五種常見可降解地膜的研究應用現狀和展望

曹曉慶 李 璐 張鋒偉 戴 飛 張方圓 李向陽 喬偉豪

（甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

我國是農業大國，自20 世紀70 年代起，傳統的農業生產方式在地膜覆蓋技術引進后發生了徹底改變。農用地膜具有保溫、保水、保墑和防風固沙等作用［1］，可將農作物產量提高20%～50%［2］，使用效果明顯，促進了農業快速發展，是繼種子、化肥和農藥之后，一項十分重要的農業生產資料［3］。但大量使用的傳統農用地膜因降解困難造成了嚴重的環境污染［4-6］，其中土壤污染問題［7］更為突出，制約了農業經濟的可持續發展。因此，解決塑料地膜污染問題受到高度重視。目前，解決此問題的方式有兩種：一是殘膜回收，二是研發新型可降解地膜。由于地膜厚度不達標、易風化，以及殘膜回收機具落后等原因，殘膜回收困難［8］；而可降解地膜無需回收，對環境無污染且能改善土壤結構，促進農作物生長［9］，因此，可降解地膜成為了地膜研究的熱點，受到廣泛關注。

目前已研究出多種可降解地膜產品，其中最常見的有光降解地膜、全生物可降解地膜、光/生物雙降解地膜、液態地膜和植物纖維地膜［10］。可降解地膜在原材料、制備工藝和降解產物等方面與傳統塑料地膜相比區別較大，主要以淀粉、產業廢棄物、農作物秸稈等可降解材料為制備原料，具有可降解性、綠色環保、可再生等優點［11］。技術的不斷革新促進了地膜產業的發展［12］，可降解地膜產品的出現對解決塑料地膜污染問題，以及在挖掘日益枯竭的石油資源替代品方面［13］，具有舉足輕重的作用。因此，本研究基于農用地膜的發展及其應用情況，闡述五種可降解地膜的國內外研究現狀及存在問題，分析各類可降解地膜的降解原理及特點，并展望地膜的發展趨勢，旨在為農業綠色可持續發展提供理論參考。

1 光降解地膜

光降解地膜是一種在光照條件下可降解的塑料地膜［14］，其研制路線大致可分為光敏劑型、填料型兩條，制備材料主要是大分子鏈上含有雙鍵的聚合物，以聚乙烯為主，制備過程中會添加一些光敏劑以及其他助劑，以促進其對太陽紫外線的吸收及能量的轉換，引起光氧化反應使光降解地膜中的聚乙烯分子鏈斷裂，從而使得地膜脆化、分裂，進而降解［15］。此外，通過調節光敏劑及其他助劑的使用劑量以控制降解程度和降解速率，通過添加光降解調節劑來調節光降解地膜的誘導期，以適應不同的用途或使用場合。

我國從1981 年開始采用擠出吹塑雙向拉伸的技術路線研制聚乙烯（polyethylene，PE）可控光降解地膜，試制出不同使用周期的光降解地膜，并進行田間試驗，結果表明，該產品在規格、物理性能、使用周期、應用效果等方面基本達到農藝要求，具有一定的降解性［16-17］。20 世紀80 年代初期，張秀波等［17］采用填料型研究路線，通過添加重質CaCO3（粒度400 目）、紫外線吸收劑（UV-327、UV-531）、自然基捕捉劑（GW-540）以及界面活性劑等進行聚乙烯基光降解地膜的研制，并對該地膜的物理性能、降解性能及其對作物產量的影響進行了分析，結果表明，該地膜降解、增產效果較好，其規格、物理性能、使用周期等與日本研究的產品接近，但掩埋在土中的地膜因沒有光照條件而無法降解，造成降解不均勻且有殘膜留存。2000 年左右，陳慶華等［18］采用二乙基二硫代氨基甲酸鐵、硬脂酸鐵等五種不同類型的光敏劑研制光敏型地膜，試驗結果表明光敏劑能夠促進地膜降解，且降解效果差異顯著，其中硬脂酸鐵對地膜的降解效果尤為明顯，同時可通過改變添加劑劑量來控制降解周期，以適應不同作物以及不同的農藝要求。2012 年，張躍彬等［19］基于光敏型地膜，根據甘蔗生長的特點發明了一種以線性低密度聚乙烯（linear low density polyethylene，LLDPE）顆粒、光敏劑、熱降解促進劑和光降解調節劑為原料的光熱降解地膜（厚度0.004～0.1 mm，誘導降解時間控制在90～150 d），能夠滿足甘蔗的生長要求。近期，元欣等［20］以線性低密度聚乙烯樹脂和玉米淀粉為主要原料，通過添加硬脂酸錳、芥酸酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚等助劑，研制了一種耐久光降解添加型地膜，其降解、除蟲害效果較好，生產成本較低。

國外關于光降解地膜的研究較早，20 世紀70 年代，已開展在塑料地膜中添加各種光敏劑以及單線態氧的研究，蘇聯、日本等國研制的光降解地膜在國外已獲得許多專利并有產品出售［21］。20世紀80年代中期，美國DOW化學公司、杜邦公司和聯合碳化物公司等研究機構以乙烯/一氧化碳共聚物、乙烯/乙烯基酮共聚物等為原料，制備出了能完全降解的光降解塑料［21］。后期對光降解地膜制備所用光敏劑做了進一步研究，如加拿大GUILLETE 公司在聚乙烯中添加甲基乙烯酮和光活性甲基苯乙烯接枝共聚物的光降解母料，美國AMPACT公司生產的含過渡金屬鐵離子的光降解母料等使得光降解地膜降解效果良好［22］。但近年來在光降解地膜方面的研究較少。

綜上所述，光降解地膜在一定條件下能夠完全降解，短期內可降低傳統塑料地膜使用量，緩解塑料地膜造成的白色污染問題。但在光降解地膜研制以及實際應用過程中還存在一定問題：因降解條件的限制，被埋在土壤中或者被遮陰的部分地膜不能降解或降解緩慢，僅解決耕作表層中的殘膜；降解后微塑料的長期積累存在對大氣、水質和土壤等造成二次污染的風險；制備原料不足、制造成本高、降解時間不可控等因素制約了光降解地膜的實際推廣應用。光降解地膜的研究主要集中在20 世紀末到21 世紀初期，近年來，國內外在光降解地膜方面的研究較少。

2 生物降解地膜

生物降解是在自然條件下微生物將地膜分解成細小物質的過程，生物降解材料分為合成型降解材料和天然高分子降解材料。合成型生物降解地膜有化學合成型和微生物合成型兩種，是使用人工合成高分子進行制備的可降解產品，目前已研發出多種產品。天然高分子型可降解材料資源豐富且可再生，在生物可降解地膜的研究中以對淀粉、纖維素的研究最為廣泛。幾種常見可降解材料的制備方法及特點如表1～3所示。

2.1 合成型生物降解地膜

可降解材料雖豐富多樣，但并非都適用于生物降解地膜的制備。在化學合成型可降解材料方面，何和智等［36］基于原位反應增容原理制備了一種可生物降解的聚乳酸/聚己內酯（polylactic acid/polycaprolactone，PLA/PCL）共混材料，通過研究不同配比制備出了增韌性良好的可降解材料，可作為地膜制備的原材料。管彤暉等［37］研究了以聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯［poly（butyleneadipate-co-terephthalate），PBAT］為主要原料的全生物降解地膜在實地埋土降解試驗過程中的降解行為，對其降解過程中的各項指標進行了分析，結果表明該材料在埋土試驗中降解性良好。在使用微生物合成可降解材料方面，尹凌鵬等［38］利用可降解高分子材料PLA 和PBS，在其中添加紫外線吸收劑UV-928及受阻胺光穩定劑HS-944制備PLA/PBS生物降解復合材料，通過研究材料復合比例及雙螺桿混煉工藝參數對材料性能的影響，對所制備材料進行了光敏波長、光穩定性、拉伸性能等指標的測定，并通過模擬老化測試分析其在戶外照明條件下的使用壽命，探究降解周期，結果表明，紫外線吸收劑及受阻胺光穩定劑能顯著提升PLA/PBS 生物降解復合材料耐候性及光穩定性，為可降解農用地膜的研制提供了可靠依據。

國外對生物降解材料的研究已經比較成熟。Ecochem、Cargill 和Boechringer 等公司生產的聚乳酸（PLA）以及聯合碳化物公司的聚己內酯（PCL）、卜內門公司的聚羥基丁、戊酸酯［poly（3-hydroxybutyrate-cohydroxyvaletrte), PHBV］等是利用發酵和化學方法制備的可生物降解材料，可用作降解地膜的生產基材［19］。這類產品雖生物降解性能良好，但價格昂貴，推廣困難，不宜作為農用地膜的制備材料。前人對各種生物降解材料的降解性能及應用做了較多研究，例如Sintim 等［39］通過評估四種可生物降解塑料覆蓋物對兩個地點（田納西州諾克斯維爾和華盛頓州弗農山）土壤健康的影響，發現部分材料對六種土壤性質、四種土壤健康指標和一種土壤功能的影響顯著，但能否成為傳統地膜的替代品還需進一步深入研究。Barragn 等［40］對五種可能可生物降解的地膜（玉米熱塑性淀粉-共聚酯、谷物粉-共聚酯、聚乳酸-共聚酯、聚羥基丁酸酯和馬鈴薯熱塑性淀粉-共聚酯）進行了測試，以評估其在土壤中的降解情況，結果表明，可生物降解的塑料覆蓋物可能是聚乙烯的可行替代品，但需要在長期研究下進行評估，以更好地確定其對土壤健康的影響。Moreno 等［41］采用聚乙烯膜和生物降解膜在西班牙中部地區對番茄進行覆蓋，分析了不同覆蓋膜對番茄產量和果實品質的影響。Rillig 等［42］利用前人對原生生物類群吞噬作用研究的數據，研究分析微塑性顆粒對土壤原生生物群落和功能的長期影響。隨著技術的不斷改進，可生物降解材料的研究及其在農業上的應用不斷擴大。

表2 微生物合成型可降解材料的制備方法及其特點Table 2 Preparation methods and characteristics of microbial synthetic degradable materials

表3 天然高分子型可降解材料的制備方法及其特點Table 3 Preparation methods and characteristics of natural polymer type degradable material

2.2 天然高分子生物降解地膜

天然高分子生物降解地膜制備的原材料主要包括動植物的蛋白質、纖維素、木質素、淀粉、甲殼素/殼聚糖等多糖以及天然橡膠等［34］。其中淀粉和纖維素在農用地膜研究上的應用最為廣泛，淀粉作為可降解材料的研究受到廣大研究者的熱切關注，根據淀粉的特點，在以淀粉為原料進行地膜制備時需對淀粉進行酯化、醚化或使其與其他高分子結合等化學或物理改性處理［35］。

早在21世紀初期，滕立軍等［43］以淀粉-聚乙烯生物降解膜和通用塑料膜PE、流延聚丙烯薄膜（cast polypropylene，CPP）為試驗材料，對其物理性能、力學性能進行了研究，結果表明，試驗所用降解材料在20～30 d內的降解率大于20%；吸水率、滲透性高于通用薄膜聚丙烯（polypropylene，PP）、CPP；力學性能指標能滿足使用要求。李金海等［44］采用流延法，以富含碳源和羥基而易于降解的淀粉與聚乙烯醇等為原料制備出馬鈴薯淀粉基可降解地膜材料，測試結果表明其保溫、保墑及降解性能良好，土埋法測得其在60 d的降解率接近60%。總的來說，國內生物降解地膜發展較快，技術逐漸成熟，為新型降解地膜的研制提供了理論和技術保障。

國外在生物降解地膜上的研究技術比較成熟，在以淀粉為原料制備可降解產品方面的研究較為豐富，淀粉基可降解材料被廣泛使用的關鍵問題是解決淀粉的溶水性，為提升淀粉基可降解材料的 阻水性和強度，國外學者進行了淀粉與其他塑料的混合試驗［45-46］。此外，通過淀粉與疏水單體共聚的方法消除羥基，可維持淀粉基可降解材料的穩定性。但穩定性上升的同時，也會帶來可降解性下降的問題［47］。美國NOVON PRODUCTS DIV 公司以熱塑性淀粉為原料生產的NOVON 全降解塑料［48］，日本玉米淀粉公司生產的淀粉基聚合物［49］，德國巴特爾研究所由改性淀粉和質量分數10%其他天然資源系添加劑共混制成的生物降解塑料［50］在降解性、力學性能、膜的質量等方面都有一定的提升。雖然淀粉地膜成本低，但機械性能較差。近年來，隨著技術的不斷提升，全淀粉降解材料的開發已經成為更多企業的發展目標，其中以意大利NOVAMONT 公司［51］為代表，已實現全淀粉降解材料產業化生產。

綜上所述，生物降解地膜原材料因豐富多樣、發展前景可觀、研發空間大等優勢而受到研究者的廣泛關注，近年來，生物降解地膜在農業領域的應用逐漸擴大，應用效果良好，能夠緩解地膜污染問題，有望帶來巨大的環境效益、社會效益和經濟效益，但同時也存在力學性能差、耐水性差、使用周期短、產能低、生產成本普遍偏高等不足，限制了其代替傳統地膜在農業種植上的大面積推廣應用。在生物可降解地膜的研發過程中，主要是通過對材料改性以及共混來制備不同可降解材料。理論上地膜降解后會在土壤中留下一定的微塑料，已有研究表明，微塑料對土壤中的微生物等具有一定影響［52］，但影響領域和程度目前鮮有報道，可能將成為新的環境污染源。作為目前研究比較成熟的可降解產品，生物降解地膜在農業上被大面積推廣，解決地膜產能和生產成本問題是生物降解地膜代替傳統地膜的關鍵所在。

3 光/生物雙降解地膜

光/生物降解地膜又稱雙降解地膜，主要結合了光降解地膜與生物降解地膜的降解機理，利用淀粉等可被微生物分解的物質與聚乙烯、合成樹脂等共混制成［53］。根據光降解材料與生物降解材料存在的特點，在兩種降解材料的基礎上進行優勢互補，研制出光/生物雙降解材料，并以其為原料制備的新型地膜可以同時發生光降解和生物降解，理論上光/生物降解地膜能夠滿足完全降解的基本要求［54］。

20 世紀90 年代以來，國內在光/生物降解地膜方面的研究較多，且研究進展較快，目前技術比較成熟，已有多種產品進行大田試驗。20 世紀末，“潔境”牌雙降解地膜作為高新科技產品由北京塑料研究所推出［55］，該產品未添加淀粉，而是利用微生物活性化合物作為生物降解體系并以含鐵有機化合物為光敏體系，來調控地膜的降解周期。21 世紀初期，Ding 等［56］利用傳統的塑料加工設備制得以玉米淀粉（質量分數約30%）、低密度聚乙烯和線型低密度聚乙烯為主要原料的光/生物降解塑料薄膜（厚度約20 μm），該材料力學性能、降解性能良好。劉再滿等［57］研究了質量分數為35%的淀粉光/生物降解聚乙烯薄膜的光降解性能、產物結構及降解機理，分析了光敏劑種類和用量對地膜降解速率的影響，發現光敏劑質量分數為0.2%～0.3%時制得的光/生物降解薄膜光降解性能較好。齊宇虹等［58］研究了由光敏劑硬脂酸鐵和抗氧劑1076 組成的光/生物雙降解聚乙烯薄膜各項指標的變化規律，以及硬脂酸鐵和抗氧劑對地膜相關指標和降解性能的影響。2016 年中旬，周濤等［59］通過填埋試驗和老化箱試驗分別研究了光氧生物雙降解地膜的生物降解性能和紫外線降解性能，探究了地膜在填埋前后的特性黏數和力學性能變化，結果表明地膜在充足光照條件下的降解能力更優。

國外對于光/生物雙降解地膜開展相關研究的時間較早，已初見成效的技術有加拿大ST淀粉公司與瑞士ROXO 公司合作開發的Ecostar 金屬有機化合物復合母粒Ecostarplus，它兼具光降解和生物降解的雙重特性，比E-costar 的降解速度快了近5 倍［60］。1988 年，英國GRIFFIN 公司推出了以低密度聚乙烯、淀粉、增塑劑、光化學降解劑為材料的光/生物雙降解地膜產品，美國、加拿大的幾家公司先后按此專利開始投入工業化生產，主要代表產品為淀粉型光/生物降解地膜［61］。但近年來關于光/生物雙降解地膜的研究鮮有報道。

光/生物降解地膜降解效果較好，可被降解成小顆粒，短期內對作物生長及微生物沒有明顯的負面影響［62］。但生產成本偏高，成本問題是光/生物降解地膜推廣的主要障礙，且降解條件抑制了其在農業生產上的推廣應用。理論上，隨著光/生物降解地膜使用時間的延長，土壤中微塑料顆粒將逐漸增加且難以清除，可能帶來微塑料二次污染，不利于農業的可持續發展。因此，光/生物雙降解地膜對土壤生態和作物生長的影響有待進一步深入研究。受降解條件以及生產成本的制約，近年來對光/生物雙降解地膜的研制轉向氧化-生物雙降解地膜。

4 液態地膜

液態地膜起源于19 世紀中后期，是以農作物秸稈為原料，由木質素、膠原蛋白、表面活性劑等天然高分子物質經特殊加工而形成的高分子材料。液態地膜原料豐富，最早使用石油渣油或瀝青為原料［63］，后續又研究出以生物質、腐植酸和造紙黑液［64］、釀酒廢液、淀粉廢液等有機質為原料的液態地膜，并發明了腐植酸可降解褐色地膜粉體化技術［65］，近年來，以畜禽糞便為原料的液態地膜也有報道［66］，其降解產物仍可作為肥料還田，改善土壤結構，促進作物生長。

我國液態地膜的研究工作起步較晚，1986 年，中國農業科學院土壤肥料研究所根據比利時瀝青乳化劑的相關研究路線，首次研制了我國的農用液態地膜［67］。但因當時研究技術不夠成熟，在國內環境適應性較差，以及價格昂貴、運輸不便等原因，未能進行大面積的推廣。1998 年，中國農業科學院土壤肥料研究所聯合國內北京燕山石化公司研究院等研究機構，研發出我國第一代液態地膜［68］。之后隨著材料科學的發展以及人們對環境問題的關注，在液態地膜的研究方面出現了較多研究團隊，以乳化瀝青、大分子有機物腐植酸、褐煤以及各種工業廢液為原料，通過添加交聯劑、成膜劑、保水劑等添加劑以及硅肥、微量元素、除草劑等進行了多功能可降解液態地膜的研究，到目前為止已有五代液態地膜研制成功［69］。經查閱相關文獻統計，在液態地膜研究方面，2001—2014 年期間液態地膜的發明專利有20 多項［67］，其材料多樣，主要以泥炭、風化煤及制造的腐植酸為主。近年來，液態地膜產品較多［70-72］，以畜禽糞便［73］、沼渣［74］、蒙旦蠟樹脂［75］等為原料的新型產品也有報道，這些液態地膜在功能以及性能上都有很大提升。

2020 年，嚴國富等［76］通過從褐藻（馬尾藻）中提取海藻多糖，添加保水劑，加入一定量的甲殼胺等研制出了海藻生物保水液態地膜，并對其保水性能進行研究，結果表明，海藻生物保水液態地膜成膜性好，具有一定韌性，透光率強，能夠減少水分蒸發和蒸騰。楊娜［77］針對城市綠地緊實、結構差、保水保肥性能差等問題，研究江蘇省連云港市金河液態地膜廠生產的液態地膜對土壤物理、化學性質及植株生長量（以孔雀草為供試材料）的影響，結果表明，施用該液態地膜能夠較好地改良土壤物理和營養性質，促進植株生長。近期，隋振全等［78］采用溶液共混法以殼聚糖和聚乙烯醇為原料制備了一種新型可降解液態地膜，通過研究兩種材料的質量比對共混干膜的力學性能、水蒸氣透過率和水溶性的影響規律，得出了綜合性能較好的原料配比參數，即濃度為1.0%殼聚糖溶液和濃度為4.0%聚乙烯醇溶液的質量比（mA∶mB）為8∶2 時干膜的綜合性能較好，試驗證明該液態地膜對提升土壤含水率、蔬菜種子發芽率及大棚番茄生長發育具有積極影響。

1963 年，比利時開發了瀝青乳化劑，研究發現該產品施入土壤后能將分散的土壤顆粒迅速凝聚成土壤團粒結構，具有增溫保墑、改良土壤的作用［67］。1990 年，意大利研發了一種天然高分子材料的新型噴灑式液體地膜，20 世紀末，德國、意大利、瑞典等國將該產品在番茄、蘆筍、草莓、馬鈴薯等作物種植上進行了試驗，效果顯著［79］。21 世紀以來，隨著技術的不斷改進，研究人員對液態地膜進行改良得到了成本相對較低、質量更穩定的產品［67］。Warnick 等［80］以報紙、石膏、廢棉紗為主要原料制備了一種可降解液體地膜，并在美國佛羅里達州進行田間試驗，研究表明該產品能有效抑制雜草生長。Montesano 等［81］以羧甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素兩種纖維素衍生物為原料，制備了一種適用于短周期作物的新產品，并以黃瓜為試驗對象進行了田間試驗，研究表明該產品降解周期短，且促進瓜果蔬菜等作物生長的效果顯著。Sartore 等［82］以皮革廢液中的蛋白質水解產物為主要原料制備了可降解液態地膜，田間試驗研究表明，該產品促進了生菜干物質的積累，經檢測，蔬菜收獲60 d 后，土壤中殘留的液體地膜質量僅為初始質量的5%。可見，液態地膜對農業種植具有一定的促進作用，可針對不同時期、不同種類的農作物進行推廣［83］。

綜上所述，液態地膜原材料以農業廢棄物、工業廢棄物為主，可直接噴灑在地里面，也可用水將其稀釋、溶解成液體后再噴灑在地里面，待凝固后會在土地表面形成一層薄膜，并在一定時間內自然降解，降解后的產物短期內對環境無明顯影響，有改善土壤結構的功效，解決環境污染的同時可進行廢棄物的資源化利用，對于農業可持續發展具有積極作用，但在研究以及使用過程中存在以下不足之處：液態地膜噴施后與土粒粘連的同時，對噴射設備也具有粘連作用，會導致噴頭堵塞等問題［84］；液態地膜儲存、運輸不便，環境適應性較差，施用時受環境影響較大；施用過程中不易均勻噴施在土壤表面，不能形成完全密閉的膜層，施用者過量噴施會造成出苗困難、成本增加、降解周期變長等問題；石油瀝青不可再生，瀝青及其所含蒽、菲、吡啶等均是有毒物質，會對土壤造成污染，而污染物阻止外界降水進入土壤，降低土壤的滲透性［85］。故在噴施設備、液態膜材料和添加劑方面還需要進一步的深入研究，以盡可能降低生產成本、提升性能，提高環境適應性。

5 植物纖維地膜

隨著農用地膜制備技術的不斷發展，20世紀90年代出現了以植物纖維為主要原料的農用地膜——植物纖維地膜。植物纖維地膜是以玉米、水稻、小麥、大豆、棉花等多種農作物秸稈以及各種牧草、廢舊織物纖維、廢棄藥渣、廢舊紙漿等為主要原材料制成的可降解纖維地膜，應用于農業領域可促進農業的綠色發展。纖維素因具有可生物降解性和環保性等特性，是纖維地膜制備的首選材料，使用不同纖維材料制備的地膜在性能上存在巨大差異［86］。

纖維品質對地膜性能起決定性作用，原材料的前期處理和地膜的后期處理都會改變地膜的性能，不同的材料和處理方式決定產品生產成本，在植物纖維地膜的研究中，以廢舊紙漿、農作物秸稈、麻類纖維、中草藥渣、廢舊棉織物等為地膜生產原料的較多。其中紙基地膜是以廢舊紙漿、造紙所用材料（玉米、大豆、水稻、小麥等農作物秸稈）等為主原料，并通過添加適量的輔料和濕強劑、透明劑等助劑以改善紙地膜的紙張性能［87］。隨著地膜制備技術的不斷改進，紙地膜產品不斷創新且性能不斷優化，為后續纖維地膜的研究提供了技術與理論支撐。

麻類纖維地膜自上世紀末開始研究以來一直受到很大關注，在21 世紀初期麻纖維地膜迅速發展，成果顯著，產品優質。周文春［88］研究比較了濕法造紙、干法造紙以及常規造紙等不同制備工藝對麻纖維地膜性能的影響，表明采用濕法造紙生產麻纖維地膜較優，提出了地膜定量、強度、生產成本等技術與經濟指標，為后續纖維地膜的研究以及產業化發展奠定了基礎。解決好品質和成本之間的矛盾是纖維地膜大規模發展的關鍵所在。付登強［89］研究表明，麻纖維地膜具有良好的集雨、節水效應以及溫和的保溫效應，可減輕低溫、干旱對作物的影響，促進作物生長發育，提高產量和品質。宋建龍［90］研究表明麻纖維地膜降解周期短（6～7個月完全降解），降解后可促進土壤微生物數量的增加，改善土壤環境，進而促進作物生長。

隨著技術的不斷進步，植物纖維地膜受到更多研究者的關注，以玉米、大豆、水稻、小麥等農作物秸稈以及廢舊棉纖維為材料制備的地膜新產品迅速發展［91-92］。近年來，前人開展了以水稻、玉米、小麥、大豆等多種農作物秸稈為原材料的可降解纖維地膜研究，結果表明，不同材料的地膜性能差異較大，可通過不同材料混合制備來提高地膜性能，通過添加一定的助劑能改善地膜降解周期、疏水、透氣、透光等性能，且效果良好［67，93-96］。同時，陳星智［97］針對蔗渣特性、污染問題，采用機械法打漿，高溫蒸煮和半化學半機械法進行預試驗，分析不同濃度NaOH 對蔗渣各組成成分的影響，蒸煮打漿并抄制地膜，測定膜的相應力學性能指標，通過建模以及參數優化，制造出了降解性能良好且材料新穎的蔗渣基可降解地膜。王溦［98］則以藥渣為主要原料，通過添加防腐劑等助劑，同樣制造出新型的可降解地膜，且性能良好。綜上，在纖維地膜的研究中，原材料極為豐富且為綠色環保可再生資源，具有巨大的發展空間，有望代替傳統塑料地膜，成為新一代的農業生產資料。

國外對地膜的研究和應用相對較早，其中日本是較早研究可降解農用地膜的國家之一。日本在紙地膜方面的研究較多，研制出了不同用途的紙基地膜產品，但因研究初期價格較高而未在農業上得到廣泛應用。日本三井化學株式會社研究的無紡布地膜（表4）用于蔬菜種植后，防蟲害效果良好，進而大大減少了農藥的使用，使得蔬菜更加清潔，生產成本隨之降低，且使用周期長（3 年左右），普遍應用于胡蘿卜、洋蔥、土豆、甜玉米等蔬菜種植［99］。

表4 三井化學株式會社研究的無紡布地膜Table 4 Non-woven mulch researched by Mitsui Chemicals Co.

20 世紀末，Ueno 等［100］以回收的廢紙為材料研制出了紙基地膜，通過試驗發現其降解性能良好，降解周期較短（40～60 d），且能夠抑制雜草生長，但存在降解不均勻的現象。目前，許多紙類材料以及造紙所用的原材料已應用于紙地膜的制造，如牛皮紙、重型紙、蠟紙、瀝青浸潤紙、黑色紙、報紙等，牛皮紙性能較優，可直接作為地膜使用，又可做地膜原材料，是目前使用最多的一種紙地膜原材料。另外，因紙地膜原紙存在疏水性能差、機械強度小等缺點，可通過使用大豆油、石蠟、聚乙烯膜、可降解聚乙烯等涂層材料來處理紙地膜以改善其性能［101］。法國、德國、意大利、加拿大、荷蘭和韓國等國家對地膜的需求量日益增大，對于環保地膜的渴求強烈，從而帶動了國際環保地膜產業的迅速發展。目前，法國很多蔬菜和水果的種植采用無紡布地膜，國外正在進行全淀粉型地膜材料、淀粉與大麻纖維混合的降解地膜材料等的研制［102］。

我國秸稈資源豐富，但被重新回收利用的資源卻很少，導致資源浪費嚴重，若將秸稈資源用于地膜制備，不僅可減少普通塑料地膜的使用量以解決環境問題，還能促進農業廢棄原料的資源化利用。植物纖維能被土壤中的微生物分解，且分解產物可作為肥料還田，促進農作物生長，與液態地膜相比，更易于儲存和轉運，若能廣泛應用于農業領域，可在帶來經濟效益和環境效益的同時，促進農業的綠色發展。由原材料自身環保到纖維地膜產品環保性的轉變，為解決地膜污染問題提供了保障，纖維地膜有望成為代替傳統塑料地膜的新型產品。但是植物纖維地膜的研究還存在一定的不足：由于麻纖維的優質特性，大量用于農用地膜的制備，生產成本過高，在農業領域的大面積推廣應用必然受限；目前國內有塑料膜、紙和紙版的標準，但缺乏紙基地膜的標準；其他植物纖維地膜還處于研發階段，在力學性能、增溫保墑、降解性能等方面的研究還不成熟，因此需要更進一步的深入研究。

6 可降解地膜的應用

可降解地膜作為新型農業生產資料，廣泛應用于農業領域。早期光降解地膜的研究多應用于甘蔗、煙草等作物［103-104］。在地膜研發過程中，生物降解地膜更受關注，目前研究技術較為成熟、研究成果顯著、應用范圍廣，已被廣泛應用于糧食、瓜果蔬菜等多種作物［105-114］。總體來說，生物降解地膜覆蓋效果與傳統塑料地膜接近，且降解性良好，降解產物無污染，無需殘膜撿拾。光/生物雙降解地膜結合了光降解地膜與生物降解地膜的優點，在棉花［115-117］、玉米［118］等多種作物中進行了大田試驗，在保溫效果、地膜性能上與普通地膜類似，因具有降解性而使田間殘膜量減少，對于環境保護具有一定的效果，但作物增產效果不明顯。液態地膜也被廣泛應用于農業領域，不僅在玉米［119-121］、馬 鈴 薯［122-123］、花 生［124-126］、烤 煙［127］以 及 瓜 果 蔬菜［128-129］等作物中均有應用，在防治水土流失、植樹造林等方面也有應用［130］，實際應用情況表明，液態地膜可提高作物產量、改善土壤環境、防風固沙、防止水土流失［67］，但儲存和運輸不便，環境適應性較差。隨著技術的不斷發展進步，近年來對植物纖維地膜的研究逐漸受到關注，在水稻等作物栽培方面進行了應用［131-132］，但使用范圍小，應用較為匱乏。

五種可降解地膜中最成熟的生物降解地膜近幾年的應用情況如表5所示［133］。

表5 近幾年生物降解地膜應用情況Table 5 Application of biodegradable mulch in recent years

7 結論與展望

地膜覆蓋技術作為農業領域的一項重要栽培方式，促進了農業快速發展，特別在干旱區由于地膜的保溫、保墑、集雨、除雜草等優點使得作物增產增收效果明顯，是農業發展不可或缺的一種生產資料。本研究對五種常見可降解地膜的研究進展、地膜應用情況以及地膜污染問題進行了總結，總體上，由于可降解地膜普遍生產成本高，力學性能、物理性能、環保性等方面還存在一些問題，因此，在農業領域的大面積推廣應用受限。

近年來，對植物纖維地膜的研究受到廣泛關注。植物纖維地膜原材料豐富、可再生、綠色環保，產品可降解、無污染，且降解后可直接還田，改善土壤生態環境，既能提高秸稈廢棄物等的資源化利用，又可促進農業的綠色可持續發展，為人民帶來良好的經濟、生態、社會效益。但植物纖維地膜力學性能、增溫保墑、降解性能等方面的研究不夠成熟，基于目前研發現狀與應用實踐情況，可從以下幾方面進一步深入研究：

第一、基于不同種類植物纖維的形態結構和物理特征，在材料預處理過程中避免產生污染環境的廢棄物；

第二、使用不同纖維制備地膜時，在滿足使用強度要求的前提下盡量降低紙張克重；

第三、以保護生態環境為準則，優化植物纖維地膜后處理工藝，提高其疏水、透氣、透光等性能；

第四、以農業機械化為目的，提升地膜的機械強度，以適應實際的機械作業生產相匹配的機械設備，提高農業機械化的進程；

第五、針對使用環境、土壤特點，不同作物生長特性以及地膜的使用季，針對性研究不同作物秸稈纖維的特性，將其獨特性用于不同功能地膜的研究，以提升植物纖維地膜的適應性；

第六、加快推進纖維地膜原料預處理方式、制備技術、應用實踐，形成一套完善的生產應用流程；

第七、繼續拓展各類植物纖維在地膜上的應用研究。