可降解地膜分類與研發應用現狀

關鍵詞：地膜；降解材料；生物降解；應用進展

地膜具有保溫、保墑、防蟲、防病、抑制雜草生長等作用，可改善作物生長環境、提高作物產量及農業效益，因此得到了廣泛的推廣和應用。我國地膜使用量與覆蓋面積均占世界的70%左右，使用地膜覆蓋技術增加的直接經濟效益為1200億～1400億元-a-1，為糧食安全、蔬菜周年供應、耕地高值利用等作出了巨大的貢獻。然而，傳統聚烯烴類地膜短期內不降解、難回收、難利用，易造成“白色污染”，給農業可持續發展帶來安全隱患。使用生物降解地膜是替代傳統聚烯烴地膜、推動地膜污染治理的重要路徑之一，生物降解地膜除了具有保溫、保墑、防草、防病蟲害等功能外，還具有環保、無污染、減少回收用工等優點，因此在可持續發展農業中具有廣闊的應用前景。本文簡述了降解地膜的分類與發展歷程，總結了不同降解地膜的優缺點以及存在的問題，并對其規?；瘧们熬斑M行了分析，同時給出了推廣應用的相關建議。

1降解塑料研發應用現狀

1.1概念與分類

降解塑料指在規定環境條件下，經過一段時間和包含一個或更多步驟，導致材料化學結構的顯著變化而損失某些性能（如完整性、分子質量、結構或機械強度）和／或發生破碎的塑料。降解塑料通常劃分為兩類，即崩解型塑料和生物降解塑料。

1.1.1崩解型塑料

崩解型塑料均以傳統塑料作為加工原材料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯，通過添加含重金屬類等催化劑促使聚合物分子鏈斷裂的一類降解塑料（包括光降解塑料、熱氧降解塑料、光氧一生物雙降解塑料、氧化一生物降解塑料等）。雖其宣稱可完全降解塑料，但目前為止還未出現有公信力、可重復、可驗證的方法來證明其在短時間內可最終被降解成二氧化碳（C02）和水（H20）等。更為嚴重的是崩解產生的小碎塊會造成“微塑料”污染。從降解機理上也證明崩解型塑料是不可能完全降解的，例如PE在降解催化劑作用下發生自由基降解，造成分子鏈斷裂，但分子鏈斷裂到一定階段后，自由基的活性會猝滅，殘留的分子鏈段很難再發生降解，且仍具有較高分子量，從而會造成環境的二次污染。

1.1.2生物降解塑料

生物降解（生物分解）塑料指在自然界如土壤等條件下，或特定條件如堆肥化條件下或厭氧消化條件下或水性培養液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最終完全降解變成C02、甲烷（CH4）和H20及其所含元素的礦化無機鹽以及新的生物質的塑料。目前生物降解塑料根據原料來源可分為生物基和化石基兩類。

生物基生物降解塑料主要包括聚乳酸（PIA）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）、淀粉、纖維素等；化石基生物降解塑料包括二元酸二元醇共聚酯系列[聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚對苯二甲酸一己二酸丁二酯（PBAT）]、二氧化碳共聚物（PPC）、聚己內酯（PCL）、聚乙醇酸（PGA）等。

1.2降解塑料發展歷程和使用現狀

20世紀70年代末，全球開始研發降解塑料以試圖解決環境污染問題，一開始是以崩解型降解塑料為主，但到后期發現崩解型塑料降解不可控、很難在自然環境條件下完全降解。生產企業主要為加拿大EPI公司、美國Ampact公司、英國d2w公司和polyma-teria公司等。

20世紀90年代中后期開始，研究主流轉向生物降解塑料，歐洲生物塑料協會報告顯示，2023年全球生物塑料產能約為218萬t，其中生物可降解塑料占比為52.1，主要是PBAT、PBS及其共聚物、PLA、PPC、PHA、PCL、PGA等。目前，生物降解塑料已經被廣泛應用于包裝、紡織品、消費品、農業和園藝、涂料和膠黏劑等行業（圖1）。其中日本生物降解塑料的10%、歐洲的8%-10%用于生物降解地膜生產，目前日本和歐洲的降解地膜用量均超過4000t．南美用量超過2000t。歐、美、日等發達國家和地區相繼制訂和出臺了有關法規，宣布禁止和限制不易回收、易污染的一次性塑料產品，如歐盟《歐盟委員會關于減少某些塑料產品對環境影響的指令》（EU2019/904）、《1994年歐盟委員會關于包裝和包裝廢棄物指令》（94/62/EC）、2018年西雅圖“限塑”新規，通過局部禁用、限用、強制收集以及收取污染稅等措施限制不可降解塑料的使用，大力發展塑料回收產業和生物降解新材料，以保護環境。另外，歐盟經過充分研究和論證，已經從2021年起禁止生產和使用光氧降解等崩解型塑料及其制品。

地膜用生物降解塑料全球產能增長最快的是PBAT，中國、德國、韓國、泰國、意大利等為主要生產國家，目前中國的產能是143.3萬t（卓越資訊PBAT市場分析報告）。PBS及其共聚物的主要生產國為日本、泰國、韓國等，日本以其為主體生產生物降解地膜。PLA的主要生產國為中國、美國、日本、泰國、韓國等，其全球產量約為67萬t，可作為生物降解地膜添加料與PBAT改性使用。PHA全球產能約10.5萬t，可用作生物降解地膜原料，中國、美國、巴西等是主要生產國。PPC最早由日本開發，在國外未形成大規模產業化生產，作為生物降解地膜改性材料的部分成分。PCL的主要生產國為日本、德國、瑞典等，其生產企業均為百噸或千噸級，未見用于生物降解地膜。PGA的主要生產國為日本、美國，其多應用于油氣開采和生物醫療領域，少量用于生物降解地膜。

隨著塑料制品造成環境“白色污染”的問題越來越嚴重，我國吉林、海南等省市相繼出臺了相關政策，“禁塑令”開始實施，我國應用最廣泛的降解塑料是生物降解塑料，崩解型塑料只在黑龍江、新疆有一定的研究，未大面積推廣使用。雖然我國的生物降解塑料研發起步較晚，但在國家強力政策驅動和市場需求增速不斷升高下，我國生物降解塑料產能增長明顯，已成為全球最大的生物降解塑料生產國，占世界產能的60%左右，國內已公開新建和擬建的可降解塑料項目以PBAT和PLA為主。PBAT是我國產能和產量最大的生物降解材料，很多研究院所和企業都在致力于PBAT產業化研究，據卓創資訊統計目前國內PBAT生產企業一共22家，經過多年研發，現已開發出低成本、高力學性能、高生物安全性的生物可降解PBAT，且擁有自主知識產權的PBAT生產工藝包以及成套生產及應用專利技術。國內PLA主要由中國科學院長春應用化學研究所、同濟大學、南京大學等高校與企業合作開發，合成技術日趨成熟，PLA產業已經進入快速發展階段，國內浙江海正、吉林中糧、安徽豐原產能較大。

1.3存在問題

生物降解塑料具有環保、可持續等優勢，在自然不會對環境產生不利影響，可用于日用塑料、農資、包裝制品等領域，能夠消減“白色污染”；因具有良好的生物相容性，生物降解塑料還可用于生物醫用材料等。但與傳統塑料相比，生物降解塑料仍面臨諸多挑戰。一是價格較高，生物降解塑料的生產成本較傳統塑料高40%-200%，要廣泛普及，必須通過技術創新和規?；a進一步降低成本。二是可用于地膜生產的品種少，雖然生物降解塑料種類多樣，但目前市場上可用于地膜生產的生物降解塑料品種相對有限，并且每種材料的物理性質和用途各有特點，特別是在特定應用場景下的功能性和耐用性方面不能完全替代傳統塑料。三是降解可控性亟需提高，生物降解塑料的降解速率受許多因素影響，如光照、溫度、濕度、微生物活動和環境pH值等，其降解過程可控性差。四是綜合性能亟待提升，如機械性能、耐候性、保水性、氣體阻隔性等尚存在不足，這也限制了其在更多領域的應用。另外生物降解塑料開發應用的支持政策待細化、應用示范需加強。

2國內降解地膜研發應用現狀

2.1概念與分類

國內降解地膜的發展歷程和國際上相似，也是經過了從崩解型降解塑料地膜發展到生物降解地膜的歷程。

2.1.1崩解型降解塑料地膜

崩解型降解塑料地膜主要包括光氧降解地膜及光生物雙降解地膜。光氧降解地膜和光生物雙降解地膜是在光照條件下易老化崩解的塑料地膜，通過在PE等聚合物中添加定量的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，引起光氧化反應使地膜中的PE部分分子鏈斷裂，從而使得地膜脆化、分裂，進而崩解。這類地膜由于主要成分為PE，不能生物降解，崩解過程中產生微塑料，因此不是真正意義上的環境友好地膜。我國先后有幾十家企業生產光氧降解地膜，但由于其不能完全降解，特別是埋土部分難降解，2015年后生產光氧降解地膜的企業逐年減少，基本停止生產。2022年唯一的地方標準《氧化一生物雙降解生態地膜》（DB37IT 2446-2013）被廢止。

2.1.2全生物降解地膜

全生物降解地膜是指在自然條件如土壤等條件下，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最終完全降解變成C02或CH4和H20及其所含元素的礦化無機鹽。目前生物降解地膜的主體是PBAT基地膜，是由生物降解材料PBAT、PLA、PPC等改性加工后吹制成的地膜。紫外光照、溫度和濕度易促使PBAT基地膜發生脆化和開裂失效?？山到饩酆衔锏姆肿又械囊恍┕倌軋F（酯基、雙鍵等）在紫外線照射后容易發生分子鍵破裂，產生高活性的自由基，這些自由基很容易與氧反應，產生羰基或羥基酸。PBAT分子酯鍵中的羰基會吸收紫外線輻射能量，并通過Norrish I和／或NorrishⅡ反應引起斷鏈，并且在通過Norrish I形成自由基后與氧反應發生光氧化過程，導致地膜機械性能的損失，最終導致地膜變脆提前開裂。溫度通常被用作加速因子，以促進聚合物在更短的時間內降解，溫度升高常會引起高分子鏈的基團脫落或者熱降解，較低的溫度會降低聚合物的分解速率。生物可降解地膜的主要材料是高聚物或者各類聚酯等縮水聚合物，當暴露在有水分的環境中，這些聚合物容易吸收水分發生水解反應，造成分子鏈斷裂，致使地膜機械性能下降，最終導致地膜開裂降解?；粽急蟮妊芯堪l現PBAT生物降解地膜在農田土壤環境中降解30d時薄膜保持完整形狀，60d時薄膜變脆并破碎成碎片，90d時薄膜崩解成較小碎片，在降解過程中，前60d羰基指數下降程度隨時間延長呈上升趨勢，后30d趨于平緩，這與農田土壤環境溫、濕度等因素有關，溫度的降低、土壤含水量的下降導致地膜降解速率減慢、羰基指數下降趨勢變得平緩。另一類為植物纖維地膜，其是以天然植物纖維（包括棉麻廢舊纖維，玉米、水稻、小麥等多種作物秸稈等）為主要原材料，添加淀粉等環保型聚合物及助劑，通過無紡工藝或造紙工藝制備而成的農用纖維地膜。植物纖維地膜進入土壤后可被土壤中的微生物分解，從而產生理化降解和生物降解，其在自然環境中能在較短的時間內得到降解，但降解速率受環境條件影響較明顯，因此在實際使用中需要充分考慮土壤環境條件。

全生物降解地膜和光氧崩解型可降解地膜的對比如表1所示。

2.2研究現狀

自20世紀80年代開始，在國家基金委、科技部等部委支持下，我國開展了多項有關光降解／氧化降解塑料制品的研究和開發工作，自“十二五”開始支持全生物降解地膜的開發以來，我國降解地膜的知識產權、研究和生產應用處于快速上升時期。

2.2.1生物降解地膜技術優勢

目前，與美歐日相比，我國在生物降解地膜的研究與應用方面已形成優勢。在生物降解地膜用降解材料領域，中國科學院長春應用化學研究所、清華大學、中山大學、同濟大學、四川大學、浙江大學等團隊分別研發出PLA、PBAT、PPC、PHA等生物降解材料合成技術。在生物降解地膜配方設計與加工工藝領域，山東農業大學、江蘇省農業科學院、中國農業科學院麻類研究所等團隊針對生物降解地膜強度差、成本高等瓶頸問題和應用需求，開展了功能性疊加助劑、吹膜改性料、超薄加工等技術研發與產品創制；在PBAT中創新引入具有天然抗紫外特性的小麥秸稈形成復合生物降解地膜，通過調控抗紫外老化與水汽阻隔性能，開發了與水稻、甘薯等作物生產需求適配的生物降解地膜配方與制備工藝；利用麻等天然植物纖維為原料研制出生物降解麻地膜系列產品，并開發了配套的專用生產裝備。金發科技、藍山屯河、上海弘睿、甘肅鑫銀環、山東清田、濟南新三塑業、山東天野等企業在生物降解地膜改性料方面也取得了重要進展。在降解作物覆蓋應用領域，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所、山東農業大學、甘肅省農業科學院等團隊集成的水稻旱直播全生物降解地膜覆蓋節水增效技術入選了農業農村部2022年糧油生產主推技術；采用田間試驗和室內加速老化試驗分析地膜在自然環境和特殊環境下的老化行為，建立了地膜的環境老化評價指標體系和使用壽命預測模型，厚度6-8um的生物降解透明地膜在山東、河北、湖北等地區的馬鈴薯、大蒜等作物上應用效果較好，降解期為2-7個月，并制定了5種作物覆膜技術規程地方標準，研發的生物降解地膜替代技術入選2021年和2023年度山東省農業主推技術；開展了生物降解地膜替代傳統PE地膜適宜區域研究工作，在張掖、酒泉、武威、新疆、寧夏、內蒙古等地均建立了生物降解地膜試驗示范基地。在地膜的生態安全性評價領域，北京工商大學、山東農業大學、中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所等團隊研究了PBAT生物降解地膜的老化機理，并對目前生物降解塑料的應用及性能評價方法進行了綜述，明確生物降解材料中的苯環可以被微生物降解；對生物降解地膜覆蓋的作物生長情況進行了10年的跟蹤監測，結果表明生物降解地膜對土壤環境無負面作用；首次研究制定了地膜殘留和微塑料研究方法與規范，明確了地膜污染分異特點和危害，建立了污染劃分等級。

2.2.2生物降解地膜政策法規

我國在地膜科學使用與回收方面總結形成了較為完善的管理政策法規，陸續出臺了多項政策鼓勵生物降解塑料的應用和推廣（表2）。2016年在《土壤污染防治行動計劃》中提出要研究制定可降解農膜標準；2018年在《中華人民共和國土壤污染防治法》中首次明確鼓勵和支持使用全生物降解地膜；2020年國家鼓勵研究開發、生產、銷售、使用在環境中可降解且無害的農用薄膜，在重點覆膜區域，結合農藝措施規?；茝V可降解地膜；2021年和2022年中央“一號文件”提出加強可降解農膜研發推廣，加大加厚地膜與全生物降解地膜推廣力度。

2.2.3生物降解地膜專利及標準成果狀況

以“降解地膜”在壹專利數據庫中國數據范圍的主題中進行匹配，檢索近30年（1993.01.01-2022.12.31）所有專利，檢索總記錄數730條，從2013年開始，降解地膜相關專利申請量呈現陜速增長態勢（圖2）。

現行國家標準《全生物降解農用地面覆蓋薄膜》（GB/T 35795-2017）為產品標準，規定了農業中使用的全生物降解地面覆蓋薄膜的要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存等。在要求中對寬度極限偏差、厚度及偏差、每卷凈質量極限偏差、外觀、拉伸負荷、斷裂標稱應變、直角撕裂負荷、水蒸氣透過量、重金屬含量、生物降解性能、人工氣候老化性能等指標進行了規范。地方標準主要為應用技術標準，如山東省DB37/T4183主要作物全生物降解農用地面覆蓋薄膜應用技術規程系列標準，內蒙古自治區DB15/T2525全生物降解地膜栽培技術規范系列標準，貴州省《全生物降解農用地面覆蓋薄膜煙草種植使用規程》（DB52/T 1676-2022），以及濮陽市《辣椒全生物降解地膜應用技術規程》（DB4109/T 033-2022）等，這些標準對相關術語和定義、薄膜選擇、覆膜栽培、田間管理、殘膜處理、地膜貯運等方面的技術要求進行了規定。

2.3生產應用狀況

2.3.1主要原料生產情況

目前國內用于生產生物降解地膜的原料以PBAT為主，配合PBS、PLA和PPC等樹脂和環保助劑，主要原料產能和廠家見表3。目前，PBAT產能達143.3萬t·a-1，以金發科技、藍山屯河、金暉兆隆、恒力石化等十幾家企業生產為主，價格由2021年的3萬元·t-1降至2023年的1.2萬元·t-1左右（圖3）。植物纖維地膜以大麻、棉花、各種牧草、廢舊織物纖維、廢棄藥渣、廢舊紙漿、農作物秸稈等植物纖維為主要原材料，原材料極為豐富。

2.3.2生物降解地膜生產情況

目前，我國是全球生物降解地膜產、銷、用最多的國家。2023年上半年我國生物降解地膜產銷量超萬噸及過千噸的生產企業共有7家，分別為上海弘睿生物科技有限公司、山東濟南新三塑業有限公司、河南省銀豐塑料有限公司、青島海益塑業有限責任公司、甘肅蘭州鑫銀環橡塑制品有限公司、云南科地塑膠有限公司和濟南天一塑料有限公司，產銷量最多的企業是上海弘睿生物科技有限公司，產銷量最高的省份是山東省。生物降解地膜主要原料PBAT的價格在1.20萬-1.35萬元·t-1，吹膜專用料在1.5萬-1.8萬元·t-1，不同規格地膜出廠價格在2.1萬-2.5萬元·t-1，市場零售價格在2.41萬-2.68萬元·t-1。按照以上出廠價和零售價，農戶使用地膜成本如表4所示。

植物纖維地膜中麻地膜目前全國產能在5萬t以上，其衍生出來的育秧膜在水稻、油菜育秧等方面推廣應用效果突出，投入小、產出高。但近年來麻纖維原料價格攀升，導致其生產成本升高，從而限制了其在地膜方面的應用。紙地膜及其他植物纖維地膜目前大多處于研發或推廣的初級階段，生產成本過高、抗風雨能力較差，以及水汽透過率高等是制約其應用的主要因素。

2.3.3生物降解地膜應用情況

生物降解地膜在國內開展了大面積試驗示范，據農業農村部“可降解地膜研發應用現狀及特點研究”調研組調研，2023年上半年，生物降解地膜示范推廣面積已超過10萬hm2，示范的作物主要為馬鈴薯、甘薯、芋頭、玉米、水稻、花生、向日葵、棉花、蔬菜（黃瓜、苦瓜、絲瓜、番茄、茄子、大蒜、辣椒、豆角、蕓豆、蘿卜、白菜、蘆筍等）、煙草、甜瓜、菠蘿等；示范應用面積最大的地區是內蒙古；生物降解地膜在中短生長周期農作物應用中較PE地膜普遍增產，在水稻等作物上應用黑色生物降解地膜防草和增產效果明顯，在地下塊莖類作物上也增產顯著，程萬莉等的研究表明，與PE地膜相比，河西灌區馬鈴薯覆蓋生物降解地膜的產量增加13.64%，賀鵬程等對比了不同生物可降解地膜對馬鈴薯產量的影響，結果顯示生物降解地膜較PE地膜增產幅度可達15.76%，

2.4存在問題

生物降解地膜對保障我國農產品安全供給以及保護生態環境作出了重大貢獻，然而，在實際推廣應用過程中，生物降解地膜還面臨著一系列挑戰和問題。

（1）適應性匹配研究不足。生物降解地膜的使用性能受多種因素影響，包括材料組分、應用環境條件等；不同區域、不同作物、不同季節對地膜的功能需求各異，例如保墑、保溫、透氣、抑草、驅蟲等。目前，缺少性能和功能精準匹配的作物專用生物降解地膜。

（2）低成本改性及性能調控技術有待提升。相比于傳統PE地膜，生物降解地膜的使用成本高1倍左右，同時生物降解地膜保墑、保溫、耐候等性能尚需提高，亟需研發高性能、低成本的生物降解材料及改性技術。

（3）全鏈條技術標準亟待完善。盡管我國已制定了全生物降解農用地面覆蓋薄膜的產品標準，但涵蓋生物降解地膜生產、銷售、使用、降解監測到殘余物處理的全鏈條技術標準體系仍有待完善。同時，區域和作物專用的生物降解地膜產品和應用技術標準尚缺乏。

（4）科學應用的認知度不高。生物降解地膜應用既從源頭解決了地膜污染，又可以減少地膜回收相關費用，但廣大農戶對生物降解地膜科學應用技術的認知和接受程度還有待提高。需進一步加強對生物降解地膜應用技術的培訓、宣傳和推廣。

（5）配套政策規章與管理措施仍不健全。國家層面已建立了鼓勵和支持生物降解地膜研發、生產和使用的相關政策法規，但地方配套法規和政策尚不健全，包括生態補貼、稅收優惠等激勵機制，以及嚴格的生物降解地膜質量管控和非標地膜的監管制度。

3對策建議

我國目前推廣使用生物降解地膜工作得到了社會的充分肯定，取得了重要階段性成果，但需要進一步完善政策規章制度、示范推廣體系，加大創新和示范支持力度，增強推廣培訓和宣傳力度，在現有試點省市的基礎上，擴大試點范圍，并采取以下相關措施：

（1）完善政策規章與管理措施

建議相關部門完善生物降解地膜支持政策、加強非標地膜的生產市場監管辦法，規范生物降解地膜的主要原料、相對生物分解率、厚度、拉伸性能、透光率、生態毒理試驗及田間使用等；建立定期檢查產品生產、田間應用、土壤健康等管理措施與工作機制；禁止光氧型降解地膜的使用與推廣；強化地膜科學使用任務資金與各地方覆膜作物需求的精準匹配；建立生物降解地膜生產許可證或者是準入制、出廠銷售使用臺賬制、政府推廣補貼資金招標專營制等管理措施，實行產品噴碼可追溯；規范國家財政項目資金使用，加強資金下達的時效性與考核監督，避免因資金到位不及時帶來額外成本和價格差異。

（2）加強生物降解地膜新質生產力投入

針對生物降解地膜產品與作物、季節、區域性的覆蓋需求匹配差等問題，優化配置資源，加強生物降解地膜專用料、低成本改性和加工創新技術研發攻關，配套研究生物降解地膜在不同區域、不同作物、不同季節的科學應用農藝技術措施，不斷延伸創新鏈、完善產業鏈；建立科學、有效的生物降解地膜應用的監測和評估體系，強化評價評估結果的科學應用；加強各級政府、企業對生物降解地膜科技研發與應用示范的投入力度，在地膜科學應用試點項目中按經費的一定比例支持地膜功能與農藝農機配套、區域應用技術等研究；引導企業自主投入相關技術研發與應用示范工作，形成生物降解地膜技術應用帶來的新質生產力。

（3）建立全鏈條技術標準與應用規程

完善生物降解地膜專用料國家標準、產品行業標準、應用地方標準，在地膜生產環節鼓勵引導企業制定產品企業標準，建立產品溯源體系，規范編制產品使用說明書；在包裝儲運環節，針對不同生物降解地膜的性能特點，制定相應的要求；在田間應用環節，建立不同區域、不同作物的地膜應用指導手冊和應用技術規程，指導生物降解地膜科學規范應用。

（4）增強科普與宣傳力度

多部門聯動，利用廣播電視、新媒體等，加大對生物降解地膜應用意義、技術的宣傳力度；各級農技推廣部門和研發生產單位聯動，編制地膜科學使用培訓教案與宣傳冊，積極開展種植企業、合作社、大戶與農民技術員應用降解地膜的培訓和經驗交流活動，提高相關人員對降解地膜的認知度和接受度。