有望代替传统塑料地膜，成为新一代的农业生产资料。国外对地膜的研究和应用相对较早，其中日本是较早研究可降解农用地膜的国家之一。日本在纸地膜方面的研究较多，研制出了不同用途的纸基地膜产品，但因研究初期价格较高而未在农业上得到广泛应用。日本三井化学株式会社研究的无纺布地膜（表4）用于蔬菜种植后，防虫害效果良好，进而大大减少了农药的使用，使得蔬菜更加清洁，生产成本随之降低，且使用周期长（3年左右），普遍应用于胡萝卜、洋葱、土豆、甜玉米等蔬菜种植99。20世纪末，Ueno等100以回收的废纸为材料研制出了纸基地膜，通过试验发现其降解性能良好，降解周期较短（4060 d），且能够抑制杂草生长，但存在降解不均匀的现象。目前，许多纸类材料以及造纸所用的原材料已应用于纸地膜的制造，如牛皮纸、重型纸、蜡纸、沥青浸润纸、黑色纸、报纸等，牛皮纸性能较优，可直接作为地膜使用，又可做地膜原材料，是目前使用最多的一种纸地膜原材料。另外，因纸地膜原纸存在疏水性能差、机械强度小等缺点，可通过使用大豆油、石蜡、聚乙烯膜、可降解聚乙烯等涂层材料来处理纸地膜以改善其性能101。法国、德国、意大利、加拿大、荷兰和韩国等国家对地膜的需求量日益增大，对于环保地膜的渴求强烈，从而带动了国际环保地膜产业的迅速发展。目前，法国很多蔬菜和水果的种植采用无纺布地膜，国外正在进行全淀粉型地膜材料、淀粉与大麻纤维混合的降解地膜材料等的研制102。我国秸秆资源丰富，但被重新回收利用的资源却很少，导致资源浪费严重，若将秸秆资源用于地膜制备，不仅可减少普通塑料地膜的使用量以解决环境问题，还能促进农业废弃原料的资源化利用。植物纤维能被土壤中的微生物分解，且分解产物可作为肥料还田，促进农作物生长，与液态地膜相比，更易于储存和转运，若能广泛应用于农业领域，可在带来经济效益和环境效益的同时，促进农业的绿色发展。由原材料自表4三井化学株式会社研究的无纺布地膜Table 4Non-woven mulch researched by Mitsui Chemicals Co.品名Name of articlePABE90PABEM-6用途Purposes保温、防霜、防风、防虫、防鸟、保持土壤水分、遮光保温、防霜、防风、防虫、防鸟、保持土壤水分、遮光透光率Light transmittance/%9070卷长Volume length/m2001005030200100幅宽Width/mm60 90 120 135 150 180 210 240 260 300 350500150 180 210150 18060 90 120 150 180 21024010825 期五种常见可降解地膜的研究应用现状和展望身环保到纤维地膜产品环保性的转变，为解决地膜污染问题提供了保障，纤维地膜有望成为代替传统塑料地膜的新型产品。但是植物纤维地膜的研究还存在一定的不足：由于麻纤维的优质特性，大量用于农用地膜的制备，生产成本过高，在农业领域的大面积推广应用必然受限；目前国内有塑料膜、纸和纸版的标准，但缺乏纸基地膜的标准；其他植物纤维地膜还处于研发阶段，在力学性能、增温保墒、降解性能等方面的研究还不成熟，因此需要更进一步的深入研究。6可降解地膜的应用可降解地膜作为新型农业生产资料，广泛应用于农业领域。早期光降解地膜的研究多应用于甘蔗、烟草等作物103-104。在地膜研发过程中，生物降解地膜更受关注，目前研究技术较为成熟、研究成果显著、应用范围广，已被广泛应用于粮食、瓜果蔬菜等多种作物105-114。总体来说，生物降解地膜覆盖效果与传统塑料地膜接近，且降解性良好，降解产物无污染，无需残膜捡拾。光/生物双降解地膜结合了光降解地膜与生物降解地膜的优点，在棉花115-117、玉米118等多种作物中进行了大田试验，在保温效果、地膜性能上与普通地膜类似，因具有降解性而使田间残膜量减少，对于环境保护具有一定的效果，但作物增产效果不明显。液态地膜也被广泛应用于农业领域，不仅在玉米119-121、马 铃 薯122-123、花 生124-126、烤 烟127以 及 瓜 果 蔬菜128-129等作物中均有应用，在防治水土流失、植树造林等方面也有应用130，实际应用情况表明，液态地膜可提高作物产量、改善土壤环境、防风固沙、防止水土流失67，但储存和运输不便，环境适应性较差。随着技术的不断发展进步，近年来对植物纤维地膜的研究逐渐受到关注，在水稻等作物栽培方面进行了应用131-132，但使用范围小，应用较为匮乏。五种可降解地膜中最成熟的生物降解地膜近几年的应用情况如表5所示133。7结论与展望地膜覆盖技术作为农业领域的一项重要栽培方式，促进了农业快速发展，特别在干旱区由于地膜的保温、保墒、集雨、除杂草等优点使得作物增产增收效果明显，是农业发展不可或缺的一种生产资料。本研究对五种常见可降解地膜的研究进展、地膜应用情况以及地膜污染问题进行了总结，总体上，由于可降解地膜普遍生产成本高，力学性能、物理性能、环保性等方面还存在一些问题，因此，在农业领域的大面积推广应用受限。近年来，对植物纤维地膜的研究受到广泛关注。植物纤维地膜原材料丰富、可再生、绿色环保，产品可降解、无污染，且降解后可直接还田，改善土壤生态环境，既能提高秸秆废弃物等的资源化利用，又可促进农业的绿色可持续发展，为人民带来良好的经济、生态、社会效益。但植物纤维地膜力学性能、增温保墒、降解性能等方面的研究不够成熟，基于目前研发现状与应用实践情况，可从以下几方面进一步深入研究：第一、基于不同种类植物纤维的形态结构和物理特征，在材料预处理过程中避免产生污染环境的废弃物；第二、使用不同纤维制备地膜时，在满足使用强度要求的前提下尽量降低纸张克重；第三、以保护生态环境为准则，优化植物纤维地膜后处理工艺，提高其疏水、透气、透光等性能；第四、以农业机械化为目的，提升地膜的机械强度，以适应实际的机械作业生产相匹配的机械设备，提高农业机械化的进程；第五、针对使用环境、土壤特点，不同作物生长特性以及地膜的使用季，针对性研究不同作物秸秆纤维表5近几年生物降解地膜应用情况Table 5Application of biodegradable mulch in recent years年份 Year201520162017201820192020省区 Provincial areas云、贵、鄂、渝、京、翼、鲁、辽、甘、新、蒙琼、云、贵、鄂、渝、京、翼、鲁、辽、甘、新、蒙琼、云、贵、鄂、渝、京、翼、鲁、豫、辽、甘、新、蒙、琼、云、贵、川、鄂、渝、京、翼、鲁、豫、晋、东北3省、甘、新、蒙除西藏外的全国所有省份除西藏外的全国所有省份主要作物 Major crops烟草、玉米、马铃薯、花生、棉花、蔬菜烟草、玉米、马铃薯、花生、棉花、蔬菜烟草、玉米、马铃薯、花生、棉花、蔬菜烟草、玉米、马铃薯、花生、棉花、蔬菜烟草、玉米、马铃薯、花生、棉花、蔬菜、杂粮、水稻烟草、玉米、马铃薯、花生、棉花、蔬菜、杂粮、水稻规模 Scale百亩级百亩级万亩级6万亩10万亩25万亩1083核农学报37 卷 的特性，将其独特性用于不同功能地膜的研究，以提升植物纤维地膜的适应性；第六、加快推进纤维地膜原料预处理方式、制备技术、应用实践，形成一套完善的生产应用流程；第七、继续拓展各类植物纤维在地膜