液态地膜促进生态循环农业发展

文/刘艳鹏 本刊编辑

液态地膜又称液体地膜（liquid mulching film，简称LMF），是以高分子化合物为主要材料合成的一种乳状悬浮液。将其喷施于地表，会与土壤颗粒发生联结，形成一层特殊的胶状土膜结构，使土壤颗粒连接起来，封闭土壤表面孔隙，从而抑制土壤水分的蒸发，且不影响膜外水分的渗入，改善土壤持水、保水、保温等能力。液态地膜受光、热、土壤中微生物的作用可自行降解，降解后产物及液态地膜本身无毒无污染，对土壤、地下水质和环境无不良影响，避免了塑料残膜危害，还可改善土壤理化性质，提高肥效；另外，液态地膜既可以人工操作也可以用于机械喷施，不受地势地貌的限制，对地形地貌适应能力强。由液态地膜的特点可知，液态地膜的研发和应用符合农业农村绿色发展的要求，满足治理“白色污染”的需求，将成为促进生态循环农业发展的有力措施之一。

“白色污染”亟待治理

我国农业生产自20世纪70年代引进塑料地膜覆盖栽培技术，40多年来这一技术作为农业生产的推动器使农作物的产量得到大幅提高。我国十几亿人的粮食、蔬菜完全能够自行解决，而且还可以出口，地膜覆盖技术功不可没，它使中国农业实现了飞跃的发展，因此被人们誉为农业生产上的“白色革命”。目前我国塑料地膜的使用量居世界首位，每年需求量高达150万t以上，并呈逐年递增的趋势。据预测，到2024年，我国地膜覆盖面积将达到2 200万hm2[1]，使用量超过200万t，均居世界第一。然而，地膜在全国范围的广泛使用也带来了新的问题，大量的地膜因各种原因不能被回收。

当季的塑料薄膜如不回收，在自然环境下可存在上百年，其存在和降解过程中均造成了严重的生态环境危害。例如，在甘肃、新疆等塑料地膜大面积应用的省份，残膜回收率仅10%左右，留在田间地头的残膜随处可见，有的挂在树枝、矮植上随风摆动，有的留存在地里被完全或不完全掩埋。菜园土壤中农膜残留过多时，土壤微生物和动物活性将受到抑制，耕作层结构遭到破坏，孔隙度大大减少，通透性明显下降，土壤中养分、水分传输受阻，影响蔬菜种子发芽、出苗、苗齐、苗壮、根系扩展和深扎，造成死苗、缺苗、断垄和植株早衰等，使作物减产或大幅减产。据黑龙江农垦局环保部门测定，当667 m2土壤中残膜含量为3～4 kg时，蔬菜将减产15%～60%[2]。在生产农用塑料薄膜时，需要加入40%以上的邻苯二甲酸酯类增塑剂，此类物质对人、动物、土壤微生物等有较强毒性，不易降解，易富集，有致癌、致畸等作用，菜园残膜等如得不到及时、完全清除，达到一定的量就会污染土壤、水和蔬菜，最终给人的健康带来危害。有的菜农为省事，将废旧农膜集中焚烧，产生的烟尘和碳化物中含有大量有毒和有害物质，对环境造成二次污染。若菜园残膜被小孩、牛、羊等误食，轻者身体不适，重者造成肠梗阻或死亡。菜园残膜还会被鸟、鼠等用于筑巢，用来栖息或繁殖等，易成为传染病传播源。另外，废旧残膜经风吹、日晒等会慢慢分解，产生大量有毒物质进入大气层，使臭氧层遭到破坏。

当年的“白色革命”衍生了今天的“白色污染”，且问题越来越严重，这对农业生态环境和耕地的可持续利用造成了严重的威胁。

液态地膜脱颖而出

2018年5月1日，《农用地膜》强制性国家标准（新修订）正式实施，对地膜的适用范围、分类、产品等级、厚度等多项指标进行了修订，特别是提高了地膜的厚度下限，这有利于地膜机播作业和回收再利用，以减少地膜残留。2019年中央“一号文件”提出加强农村污染治理和生态环境保护，要求“加大农业面源污染治理力度，开展农业节肥节药行动，实现化肥农药使用量负增长。发展生态循环农业，推进畜禽粪污、秸秆、农膜等农业废弃物资源化利用，实现畜牧养殖大县粪污资源化利用整县治理全覆盖，下大力气治理白色污染”。

治理“白色污染”，是发展生态循环农业之需。首先应从源头下手，据调查，农民对便宜可行的能“化在地里”的地膜产品及技术呼声越来越高；因此，尽快研制出易降解、无污染的新型地膜换代产品已成为全国乃至全球农业发展的迫切需求。在国内外广泛开展的可替代塑料地膜产品的研究中，液态地膜因其具有安全、高效、无残留的特点脱颖而出。液态地膜能否替代塑料薄膜参与到生态循环农业生产中呢？

液态地膜发展现状

液态地膜的产生

为了解决塑料地膜引发的“白色污染”问题，全球科研工作者纷纷寻找能够替代塑料地膜的可自然降解材料。早在1963年，比利时根特大学DeBoot等人与Labofine公司合作，研制出了沥青乳化剂Bitume（商品名为Humofina，简称BIT），并在多个国家和地区进行试验，该产品当时曾被作为土壤调理剂新产品进行推广。我国的液态地膜研发始于1986年，科研工作者首次引进比利时的BIT产品进行应用研究，但因其市场环境适应性差、价格昂贵、运输不便等问题，转向从国内自然条件、经济条件、生产力条件、运输条件等多方面入手，同时吸收借鉴国外成功经验，开始大量液态地膜的国产化研发。

1998年，第一代国产液态地膜问世，其以石油沥青或渣油为原料，成本比较高，推广难度较大。之后，围绕液态地膜研究的科技工作相继开展并取得了很大成就[3-4]。第二代液态地膜主要是以农作物秸秆、树皮等为原料，利用风化煤、褐煤或泥炭等进行化学改质，并添加一些添加剂制造而成。其价格有所降低，原材料来源更为广泛。第三代液态地膜主要以造纸废液、酿酒废液、海藻废液、淀粉废液等为原料，在多种交联剂的作用下形成高分子化合物。第四代液态地膜是在交联剂的作用下，将腐殖酸、木质素、纤维素和多糖合成高分子化合物，并添加硅肥、微量元素、农药和除草剂，混合制取多功能可降解黑色液态地膜。第五代液态地膜是以富含腐殖酸的风化煤为主要原料，添加活性剂、交联剂、除草剂等混合而成的多功能可降解黑色液态地膜，可集农药、肥料和农膜于一身，具有可现场喷施造膜、自然出苗、对地形地貌适应能力强等特点[5]。

液态地膜研究现状

通过科研人员多年的研发与实践，液态地膜不断更新换代，产品种类日益丰富，按照材料来源主要分为3大类（表1）。其中，天然高分子降解液态地膜具有良好的降解性、透气性、安全性、经济性，并且可完全生物降解，材料来源丰富，使用过程无污染。甘肃省农业科学院与当地企业联合，以牛粪提取物与农作物秸秆为原料制成的生物液态地膜，在当地适用于防风固沙，且降解后还可作为优质有机肥改良土壤团粒结构，改善土壤通透性，可使5～l5 cm的土壤增温2 ℃，作物生育期提前3～5 d；同时可抑制水分蒸发率30%以上，提高土壤含水量20%以上[6]。江苏省农业科学院农业设施与装备研究所通过物理修饰水相塑化技术，采用玉米淀粉等材料研制出新型液态地膜，可替代传统塑料地膜，保温、保墒性好，667 m2使用成本只要100元，并且3～6个月内可完全自然降解，不仅保护环境，还能改良土壤[7]。Hsueh等[8]在木质素地膜中加入农药和肥料，得到低成本多功能地膜，不仅可以使地温提高1～4 ℃，蒸发抑制率可达30%以上，土壤含水量提高20%以上，土壤容重降低6%～10%，土壤水稳性团粒数量增加10%以上，还能使土体含盐量降低，作物生育期提前，增产20%以上，推广效果非常理想，可用于荒地、沙地、盐碱地、滩涂整治及工程道路护坡、固沙造林绿化、渠道防渗等领域。化学高分子降解液态地膜，一般分子链较长，较稳定，对土壤粘附作用较强。以上2种液态地膜由于原材料丰富、降解彻底，逐渐成为近年来研究和应用的重点，但化学高分子降解液态地膜往往由于成本偏高，保温效果一般，目前推广应用较少。

复合型液体地膜（表1）原料来源广泛，辅以一种或多种功能于一体，降解性能良好，推广应用较多。例如有机无机复合型液态地膜，在性能上各成分可互相取长补短，使其综合性能优于原组成材料而满足不同需求，是一种功能相对全面的新型液体地膜，也是下一代地膜发展趋势。乌鲁木齐中汇国豪生物科技有限公司[9]将蒙脱石（硅铝酸盐）和腐殖酸进行改性，在交联剂、成膜剂的作用下形成高分子，然后再与各种添加剂、硅肥、微量元素、农药和除草剂混合，制成多功能可降解黑色液态地膜，既可以保温、保水、防止蒸发、提高出苗速度，又可以保肥、减少养分流失、防止土壤板结，还可以快速分解、改善土壤环境。这种腐殖酸多功能可降解黑色液态地膜以自然界中可开发利用的腐殖酸资源（褐煤、风化煤或泥炭）为原料，不含重金属，无毒、无污染、无公害，属环保型新技术产品，可用在干旱、寒冷、丘陵地区水土保持整治以及工程道路护坡、固沙造林绿化和渠道防渗、树木防冻等领域，还可用于鲜食玉米生产，提高产品品质（气味风味、柔嫩性均有明显优势，感官品质、色泽、糯度、皮厚度等品质也有所提高）[10]。污泥多功能全降解液态地膜，不但可替代常用的塑料地膜，还能有效解决污泥处理利用难题。

表1 液态地膜类型（按照材料来源分类）

液态地膜应用现状

应用领域

液态地膜作为一种新型覆盖材料，可广泛应用于农业领域，涉及蔬菜、粮食、果树和药用作物等。在施用保水肥的条件下，喷施腐殖酸钾液态地膜后土壤各养分含量最高，生菜植株氮、磷、钾含量提高，生菜叶绿素含量和根系活力提高，土壤酶活性提高，生菜品质显著提高，产量增加17.17%；同样条件下，也能提高马铃薯的品质，增加马铃薯中的矿质元素含量，显著提高马铃薯产量（7.20%～20.02%）[11]。新型液态肥料地膜在提高土壤肥力、改良土壤结构以及促进油菜与甘蓝植株生长、提高产量等方面显著优于普通塑料地膜；在自然状态下2个月左右即可完全降解，达到了“绿色环保”的效果[12]。覆盖液体地膜对朝天椒植株的株高、茎粗生长有促进效应，并能显著提高其产量和品质[13]。在西藏地区（高海拔）应用液态地膜，因环境因素影响作用较大，降解速度加快[14]。多功能液态地膜还可以应用于苹果、果桑、梨、葡萄、杏、枣等果树[15-20]及延胡索、白术等[21-22]药用作物上，不仅可以改善土壤肥力、提高产量和品质，还可以防止病虫害发生，具有良好的经济、生态、社会效益。

液体地膜用于林业领域，可以有效保水，并且能有效减缓土壤中的水分散失，还能有效增加土壤中有机碳、全氮的质量分数，为林木提供生长所需养分[23-26]。液体地膜的使用不受地块面积和海拔等因素限制，可用于坡地、滩涂、不规则地块等区域[27]。液态地膜在农业工程领域发挥的作用也不小，可应用于沙漠、风口、丘陵等地，防止水土流失，且效果显著[28-32]。通过配方改良和产品更新，液体地膜还可用于盐碱地改良、绿化树木防冻等领域。

应用案例

金河多功能生物全降解液体地膜是由江苏连云港市金河液态地膜厂开发研制成功的新型农用地膜，产品由木质素、植物胶原蛋白、土壤改良剂等天然高分子物质经特殊工艺螯合加工而成，可100%降解，并且不产生有害残留。在江苏、河南成功应用于花生的种植，可使花生根系粗壮，茎叶厚密，抗旱能力强，无烂根烂果现象发生，每667 m2可增产100 kg以上。目前，在黑龙江、山东、河北、新疆、福建等地已大面积试验和推广，受到了农民的普遍欢迎。

宏亚三省全降解液体地膜是山东宏亚三省全降解液体地膜有限公司生产的具有国际先进水平的多功能可降解液体地膜，是以农作物秸秆为原料，利用现代生物技术从秸秆中提取活性成分，加入多种作物所需有机质和微量元素，经交联聚合反应生成的高分子化合物，不含重金属及其他化学成分，无毒、无污染、无公害。已开发出的专用型液体地膜产品有蔬菜、瓜果、花生、土豆、棉花、烟草等6大种类，2008年产品已遍布以山东、江苏、河南、河北为主的10多个省近300个县（市、区）。

液态地膜研发技术面临的困境及解决办法

技术难题

首先是设备问题，由于液态地膜成分具有粘连性，在喷洒作业时容易堵塞喷头及其他设备，因此为更广泛地推广和应用液态地膜，喷洒设备的研发任务首当其冲。其次是性能问题，同一液态地膜对不同性质土壤、地块、地形、地域适应性不同，其保温保墒等效果各有差异，因此尚需开发针对特定土壤、特定区域、特定地形的专用液态地膜。液态地膜应用效果受天气、气候等自然条件的影响也较大，例如土壤表层液态地膜在遇到雨水、高温等因素时，其被冲刷或降解速度加快，从而破坏地膜的持久性和完整性，因此高性能液态地膜是未来发展的重要挑战。因增加可塑性和成膜性而添加某些成分，导致部分液态地膜降解周期不受控制，甚至和作物生长周期发生冲突。最后是价格问题，现有液体地膜产品的原材料价格较高，导致产品价格偏高，影响其推广和应用。

解决途径

研发与推广配套液态地膜的喷洒装置，特别是与机械化作业联合应用的喷洒装置，便于液态地膜大面积推广应用。针对特殊季节、区域、地块研发适宜液态地膜类型，并筛选合理的喷施浓度，指导用户合理使用地膜，实现节约成本的同时，达到高效生产。研究新型合成工艺，发现新型天然高分子，合成新型液体地膜。例如，通过添加适宜成分来改善土壤或满足植物生长需要，研制低成本、多功能、复合型液态地膜。还可以回收利用工业、农业、生活废弃物，开发新型可降解液态地膜，控制生产成本，开发价廉物美的液态地膜产品。研发液态地膜覆盖集成技术，为保水、保温、高效、增产提供保障。开发液态地膜粉剂产品，便于生产、运输和使用。加强液态地膜宣传力度，建立应用示范基地，进行大力推广和试用，尽快改变传统塑料地膜使用习惯，避免加重“白色污染”。制定产品标准和使用技术规程，使生产和应用走向规范化。

液态地膜的发展前景

液态地膜应用前景广阔，生产和应用液态地膜可以变废为宝，实现资源再生利用。工业生产中的制革固体废弃物、城镇生活污水污泥、农业生产中的秸秆等均可作为液态地膜的原材料，实现资源最大化利用。全降解液体地膜无残留，可达到农业增产增收、资源综合利用的目的。可降解多功能复合型液体地膜通常功能多样、价格低廉，环保，具有巨大的经济社会效益。目前看来，液态地膜是一种最有可能替代生产中普遍使用的塑料地膜的新型地表覆盖材料，对解决“白色污染”问题具有重要意义。

结语

应用液态地膜可以增加农作物产量，提高农田土壤温度，抑制土壤水分蒸发，提高土壤水分含量和利用率，减少“白色污染”，净化农田生态环境，防止水土流失，但也存在着诸如上述列举的技术和应用难题。近年来，液态地膜研发工作不断突破，液态地膜产品众多，但真正在生产中得到充分利用的液态地膜种类为数不多。治理“白色污染”，液态地膜能否担当重任，掀起农业生产“再革命”？我国农业要发展节水、环保型现代农业，多功能全降解液态地膜的研发和应用势在必行，也为全民所望。