2023-04-25 15:37:54
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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其不僅具有傳統(tǒng)PE地膜的保墑、增溫和雜草防除等功能，在使用后還無需進(jìn)行人工回收，可以直接翻耕于土壤中，并能在土壤中實(shí)現(xiàn)降解，可謂高效又環(huán)保。
近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所設(shè)施栽培課題組副研究員閆妍博士及其團(tuán)隊(duì)在《總環(huán)境科學(xué)》上發(fā)表相關(guān)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)生的地膜殘留會破壞土壤結(jié)構(gòu)，不僅會導(dǎo)致土壤肥力下降，還會造成作物根系發(fā)育受阻、產(chǎn)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(shí)兼顧生態(tài)效益？如何應(yīng)對傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其不僅具有傳統(tǒng)PE地膜的保墑、增溫和雜草防除等功能，在使用后還無需進(jìn)行人工回收，可以直接翻耕于土壤中，并能在土壤中實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)降解的?！遍Z妍解釋，其原理是當(dāng)細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物侵蝕塑料薄膜后，由于細(xì)胞的增長使聚合物組分水解、電離或質(zhì)子化，發(fā)生機(jī)械性破壞，分裂成低聚物碎片。而真菌或細(xì)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(jià)生物降解地膜性能方面，我國采用全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮土壤、氣候、區(qū)域環(huán)境等對生物降解地膜機(jī)械性能、自然降解、耐候性、作物生育期匹配性等指標(biāo)的影響。“按照有關(guān)規(guī)定，我國使用的生物降解地膜必須要符合國標(biāo)GB/T 35795-2017的相關(guān)要求?！遍Z妍說。
當(dāng)前，農(nóng)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(nèi)蒙古、山東等多個省區(qū)市的推廣應(yīng)用，應(yīng)用范圍涵蓋了花生、馬鈴薯等20多種經(jīng)濟(jì)作物。全國多地在開展廢棄農(nóng)膜回收利用的同時(shí)，也在積極推廣示范生物降解地膜，推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，減少農(nóng)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(jīng)濟(jì)作物、蔬菜種植上得到大面積應(yīng)用。
科技創(chuàng)新助力生物降解地膜不斷進(jìn)步
早在1973年，英國科學(xué)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(jì)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(jì)90年代初開始投入PHAs生物降解塑料的研究。當(dāng)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(chǎn)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(xué)李成濤副教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近10年的技術(shù)研發(fā)與攻關(guān)，成功研制出降解速度可控型全生物降解地膜，該地膜在農(nóng)作物采收后可實(shí)現(xiàn)自然條件下完全生物降解。同時(shí)，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，團(tuán)隊(duì)研制的產(chǎn)品分為白色和黑色兩種，白色地膜可實(shí)現(xiàn)保溫保濕保墑，黑色地膜在保溫保濕保墑的基礎(chǔ)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(diào)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(jià)值，實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的高值資源化利用。
而閆妍團(tuán)隊(duì)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(chǔ)上，在覆蓋初期還有理想的水熱保持與調(diào)節(jié)性能。與覆蓋PE地膜和PBAT/PLA木質(zhì)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(dǎo)率和有機(jī)質(zhì)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(chǎn)量、可溶性固形物、維生素C、可溶性糖和番茄紅素等指標(biāo)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(jīng)過觀察，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中覆蓋的PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜在種植結(jié)束時(shí)已經(jīng)達(dá)到2級降解。通過SEM電鏡掃描，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，PBAT/PLA腐殖酸生物降解地膜使用后其表面呈現(xiàn)出明顯的疏松多孔結(jié)構(gòu)。
“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(zhì)增產(chǎn)，還能有效減少‘白色污染’問題。”閆妍告訴記者，除了應(yīng)用于日光溫室番茄的生產(chǎn)，科研團(tuán)隊(duì)還在積極進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，根據(jù)作物的生育期、栽培需求等不同特點(diǎn)，及時(shí)調(diào)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(yīng)用于甘藍(lán)、蘿卜、草莓等多種作物的生產(chǎn)中。
降成本精技術(shù)方能擴(kuò)大推廣使用規(guī)模
“盡管生物降解地膜的性能突出，但現(xiàn)階段它的生產(chǎn)成本還比較高，基本是傳統(tǒng)PE地膜的兩倍以上?！遍Z妍表示，生產(chǎn)成本降不下來，是生物降解地膜在實(shí)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(shí)間和降解可控性差等問題。在生產(chǎn)功能方面，生物降解地膜也有待加強(qiáng)。“比如物理機(jī)械性能偏差，機(jī)械強(qiáng)度不夠，在鋪設(shè)的過程中可能會導(dǎo)致地膜被刺破，影響農(nóng)事作業(yè)；增溫保墑方面的能力相較于傳統(tǒng)地膜也比較弱，不利于作物的生長發(fā)育等。”閆妍說。
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(diǎn)問題。未來科研人員對生物降解地膜的進(jìn)一步優(yōu)化，也將主要聚焦在降低成本、提高機(jī)械性能、增強(qiáng)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(jī)制的成熟，這一領(lǐng)域的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用都將迎來新的機(jī)遇。生物降解地膜具有巨大的應(yīng)用潛力和開發(fā)潛力。
閆妍認(rèn)為，盡管生物降解地膜仍然存在一些缺點(diǎn)，但通過改進(jìn)生產(chǎn)和加工技術(shù)，其依然有望實(shí)現(xiàn)低生產(chǎn)成本、高降解效率和良好的機(jī)械性能，并以此來促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。
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