艾福轲， 雍 宬， 张 洋， 范小妮， 张浩睿， 焦映钢， 李亚猛， 张全国， 黄红英，3，李连豪， 张志萍

(1.河南农业大学/农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室，河南郑州 450002；2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014； 3.江苏省固体有机废弃物资源化利用协同创新中心，江苏南京 210014)

农用地膜覆盖具有提高地温、防害虫、抑制杂草、减轻土壤污染、减少耕地水土流失等作用[1-4]。应用农用地膜覆盖技术改变了作物生长环境，极大地促进了农业发展，为粮食生产以及食品安全提供了保障。20世纪中叶，日本科学家首次将聚乙烯塑料薄膜用于农用地膜栽培试验，证实了农用地膜可以有效促进作物生长并提高产量[5]。20世纪60年代末，意大利、苏联、美国等开始将地膜用于经济作物和农作物的栽培[6]。随着塑料加工技术的进步及其成本的降低，塑料薄膜作为地膜开始广泛应用于世界各国的农业生产。

传统的塑料农用地膜一般为高分子合成材料，广泛使用聚乙烯膜和聚氯乙烯膜，在土壤中极难自行分解，也不受微生物侵蚀，一般降解时间长达几百年[7-8]。地膜残留在土壤里，会使土壤透气性降低，增加农作物吸收水分和养分的难度，降低耕地质量，导致农作物减产[9]。残膜回收技术难度大、资金投入高，且回收再利用的收益并不理想。利用生物降解农用地膜替代传统农用地膜，是目前解决地膜污染的较佳途径。

1 生物降解农用地膜的种类

为提高农业生产效率，解决塑料制品带来的“白色污染”，自20世纪70年代起，国际上开始研发替代塑料制品的可环境降解的新型材料。随着经济和科技水平的提高，生物降解农用地膜越来越受科研人员的青睐[10]。生物降解农用地膜可分为直接利用型和间接利用型(图1)。

1.1 直接利用型

直接利用型农用地膜是指将活体植物或农业废弃物等覆盖于农田中，其中活体植物覆盖也被称为间种，即在同一块土地上种植2种及2种以上植物[11]。

1.1.1 活体植物农用地膜 活体植物农用地膜指覆盖作物与所需经济作物间种，在不影响经济作物生长的情况下，抑制杂草生长，防止土壤结构退化[12]。田丽杰等研究发现，平欧杂交榛子与黄花乌头间种，在活体地膜的作用下，对保存率、苗高、成品根质量、种子产量都有明显促进效果[13]。Tu等在柑橘园铺设全草覆盖地膜，第1年开始就能明显减少地表径流和土壤侵蚀[14]。但使用此类地膜时，主要作物与活体农用地膜之间常存在着资源竞争。

1.1.2 农业废弃物地膜 农业废弃物包括作物秸秆、杂草落叶、果实外壳、藤蔓树枝等，是最早用作地膜的天然可生物降解材料[15]。中国土地广阔，农作物秸秆等废弃物回收不便，而焚烧污染环境，所以大部分用来直接覆盖还田形成“地膜”。中国东北黑土地目前有机质缺乏，秸秆覆盖形成的“地膜”可以适当补充有机质。Zhao等研究发现，废弃秸秆覆盖型地膜比普通地膜更适用于中国旱地以及其他相似地区小麦的种植[16]。Tian等用研磨机将板栗树枝、板栗壳和总苞粉碎成小块，然后作为地膜覆盖板栗树周围的土壤，结果表明此类地膜增加了土壤水分，抑制了杂草生长和板栗枯萎病，最终提高板栗的品质和产量[17]。此类地膜还可以改善土壤理化性质、生物活性等，可以减缓蔬菜的连作障碍[18]。但农业废弃物地膜用量过大会导致农作物减产，而且其中的虫卵和微生物等易造成田间病虫害的发生[19]。

1.2 间接利用型

间接利用型农用地膜是指利用可再生降解的材料制作而成的降解地膜，包括糖基及其衍生物农用地膜、多肽类农用地膜、纸基农用地膜、液态农用地膜等类型。

1.2.1 糖基及其衍生物农用地膜 糖基农用地膜是指以多糖及其衍生物为主要材料制作而成的可降解地膜。多糖是自然界中含量最丰富的大分子化学物质之一，其中淀粉、纤维素、壳聚糖及其他糖基衍生物在受到微生物作用时容易被降解，适合制作可降解农用地膜。

淀粉是高分子碳水化合物，性质较脆，韧性不足，成膜后耐水性和湿强较差[20]，一般将淀粉进行改性后制作可降解农用地膜。意大利的Mater-Bi地膜，在热塑性淀粉中加入聚己内酯，克服纯热塑性淀粉的低回弹性、高湿敏性和高收缩性[21]。美国农业部将玉米淀粉、改性淀粉和PE按一定比例混合制作成农用地膜使用，但由于添加了PE成分，这类农用地膜并不能完全降解。淀粉在自然界储量丰富且可再生，价格低廉，改性淀粉基农用地膜有很大的研究价值。

纤维素占植物界碳含量的50%以上，具有很强的氢键，塑化难度较高，不易成膜，一般要对纤维素进行改性[22]。1996年，河北省利用小麦秸秆生产出的复合材料地膜可在80 d内自行降解[23]。麻纤维农用地膜一般在田间铺放50～70 d开始出现破裂，麻纤维地膜不仅可降解，还可以改良土壤[24]。徐洁等研究了以羧甲基纤维素(CMC)和黄麻落麻纤维为原料的麻地膜制备工艺，地膜的湿强得到显著提高，其保熵性也得到改善[25]。麻地膜在农业生产中取得了良好成效，以水稻秸秆制成的纤维素农用地膜也被证实可行[26]。

甲壳质又称甲壳素、几丁质，广泛存在于虾、蟹、昆虫等甲壳动物的外壳中。Fernández-Marín等研究发现，从龙虾中提取的甲壳素与聚乙烯醇混合制成的复合膜具有较好的热稳定性和力学性能[27]。Merino等利用壳聚糖为改性后的淀粉农用地膜涂层，增强了地膜的亲水性、不透明度以及抗菌活性[28]。甲壳质以及壳聚糖具有良好的成膜性能，但价格比淀粉和纤维素贵得多[29]。

聚乳酸(PLA)又称聚丙交酯，是一种新型的生物降解材料。Gao等比较了聚乳酸农用地膜、普通塑料农用地膜以及不覆膜对马铃薯和水稻种植的影响，发现聚乳酸农用地膜在降解后在土壤容重、孔隙度和有机质等方面都具有优势[30]。聚乳酸农用地膜的强度较差，热变形温度低，抗冲击能力较差，降解性能不稳定，一般需要改性来增强聚乳酸农用地膜的性能[31-32]。

除了以上几种应用较为广泛的生物降解农用地膜外，聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)、聚己内酯(PCL)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚乙烯醇(PVA) 、聚丁二酸/己二酸-丁二醇酯(PBSA)[33]等新型可降解材料都已经被制作成地膜应用于农业领域。

1.2.2 多肽类农用地膜 蛋白质也被称为多肽，具有广泛的功能特性，其分子间的结合势能高，而且容易在环境中降解，因此以蛋白质为材料制作而成的薄膜具有更好的机械性能[34]。多肽类农用地膜可以分为植物蛋白农用地膜和动物蛋白农用地膜。

植物蛋白农用地膜由大豆、玉米、小麦等植物中提取出的蛋白质加工制作而成。Rhim等研究了添加双醛淀粉(DAS)对大豆分离蛋白(SPI)膜部分物理性能的影响，发现DAS显著提高了SPI薄膜在水中的耐破碎能力，从而改善了SPI膜在农用地膜覆盖中的性能[35]。Salgado等以甘油为增塑剂，将葵花籽蛋白制作成生物降解膜，该膜在表面疏水性、厚度、密度、含水量、水蒸气渗透性、力学性能等方面表现良好[36]。大型水生植物一般在枯萎后被当作废弃物处理，但水生植物的蛋白质含量极其丰富，具有很好的地膜制备潜力[34]。

动物蛋白农用地膜是由来自动物的蛋白材料制作而成，这些蛋白主要有胶原蛋白、明胶蛋白以及肌原纤维蛋白。Sartore等从制革工业废弃物中提取出蛋白质水解物，制作成生物降解农用地膜，具有与聚乙烯地膜相当的良好农艺性能，在保证作物生长和干物质积累的同时，还满足了农作物栽培期内的地膜覆盖效果，并且具有良好的生物降解性能[37]。Nilsuwan等研究了在鸡皮分离蛋白/鱼皮明胶共混膜中添加没食子酸(GA)的影响，发现没食子酸(GA)改善了共混膜的力学性能和抗氧化活性[38]。

1.2.3 纸基农用地膜 纸基农用地膜是以植物纸浆为原料，采用常规造纸工艺制作出原纸，再将纸张制作成透光、透水、保温、增温、保熵的农用地膜[39-40]。Zhang等研究发现，植物秸秆生物降解纸农用地膜覆盖，不仅降低了土壤温度，增加了土壤水分，还降低了土壤电导率，提高了土壤酶活性，改善了植株生长，提高了果实产量[41]。此外，纸地膜覆盖还可以降低果实硝酸盐含量，增加维生素C含量，改善果实部分品质。Li等将氧化锌(ZnO)溶液和二氧化硅(SiO2)溶液分别刷在纸质地膜表面，制备出具有微纳米粗糙结构的ZnO/SiO2复合超疏水纸质农用地膜，具有良好的自洁性能、回弹性能和延迟结冰性能[42]。Silva研究发现，再生纸地膜覆盖可有效降低小白菜培育过程的用水量，是聚乙烯的合适替代品[43]。湖北省枝城市第一造纸厂制造的多功能农用地膜，可在2～3个月内自行降解，增加土壤肥力。纸质地膜在遭受风雨侵袭后，会迅速破裂、降解，受农业气候、自然条件的影响较大，提高纸质地膜的耐水性，改变其吸光特性，是纸基农用地膜的主要研究方向[44]。

1.2.4 液体农用地膜 液体农用地膜又称液态农用地膜，是一种乳状悬浮液，使用时兑水直接喷洒在农田表面，即刻形成和土壤表层结合在一起的保温膜[45]，这层保温膜具有农用地膜的性质，降解后还可以改良土壤。液态农用地膜的发展一般分为5代。第1代液态农用地膜以石油沥青或渣油为原料，但成本较高，不利于推广[46]。第2、3、4代液态农用地膜是以煤炭对造纸黑液、海藻废液、淀粉废液等高糖废液进行改性制作而成。第5代液态农用地膜是以腐殖酸主要原料，添加活性剂、交联剂、除草剂等混合而成的多功能可降解黑色液态地膜[47]。Xu等以竹材脱木素、醚化纤维素为原料合成羧甲基纤维素(CMC)，然后与聚乙烯醇(PVA)共混，用戊二醛交联，只需在土壤上喷洒，就能迅速在土壤表面形成液态地膜[48]。研究发现，这种液态农用地膜具有较强的力学性能、良好的透光率、吸湿率、良好的土壤保湿性能和良好的生物降解性。Liang等采用简易的二次喷涂工艺，将水溶性腐殖酸(HA)与水性聚氨酯(WPU)共混，然后将共混液(HWPU)喷涂在阳离子淀粉(CS)/木质素磺酸钠(LS)薄膜表面，合成液体农用地膜[49]。试验表明，这种地膜具有良好的耐腐蚀性和生物降解性，并且能够满足沙尘地区和沙化环境的抑尘固沙要求。Gu等将厨房泔水(KW)与丙烯酸乳液按不同比例聚合，得到了一系列可喷涂的生物基液态农用地膜[50]。试验结果表明，KW-丙烯酸酯农用地膜具有优良的喷雾性能、成膜性能和机械性能，可有效降低土壤水分蒸发(13%～50%)，提高土壤温度(1.9%～6.7%)。与裸土相比，可将油菜种子发芽率提高20%，藜菜产量提高70%，100 d后生物降解率达到70%。

2 生物降解农用地膜的环境影响与经济效益评价

2.1 环境影响

生物降解农用地膜的发展起源于“白色污染”的蔓延。中国国家发展改革委在2021年9月出台的《“十四五”塑料污染治理行动方案》中提到：为进一步加强塑料污染全链条治理，在农业农村环境方面，要加快对生物降解农用地膜的科学研究和推广应用。农膜使用过程中造成的环境污染不可忽视，环境影响也是评价农用地膜的一项重要指标。

对于直接利用型农用地膜，不适合使用单一的标准(如降解周期、降解率等)来评价环境影响。当前研究中没有统一的环境影响评价标准，因此从土壤和作物的角度来分析环境影响是一种较为合理的评价方法。合理的间种覆盖对农作物以及土壤都能起到很好的作用，是值得推广的一种农用地膜覆盖方式。Zhu等研究发现，禾本科植物与其他作物间作，形成的活体农用地膜既能最大限度地提高生产力，又能最大限度地发挥禾本科植物对土壤的有益作用[51]。农业废弃物覆盖还田是目前秸秆类废弃物处理的主要方式，能起到地膜保水保熵的作用，对土壤也会有一定程度的改善，相较于普通地膜覆盖，其CO2排放量更低[16]。但农业废弃物中大量营养物质并不能被土壤固定，造成流失浪费，而且会孳生大量对农作物有害的微生物，过量的秸秆覆盖会阻碍作物的生长[52]。

间接利用型农用地膜产生的环境影响一般使用降解性能来评价，农用地膜对于土壤以及作物生长状态的影响也是较为合适的分析角度。ISO 17556—2019 和 EN 17033—2018规定，塑料在土壤中的降解试验期不得超过2年。由表1可见，糖基材料一般与PVA、PAA等共混改性成膜，其降解率为60%～72.61%，并且对于物质循环和资源有效利用有积极作用，但相较于新型可降解材料PLA、PBAT等，其降解效果明显不足。水解蛋白农用地膜降解性能良好，降解后营养物质丰富，但可能导致土壤碱化。液态农用地膜根据其材料不同，降解性能有明显差异，不同原料也造就了不同液态农用地膜对于特定环境的特殊作用，如防尘固沙、高效释磷、吸附霉菌等。纸基地膜的抑水涂层材料对其降解性能影响颇大。PE涂层的纸基农用地膜力学性能虽然更优，但对于环境的污染不容小觑。纸地膜在成膜过程中添加的湿强剂、防水剂等化学助剂也有一部分是不可降解的。这些化学助剂的生物降解性和对土壤的影响有待进一步研究。

总的来说，生物降解农用地膜的环境评价应该不仅仅局限于对其降解性能的描述，农用地膜对于土壤、作物、空气等的影响同样需要建立起规范的评价体系。

2.2 经济效益评价

传统的塑料农用地膜因其工艺成熟、价格低廉、效益显著等优点被广泛应用于农业领域，但塑料地膜的回收利用不足等问题造成了严重的环境污染[61]。环境友好的生物降解农用地膜取代传统塑料农用地膜的一大挑战，便是经济效益问题。近年来随着科技水平的进步，生物降解农用地膜的经济效益有了些许改善。

农作物地膜覆盖体系的经济效益评价通常从生产收益和投入成本2个角度分析。生产收益一般通过直观的产量分析进行评价。农作物生产成本是较为复杂的，一般可将其归纳为材料、机械作业、人工、回收成本以及其他费用，其他费用包括水电费、车费、油费等，其中机械作业与人工费用占比较大[62]。针对现有不同类型的生物降解农用地膜应用实例，从投入成本和生产收益对其经济效益进行统计分析。由表2可知，直接利用型农用地膜对于农作物的增产效果起积极作用，间作地膜覆盖模式最高可达单作的4倍， 但相对而言会产生额外的人力物力消耗，且对于农作物种类的要求较高，在大规模的种植条件下，成本也会上升。PLA、PBAT等糖基衍生物地膜已经开始应用于农业生产，对农作物产量的增幅略低于PE地膜，但总体经济效益有追上PE地膜的趋势。

表1 部分间接利用型生物降解农用地膜的降解性能、特点及不足

表2 部分生物降解农用地膜经济效益评价方法及结论

多肽类农用地膜使用天然产品作为原材料，其中一些来自可再生的农业资源，另一些来自皮革工业的废弃物，使蛋白基农用地膜与聚乙烯薄膜的成本相当，有助于降低多肽类农用地膜的成本[60]。传统造纸工艺生产的纸基农用地膜需要添加多种湿强剂和树脂才能满足农用地膜的使用标准，生产成本远高于普通农用地膜；涂层浸渍法制备的纸质农用地膜最适合当前纸质农用地膜的推广应用，可用于纸膜的不同部位，最大限度地降低生产成本[37]。第5代液体农用地膜以腐殖酸为主要原材料，其他辅料多为农业或工业废弃物；从成本来看，液体农用地膜更具有发展潜力。有研究表明，液态农用地膜的使用会提高农作物的产量，提高经济效益，使得大豆增产28.4%，小麦增产9.96%，马铃薯增产33.2%～46.5%，棉花增产16.0%～21.7%，玉米增产6.2%～17.4%[47]。

Dentzman等的调查表明，大部分农民对于生物降解农用地膜的经济效益以及环保性能抱有较高的期望[72]。有研究将4种全生物降解农用地膜与传统PE农用地膜进行比较得出，政府只要补贴生物降解农用地膜市场价的50.1%，就能使生物降解农用地膜从经济上成为PE农用地膜的替代品[73]。

3 生物降解农用地膜面临的挑战

从20世纪70年代起，生物降解农用地膜的发展经历了一个突飞猛进的时代，但其推广与应用依然面临着许多挑战。

相对于传统塑料农用地膜，生物降解农用地膜的拉伸强度、干湿强度、防水能力等均有待提高。生物降解农用地膜的降解性能受自然环境和农业气候的影响较大，降解速度难以控制，降解的可控难度大。

间作覆盖地膜的区域性限制较大，病虫害的治理技术不够成熟，不同作物之间的搭配方式有待研究。农作物直接覆盖型地膜造成的有机资源流失一直是此类地膜的一大弊端，田间病虫害也较为严重。间接利用型农用地膜制作过程中都需要添加一些不易降解的辅助剂，如改性剂、乳化剂、湿强剂等，这些物质对于环境的影响不可忽略。

经济效益是农业生产最直观的评价指标。生物降解农用地膜相对于传统塑料农用地膜存在价格昂贵、农民难以接受的弊端，而环保性能较好的农用地膜往往成本更高。环保可降解理念的推广也存在问题，目前大多数农民不了解、商家不重视，导致生物降解农用地膜的市场难以扩大。

4 总结与展望

生物降解农用地膜的推广应用在解决“白色污染”问题上占有一席之地，其发展还需要投入更多的精力。大力发展可降解材料的研究，降低成本，才能使可降解地膜更容易被接受。研发更加环保有效的治理方法，在不影响农作物生产以及土壤安全的前提下，加大病虫害治理力度。深入研究不同土壤微生物对于不同可降解材料的降解机理，结合不同地区的实际情况，因地制宜推广可降解地膜。建立可量化的生物降解评价体系，实现大规模条件下可控生物的降解[74]。地膜制作中的辅助添加剂尽量采用对环境友好的可降解材料，以防添加剂对环境产生不良影响。政府要起引导作用，从科研、企业、农民等方面制定积极的相关政策，并加大推行力度。在石油资源日渐枯竭、环境污染愈发严重的情况下，生物降解农用地膜作为传统塑料地膜的替代品，其研发与应用将影响深远。生物降解农用地膜的发展虽然面临着许多挑战，但在环境保护以及经济发展方面有着不可小觑的作用。