纸地膜研究现状

杨维红， 刘 忠， 刘晓岚， 杨博文， 徐 艳

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室， 天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院， 天津 300457）

自1978年引入地膜以来， 其对中国的粮食和蔬菜种植贡献了巨大的力量。 中国是农业大国，对地膜的需求量极大， 但是随着地膜的大量使用，许多问题也随之而来，其中最严峻的便是环境污染问题。 由于地膜多为不可降解的聚乙烯材料，需要至少百年才能降解，因此产生了大量白色垃圾，使用地膜也从增产增收的“白色革命”变成了不可降解的“白色污染”。中国已于2008年施行了限塑令。于是，可降解地膜成为了研究热点。 纸地膜是以植物纤维为基本原料，采用传统的制浆造纸工艺，在浆料中加入各种助剂，如透明剂、干强剂、湿强剂、防水剂、防老化剂等制备出原纸，然后对其进行再处理，使之达到农用地膜对机械强度、抗水性、透气性、保温保湿性等的要求，其可以在一定时间内降解，并起到堆肥土壤的作用[1-2]。

本文对国内外纸地膜的研究进行总结，重点是纸地膜的应用性及降解性等方面的研究。

1 纸地膜与塑料地膜的对比

1.1 纸地膜的特点

纸地膜的优点是：（1）纸地膜原料来源广、种类多，而且多为绿色天然高分子材料；（2）纸地膜的最大优势为可降解，降解后又可作为肥料促进农作物生长，进而降低回收和种植成本；（3）用纸地膜代替部分塑料地膜，可减少对土壤的污染，防止土壤板结而影响种子的发芽率。

纸地膜的缺点是：（1） 纸地膜的原料多为植物纤维，所以地膜表面存在孔隙，影响地膜的抗水性和透气性；（2）纤维素含有大量羟基，极易亲水，用其制备的纸地膜在遇水后强度降低，若不进行抗水性处理，在实际使用中极易破损；（3）现代农业大多采用机械进行铺膜，而纸地膜的柔韧性和弹性比塑料地膜低很多，难实现自动化铺膜；（4）纸地膜的各项性能指标还有待考察，对纸地膜的应用多数处于实验阶段；（5） 在纸地膜的制作过程中需要加入各种助剂以改善其性能，所以与塑料地膜相比，单位面积的成本大大提高。

虽然纸地膜目前还存在多种缺陷，但是其优异的环保性能依然使得其有广阔的前景。 所以，要想实现纸地膜的产业化发展，必须要解决在提高纸地膜干湿强度的同时又不影响其生物降解性，在保障纸地膜性能的同时又有较低的成本这两个问题。

1.2 塑料地膜的危害性

塑料地膜价格便宜，使用效果较好，再加上可降解地膜尚未推广使用，所以农业种植还是以使用塑料地膜为主。 减少对塑料的使用量及对塑料地膜所产生污染的治理已经刻不容缓。

塑料地膜是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等为主的高分子化合物， 播种后将其覆盖在土壤表层，可以提高地表的温度， 减少土壤中水分的丧失，维护土壤结构，防止病虫害对农作物的损害，促进农作物的生长发育。

塑料地膜的危害性在于：（1） 塑料地膜不可降解，中国作为一个农业大国，会产生大量的“白色垃圾”，处理起来费时费力，成本高；（2）由于塑料碎片无法回收处理，残留在土壤中易造成土壤板结，透气性降低，致使农作物种子发芽率下降、生长缓慢、产量下降；（3）残留在土壤中的塑料地膜可能含有害物质，会对农作物产生毒性，影响叶绿素的形成，最终使农作物黄化或死亡；（4）残留在土壤中的塑料地膜会缠绕在铺膜机械的齿轮上，容易造成机械磨损，进而增加农业成本；（5） 塑料地膜的回收系统不完善，加之回收处理的成本较高， 所以多数农业劳动者或弃之，或焚烧于田地，极易造成环境污染。

2 研究现状

当前， 可用于造纸的植物纤维原料包括杂草纤维，如龙须草、荻、苇，农业秸秆纤维如玉米秆、棉秆[3]；此外，也有采用麻类[4-6]、木材、废纸等纤维素原料[7-8]。不同种类的纤维会对产品的性能和价格产生直接影响：如草纤维和农业秸秆纤维，虽然来源广泛、价格便宜，但用其生产的纸地膜强度低；麻类纤维的纤维长度和强度均好于普通秸秆纤维， 但是用其生产纸地膜的成本较高。

2.1 国内概况

国内有很多单位曾开发研制过纸地膜， 如湖北枝城市第一造纸厂、新疆和田农业科技开发中心、天津市园艺工程研究所、天津科技大学、中国国际科技促进会等[6]。

高玉杰等[9]用草浆配加木浆及少量合成纤维，加入1%PAE 和0.1%CMC 后抄造纸地膜，通过黄瓜及番茄的种植实验表明， 纸地膜具有和塑料地膜相当的性能指标，在作物产量提高上相差无几。

1996年，傅玉全[10]开展了纸地膜的应用实验，将地膜原纸进行功能化处理， 处理后纸地膜的主要性能指标为：原纸定量（35±5） g/m2，宽度800～1000 mm，裂断长3600～3700 m，湿强度20%，涂布量8～10 g/m2，透明度65%～70%。所种作物主要有辣椒、棉花和玉米，在不同的天气下分别对塑料地膜、纸地膜覆盖和无覆盖条件下的三种作物进行了地表、地下10 cm 的温度测定。 结果表明，无论是地面温度还是地下10 cm 的温度， 塑料地膜和纸地膜的保温效果相当， 且二者均比露天种植的温度高。 在不同覆膜对玉米和棉花生长期影响的探究中， 结果显示， 塑料地膜和纸地膜覆盖的农作物生长发育期基本一致。 实验结果证明了纸地膜在实际应用中已基本可以达到塑料地膜的标准，且纸地膜更环保，对农作物更有利。

1997年，天津科技大学以植物纤维为主要原料制备了农用纸地膜，并进行了小型的种植实验[11]及降解实验[12]。实验发现，纸地膜能促进植物的生长发育，改善植物的光合作用，农作物产量也有相对的提高，在满足使用要求后，能在规定的时间内降解。

1999年，黑龙江省哈尔滨市宾县农业技术推广中心应用纸质地膜进行了水稻覆盖栽培实验[13]。 结果表明，应用纸地膜可以节水、保温、除草。

李志明等[14]采用未漂的红麻全秆浆为原料，通过添加壳聚糖、 羧甲基纤维素CMC 和水溶性PVA等助剂抄造纸地膜。 考虑到在实际应用中地膜覆盖可能受天气因素的影响， 所以进行了不同天气条件下的应用实验。 结果表明， 红麻地膜的保温效果与塑料地膜接近，且均比无覆盖的温度高，晴天时差异更加显著。

2002年，任文涛等[15]将纸地膜应用在水稻种植中，采用不同纸地膜及处理方式，包括日本再生纸地膜、国产普通牛皮纸以及台湾农用膜，以无覆盖为对照，共有8 种处理方式，分别为每种覆盖模式下的乳芽直播和插秧。 实验结果证明了纸地膜在农业种植中的可行性，采用纸地膜覆盖后的水稻，用水量较之前明显减少，杂草的种类及数量也相对降低。

2003年，周景辉等[16]利用红麻全秆浆为原料，以CMC、PAE 为助剂，配加少量的水溶性PVA 和丙纶纤维，制备了环保型的纸基麻地膜。 该地膜的干、湿强度等各项指标均可满足地膜覆盖的要求， 可代替塑料地膜，并可完全生物降解，增加土壤有机质，避免了塑料地膜给土壤带来的污染。

2011年，张燕杰等[17]利用废弃棉纤维制备可完全降解的农用纸地膜， 通过用石蜡浸渍、 聚乙烯醇（PVA）胶液处理的方式得到纸基地膜小样，并对该纸基小样进行物理测试。 结果表明， 该纸基棉质地膜在可见光范围内有一定的透光率，可维持在68%左右，足以应用在玉米、棉花、辣椒等农作物的育苗上，该小样经28 d 的土埋降解后，降解率达到20.2%，而普通塑料地膜的质量无明显变化， 这表明纸地膜能在较短的时间内降解，降解后可作为作物的肥料。

2016年，郭帅等[18]以废旧棉纤维和废纸为原料，添加助剂或辅料制备性能良好的纸基地膜，其抗张、撕裂指数与棉纤维地膜相比均有提高， 湿强度保留率也较高，说明该纸地膜的机械性能良好。 同时，该工艺实现了废旧棉纤维和废纸的再利用， 具有一定的经济和环境效益。

2017年，张鸿超[19]研究了秸秆纤维基地膜和塑料地膜分别对土壤养分变化和作物覆盖栽培性能的影响。 结果显示，采用秸秆纤维基地膜后，土壤温度明显提高，土壤的结构明显改善，土壤PH 值显著降低，而土壤的孔隙度相对增加，土壤变得疏松多孔，同时具有显著抑制杂草生长的效果。

2017年，丁旗[20]将全植物纤维地膜纸应用在我国北方水稻的种植上， 通过实验证明了覆膜水稻技术具有抑制杂草生长、增温、节水等作用。 此外，水稻覆膜技术还具有较高的经济价值， 能够使得净值增加2 倍以上。

2019年，李辉等[21]以棉秆纤维和废旧棉纤维为原料，通过添加助剂制备了一种本色、不透明的环保型棉秆纤维地膜纸，与黑色塑料地膜相比，其功能大致相同， 但保温性略低。 纸地膜的保温性虽不及塑料地膜， 但是其可完全降解， 是塑料地膜无法媲美的。 研究表明，该纸地膜可在5 个月内完全降解，对土壤无污染且可转化为作物生长的养料。

2.2 国外概况

1990年，日本选用针叶木机械浆研制农用纸地膜，该纸地膜可生物降解且性能优良[22]，能透气、透水，湿强度高，且降解后可作为土壤中的养料，改善土壤的缺陷。

1996年，ANDERSON 等[23]利用再生纤维为原料，通过添加硫制备牛皮纸， 然后将牛皮纸浸泡在植物油中，其目的在于提高纸张的透光性和机械强度，并且减缓其分解。 将处理后的牛皮纸作为蔬菜的覆盖物应用于田间，探究了其替代塑料地膜的可行性。

1999年，MIZUGUCHI 等[24]以 植 物 纤 维 为 原 料制备原纸，在原纸表面涂布或浸渍生物降解缓蚀剂，得到一种具有较好机械强度、抗张强度的地膜纸，其降解时间明显延长，可用于植物栽培。 同时，由于在纸张的纵向侧边缘部分添加了抗微生物剂， 可有效防止地膜纸腐坏破烂。

2003年， 美国华盛顿州立大学与研究所合作，通过在牛皮纸上涂布植物油制备了黑色纸地膜，并将牛皮纸、 黑色塑料地膜以及生物降解型地膜作为对照组，以罗勒作为实验植株进行了短期种植实验。实验结果表明， 在生长过程中使用纸地膜、 塑料地膜、生物降解型地膜时，罗勒的生长状况基本相同，纸地膜表面的植物油并不能缩短其降解期， 对植物的生长也没明显的作用效果[25]。?

2012年，梅西大学自然资源研究所为了探究纸地膜是否有除草的效果， 对市面上的一种纸地膜进行了评估， 主要考察纸覆盖物在田间应用的持久性及防治杂草的能力， 结果证明纸地膜具有良好的除草效果[26]。

HAAPALA 等[27]在2011—2012年期间通过实验研究了不同纸地膜（如棕色牛皮纸、上表面用炭黑涂布的牛皮纸等）和两种生物可降解塑料地膜（主要原料为玉米淀粉，厚度分别为18 μm 和30 μm）对黄瓜产量的影响。 研究发现， 上表面较暗的纸地膜或生物降解塑料地膜对提高黄瓜产量有较大影响，且深色纸地膜对于黄瓜产量的影响与生物可降解塑料地膜相当，能够提高地温，有效抑制杂草，可替代塑料地膜作为黄瓜生产的覆盖物。

2020年，DE OLIVEIRA 等[28]用再生纸作为意大利西葫芦的覆盖物， 探究再生纸对西葫芦的蒸发蒸腾作用和作物系数。 实验结果表明， 使用再生纸作为该植物的覆盖物并不会改变其果实产量， 并且可以减少浇灌的用水量。

3 纸地膜的降解

土埋法能较好地模拟聚合物生物降解的自然条件， 在纸地膜覆盖物的降解性测试中应用广泛。 在李辉[29]的降解性研究中，埋入土中1 个月的纸地膜已开始降解， 埋入土中2 个月的纸地膜已经降解了50%左右，而埋入土中3 个月时已经降解了90%。李志明等[14]进行了红麻地膜的降解性研究，在纸地膜埋在土壤中8 周后，质量损失接近50%，强度损失接近90%，10 周后的质量损失难以测量， 而强度已无法测量， 认为此时的强度损失已接近100%。KASIRAJAN 等[30]的研究发现，埋在土壤中的纸地膜与裸露在土壤外的纸地膜， 二者的降解速度存在差异， 埋在土壤中的降解速度要高于覆盖在土壤表层的纸地膜；此外，纸地膜的降解性能还与所选择的原料种类和质量有关。 MARTIN-CLOSAS 等[31]的实验也表明，在植物的生长发育阶段，埋在土壤中的纸地膜先降解， 但这种降解并不会产生其他特殊问题。SANCHEZ 等[32]研究发现，降解速率最快的是报纸，然后是碎报纸， 降解最慢的是稻草类的纸地膜。UENO 等[33]研究发现，当纸地膜的原材料为回收纸时，在实际的应用中可在40～50 d 内降解，且对杂草的生长有抑制作用。

4 总结与展望

虽然国家大力支持可降解农膜的研发， 但是其存在的种种问题使得可降解地膜尚未得到大力推广应用，尤其是全降解类的地膜，如纸地膜。 纸地膜的全降解性是其他地膜无法比拟的优势， 而且研究也表明其具备实际应用的条件，其保温、保湿、抑制杂草的能力基本可以与塑料地膜相媲美。 纸地膜的推广应用存在较大困难，主要原因如下：

（1）由于纸地膜的制作成本和原料成本的限制，在现有的经济条件下，农民无力承担高额的费用，所以多数农民依然选择功能性好、 价格便宜的塑料地膜。 这就要求企业在生产纸地膜时， 要降低生产成本；另一方面，国家也需要出台相关的惠农政策，给予农民政策上的支持。

（2） 人们的环保意识还需提高。 作为一种新产品，企业要生产纸地膜，势必要投入巨额的推广、研发及宣传费用， 这使得多数企业对纸地膜的生产望而却步。

（3） 对纸地膜的实际应用情况还需要进一步考察，通过大面积、多植物的覆盖研究，建立一套完整的评价标准体系。

我国作为农业大国， 每年的农膜使用量达上百万吨， 而且还在增加。 传统的塑料地膜在相当长的时间内仍然是不可替代的农资， 使用塑料地膜给环境带来的危害性也与日俱增。 因此， 未来可降解地膜必将得到推广， 其中纸地膜要想在市场中得到推广与应用，必须要提高纸地膜的机械强度、抗水性、透明度，降低透气性，但关键还是如何在保证这些条件的前提下，降低其生产成本，使得其应用效果与塑料地膜相当，价格又不高于塑料地膜。 因此，未来应着重从降低纸地膜的成本入手， 研究提高纸地膜的各项性能。 当解决了成本这一问题后， 纸地膜必将在农膜市场上占有一席之地。