生物降解地膜：农田的环保“新衣”
发布时间：2023-04-25 12:00:35
来源：科技日报
◎实习记者 沈 唯
生物降解地膜以在自然环境中可被微生物作用而完全降解的材料为主要成分，添加对环境无危害的环保型助剂吹塑制成。在农业生产中，其不仅具有传统PE地膜的保墒、增温和杂草防除等功能，在使用后还无需进行人工回收，可以直接翻耕于土壤中，并能在土壤中实现降解，可谓高效又环保。
近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所设施栽培课题组副研究员闫妍博士及其团队在《总环境科学》上发表相关研究成果，为日光温室番茄种植提供了一种全新配方的PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜。
【资料图】
在农业生产活动中，地膜覆盖具有抑制杂草、保水保墒、减少养分流失等重要作用。但普通聚乙烯（PE）地膜在使用过程中产生的地膜残留会破坏土壤结构，不仅会导致土壤肥力下降，还会造成作物根系发育受阻、产量降低以及环境污染等一系列问题。如何在保障粮食安全的同时兼顾生态效益？如何应对传统地膜使用中的残膜污染问题？生物降解地膜或许为解决这些问题提供了新的思路。
通过水光热及微生物共同作用实现降解
生物降解地膜以在自然环境中可被微生物作用而完全降解的材料为主要成分，添加对环境无危害的环保型助剂吹塑制成。在农业生产中，其不仅具有传统PE地膜的保墒、增温和杂草防除等功能，在使用后还无需进行人工回收，可以直接翻耕于土壤中，并能在土壤中实现降解，可谓高效又环保。
生物降解地膜的主要原料就是能够降解的树脂，包括聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚丙交酯（PLA）、聚甲基乙撑碳酸酯（PPC）及聚羟基脂肪酸酯（PHAs）等。
“生物降解地膜是通过自然界中的水、光、热及微生物的共同作用来实现降解的。”闫妍解释，其原理是当细菌、真菌和放线菌等微生物侵蚀塑料薄膜后，由于细胞的增长使聚合物组分水解、电离或质子化，发生机械性破坏，分裂成低聚物碎片。而真菌或细菌分泌的酶会使水溶性聚合物分解或氧化降解成水溶性碎片，生成新的小分子化合物，直至最终分解成水和二氧化碳。
在具体评价生物降解地膜性能方面，我国采用全生物降解农用地面覆盖薄膜的产品标准，综合考虑土壤、气候、区域环境等对生物降解地膜机械性能、自然降解、耐候性、作物生育期匹配性等指标的影响。“按照有关规定，我国使用的生物降解地膜必须要符合国标GB/T 35795-2017的相关要求。”闫妍说。
当前，农业可持续发展要求使得生物降解地膜的研发工作脚步加快，这也助推了可降解地膜在包括海南、新疆、内蒙古、山东等多个省区市的推广应用，应用范围涵盖了花生、马铃薯等20多种经济作物。全国多地在开展废弃农膜回收利用的同时，也在积极推广示范生物降解地膜，推动农业绿色发展，减少农村环境污染。
以PBAT和PLA为主要成分的生物降解地膜，也已在全国20余个省市10余种大田及经济作物、蔬菜种植上得到大面积应用。
科技创新助力生物降解地膜不断进步
早在1973年，英国科学家格里芬就率先提出了生物降解塑料的概念。通过在惰性聚烯烃中加入天然淀粉作为填充剂，格里芬制成了可生物降解的淀粉PE，这一具有重大意义的突破距今已有50年。
20世纪80年代初，英国研究人员发明了聚β-羟基丁酸酯（PHB）的提取和纯化方法，并将其制成薄膜。PHB是PHAs的一种，PHAs则是由微生物利用可再生的原材料（如多糖、醇类和低分子量的脂肪酸等）合成的一种生物聚酯。
我国在20世纪90年代初开始投入PHAs生物降解塑料的研究。当前有多所高校从事生物降解地膜原料方面的研究工作，一些科研单位和生产企业在PBAT、PHAs等降解材料的研发方面取得了许多成果。
陕西科技大学李成涛副教授团队经过近10年的技术研发与攻关，成功研制出降解速度可控型全生物降解地膜，该地膜在农作物采收后可实现自然条件下完全生物降解。同时，根据农业生产需要，团队研制的产品分为白色和黑色两种，白色地膜可实现保温保湿保墒，黑色地膜在保温保湿保墒的基础上，还能够抑制杂草生长；在地膜中，他们还添加了生物基全生物降解材料——植物纤维素，既调节了生物降解地膜的生物降解速度，又能提高植物源纤维素的综合利用价值，实现农林废弃物的高值资源化利用。
而闫妍团队制作的PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜，在保障降解速度快、满足番茄生长需求的基础上，在覆盖初期还有理想的水热保持与调节性能。与覆盖PE地膜和PBAT/PLA木质素生物降解地膜相比，覆盖PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜能显著提高土壤电导率和有机质含量，土壤真菌毛壳菌属的相对丰度也有所增加，这些都更有利于作物的生长。此外，覆盖PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜的番茄，在产量、可溶性固形物、维生素C、可溶性糖和番茄红素等指标上，相较于覆盖PE地膜的番茄也有显著提高，而总酸和硬度则显著降低。
经过观察，研究团队发现，实验中覆盖的PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜在种植结束时已经达到2级降解。通过SEM电镜扫描，研究团队发现，PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜使用后其表面呈现出明显的疏松多孔结构。
“在日光温室秋冬茬番茄栽培中覆盖PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜，不仅可以提质增产，还能有效减少‘白色污染’问题。”闫妍告诉记者，除了应用于日光温室番茄的生产，科研团队还在积极进行相关试验，根据作物的生育期、栽培需求等不同特点，及时调整新型地膜的厚度和颜色等，希望PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜也能够广泛应用于甘蓝、萝卜、草莓等多种作物的生产中。
降成本精技术方能扩大推广使用规模
“尽管生物降解地膜的性能突出，但现阶段它的生产成本还比较高，基本是传统PE地膜的两倍以上。”闫妍表示，生产成本降不下来，是生物降解地膜在实际推广使用中的一大限制因素。
此外，采用PBAT的生物降解地膜还存在水气阻隔性不佳、破裂时间和降解可控性差等问题。在生产功能方面，生物降解地膜也有待加强。“比如物理机械性能偏差，机械强度不够，在铺设的过程中可能会导致地膜被刺破，影响农事作业；增温保墒方面的能力相较于传统地膜也比较弱，不利于作物的生长发育等。”闫妍说。
生物降解地膜如何保墒、降低成本，这些都是一直以来研究人员研究的热点问题。未来科研人员对生物降解地膜的进一步优化，也将主要聚焦在降低成本、提高机械性能、增强降解可控性等几个方面。
随着生物降解地膜性能的不断提高和改性机制的成熟，这一领域的研发、生产和应用都将迎来新的机遇。生物降解地膜具有巨大的应用潜力和开发潜力。
闫妍认为，尽管生物降解地膜仍然存在一些缺点，但通过改进生产和加工技术，其依然有望实现低生产成本、高降解效率和良好的机械性能，并以此来促进农业绿色可持续发展。
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