地膜从20世纪80年代引入中国, 因其使用方便、对作物生长与增产效果明显、能促进作物稳产早熟而得到大面积的推广应用, 全国年使用农用地膜达145.5万t^[1], 对保证我国粮食安全, 促进农民增收等方面发挥了重要作用。但是, 目前使用的地膜主要材料为聚乙烯, 需要几百年才能在自然界中得以分解, 不仅回收费工费时, 土壤残膜情况普遍, 成为严重的“ 白色污染” , 而且存在于土壤中的未降解的地膜也会阻碍作物的正常生长, 降低土壤的疏松性, 造成土壤板结, 影响农业机械作业, 问题突出^[2]。

目前, 国内外缓解农膜污染问题主要有3种策略:一是使用易于回收的厚地膜, 在使用完成后通过回收机进行回收再加工; 二是降低农膜的覆盖率, 或一膜二(多)用, 从源头上减少地膜的用量; 三是使用降解地膜。我国小农户为节约成本, 目前普遍使用6~8 μ m超薄型地膜, 使用后因破碎基本不能回收, 尤其是西北、东北等地区的农膜污染问题较为突出。为此2017年农业部提出了农膜回收行动, 印发《农膜回收行动方案》, 加强农膜污染治理, 提高废旧农膜资源化利用水平, 并制定了到2020年全国农膜回收利用率达到80%以上, “ 白色污染” 得到有效防控的工作目标。该方案指出以加厚地膜应用、机械化捡拾、专业化回收、资源化利用为主攻方向, 完善扶持政策, 加强试点示范, 强化科技支撑, 创新回收机制, 推进农膜回收, 提升废旧农膜资源化利用水平, 防控“ 白色污染” 。GB 13735— 2017《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》明确提出普通地膜厚度不低于10 μ m, 而生物降解地膜则不受限制。同时在2018年颁布的《中华人民共和国土壤污染防治法》以法律的形式明确规定了地膜的回收工作。2019年初国家有关部门召开了地膜覆盖及残留污染防控研讨会, 认为治理地膜残留污染, 要完善顶层设计, 针对不同区域不同作物提出地膜污染治理的策略, 建议加大对合理使用地膜和有效回收残膜的政策支持力度, 加强地膜残留污染综合治理科技研发及创新平台建设, 重点在残膜机械化捡拾和全生物降解地膜应用技术上取得突破。

针对以上问题, 作为同样具有覆盖和增温保墒等生物学效益, 又可自然降解, 无须回收处理的降解地膜 , 受到国内外学者的广泛关注并进行了大量研究试验。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种。光氧降解主要是通过往PE地膜中加入光催化剂等助剂实现在紫外线的照射下将PE分子链断开, 从而降低分子量并实现最终的分解。但是, 该种地膜在国内外多年的使用经验证明, 通过这一方式并不能实现完全降解。一方面紫外线的强度及照射量无法达到完全降解PE分子链, 进而实现不了完全降解; 另一方面添加的助剂对土壤有负面影响, PE膜降解的碎片及中间产物也对环境也不友好:因此目前逐渐放弃使用光氧降解地膜^[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-环氧化合物共聚物, 以及其他可生物降解聚合物中的一种或者多种树脂为主要成分, 在配方中加入适当比例的淀粉和其他无环境危害的无机填充物、功能性助剂, 通过采用吹塑等工艺生产的农用地面覆盖薄膜, 替代普通聚乙烯地膜, 在自然界存在的微生物作用下, 最终完全降解变成二氧化碳、水及其所含元素的矿化无机盐。该技术避免了普通PE地膜残留破坏土壤结构、影响农事作业等不良影响, 且降解后对土壤及作物无毒副作用, 是目前研究与试验示范的热点^{[2, 3]}。

降解地膜主要降解材料包括聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)等。

PLA通过淀粉制备而来, 是一种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, 是目前最优秀的一类降解地膜推荐使用材料, PLA总消耗量约3万t。因为PLA的刚性过大, 所以制备出的薄膜韧性差、厚度大, 不能很好地在农业中实际使用, 需要通过添加韧性降解材料进行改进, 才可以获得较好的使用效果。

PBAT是巴斯夫公司研发的一类可以通过水解及微生物分解实现全降解的石油基降解高分子材料, 它主要通过3种组分缩聚制备, 实际消耗量超过万吨。由于PBAT的黏性较大, 并且抗撕裂效果不佳, 因此也不能单独用来制备地膜, 需要通过黏性较低及撕裂性提升改进, 才能获得较好的应用。

PPC是一种通过环氧丙烷与二氧化碳聚合的方式制备出的石油基降解高分子材料, 由于该高分子的重复单元短并且键能不稳定, 因此较容易发生水解以及紫外线光降解, 使用寿命短, 适应性较差。

PHA是一类可以通过石油基聚合而成, 也可以通过微生物体内合成的降解高分子材料。由于成本高, PHA未能实现规模化生产, 主要应用在生物医疗等方面。

国内PBAT技术研究主要有中国科学院理化技术研究所、中国科学院化学研究所、清华大学、新疆蓝山屯河聚酯有限公司等。其中, 中国科学院已建设7.5万t· a^-1的生产装置并投入生产, 金发科技股份有限公司也具有6万t· a^-1PBAT树脂产能。中国科学院理化技术研究所针对国外开发的全生物降解脂肪族聚酯合成技术中存在扩链剂、生物安全性低的问题, 开发出低成本、高力学性能、高生物安全性的全生物降解聚酯PBAT, 可替代通用难降解的塑料制品, 缓解废弃塑料环境污染, 形成了具有自主知识产权的PBAT生产工艺包、成套生产及应用专利技术。中国科学院化学研究所通过技术整合、工艺设计以及结构调整, 也已掌握了稳定的PBAT合成工艺, 并通过了中国塑料加工工业协会、全国农业技术推广服务中心组织的完全生物降解地膜农田试验^{[3, 4]}。

生物降解地膜是可降解地膜中相对比较重要的一类, 又可分为完全生物可降解地膜和不完全生物可降解地膜2种。其中, 不完全生物可降解地膜由可生物降解塑料与通用型合成树脂通过共混或共聚制备得到。20世纪70年代Griffin发明的第一个淀粉/PE材料就属于此类, 但其主要是淀粉降解, PE部分难以降解, 不能实现完全可生物降解, 长期使用仍会对土壤造成污染。完全生物可降解地膜是以在自然环境中易被微生物作用而降解的高分子物质为材料制备的地膜, 根据配方可分为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、植物纤维地膜和液态地膜等。目前, 广东金发科技股份公司已经开发出PBAT树脂、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个品牌的产品, 形成了以“ ECOPOND” 为商品牌号的产品族^{[3, 4]}。

由于聚乳酸和PBAT均存在各自的优缺点, 而通过各自改性或者两者共混改性则可有效解决缺点, 实现较好的性能提升与实际应用。朱立邦^[5]通过调节PLA与PBAT共混复合材料中的反应型含有环氧基团增容剂及扩链剂的不同含量, 优选反应型增容改性剂, 采用熔融共混制备PBAT/PLA复合材料, 发现增容剂的加入使得海岛相转变为连续相, 扩链剂的加入及其含量增加则可以使2种材料界面变得模糊, 促进了两者之间的相容性。

张玉欣^[6]通过往PBAT中加入蒙脱土和云母, 并通过溶液涂膜法和溶液流延法制备薄膜, 研究发现蒙脱土的加入可以改善地膜的力学性能, 使熔融和结晶温度提高, 并提高地膜的保水性能。同时研究发现, 经过改性过的蒙脱土和云母对PBAT地膜的性能改善效果更为明显。中科院长春应用化学研究所通过将PBAT与聚乳酸进行共聚, 制备出共聚物, 使获得的材料同时具备两者的性能, 一方面可以使2种材料实现互容, 另一方面可以大幅度降低由于材料改性过程产生的损耗及成本提升, 目前已完成中试生产。

云南、新疆等地是国内最早开展降解地膜试验示范并大面积推广应用的省份^{[7, 8, 9]}, 经在棉花、玉米、马铃薯等作物上进行全生物降解地膜应用试验, 结果显示, 降解地膜覆盖生物学效应良好, 基本满足生产需要, 表现为增温、保湿, 作物生育期与产量基本不受影响, 但有的膜提前降解, 使保湿及防草性能受到影响, 且膜的韧性差, 破膜等作业相对费工。2014年浙江大学在玉米上开展全生物降解地膜试验, 选用的5种可降解地膜在提高土壤温度、促进玉米生长发育方面具有显著的效果, 且得到了比普通地膜更高的玉米鲜穗产量, 表明可降解地膜具有更强的生物学效应。在地膜田间降解方面, 结合玉米生育进程, 可降解地膜的启动降解期稍早, 尚不能有效抑制前期杂草生长, 地膜在自身受到损坏的同时, 其受杂草生长导致的机械力影响而破裂更加明显。到覆膜100 d后, 可降解地膜几乎从田间表面消失, 在生物学效应上基本不影响作物后期的生长^[10]。

2015年农业部启动了“ 全国生物降解地膜评价试验” 专项, 在全国13个省区市的30多个试验点, 进行了8种农作物的生物降解地膜评比试验, 筛选既满足增温、保墒、防老化等覆盖生物学效应, 又能及时降解、不影响机械翻耕作业及土壤性状等各种要求的降解地膜。3年试验结果显示, 我国生物降解材料和生物降解地膜研发都取得了很大进展, 目前生物降解地膜已在广东、云南、湖南、新疆、北京、山东等地进行试验示范与推广应用^{[9, 10, 11, 12, 13]}。根据浙江省农膜回收处置实际情况^[14], 先后在西瓜、萝卜等瓜菜作物上广泛开展了生物降解地膜试验示范推广工作, 并引进广东金发、上海弘睿等多个不同厂家生产与不同规格的降解地膜, 初步筛选出适合不同蔬菜作物栽培需要、降解周期适宜的完全生物可降解地膜, 基本达到覆盖效应良好, 并能降解、翻耕不缠绕的预期目标。降解地膜的覆盖增温保墒增产效应与普通地膜没有明显的区别, 具有良好的生物学覆盖效应, 以8 μ m的白膜降解较好, 性价比较高。经现场机耕作业, 全生物降解地膜降解性能良好, 不污染环境, 无须进行清除回收^[15]。

地膜覆盖栽培试验结果表明, 不同配方、不同厚度的生物可降解地膜, 在不同生态环境条件下, 降解临界期不同, 降解速度也不同, 总体能基本满足作物各个生育期对土壤温、湿度的需求。有关专家对杭州市萧山区双膜覆盖西瓜降解地膜试验进行了现场考察评价, 认为降解地膜的增温保墒农艺性能与普通地膜没有显著差异, 在换茬翻耕时基本裂解, 不影响机械作业, 对土壤环境及作物产量、品质均无明显影响; 虽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, 节省揭膜人工费用360~900元· hm^-2, 综合成本基本相当。综合各地的试验研究证明, 生物可降解膜具有与普通地膜相近的覆盖效应, 且能有效减少对农业环境的污染, 在农业生产上具有较好的应用前景^[15]。

随着生物降解地膜推广应用面积的不断扩大, 使用过程中也遇到了一些问题, 一是降解膜性能有待改进。生物可降解地膜降解的可控性不稳定, 诱导期过短或过长, 不能完全满足作物生长关键时期对地膜增温保墒的需求。拉伸强度不够, 韧性不足, 覆膜过程中易破损, 存在打不透、连丝、错位等现象, 在一定程度上影响播种进度和出苗率, 且增温性和保水性相对不足。二是成本价格过高。目前, 生物可降解地膜覆盖成本为2 250~4 500元· hm^-2, 普通地膜为750~1 200元· hm^-2, 成本价格已成为生物可降解地膜推广应用的最大瓶颈。三是技术不配套。降解膜的耐候期与种植业覆膜的时期长短、土壤雨水性质、栽培模式等均有相关性, 如降解破碎过早或过迟, 对应用效益都会造成一定的影响^{[2, 7, 10]}。

根据农业绿色发展要求, 全国各地要继续加大对废旧农膜的回收处置工作, 生物降解膜可从源头上治理农膜污染, 是今后的主导发展方向^{[1, 2]}。但目前应用规模总体上偏小, 使用成本偏高, 用户自发推广应用的积极性不高, 且降解地膜对各地区土壤、气候和应用领域的效应不同等诸多问题, 还需开展大量细致的试验, 才能明确适宜不同地区的推广类型和应用规范。建议从以下2方面来提高全生物降解地膜替代技术的实用性, 进而扩大应用面积与覆盖率:一是提高降解膜的性能, 降低应用成本; 二是要研究集成示范降解膜的配套关键技术, 既满足地膜覆盖的增温保墒防草效应, 又不影响机器翻耕等作业。

3.2.1 加强研发, 提高性能, 降低成本

加强生物降解地膜的原材料、配方和生产工艺的研究, 提高产品质量, 尤其是要研发针对特定区域和特定作物的专用生物降解地膜产品, 以满足和适应农业生产多样性的要求, 同时要降低膜的成本^{[1, 2, 4]}。生物降解材料的原材料成本比不可降解地膜有明显的增加, 聚乳酸和PBAT的价格在2万元· t^-1左右, 比普通PE膜贵1倍。控制生物降解地膜成本主要通过添加价格较为低廉的无机物添加剂、降低地膜厚度、降低降解高分子原材料的成本等方法实现, 缩小与普通地膜的差距。部分单位通过在降解地膜中添加定量的碳酸钙等无机粉末, 降低了单位重量的成本, 也导致难以生产较薄的地膜。上海弘睿生物通过纳米材料改性方法批量制备4~6 μ m厚度的降解地膜, 成本得到大幅度降低。目前还有采用制备多层膜, 改变作物种植方式, 改变原材料等多种方式进行改进和性能调节^{[4, 5]}。

3.2.2 加强应用模式与配套关键技术集成

在加强生物降解地膜产品研究的同时, 应根据降解地膜产品的特性, 做好配套农艺技术和措施的研究集成示范。通过改进相应的农艺技术, 使栽培模式能够适合生物降解地膜产品的性能, 从而实现生物降解地膜产品与农艺技术紧密结合, 满足农业生产的需求。目前, 主要是做好茬口搭配, 选择应用面积、栽培模式比较固定的大田作物, 对地膜覆盖生物学效应要求比较一致, 避免因生育期不同或温度光照等变化过大, 造成降解膜提前破损或作物采收时仍未进入诱导期, 影响地膜覆盖生物学效益与机器翻耕作业等现象^{[1, 2]}。

目前, 浙江省在萝卜、鲜食大豆、马铃薯、花椰菜等主要作物开展降解膜的试验示范, 建立一批示范基地, 取得初步进展, 如浙江勿忘农集团的科研基地露地区块菜稻轮作模式已普及应用降解地膜, 菜茬前期覆盖降解膜具有增温保墒防草等生物学覆盖效益, 采收期结束后, 将蔬菜残体及降解地膜一道直接翻耕, 节省清理人工成本, 后茬种植水稻后, 第二年地膜完全降解, 对水稻茬翻耕后再种植蔬菜无明显不利影响, 对土壤环境友好, 经济、生态效益良好^[16]。