可降解地膜研究进展及菠萝叶渣在可降解纤维地膜利用中的展望

明向兰

(岭南师范学院 广东湛江524048)

中国是农业生产大国，一直以来农产品种植 及加工在国民经济中都处于重要地位。近年来，随着农业生产技术的快速发展以及人民生活水平的日益提升，农产品生产量、加工量和需求量都在稳步增加，同时也出现了农产品加工废弃物资源合理化利用方面的问题。一方面，农产品因季节性和地域性等自然条件的局限，导致中国的农产品在深加工、保鲜、物流等方面的技术不够成熟；另一方面，农产品加工增值比重低、利润少，故而导致越来越多的农产品加工副产物以及废弃物迅速增加。目前最为常见的农产品加工副产物以及废弃物主要包括：（1）在粮食加工中产生的秸秆、稻壳、米糠、玉米芯、麦麸等；（2）在油料加工中产生的菜籽饼粕、皮壳、油脚等；（3）在果蔬汁加工中产生的果皮残渣、籽、壳等；（4）在肉类加工中产生的动物内脏、皮毛、骨头等。

虽然中国农产品资源丰富，但目前对于农产品加工副产物以及废弃物的综合利用率却很低，只占40%左右，而发达国家对于农产品的综合利用率高达90%。不仅如此，目前的综合利用还存在着深加工程度不足、科技含量相对低下等情况，严重缺乏高纯度、功能性以及专一型的高附加值产品。鉴于综合利用率低下，中国果蔬采后损失率达40%，相比而言发达国家果蔬采后损失率仅占5%，如香蕉皮渣、菠萝皮渣大部分被随意丢弃，仅有少部分用于饲料加工［1-2］。农产品加工副产物以及废弃物中富含蛋白质、糖类、脂肪、纤维素、矿物质、黄酮、多酚等多种生物活性成分，具有很高的营养以及经济利用价值。因此，开发高效、高值化的农产品加工副产物以及废弃物综合利用技术迫在眉睫，这对增加农业经济效益、环境保护以及资源利用等方面都具有重要意义。

为解决原材料相对短缺、制造成本高、环境污染严重和以满足市场需求为目的，越来越多的学者致力于地球上可再生、可降解资源的研究开发。因此，按照取之自然、造福人类、回归自然的原则，从高效、优质和可持续发展的视角出发，充分利用可再生资源，以农产品加工副产物以及废弃物为原料制造植物纤维地膜可以实现其高值无害化利用，是一种理想的可再生资源循环利用方式，是建立资源环境协调发展、循环经济型社会的大势所趋。本研究展望了菠萝叶渣在可完全生物降解型纤维基地膜中的利用现状，并提出了一些初步的设想。

1 可降解地膜研究现状

研究具有良好的生物降解性的环保型地膜是解决“白色污染”、维系农业可持续发展的有效途径。目前，可降解地膜主要包括光降解塑料地膜、生物降解地膜、光-生物双降解地膜、液体可降解地膜以及植物纤维地膜等几类［3-5］，其中，植物纤维地膜其因环保性及可再生性，对环境不产生污染，被认为是有真正意义的可降解地膜。

1.1 光降解塑料地膜

光降解塑料地膜，指的是吸收太阳紫外线辐射后发生光化学反应，破坏了高分子聚合物的完整性，使其键能以及结合强度减弱，高分子长链逐渐断裂成为较低分子量的碎片，碎片在自然环境条件下发生自由基断裂反应，降解为低分子化合物，最终形成二氧化碳和水，整个降解过程是由光降解和自由基断链氧化反应形成的双重作用的Norrish反应［6］。按照光降解聚合物分子的设计原理及制造方法，光降解塑料地膜主要有合成型光降解塑料地膜和添加型光降解塑料地膜两种［7］。自20 世纪80 年代初期，中国才开始对光降解塑料地膜进行研制，主要是借鉴国外相对成熟的技术手段，目前已达到了生产规模化与产业化的程度，研究开发的降解塑料品种包括光降解、光-生物降解、光-碳酸钙降解、光-氧-生物降解、完全生物降解、崩坏性生物降解等塑料以及高填充碳酸钙环境友好材料等几类［8］。通过不同的大田试验可以观测到，残留的光降解塑料地膜可以降低水系统、土壤、环境的污染，对土壤理化性质没有影响，并且还可以达到保墒保温的目的，使农作物产量得到增加、生产效益得到扩大［9］。但是，光降解塑料地膜也存在着一些缺陷，如不可控的降解速率，降解条件苛刻，必须在有光的条件下才能够实现降解，埋藏于地下的部分不能实现降解，地膜对土地的污染破坏依旧存在；同时，生产光降解塑料地膜的成本较高，导致售价较高［10］。因此，在农业生产中，光降解地膜难以大面积、大范围的推广应用。

1.2 生物降解地膜

生物降解地膜可在土壤微生物作用下发生降解，实质上是利用细菌、病毒、真菌等生物群体的生命活动实现的，对土壤无污染［11］。根据降解原理以及破损方式，生物降解地膜主要包括两类（完全生物降解地膜、添加型可生物降解地膜）［12］。

1.2.1 完全生物降解地膜

完全生物降解地膜主要包括合成型生物降解地膜和天然高分子共混型生物降解地膜［13］。合成型生物降解地膜需要投入较高的生产成本，故不能大面积推广普及。在天然高分子共混型生物降解地膜中研究最多的天然高分子材料主要有4 种，分别为淀粉、纤维素、木质素、甲壳素［14-15］。天然高分子材料因为自身性能的影响，不易熔融加工，需要与其他热塑性生物降解塑料共混，而且淀粉含量的增加也会导致其力学性能的下降，降解性能受环境影响较大，加大了降解地膜的降解可控难度，限制了其大面积推广。

1.2.2 添加型可生物降解地膜

添加型可生物降解地膜，采用共混或接枝的方式，由无法生物降解的普通聚乙烯塑料和可以生物降解的纯天然/人工合成物/生物降解催化剂、功能型助剂等混制而成［16］。迄今为止，添加型可生物降解地膜的成分包括普通聚乙烯塑料、淀粉、互溶剂、自氧化反应剂、功能型助剂，其中最具代表性的产品就是PE-淀粉可生物降解型地膜。添加型可生物降解地膜中可降解的主要是淀粉，聚乙烯塑料很难降解，无法保证其完全可生物降解，如长时间施用，对土壤所造成的危害依旧很大，并且加工困难，造价过高，所生产的地膜强度、韧性等性能较弱，不适宜在农田中应用。

1.3 光−生物双降解地膜

光-生物双降解地膜是指在光和生物双重作用下可降解的一类地膜，主要由PE 等高分子材料作为母体，添加不同助剂（如自氧化反应剂、抗氧化剂、光敏助剂和可作微生物培养基质的促进生物降解助剂等）制成的［17］。光-生物双降解地膜的降解机理为：合成树脂与淀粉组成的共聚体可以在光和氧等环境的影响下诱导氧化剂和光敏剂等裂解为低分子物质；另外一些物质会因为微生物的作用而降低分子与分子间的结合强度，并且多数的微生物不断衍生并聚集作用于小分子物质，使得大分子物质被土壤同化［18］。但是光-生物双降解地膜中的塑料成分在不断的田间施用过程中会逐渐累积增多，亦会造成土壤环境的污染以及破坏，而且光-生物双降解地膜的地面部分需要引入光降解技术和生物降解技术，技术上存在一定的困难，致使制造光-生物降解地膜成本较高，产业化程度不够，目前仍处于小规模试验阶段，因此，光-生物双降解地膜的应用推广受到了限制［19］。

1.4 液体可降解地膜

液体可降解地膜是将乳胶状悬浮液体均匀地喷洒于土表所构成的一层胶状薄膜，其能够联结土壤中细小粒子，从而构成一种较为特别的土壤-地膜的形式，抑制土壤表层的水分蒸发，增加土壤的储水保墒性，耕作结束后经翻压埋入土壤，还可改善土壤团粒结构及透气性等［20-21］。但液体可降解地膜也存在一些问题［22］，如成本、售价较高，不易掌控降解周期，其强粘连性易导致喷头堵塞，易受雨水冲刷破坏等，不适合喷洒应用于粘性土壤，仍需要进行更深层次的研究开发。

截止到目前，农业大田生产实际中所使用的大部分可生物降解型地膜并不能完全生物降解，只有一部分可以被生物降解，无法做到零公害化，亦不能在根源处杜绝所产生的土壤及环境污染［23］。光-生物双降解地膜和光降解地膜因外界环境因素无法完全降解，而生物降解地膜因自然条件和微生物的双重影响可以发生降解，但其中的聚乙烯塑料是不能降解的，残留在土壤中仍然污染环境。液体可降解地膜成本售价偏高，更适用于高附加值的经济作物，不适合大范围地推广应用［24］。而以农业废弃物为主要原料生产的新型可生物降解植物纤维地膜，因其良好的抑草、降解、保墒、保肥、调温、防止水土流失、改善土壤生态环境和提高农产品品质等性能，具有巨大的应用前景与发展潜力，成为国际上研究的热点和全降解地膜发展的方向。

1.5 植物纤维地膜

植物纤维地膜，按照制造工艺可以分为纸基地膜和非织造型地膜，采用植物纤维（如阔叶木、针叶木、麻、苇、秸秆等）为主要原材料再经过恰当的处理制成的地膜，原材料来源广泛，具有良好的透气性、干湿强度及良好的生物可降解性，对生态环境没有污染，同时还能培肥土壤［25］。

日本早在1989 年就已经成功研制了农用纸地膜，科研工作者以脱乙酰基甲壳素和植物纤维等物质为原材料，研发出一种有益微生物生长繁衍的植物纤维地膜；1990 年将纤维素与壳聚糖混合发生酰胺反应，脱乙酰几丁质涂布于针叶原纸上，制成透气、透水、湿强高的可降解地膜；合田公一以苎麻纤维和玉米为原料制成可降解地膜［26］；武川真美以麻和纸浆为基料，加入香茅等植物精油，经过浸蜡加工制成麻地膜［27］。法国也通过覆盖地膜（如黑色薄膜、无纺布、光降解型薄膜和生物降解型薄膜等）进行蔬菜和水果等高附加值的种植栽培。荷兰研制了淀粉与大麻纤维混合的降解地膜。新西兰Murray Cruick shank 公司开发了Eco-Cover 纸地膜。美国华盛顿州立大学Carol Miles 等及几个大型研究机构用牛皮纸浸渍亚麻油或桐油等制成地膜［28］。意大利研制出了全淀粉型地膜材料。英国、新西兰Massey 大学农业部利用回收的废纸、二次纤维等制成了纸地膜［29］。

华南理工大学覃程荣所在课题组在甘蔗渣的基础上添加一定量的棉柏浆渣制成粘胶或其与淀粉共混发生反应制成纤维素膜。李辉等［30］以针叶木纤维为原料，通过黏状打浆和添加化学助剂，制备了一种环保型的低透气高抗水地膜纸，并对地膜纸进行物理强度、透气度和抗水性测试。天津轻工业学院在漂白硫酸盐草浆中配加木浆及少量助剂制备农用纸膜［31］。周景辉等［32］采用硫酸盐法制浆并结合蒸煮工艺，用红麻全秆制成了具有生物可降解性的纸基环保型麻地膜。天津科技大学借鉴常规制浆造纸工艺成功研制了一类以植物纤维为主料的实验室级别农用地膜。黄晨等采用棉、秸秆纤维、亚麻与丝纤维制造了可降解型非织造地膜［33］。李亚玲等［34］所在课题组借鉴常规制浆造纸工艺技术成功试制了红色麻秸秆纤维基地膜。江南大学用废弃的棉短绒成功研制出一类可生物降解型地膜［35］。中国农科院下属的麻类研究所成功制造了不同类型的麻纤维基地膜［36］。黑龙江省造纸工业研究所利用废旧纸张开发了水稻全植物地膜纸［37］。刘丽雪［38］利用沼渣纤维配以一定比例木材纤维制得可完全降解型沼渣纤维地膜。韩永俊等［39］借鉴常规造纸工艺制得大豆、水稻及玉米秸秆纤维基地膜。CHEN 等［40］针对水稻秸秆纤维基地膜塑性问题研制了增塑型水稻秸秆纤维基地膜。陈海涛等［41］研制了水稻秸秆纤维基绿色地膜。

植物纤维材料是一种可再生资源，广泛存在于自然界中。大力发展植物纤维地膜有助于建设良好的农田生态系统，促进农业的可持续发展。植物纤维地膜，不但可以削弱其对土壤及环境的污染，而且可以抑制杂草滋生、加快作物生育、增加作物产量、保持土壤墒情等，将植物纤维地膜代替塑料聚乙烯地膜应用于农业生产具有一定的可行性［42-43］。

2 菠萝叶渣在可完全降解型纤维基地膜中的应用展望

菠萝的种植主要分布在广东湛江、海南琼海、广西南宁、福建漳浦、云南西双版纳以及红河等地，其中种植面积较大的当属广东和海南两个省份。近年来，随着农业生产技术的快速发展、人民生活水平的日益提升、旅游产业的迅猛发展以及大众对热带水果的喜爱，菠萝种植业和加工业发展势头良好，菠萝种植面积和产量也得到了很大的提升［44］，种植面积可达7万hm2。

菠萝外皮多为硬质果槽，果肉和刺根黏连，在鲜食或加工成各类成品或提取菠萝蛋白酶后会产生约占菠萝全果总重量50%的废弃物，其中菠萝皮渣约占全渣的30%～42%［45］。据研究报道，菠萝皮渣主要由纤维素、半纤维素、木质素和胶质组成，其中纤维素含量约占菠萝皮渣干重的20%～25%［46］，占比最大。菠萝叶是菠萝收获后产生的农业废弃物，全国年产高达1 000 万t，从中可提取菠萝叶纤维7.5 万t，菠萝叶纤维的化学组成与亚麻、黄麻相似，其纤维素含量达56.0%～68.5%。

近年来随着菠萝加工业的进步，所产生的叶渣废弃物也在逐渐增加。因此充分高效地合理开发利用这些废弃物，不但可以解决资源浪费问题，还可以有效地解决环境污染问题，从而提高植物资源的附加值和利用率，促进可持续发展。目前对菠萝叶渣再利用的研究包括菠萝蛋白酶的提取利用、生物活性物质提取、可再生能源生产及饲料生产等方面，对菠萝叶渣在可完全生物降解型纤维基地膜中的应用研究仍较少。

地膜覆盖技术对中国现代农业生产具有至关重要的作用，但地膜残留造成的环境污染、土壤板结等问题不可忽视。因此开发可完全生物降解型植物纤维基地膜是解决上述问题的重要途径，可完全生物降解型植物纤维基地膜的生产有着巨大的环境效益、社会效益以及经济效益。

在重点开发研究可完全生物降解型植物纤维基地膜的背景之下，菠萝叶渣资源的利用模式是否还有进一步开发探索的空间，使其潜在优势得到充分发挥，从而更加适应社会经济的发展，此问题值得探讨。本研究结合当前可降解地膜的发展方向，归纳了菠萝叶渣的利用新途径。

以菠萝叶渣为主要原料，借鉴制浆造纸工艺流程，制备可完全生物降解型植物纤维基地膜，可为实现菠萝叶渣的合理利用、解决菠萝叶渣制浆造膜存在主要问题以及实现菠萝产业链“菠萝－菠萝加工成品－菠萝叶渣－纤维基地膜”的进一步延伸提供参考。但该模式仍存在以下问题有待探讨：（1）为满足后续制浆造膜的要求，对菠萝叶渣进行预处理的方法及工艺的选择；（2）利用菠萝叶渣生产的植物纤维地膜性能如何；（3）基于菠萝叶渣的可完全生物降解型地膜的田间应用以及降解性能如何等。在现有的技术基础上，应用菠萝叶渣制备植物纤维基地膜模式的实现仍有相当长的一段路要走。