農民在海南三亞天涯區(qū)檳榔河片區(qū)田間鋪上生物降解地膜。
生物降解地膜以在自然環(huán)境中可被微生物作用而完全降解的材料為主要成分，添加對環(huán)境無危害的環(huán)保型助劑吹塑制成。在農業(yè)生產中，其不僅具有傳統PE地膜的保墑、增溫和雜草防除等功能，在使用后還無需進行人工回收，可以直接翻耕于土壤中，并能在土壤中實現降解，可謂高效又環(huán)保。
近日，中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所設施栽培課題組副研究員閆妍博士及其團隊在《總環(huán)境科學》上發(fā)表相關研究成果，為日光溫室番茄種植提供了一種全新配方的PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜。
在農業(yè)生產活動中，地膜覆蓋具有抑制雜草、保水保墑、減少養(yǎng)分流失等重要作用。但普通聚乙烯（PE）地膜在使用過程中產生的地膜殘留會破壞土壤結構，不僅會導致土壤肥力下降，還會造成作物根系發(fā)育受阻、產量降低以及環(huán)境污染等一系列問題。如何在保障糧食安全的同時兼顧生態(tài)效益？如何應對傳統地膜使用中的殘膜污染問題？生物降解地膜或許為解決這些問題提供了新的思路。
通過水光熱及微生物共同作用實現降解
生物降解地膜以在自然環(huán)境中可被微生物作用而完全降解的材料為主要成分，添加對環(huán)境無危害的環(huán)保型助劑吹塑制成。在農業(yè)生產中，其不僅具有傳統PE地膜的保墑、增溫和雜草防除等功能，在使用后還無需進行人工回收，可以直接翻耕于土壤中，并能在土壤中實現降解，可謂高效又環(huán)保。
生物降解地膜的主要原料就是能夠降解的樹脂，包括聚己二酸對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚丙交酯（PLA）、聚甲基乙撐碳酸酯（PPC）及聚羥基脂肪酸酯（PHAs）等。
“生物降解地膜是通過自然界中的水、光、熱及微生物的共同作用來實現降解的。”閆妍解釋，其原理是當細菌、真菌和放線菌等微生物侵蝕塑料薄膜后，由于細胞的增長使聚合物組分水解、電離或質子化，發(fā)生機械性破壞，分裂成低聚物碎片。而真菌或細菌分泌的酶會使水溶性聚合物分解或氧化降解成水溶性碎片，生成新的小分子化合物，直至最終分解成水和二氧化碳。
在具體評價生物降解地膜性能方面，我國采用全生物降解農用地面覆蓋薄膜的產品標準，綜合考慮土壤、氣候、區(qū)域環(huán)境等對生物降解地膜機械性能、自然降解、耐候性、作物生育期匹配性等指標的影響?！鞍凑沼嘘P規(guī)定，我國使用的生物降解地膜必須要符合國標GB/T 35795-2017的相關要求。”閆妍說。
當前，農業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求使得生物降解地膜的研發(fā)工作腳步加快，這也助推了可降解地膜在包括海南、新疆、內蒙古、山東等多個省區(qū)市的推廣應用，應用范圍涵蓋了花生、馬鈴薯等20多種經濟作物。全國多地在開展廢棄農膜回收利用的同時，也在積極推廣示范生物降解地膜，推動農業(yè)綠色發(fā)展，減少農村環(huán)境污染。
以PBAT和PLA為主要成分的生物降解地膜，也已在全國20余個省市10余種大田及經濟作物、蔬菜種植上得到大面積應用。
科技創(chuàng)新助力生物降解地膜不斷進步
早在1973年，英國科學家格里芬就率先提出了生物降解塑料的概念。通過在惰性聚烯烴中加入天然淀粉作為填充劑，格里芬制成了可生物降解的淀粉PE，這一具有重大意義的突破距今已有50年。
20世紀80年代初，英國研究人員發(fā)明了聚β-羥基丁酸酯（PHB）的提取和純化方法，并將其制成薄膜。PHB是PHAs的一種，PHAs則是由微生物利用可再生的原材料（如多糖、醇類和低分子量的脂肪酸等）合成的一種生物聚酯。
我國在20世紀90年代初開始投入PHAs生物降解塑料的研究。當前有多所高校從事生物降解地膜原料方面的研究工作，一些科研單位和生產企業(yè)在PBAT、PHAs等降解材料的研發(fā)方面取得了許多成果。
陜西科技大學李成濤副教授團隊經過近10年的技術研發(fā)與攻關，成功研制出降解速度可控型全生物降解地膜，該地膜在農作物采收后可實現自然條件下完全生物降解。同時，根據農業(yè)生產需要，團隊研制的產品分為白色和黑色兩種，白色地膜可實現保溫保濕保墑，黑色地膜在保溫保濕保墑的基礎上，還能夠抑制雜草生長；在地膜中，他們還添加了生物基全生物降解材料——植物纖維素，既調節(jié)了生物降解地膜的生物降解速度，又能提高植物源纖維素的綜合利用價值，實現農林廢棄物的高值資源化利用。
而閆妍團隊制作的PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜，在保障降解速度快、滿足番茄生長需求的基礎上，在覆蓋初期還有理想的水熱保持與調節(jié)性能。與覆蓋PE地膜和PBAT/PLA木質素生物降解地膜相比，覆蓋PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜能顯著提高土壤電導率和有機質含量，土壤真菌毛殼菌屬的相對豐度也有所增加，這些都更有利于作物的生長。此外，覆蓋PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜的番茄，在產量、可溶性固形物、維生素C、可溶性糖和番茄紅素等指標上，相較于覆蓋PE地膜的番茄也有顯著提高，而總酸和硬度則顯著降低。
經過觀察，研究團隊發(fā)現，實驗中覆蓋的PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜在種植結束時已經達到2級降解。通過SEM電鏡掃描，研究團隊發(fā)現，PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜使用后其表面呈現出明顯的疏松多孔結構。
“在日光溫室秋冬茬番茄栽培中覆蓋PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜，不僅可以提質增產，還能有效減少‘白色污染’問題?！遍Z妍告訴記者，除了應用于日光溫室番茄的生產，科研團隊還在積極進行相關試驗，根據作物的生育期、栽培需求等不同特點，及時調整新型地膜的厚度和顏色等，希望PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜也能夠廣泛應用于甘藍、蘿卜、草莓等多種作物的生產中。
降成本精技術方能擴大推廣使用規(guī)模
“盡管生物降解地膜的性能突出，但現階段它的生產成本還比較高，基本是傳統PE地膜的兩倍以上?！遍Z妍表示，生產成本降不下來，是生物降解地膜在實際推廣使用中的一大限制因素。
此外，采用PBAT的生物降解地膜還存在水氣阻隔性不佳、破裂時間和降解可控性差等問題。在生產功能方面，生物降解地膜也有待加強?！氨热缥锢頇C械性能偏差，機械強度不夠，在鋪設的過程中可能會導致地膜被刺破，影響農事作業(yè)；增溫保墑方面的能力相較于傳統地膜也比較弱，不利于作物的生長發(fā)育等?！遍Z妍說。
生物降解地膜如何保墑、降低成本，這些都是一直以來研究人員研究的熱點問題。未來科研人員對生物降解地膜的進一步優(yōu)化，也將主要聚焦在降低成本、提高機械性能、增強降解可控性等幾個方面。
隨著生物降解地膜性能的不斷提高和改性機制的成熟，這一領域的研發(fā)、生產和應用都將迎來新的機遇。生物降解地膜具有巨大的應用潛力和開發(fā)潛力。
閆妍認為，盡管生物降解地膜仍然存在一些缺點，但通過改進生產和加工技術，其依然有望實現低生產成本、高降解效率和良好的機械性能，并以此來促進農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。
