竹基可降解农用地膜研究现状与展望*

张康健 余林鹏 代福宽 汪佑宏 马千里 江泽慧 田根林*

(1 国际竹藤中心 竹藤生物质新材料研究所 北京 100102；2 国家林业与草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室 北京 100102；3 安徽农业大学林学与园林学院 合肥 230036)

我国是世界上农用地膜生产和使用量最多的国家， 地膜覆盖是我国农产品规模化生产、 安全供应的关键举措之一。 地膜是继种子、 农药和化肥之后的又一农业重要生产资料， 其应用为我国农业生产带来了一场革命[1-2]。 地膜可以防止杂草生长， 给土壤增温、 保熵， 改良作物生长环境，提高土壤养分的利用率， 在抗虫、 防病等方面也有着显著作用[3]。 但塑料地膜的长期大量使用和缺乏有效的回收处理措施， 已对我国农业产生了直接危害和损失， 如恶化土壤结构、 影响作物生长、 限制农业发展， 其难以降解的特性也带来较大的环境问题[4-6]。 因此， 寻求更为绿色环保的可降解地膜材料， 对于农业绿色生产和环境保护都有着十分重要的意义。

竹材作为一种可降解的天然材料， 具有资源丰富、 生长速度快、 材性优良、 一次造林永续利用、 固碳能力强等优点， 可作为塑料的良好代替材料。 目前， “以竹代塑” 产品已广泛应用于日用、 交通运输、 装饰、 水利等诸多领域， 对社会、生态、 经济具有积极作用。 2021 年我国竹林面积已达756.27 万hm2， 且呈逐年增加趋势[7]。 随着农业塑料污染问题的日益突出， 开发绿色环保农业代塑产品， 促进农业绿色可持续发展， 已经成为全球共识和必然选择。 本文详细介绍了目前常见的传统农业可降解地膜类型， 结合“以竹代塑” 倡议， 总结了竹基可降解农用地膜的发展现状， 以期为农业绿色可持续发展提供新的解决方案。

1 传统可降解农用地膜

可降解农用地膜是指在一定条件下以化学、物理或生物等方式能自行降解的地膜。 基于目前研发现状与应用情况， 传统可降解农用地膜材料主要可分为光降解地膜、 生物降解地膜、 双解地膜和植物纤维地膜[8-9]。

1.1 光降解地膜

光降解地膜是指在树脂中加入光敏剂和促进剂， 使其能在光照后自行降解的地膜。 元欣等[10]以线性低密度聚乙烯树脂、 玉米淀粉等为原料，引入抗老化剂、 乳化剂、 光敏剂及分散剂， 吹塑成型出一种低透光率的耐久光降解农用地膜。 20世纪80 年代， 美国杜邦公司、 陶氏化学公司(DOW) 和联合碳化物公司等生产的乙烯/一氧化碳共聚物及乙烯/乙烯基酮共聚物就已经具有了完全光降解的性能[11]。 然而在实际应用推广中， 地膜的光降解只能消除耕地表面的残膜污染， 而土壤中的地膜则无法分解， 虽然深耕能把一些残膜翻到土壤表面， 但仍有很多残留在土壤中， 长期积累会破坏土壤结构和肥力[12]。 晏祥玉等[13]在探究光降解地膜和普通地膜不同覆盖方式对甘蔗生长的影响时， 甚至出现了试验实施90 d 仍未发现光降解膜降解破口的情况。

1.2 生物降解地膜

生物降解地膜可分为微生物合成型、 天然高分子型和化学合成型3 类[14]。 伊科(E-cochem)、嘉吉(Cargill)、 勃林格殷格翰(Boechringer) 以及联合碳化物等公司采用发酵法和化学方法制备了聚乳酸(PLA)、 聚己内酯(PCL) 等可生物降解材料， 作为生产降解地膜的基材[15]。 李金海等[16]以淀粉与聚乙烯醇(PVA) 为原料， 通过单因素调控实验， 优化生产工艺， 采用流延法制备了马铃薯淀粉基可降解地膜。 该膜保水、 保温、保墒及降解性能良好， 土埋60 d 后地膜的降解率接近60%。 生物可降解农用地膜大多属于天然高分子型中的淀粉添加型地膜材料， 淀粉添加含量只有达到50%以上才具有较好的生物降解作用[17]。 此类膜中的淀粉在微生物的作用下可以分解， 而残留的聚烯烃膜仍以低强度的多孔结构形态存在， 因而淀粉添加型的可降解农用地膜只是一种不完全的生物降解薄膜[18-19]。

1.3 双解地膜

双解地膜分为光—生物双降解地膜和氧化—生物双降解地膜。 前者是将易被微生物分解的物质(如淀粉) 与合成树脂混合并加入光敏剂， 诱导期过后， 加入的物质与合成树脂便可在光和微生物的共同作用下分解， 进而减少对环境的污染[20]； 后者则是添加剂型降解地膜， 综合利用氧化降解和生物降解， 以达到良好的降解效果。 双解地膜降解性能优异， 降解时间可控性良好[21]。蒋瑞萍等[22]以超细化淀粉作为主要降解成分， 以增塑剂、 合成降解材料等形成的淀粉衍生物作为生物降解剂， 并将光降解和热氧化降解引入体系，吹塑成型出淀粉/EAA/PE 可降解地膜， 与普通地膜相比， 此膜保温、 保湿效果并无差别。 周涛等[23]通过填埋实验和老化箱实验分别研究了2 种光氧生物双降解地膜的生物降解性能和紫外线降解性能， 发现二者的降解程度不同， 地膜的光氧降解能力优于微生物降解能力。

1.4 植物纤维地膜

植物纤维地膜是以植物纤维为原料， 经过一系列加工处理制成的地膜， 其对环境的污染较小，同时还能改善土壤质量， 具有良好的透气性和干湿强度。 市场上的植物纤维地膜主要分为麻纤维地膜和纸地膜。 麻纤维具有纤维强度高、 耐磨性好、 韧皮纤维多、 加工简单、 有利于土壤微生物增殖等优点， 但其生产成本较高， 在实际应用中不易推广[24]。 纸地膜是以植物纸浆为基本原料，在纸浆内添加湿强剂、 防腐剂和透明剂等助剂，采用常规造纸工艺抄制出原纸， 然后对其进行加工处理， 使纸张具有地膜所要求的机械强度、 透光、 透 水、 保 温、 增 温、 保 墒 性 及 其 他 功能[25-26]。 纸地膜无需回收， 可完全降解为有机质， 无污染， 并可增肥土壤， 相较于其他类型的地膜具有很多优势， 符合绿色农业发展要求[27]。

美国和加拿大研究显示[1]， 纸地膜具有与塑料地膜、 生物降解型地膜相同的作用效果。 国内也有不少机构和团队开展了纸地膜的研究， 傅玉全[28]研究显示， 相较于裸地栽培， 纸地膜可明显改善作物的光合作用， 增加土壤温度， 改善土壤水分状况， 同时具有抑制杂草、 促进增产的作用。天津市园艺工程研究所研制的多效农艺营养纸膜，不仅能自行分解， 还能释放多种营养成分， 促进植物生长发育， 同时具有一定的防治植物病虫害作用[29]。

2 竹基可降解农用地膜

竹材是优良的植物纤维原料， 其抗拉、 抗压强度均高于木材， 纤维长而细， 机械性能优异，纤维素含量介于针、 阔叶材之间， 细胞壁微观结构特殊， 浆料光学特性良好， 半纤维素含量较高，打浆时润涨性能好， 有利于提升材料的交织结构，使其获得更好的防水性能[30-32]。 竹纤维的优良特性使其成为制备可降解地膜的良好材料。

2.1 竹基液体地膜

竹基液体地膜是一种利用竹纤维素作为原料的可降解农用地膜。 任荷玲[33]以废弃竹粉为原料， 采用臭氧微波联合进行预处理， 经醚化法制备竹纤维羧甲基纤维素(CMC)， 并引入聚乙烯醇、 甘油辅剂等填充剂， 最终采用戊二醛交联法制成全生物可降解地膜。 Xu 等[34]通过对竹材脱木素化和醚化处理来制备竹制羧甲基纤维素， 然后与聚乙烯醇混合， 并通过戊二醛交联制备了液体膜， 该地膜具有出色的保水性， 机械性能达到18.2 MPa， 透光性为74.2%， 吸湿性为141%，只需在土壤表面喷洒就可以形成一层覆盖物， 而且覆盖物生物降解率约64%。 解安庆[35]将竹屑浸入NaOH 溶液并用微波加热对竹纤维进行预处理，在经一系列处理反应后制得竹纤维羧甲基纤维素；将该纤维素先后与蒸馏水、 溶解的聚乙烯醇及甘油混合， 经微波处理后再与制备的耐磨防水剂混合， 超声振荡分散， 即可制得液体地膜溶液。

2.2 竹浆纸地膜

竹浆纸地膜是以竹浆作为原料， 借鉴传统造纸工艺制备的地膜。 刘洁等[36]使用100%的竹纤维浆， 经15%～20%的高浓度打浆后过中浓盘磨打浆， 设置上网浓度为0.18%～0.45%， 上网pH值为6.5～7.5， 上网成型后经四辊三压区压榨干度为45%～48%， 制备了地膜纸， 其纵向抗张强度为1.2 ～ 3.2 kN/m， 横向抗张强度为0.8 ～2.0 kN/m。 张斌[37]对竹材进行微纳化处理制备机械竹浆并研究淀粉、 纳米微纤丝(CNF) 和聚乙烯醇纤维3 种增强剂对地膜纸各项性能的影响，研究发现3 种增强剂复合使用的地膜纸保水性最好、 透气性最大、 机械竹浆纤维结合得更为紧密，在实际应用中， 相较于塑料地膜更能促进作物生长。 Wang 等[38]采用湿法非织造布技术， 将竹造纸污泥同杨木纤维、 粘胶纤维混合抄造成可降解纸张， 可替代农业塑料薄膜用于土壤保湿， 促进植物生长。

2.3 竹基吹塑成型地膜

竹基吹塑地膜是将竹材粉碎成微小颗粒， 并与其他树脂、 助剂搅拌均匀， 吹塑成型的薄膜材料。 封金财[39]以聚乳酸为基体树脂， 引入竹纤维， 配合改性纳米二氧化硅、 柠檬酸三丁酯于搅拌机中搅拌， 将混合物吹塑出农用可降解复合地膜， 其中的竹纤维与聚乳酸形成了网络状结构，有效增强了复合膜的力学性能。 邱述兵等[40]将聚丙烯、 淀粉、 竹炭粉、 硅藻土烘干预热， 然后用混合机混合， 在混合物加入偶联剂及聚乙二醇并由双螺杆挤出机挤出共混产物， 冷却后切粒保存并吹塑成可降解地膜。

2.4 竹基流延成型地膜

竹基流延地膜是以竹粉等原料， 复配其他材料， 采用流延成型工艺制得的地膜。 肖安国[41]将聚乙烯醇溶解到水中， 加入玉米淀粉糊化， 然后加入竹粉和塑化剂搅拌， 再加入交联剂， 在一定温度下搅拌一段时间后趁热倒入模板， 流延成膜，双面施胶后在室温条件下干燥一段时间， 即得到竹基地膜。 李荣荣等[42]将增稠剂海藻酸钠与淀粉引入体系， 对经碱化、 醚化及羧甲基化反应后的毛竹采伐剩余物进行改性， 使用流延法制得了可降解膜， 增稠剂海藻酸钠和淀粉可改善成膜性能，提高拉伸强度， 但会降低断裂伸长率。

3 展望与建议

2022 年11 月中国政府同国际竹藤组织携手落实全球发展倡议， 共同发起“以竹代塑” 倡议， 推动各国减少塑料污染， 应对气候变化， 加快落实联合国2030 年可持续发展议程[43]。 发挥我国丰富的竹资源优势， 研发竹基地膜材料， 不仅可拓展竹材利用方向， 也是推进农业绿色发展、践行“以竹代塑” 倡议和实现“双碳” 战略时代使命的题中之义[44]。 为加快推进竹基地膜制造关键技术， 形成一套完善的研发及生产应用流程，改善农田生态环境， 建议以后重点开展以下工作。

1) 研发不同应用场景下的功能性竹基可降解地膜。 不同地区的环境条件包括温度、 日照、 降水量差异较大， 而不同农作物也有着不同的种植培育要求， 这就需要研发类型丰富的地膜， 通过对原材料改性、 添加功能性助剂调控地膜的降解速度， 增强降解地膜在农作物生长过程中的安全性。

2) 建立完善的竹基可降解地膜标准体系。 响应“以竹代塑” 的倡议， 系统评价竹基地膜产品的经济、 生态和社会效益， 建立完善的竹基地膜产品标准体系， 将有助于提高产品质量， 增强产品的市场竞争力。

3) 积极推动竹基地膜代替传统塑料地膜的相关政策制定。 政府应进一步限制塑料地膜的使用，通过财政扶持、 税收优惠等措施鼓励使用竹基地膜， 鼓励支持相关企业加强技术研发和创新， 促进竹基地膜产品质量提升和产品升级， 降低竹基地膜生产和销售成本， 提高市场占有率。