生物降解地膜应用浅谈

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生物降解地膜应用浅谈

作者：庞买只

来源：《新材料产业》2015年第05期

地膜不仅能够提高地温、保水、保土、保肥，还能在育苗时确保苗齐、苗全、苗壮，而且还有抑草、防病虫、防旱抗涝等功能，最终提高作物产量。20世纪60年代，地膜覆盖技术在日本、欧美等国家兴起，并得到普及。1979年以来，地膜覆盖栽培技术在我国得到了大力推广。我国1980年农膜覆盖面积仅为0.167万公顷（2.5万亩），2005年地膜覆盖面积达0.09亿公顷（1.35亿亩），2011年地膜覆盖栽培面积达0.23亿公顷（3.5亿多亩），全国地膜用量达120万t，我国已成为世界上地膜使用量最多的国家。预计2015年地膜覆盖栽培面积可达0.267亿公顷（4亿亩）左右，地膜需求量达140万t左右。地膜的普及应用，尤其对于干旱、气候条件恶劣的地区，对农作物起到了保温保墒的关键性作用，使得作物产量明显增加，地膜已经逐渐成为农业中不可缺少的生产物资。

一、地膜污染日益严重

随着地膜覆盖面积不断推广，地膜使用量逐年增加，由于普通地膜难以回收，而且在土壤中100年也不降解。因此，经过多年的累积使用，土壤中地膜残留量越来越多，大量废旧地膜年复一年残留累积在土壤中，其危害正日益凸现。

甘肃省农业生态环境保护管理站监测结果显示，不同地膜覆盖地块土壤中的残膜量相差3倍多，每亩残膜量最高的为14.67kg，最少的为5.23kg。中国农业科学院监测数据显示，目前我国长期覆膜的农田土壤，平均每亩地膜残留量在5～15kg。2013年5月8日CCTV-1《焦点访谈》“农田里的白色污染”节目中提到，最严重污染地的残膜量达597kg/公顷。

土壤中的残留地膜对土壤以及环境的危害日益加重：耕地中残留地膜不断增加，土壤的原有结构遭到破坏，土壤肥力水平随之下降；残膜直接影响作物根系的发育和均匀分布，阻碍作物对水分和养分的吸收，导致作物减产；随意弃置于田边、地头的残膜，被风吹散后，挂附在农田周围的树枝、电杆上，飘到地头、路旁沟渠等处，影响自然景观，也影响农村环境卫生；残膜与秸秆、牧草混在一起，被牲畜误食后还会引起病害甚至死亡；残膜随意堆放或者焚烧，又会造成二次水源或气体污染。

废旧农膜残留污染已经成为农业可持续发展的严重威胁，因此，有效防治农田“白色污染”已刻不容缓。

二、解决地膜污染的途径

目前，解决地膜污染的途径主要为2大类。 龙源期刊网

1.地膜回收利用

地膜回收利用的思路主要是加大地膜回收利用力度，不仅减少了地膜的残留，而且回收的地膜可以得到重新利用，但是目前地膜回收利用也面临着诸多困难。

（1）回收效率低

普通地膜为了达到较高透明度、降低成本等，地膜做的很薄，厚度一般为0.004～0.006mm，这样也使得地膜强度差，使用后由于老化，而且与土壤粘在一起，无论是机器还是人工，都很难回收，回收效率很低。

（2）回收成本高

地膜回收时的人工及设备投入成本大于回收薄膜的收益，社会效益虽大，经济效益却很小，加上残膜回收设备技术不够成熟，而大型残膜回收机械价格过高，农户购买能力不足。

（3）造成二次污染

回收的残膜与根茬、泥土混杂在一起，清洗难度大，即使清洗，也会造成水资源浪费，残膜上的农药、化肥残留等也会对水造成二次污染。如果将残膜进行焚烧，又可能对大气造成污染。

（4）回收后重新利用价值不大

回收的破损地膜碎片，由于风化老化，性能损失严重，几乎没有循环再利用的价值。

因此，人们如果想通过地膜回收利用的途径解决地膜污染问题，还需要做如下几方面的努力： 龙源期刊网

①加大地膜厚度，减少回收难度。地膜厚度增加后，强度好、老化慢、使用后便于回收，残膜就会很少了。

②修改地膜国标。原来的地膜国标《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB 13735-1992）中地膜的最低厚度为0.008±0.003mm，很多企业为了追求成本最低、利益最大，生产的地膜厚度通常为0.004～0.006mm，因此，为了便于回收，就要从标准上加大地膜厚度，例如修改地膜最低厚度为0.01mm，针对使用期较长的地膜，厚度甚至可以设定为0.015～0.020mm。

③加大地膜补贴。由于地膜增厚了，成本明显增加，农民的积极性下降，因此，政府可以出台相关补贴政策，鼓励农民选用增厚地膜，摒弃使用超薄地膜。

④加大回收机械的研发、研制。地膜回收是一个产业，人工回收成本高，效率低，加大地膜回收机械的研发研制，而且回收机械要做大做好，提高回收效率，降低回收成本。

⑤完善回收机构的机制，激励企业重新处理利用废旧地膜。政府应该建立专业的残膜或回收地膜的回收机构，鼓励回收机构去农田大规模回收，并鼓励回收机构循环利用回收地膜材料。

总之，地膜回收利用这个途径还有很长的路要走。

2.使用降解地膜

解决地膜污染的另外一个途径，是采用降解地膜。降解地膜按照降解方式，可分为光降解、热降解、氧化降解、生物降解以及组合降解等，而真正环保、真正绿色的就是生物降解地膜。我国降解地膜发展经过了图1所示的几个阶段。

降解塑料不等于生物降解塑料，尤其以聚乙烯（PE）为基质，添加各种降解助剂得到的降解材料，并不是真正绿色环保的材料，因为它的降解产物不能被环境代谢吸收，所以它们与生物降解塑料存在着根本的区别。

生物降解塑料是指在自然界如土壤和/或沙土等条件下和/或特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最终完全降解变成二氧化碳（CO2）或/和甲烷（CH4）、水（H2O）及其所含元素的矿化无机盐以及其他新生物质的材料。

目前，世界上已经产业化的几种生物降解塑料有聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯（PBAT）、聚羟基烷酸酯（PHAs）、聚丙撑碳酸酯（PPC）、聚己内酯（PCL）等，这些材料均已符合ASTM D6400和EN 13432的标准。 龙源期刊网

生物降解塑料地膜是指以完全生物降解塑料为主要材料，或加入淀粉、纤维素等天然生物降解材料，或加入无环境危害的无机填充物、功能性小分子助剂等材料，采用吹塑、流延等工艺生产的农用地面覆盖薄膜。该生物降解地膜可在自然界条件下，由光照、温度、水份、氧、微生物等综合环境因素作用引起降解，并能在1～2个植物生长周期内能最终完全降解为二氧化碳和/或甲烷、水及其所含元素的矿化无机盐以及其他新生物质的地面覆盖薄膜。

生物降解地膜具有与普通PE地膜一样的使用性能，但它废弃后可被环境微生物完全分解，最终成为自然界中碳素循环的一个组成部分。由于其可以完全被环境中的有机质代谢掉，从根本上解决了“白色污染”的问题，因此，它被全球公认为一种真正绿色的环保产品。

在我国这样一个农业大国，地膜使用量最大的国家，推广使用生物降解地膜，不但符合地膜的发展趋势，也适应了国民经济基础产业发展的需求。生物降解地膜本身能够在使用后完全降解，且降解后对土壤、作物、环境不存在任何负面影响，则能够从源头上彻底解决残留地膜造成的“白色污染”问题，是解决地膜污染最环保有效的一种方案。

我国疆域面积广大，各地区农业气候条件差异很大，农作物种类繁多，不同农作物对地膜使用时间、功能作用的要求不同，一种配方组成的地膜无法满足不同地区、不同农作物的生长需求。

因此，生物降解地膜推广应用的瓶颈主要在于——不同地区、不同气候环境下，针对不同作物，开发研制一种降解速度与作物生长需求相匹配的地膜产品，而且该地膜的其他性能指标（力学性能、增温性、保墒性、抑草性、透光性等）也得满足作物需求。

三、生物降解地膜降解机理与工艺技术

1.降解机理

充分认识地膜的降解机理，才能针对性的对地膜的组成进行设计。地膜所处的环境为自然环境，不是堆肥，也不是单纯的土壤，有光照、空气、水份、微生物等复杂条件，降解机理极为复杂，生物降解地膜不可能只发生生物降解，它与普通PE地膜同样经受光、氧降解作用的同时，还要经受水解以及微生物的降解作用。

地膜在自然使用状态下，发生的降解作用有：①光降解。针对棉花等作物，或在新疆等光照强度大、光照时间长的地区，以及高海拔地区，光降解作用会很强烈。②水解。针对水稻等作物，或在雨水充沛的地区，水解作用会很强烈。③生物降解。在一定的温、湿度作用下，微生物活性较高、种群较丰富的地区，生物降解作用会很强烈。④氧化降解。在低海拔地区，氧化降解作用会很强烈。⑤其他降解。土壤中的农药、化肥等对地膜也有一定的降解作用。

2.工艺技术 龙源期刊网

根据生物降解地膜在自然环境下所经历的多种复杂的降解过程，可以针对性地进行配方组成设计和生产工艺设计，使其性能能够达到作物的使用要求。降解地膜的一些关键技术可概括如下：

（1）地膜专用降解树脂的分子设计与合成技术

树脂材料的分子组成以及分子结构，决定了其各种性能如力学性能、热性能、老化性能等，因此，要想获得特定性能的树脂材料，必须得对其分子组成和分子结构进行设计。例如，地膜吹塑加工时，膜泡直径一般较大，厚度一般很小，吹膜工艺对材料的熔体强度要求较高，因此，可以在树脂的合成阶段引入支化结构，提高材料的熔体强度。

（2）降解地膜专用料的复合改性技术

依据地膜的降解机理，针对性地在地膜材料中引入各种功能性助剂或组分，实现对其降解速率的控制，以及使得地膜达到满足使用要求的力学性能、增温性能、保墒性能等。

（3）降解地膜稳定加工技术

降解材料一般为脂肪族聚酯、脂肪族-芳香族共聚酯材料，分子链上大量酯基以及端羟基、端羧基的存在，使得材料的极性较大，受热加工吹膜时，粘性较大，开口性较差，必须找到合适的爽滑、开口体系解决薄膜的粘性和开口性问题。降解材料的热稳定性较差，加工温度较高时，容易热解。因此，加工温度一般偏低，而此时材料的熔体粘度就会较高，加工设备的负荷就会增大，这就要求设计设备的动力要充足。适用于柔性薄膜的降解材料一般为脂肪族-芳香族共聚酯，由于共聚、支化等原因，导致分子链结构不规整，结晶速度较慢，吹膜加工时，冷却速度就较慢，因此，要通过引入结晶成核剂等方法加快其冷却速度，使其尽快定型。由于降解材料的熔体强度偏低，冷却速度偏慢，在吹膜加工过程中，如果冷却风均匀性、平稳性较差时，膜泡局部区域容易被不稳定气流冲破，就会出现“膜泡摆动或膜泡葫芦状”现象，因此，要对吹膜机的风环结构进行改造，改善冷却风的稳定性和均匀性。适用于柔性薄膜的降解材料柔韧性较好，断裂伸长率较高，弹性较大，在吹膜过程中，牵引、收卷等工序容易张力过大，薄膜就会出现拉伸变形、死皱，因此，要对吹膜机的牵引和收卷系统进行无张力性改造，避免这些问题。由于降解材料的支化结构较少，吹胀比较小时，薄膜的纵横向强度差别较大，为了使得薄膜的纵横向强度均匀，吹胀比2.5以上时，薄膜在纵横向2个方向上都能经过一定的拉伸取向，强度区域均匀，因此，建议吹胀比尽量达到2.5以上。