竹基可降解農用地膜研究現狀與展望*

張康健 余林鵬 代福寬 汪佑宏 馬千里 江澤慧 田根林*

(1 國際竹藤中心 竹藤生物質新材料研究所 北京 100102；2 國家林業與草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室 北京 100102；3 安徽農業大學林學與園林學院 合肥 230036)

我國是世界上農用地膜生產和使用量最多的國家， 地膜覆蓋是我國農產品規?；a、 安全供應的關鍵舉措之一。 地膜是繼種子、 農藥和化肥之后的又一農業重要生產資料， 其應用為我國農業生產帶來了一場革命[1-2]。 地膜可以防止雜草生長， 給土壤增溫、 保熵， 改良作物生長環境，提高土壤養分的利用率， 在抗蟲、 防病等方面也有著顯著作用[3]。 但塑料地膜的長期大量使用和缺乏有效的回收處理措施， 已對我國農業產生了直接危害和損失， 如惡化土壤結構、 影響作物生長、 限制農業發展， 其難以降解的特性也帶來較大的環境問題[4-6]。 因此， 尋求更為綠色環保的可降解地膜材料， 對于農業綠色生產和環境保護都有著十分重要的意義。

竹材作為一種可降解的天然材料， 具有資源豐富、 生長速度快、 材性優良、 一次造林永續利用、 固碳能力強等優點， 可作為塑料的良好代替材料。 目前， “以竹代塑” 產品已廣泛應用于日用、 交通運輸、 裝飾、 水利等諸多領域， 對社會、生態、 經濟具有積極作用。 2021 年我國竹林面積已達756.27 萬hm2， 且呈逐年增加趨勢[7]。 隨著農業塑料污染問題的日益突出， 開發綠色環保農業代塑產品， 促進農業綠色可持續發展， 已經成為全球共識和必然選擇。 本文詳細介紹了目前常見的傳統農業可降解地膜類型， 結合“以竹代塑” 倡議， 總結了竹基可降解農用地膜的發展現狀， 以期為農業綠色可持續發展提供新的解決方案。

1 傳統可降解農用地膜

可降解農用地膜是指在一定條件下以化學、物理或生物等方式能自行降解的地膜。 基于目前研發現狀與應用情況， 傳統可降解農用地膜材料主要可分為光降解地膜、 生物降解地膜、 雙解地膜和植物纖維地膜[8-9]。

1.1 光降解地膜

光降解地膜是指在樹脂中加入光敏劑和促進劑， 使其能在光照后自行降解的地膜。 元欣等[10]以線性低密度聚乙烯樹脂、 玉米淀粉等為原料，引入抗老化劑、 乳化劑、 光敏劑及分散劑， 吹塑成型出一種低透光率的耐久光降解農用地膜。 20世紀80 年代， 美國杜邦公司、 陶氏化學公司(DOW) 和聯合碳化物公司等生產的乙烯/一氧化碳共聚物及乙烯/乙烯基酮共聚物就已經具有了完全光降解的性能[11]。 然而在實際應用推廣中， 地膜的光降解只能消除耕地表面的殘膜污染， 而土壤中的地膜則無法分解， 雖然深耕能把一些殘膜翻到土壤表面， 但仍有很多殘留在土壤中， 長期積累會破壞土壤結構和肥力[12]。 晏祥玉等[13]在探究光降解地膜和普通地膜不同覆蓋方式對甘蔗生長的影響時， 甚至出現了試驗實施90 d 仍未發現光降解膜降解破口的情況。

1.2 生物降解地膜

生物降解地膜可分為微生物合成型、 天然高分子型和化學合成型3 類[14]。 伊科(E-cochem)、嘉吉(Cargill)、 勃林格殷格翰(Boechringer) 以及聯合碳化物等公司采用發酵法和化學方法制備了聚乳酸(PLA)、 聚己內酯(PCL) 等可生物降解材料， 作為生產降解地膜的基材[15]。 李金海等[16]以淀粉與聚乙烯醇(PVA) 為原料， 通過單因素調控實驗， 優化生產工藝， 采用流延法制備了馬鈴薯淀粉基可降解地膜。 該膜保水、 保溫、保墑及降解性能良好， 土埋60 d 后地膜的降解率接近60%。 生物可降解農用地膜大多屬于天然高分子型中的淀粉添加型地膜材料， 淀粉添加含量只有達到50%以上才具有較好的生物降解作用[17]。 此類膜中的淀粉在微生物的作用下可以分解， 而殘留的聚烯烴膜仍以低強度的多孔結構形態存在， 因而淀粉添加型的可降解農用地膜只是一種不完全的生物降解薄膜[18-19]。

1.3 雙解地膜

雙解地膜分為光—生物雙降解地膜和氧化—生物雙降解地膜。 前者是將易被微生物分解的物質(如淀粉) 與合成樹脂混合并加入光敏劑， 誘導期過后， 加入的物質與合成樹脂便可在光和微生物的共同作用下分解， 進而減少對環境的污染[20]； 后者則是添加劑型降解地膜， 綜合利用氧化降解和生物降解， 以達到良好的降解效果。 雙解地膜降解性能優異， 降解時間可控性良好[21]。蔣瑞萍等[22]以超細化淀粉作為主要降解成分， 以增塑劑、 合成降解材料等形成的淀粉衍生物作為生物降解劑， 并將光降解和熱氧化降解引入體系，吹塑成型出淀粉/EAA/PE 可降解地膜， 與普通地膜相比， 此膜保溫、 保濕效果并無差別。 周濤等[23]通過填埋實驗和老化箱實驗分別研究了2 種光氧生物雙降解地膜的生物降解性能和紫外線降解性能， 發現二者的降解程度不同， 地膜的光氧降解能力優于微生物降解能力。

1.4 植物纖維地膜

植物纖維地膜是以植物纖維為原料， 經過一系列加工處理制成的地膜， 其對環境的污染較小，同時還能改善土壤質量， 具有良好的透氣性和干濕強度。 市場上的植物纖維地膜主要分為麻纖維地膜和紙地膜。 麻纖維具有纖維強度高、 耐磨性好、 韌皮纖維多、 加工簡單、 有利于土壤微生物增殖等優點， 但其生產成本較高， 在實際應用中不易推廣[24]。 紙地膜是以植物紙漿為基本原料，在紙漿內添加濕強劑、 防腐劑和透明劑等助劑，采用常規造紙工藝抄制出原紙， 然后對其進行加工處理， 使紙張具有地膜所要求的機械強度、 透光、 透 水、 保 溫、 增 溫、 保 墑 性 及 其 他 功能[25-26]。 紙地膜無需回收， 可完全降解為有機質， 無污染， 并可增肥土壤， 相較于其他類型的地膜具有很多優勢， 符合綠色農業發展要求[27]。

美國和加拿大研究顯示[1]， 紙地膜具有與塑料地膜、 生物降解型地膜相同的作用效果。 國內也有不少機構和團隊開展了紙地膜的研究， 傅玉全[28]研究顯示， 相較于裸地栽培， 紙地膜可明顯改善作物的光合作用， 增加土壤溫度， 改善土壤水分狀況， 同時具有抑制雜草、 促進增產的作用。天津市園藝工程研究所研制的多效農藝營養紙膜，不僅能自行分解， 還能釋放多種營養成分， 促進植物生長發育， 同時具有一定的防治植物病蟲害作用[29]。

2 竹基可降解農用地膜

竹材是優良的植物纖維原料， 其抗拉、 抗壓強度均高于木材， 纖維長而細， 機械性能優異，纖維素含量介于針、 闊葉材之間， 細胞壁微觀結構特殊， 漿料光學特性良好， 半纖維素含量較高，打漿時潤漲性能好， 有利于提升材料的交織結構，使其獲得更好的防水性能[30-32]。 竹纖維的優良特性使其成為制備可降解地膜的良好材料。

2.1 竹基液體地膜

竹基液體地膜是一種利用竹纖維素作為原料的可降解農用地膜。 任荷玲[33]以廢棄竹粉為原料， 采用臭氧微波聯合進行預處理， 經醚化法制備竹纖維羧甲基纖維素(CMC)， 并引入聚乙烯醇、 甘油輔劑等填充劑， 最終采用戊二醛交聯法制成全生物可降解地膜。 Xu 等[34]通過對竹材脫木素化和醚化處理來制備竹制羧甲基纖維素， 然后與聚乙烯醇混合， 并通過戊二醛交聯制備了液體膜， 該地膜具有出色的保水性， 機械性能達到18.2 MPa， 透光性為74.2%， 吸濕性為141%，只需在土壤表面噴灑就可以形成一層覆蓋物， 而且覆蓋物生物降解率約64%。 解安慶[35]將竹屑浸入NaOH 溶液并用微波加熱對竹纖維進行預處理，在經一系列處理反應后制得竹纖維羧甲基纖維素；將該纖維素先后與蒸餾水、 溶解的聚乙烯醇及甘油混合， 經微波處理后再與制備的耐磨防水劑混合， 超聲振蕩分散， 即可制得液體地膜溶液。

2.2 竹漿紙地膜

竹漿紙地膜是以竹漿作為原料， 借鑒傳統造紙工藝制備的地膜。 劉潔等[36]使用100%的竹纖維漿， 經15%～20%的高濃度打漿后過中濃盤磨打漿， 設置上網濃度為0.18%～0.45%， 上網pH值為6.5～7.5， 上網成型后經四輥三壓區壓榨干度為45%～48%， 制備了地膜紙， 其縱向抗張強度為1.2 ～ 3.2 kN/m， 橫向抗張強度為0.8 ～2.0 kN/m。 張斌[37]對竹材進行微納化處理制備機械竹漿并研究淀粉、 納米微纖絲(CNF) 和聚乙烯醇纖維3 種增強劑對地膜紙各項性能的影響，研究發現3 種增強劑復合使用的地膜紙保水性最好、 透氣性最大、 機械竹漿纖維結合得更為緊密，在實際應用中， 相較于塑料地膜更能促進作物生長。 Wang 等[38]采用濕法非織造布技術， 將竹造紙污泥同楊木纖維、 粘膠纖維混合抄造成可降解紙張， 可替代農業塑料薄膜用于土壤保濕， 促進植物生長。

2.3 竹基吹塑成型地膜

竹基吹塑地膜是將竹材粉碎成微小顆粒， 并與其他樹脂、 助劑攪拌均勻， 吹塑成型的薄膜材料。 封金財[39]以聚乳酸為基體樹脂， 引入竹纖維， 配合改性納米二氧化硅、 檸檬酸三丁酯于攪拌機中攪拌， 將混合物吹塑出農用可降解復合地膜， 其中的竹纖維與聚乳酸形成了網絡狀結構，有效增強了復合膜的力學性能。 邱述兵等[40]將聚丙烯、 淀粉、 竹炭粉、 硅藻土烘干預熱， 然后用混合機混合， 在混合物加入偶聯劑及聚乙二醇并由雙螺桿擠出機擠出共混產物， 冷卻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， 復配其他材料， 采用流延成型工藝制得的地膜。 肖安國[41]將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劑攪拌， 再加入交聯劑， 在一定溫度下攪拌一段時間后趁熱倒入模板， 流延成膜，雙面施膠后在室溫條件下干燥一段時間， 即得到竹基地膜。 李榮榮等[42]將增稠劑海藻酸鈉與淀粉引入體系， 對經堿化、 醚化及羧甲基化反應后的毛竹采伐剩余物進行改性， 使用流延法制得了可降解膜， 增稠劑海藻酸鈉和淀粉可改善成膜性能，提高拉伸強度， 但會降低斷裂伸長率。

3 展望與建議

2022 年11 月中國政府同國際竹藤組織攜手落實全球發展倡議， 共同發起“以竹代塑” 倡議， 推動各國減少塑料污染， 應對氣候變化， 加快落實聯合國2030 年可持續發展議程[43]。 發揮我國豐富的竹資源優勢， 研發竹基地膜材料， 不僅可拓展竹材利用方向， 也是推進農業綠色發展、踐行“以竹代塑” 倡議和實現“雙碳” 戰略時代使命的題中之義[44]。 為加快推進竹基地膜制造關鍵技術， 形成一套完善的研發及生產應用流程，改善農田生態環境， 建議以后重點開展以下工作。

1) 研發不同應用場景下的功能性竹基可降解地膜。 不同地區的環境條件包括溫度、 日照、 降水量差異較大， 而不同農作物也有著不同的種植培育要求， 這就需要研發類型豐富的地膜， 通過對原材料改性、 添加功能性助劑調控地膜的降解速度， 增強降解地膜在農作物生長過程中的安全性。

2) 建立完善的竹基可降解地膜標準體系。 響應“以竹代塑” 的倡議， 系統評價竹基地膜產品的經濟、 生態和社會效益， 建立完善的竹基地膜產品標準體系， 將有助于提高產品質量， 增強產品的市場競爭力。

3) 積極推動竹基地膜代替傳統塑料地膜的相關政策制定。 政府應進一步限制塑料地膜的使用，通過財政扶持、 稅收優惠等措施鼓勵使用竹基地膜， 鼓勵支持相關企業加強技術研發和創新， 促進竹基地膜產品質量提升和產品升級， 降低竹基地膜生產和銷售成本， 提高市場占有率。