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生物降解地膜在我國農業應用中的機遇和挑戰

文章来源 :旱作節水室 作者:Admin 發布時間: 2016-03-08

地膜是農業生産的重要物質資料之一,地膜覆蓋技術應用帶動了我國農業生産力的顯著提高和生産方式的改變。2014年全國地膜用量達到144.1萬噸,覆蓋面積超過3億畝,應用區域已從北方幹旱、半幹旱區域擴展到南方的高山、冷涼地區,覆蓋作物種類也從經濟作物擴大到大宗糧食作物。地膜覆蓋增溫保墒、防病抗蟲和抑制雜草等功能使作物增産20—50,對保障中國食物安全供給做出了重大貢獻。但同時,地膜覆蓋廣泛應用也帶來了一系列問題,如技術泛用和回收不利,地膜殘留導致的“白色汙染”等,生物降解地膜的研發已成爲塑料工業和農業發展的重要戰略方向。

一、生物降解地膜概念和主要成份

生物降解地膜是指在自然環境中通過微生物的作用而引起降解的一類塑料薄膜。日本生物降解塑料研究技術委員會將其定義爲“在自然界中通過微生物的作用可以分解成不會對環境産生惡劣影響的低分子化合物的高分子及其摻混物”。

根據主要原料可以分爲天然生物質爲原料的降解地膜和石油基爲原料的降解地膜。天然生物質如澱粉、纖維素、甲殼素等,通過對這些原料改性、再合成形成生物降解地膜的生産原料。澱粉作爲主要原料的地膜按照降解機理和破壞形式又可分爲澱粉添加型不完全生物降解地膜和以澱粉爲主要原料的完全生物降解地膜。添加型生物降解地膜是用PE塑料中添加具有生物降解特性的天然或合成聚合物等混合制成的原料,再添加相容劑、抗氧化劑和加工助劑等吹制而成,不屬于完全生物降解的地膜。以澱粉爲原料生産的完全生物降解地膜主要是通過發酵生産乳酸,乳酸經過再合成形成聚乳酸,以聚乳酸爲主要原料生産的地膜。另一類重要的天然物質是纖維,通過對纖維素醚化、酯化以及氧化成酸、醛和酮後可制成地膜,屬于完全生物降解的地膜。以石油基生産生物降解地膜的主要成份是二元酸二元醇共聚酯(PBS、PBAT等)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚己內酯(PCL)、聚羟基丁酸酯(PHB)、二氧化碳共聚物-聚碳酸亞丙酯(PPC)等。這些高分子物質在自然界中能夠很快分解和被微生物利用,最終降解産物爲二氧化碳和水。

二、生物降解地膜的研發與應用

生物降解地膜研發初期,澱粉添加型生物降解地膜一直研發的重點,從最初用6—20澱粉和聚合物烯烴共混制備地膜逐漸發展到由50澱粉和親水性聚合物共混制備地膜;目前是將澱粉進行改性,生産出能夠能被生物降解的塑料,然後生産地膜。該種地膜具有工藝簡單、成本低等優點。國內研發單位大部分生産添加型澱粉塑料,其産品中澱粉含量爲10—30。

20世紀80年代初,英國發現β羟基丁酸酯(PHB)提取和純化方法並制成薄膜,生産出最早的降解薄膜,但PHB抗沖擊強度和耐溶性較差,不能真正用于農業生産。我國的聚羟基烷酸酯(PHA)的研究始于20世紀80年代,上海有機所和天津大學采用化學法對PHB共聚物合成進行探索,也有人開始利用植物的葉子或根來生産PHBV,由于PHBV自身固有一些缺陷(脆性等),成本高和價格昂貴限制了作爲地膜的應用。目前開發的用于生物降解地膜生産的材料主要有澱粉進行發酵成乳酸,再聚合成完全生物降解的聚乳酸(PLA);由丁二酸和丁二醇聚合而成的聚丁二酸丁二醇酯(PBS);二氧化碳和環氧丙烷共聚生成的聚碳酸亞丙酯(PPC)以及由β-己內酯在催化劑作用下開環聚合生成的聚己內酯(PCL)等。

以天然纤维为原料生产生物降解地膜也一直是研究的热点,这类地膜虽然在增温保墒等功能方面不及普通PE地膜,但具有很好的透水透气性能,能通过改变颜色有效抑制杂草。国内多家单位开展了草纤维地膜、纸基地膜的研究和应用,如中国国际科技促进会研制出 CXW-1草纤维农用地膜;湖北枝城第一造纸厂、新疆和田地区农科中心等开发出纸地膜。中国农业科学院麻類研究所应用麻纤维研制出麻地膜,被大規模應用在水稻育秧和南方蔬菜種植方面。

在世界範圍內,歐洲和日本是生物降解材料、技術和生物降解地膜研發和應用最先進的國家和地區。隨著生物降解材料和加工工藝進步,生物降解地膜應用越來越廣泛,主要用于園藝和蔬菜生産方面。目前,日本和歐洲生物降解地膜在地膜市場的份額不斷上升,已達到了10左右,局部區域的應用比例更高,如日本四國地區蔬菜種植中生物降解地膜比例已超過20。

2010年以來,國外生物降解地膜材料研發生産大企業開始與中國有關科研和農業技術推廣部門合作,在西北的新疆、西南的雲南、華北的北京、河北,以及西北甘肅和內蒙古等對主要農作物,如棉花、玉米、煙草、馬鈴薯和蔬菜等進行了試驗和示範,覆蓋作物超過10個,面積超2萬畝。近年來,我國在生物降解地膜的研究和應用取得了長足進步,尤其通過二元酸二元醇共聚酯合成技術和設備的改進,PLA合成中關鍵催化劑技術的突破,已經形成具有自主知識産權的生物降解塑料生産的核心技術和工藝。在此基礎上,生物降解地膜生産配方和工藝也得到進一步改進和完善,已形成萬噸級的生物降解地膜生産能力,並在局部區域和典型作物上開展了試驗示範。

三、生物降解地膜存在的問題和挑戰

1、産品抗拉強度有待于進一步提高

生物降解地膜的機械強度不夠,無法進行規模化作業是生物降解地膜大規模應用的限制因子之一。由于基礎材料本身的特性,大多數生物降解地膜抗拉伸強度不夠,在一些以機械作業爲主的農區,無法進行機械化覆膜作業,這個問題在新疆尤爲突出。只有通過完善和改進地膜配方,提高地膜的抗拉伸強度,滿足農機作業要求,才能爲較大規模應用生物降解地膜創造條件。

2、降解可控性與農作物需求存在差異

地膜覆蓋的作用具有多方面,重點是增溫保墒和抑制雜草,爲了實現地膜的這些功能必須保證覆蓋的時間,否則就無法滿足作物對地膜覆蓋的功能要求。目前,大多數生物降解地膜破裂和降解可控性還存在問題,大量試驗結果顯示,現有的生物降解地膜産品破裂和降解過早,覆蓋時間遠低于作物地膜覆蓋安全期,導致其功能無法發揮。

3、增溫保墒性能需要進一步加強

大部分生物降解地膜的增温保墒功能与普通PE地膜相比还是存在一定的差异,10μm厚度生物降解地膜与8μm 厚的PE地膜覆盖的土壤温度存在显著不同,在没有作物冠层遮盖条件下,除11点到16点,二者的增温效果相同外,其余时间均是PE地膜覆盖土壤温度高于生物降解地膜覆盖的。利用模拟试验进行的水分保持试验结果也显示,生物降解地膜在保水性方面明显逊于PE地膜。

4、産品生産成本制約大規模應用

生物降解地膜的高成本是大規模推廣應用的另一個限制因素。一般情況下,生物降解地膜銷售價格是普通PE地膜3倍左右,這是地膜原材料屬性、厚度等多因素決定的。一方面需要通過原材料規模化生産、配方完善降解産品價格,另一方面,應綜合評價地膜使用成本,明確生物降解地膜與普通PE地膜的成本差異,促進降解地膜的規模化應用。據調查和計算,日本普通PE地膜應用的總成本包括地膜産品購買成本和回收處理成本,二者各占50,而生物降解地膜應用則無回收處理成本。在我國,由于勞動力相對便宜,加上大量普通PE地膜沒有進行回收和處理,則突顯生物降解地膜應用的高成本。隨著普通PE地膜回收處理必要性提高,地膜回收處理法律法規的完善,以及農村勞動力成本提高,普通PE地膜與生物降解地膜應用的綜合成本差異將會越來越小,生物降解地膜的應用將具有良好的前期。

四、主要結論與建議

生物降解地膜是解決地膜殘留汙染重要途徑之一,在農業生産中具極好效果,潛力巨大,但技術問題不少,屬于起步階段。目前需要加強生物降解地膜的原材料、配方和生産工藝的研究,提高産品質量和降低成本,尤其是要研發針對特定區域和特定作物的專用生物降解地膜産品,以滿足和適應農業生産多樣性的要求。在加強生物降解地膜産品研究的同時,應根據農業生産的需要和地膜産品的特性,做好配套農藝技術和措施的研究。通過改進農藝技術,使其能夠適合生物降解地膜産品的性能,從而實現生物降解地膜産品與農藝技術緊密結合,滿足農業生産的需求。

 

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