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生物降解地膜在我国农业应用中的机遇和挑战

2016-12-01 15:58 PPP项目可研咨询公司

地膜是农业生产的重要物质资料之一,地膜覆盖技术应用带动了我国农业生产力的显著提高和生产方式的改变。2014年全国地膜用量达到144.1万吨,覆盖面积超过3亿亩,应用区域已从北方干旱、半干旱区域扩展到南方的高山、冷凉地区,覆盖作物种类也从经济作物扩大到大宗粮食作物。地膜覆盖增温保墒、防病抗虫和抑制杂草等功能使作物增产20%—50%,对保障中国食物安全供给做出了重大贡献。但同时,地膜覆盖广泛应用也带来了一系列问题,如技术泛用和回收不利,地膜残留导致的“白色污染”等,生物降解地膜的研发已成为塑料工业和农业发展的重要战略方向。


一、生物降解地膜概念和主要成分


生物降解地膜是指在自然环境中通过微生物的作用而引起降解的一类塑料薄膜。日本生物降解塑料研究技术委员会将其定义为“在自然界中通过微生物的作用可以分解成不会对环境产生恶劣影响的低分子化合物的高分子及其掺混物”。

根据主要原料可以分为天然生物质为原料的降解地膜和石油基为原料的降解地膜。天然生物质如淀粉、纤维素、甲壳素等,通过对这些原料改性、再合成形成生物降解地膜的生产原料。淀粉作为主要原料的地膜按照降解机理和破坏形式又可分为淀粉添加型不完全生物降解地膜和以淀粉为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,再添加相容剂、抗氧化剂和加工助剂等吹制而成,不属于完全生物降解的地膜。以淀粉为原料生产的完全生物降解地膜主要是通过发酵生产乳酸,乳酸经过再合成形成聚乳酸,以聚乳酸为主要原料生产的地膜。另一类重要的天然生物质是纤维,通过对纤维素醚化、酯化以及氧化成酸、醛和酮后可制成地膜,属于完全生物降解的地膜。以石油基生产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)、聚己内酯(PCL)、聚羟基丁酸酯(PHB)、二氧化碳共聚物-聚碳酸亚丙酯(PPC)等。这些高分子物质在自然界中能够很快分解和被微生物利用,最终降解产物为二氧化碳和水。


二、生物降解地膜的研发与应用


生物降解地膜研发初期,淀粉添加型生物降解地膜一直研发的重点,从最初用6%—20%淀粉和聚合物烯烃共混制备地膜逐渐发展到由50%淀粉和亲水性聚合物共混制备地膜;目前是将淀粉进行改性,生产出能够能被生物降解的塑料,然后生产地膜。该种地膜具有工艺简单、成本低等优点。国内研发单位大部分生产添加型淀粉塑料,其产品中淀粉含量为10%—30%。

20世纪80年代初,英国发现β羟基丁酸酯(PHB)提取和纯化方法并制成薄膜,生产出最早的降解薄膜,但PHB抗冲击强度和耐溶性较差,不能真正用于农业生产。我国的聚羟基烷酸酯(PHA)的研究始于20世纪80年代,上海有机所和天津大学采用化学法对PHB共聚物合成进行探索,也有人开始利用植物的叶子或根来生产PHBV,由于PHBV自身固有一些缺陷(脆性等),成本高和价格昂贵限制了作为地膜的应用。目前开发的用于生物降解地膜生产的材料主要有淀粉进行发酵成乳酸,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);二氧化碳和环氧丙烷共聚生成的聚碳酸亚丙酯(PPC)以及由β-己内酯在催化剂作用下开环聚合生成的聚己内酯(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。中国农业科学院麻类研究所应用麻纤维研制出麻地膜,被大规模应用在水稻育秧和南方蔬菜种植方面。

在世界范围内,欧洲和日本是生物降解材料、技术和生物降解地膜研发和应用最先进的国家和地区。随着生物降解材料和加工工艺进步,生物降解地膜应用越来越广泛,主要用于园艺和蔬菜生产方面。目前,日本和欧洲生物降解地膜在地膜市场的份额不断上升,已达到了10%左右,局部区域的应用比例更高,如日本四国地区蔬菜种植中生物降解地膜比例已超过20%。

2010年以来,国外生物降解地膜材料研发生产大企业开始与中国有关科研和农业技术推广部门合作,在西北的新疆、西南的云南、华北的北京、河北,以及西北甘肃和内蒙古等对主要农作物,如棉花、玉米、烟草、马铃薯和蔬菜等进行了试验和示范,覆盖作物超过10个,面积超2万亩。近年来,我国在生物降解地膜的研究和应用取得了长足进步,尤其通过二元酸二元醇共聚酯合成技术和设备的改进,PLA合成中关键催化剂技术的突破,已经形成具有自主知识产权的生物降解塑料生产的核心技术和工艺。在此基础上,生物降解地膜生产配方和工艺也得到进一步改进和完善,已形成万吨级的生物降解地膜生产能力,并在局部区域和典型作物上开展了试验示范。


三、生物降解地膜存在的问题和挑战


1、产品抗拉强度有待于进一步提高

生物降解地膜的机械强度不够,无法进行规模化作业是生物降解地膜大规模应用的限制因子之一。由于基础材料本身的特性,大多数生物降解地膜抗拉伸强度不够,在一些以机械作业为主的农区,无法进行机械化覆膜作业,这个问题在新疆尤为突出。只有通过完善和改进地膜配方,提高地膜的抗拉伸强度,满足农机作业要求,才能为较大规模应用生物降解地膜创造条件。

2、降解可控性与农作物需求存在差异

地膜覆盖的作用具有多方面,重点是增温保墒和抑制杂草,为了实现地膜的这些功能必须保证覆盖的时间,否则就无法满足作物对地膜覆盖的功能要求。目前,大多数生物降解地膜破裂和降解可控性还存在问题,大量试验结果显示,现有的生物降解地膜产品破裂和降解过早,覆盖时间远低于作物地膜覆盖安全期,导致其功能无法发挥。

3、增温保墒性能需要进一步加强

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、产品生产成本制约大规模应用

生物降解地膜的高成本是大规模推广应用的另一个限制因素。一般情况下,生物降解地膜销售价格是普通PE地膜3倍左右,这是地膜原材料属性、厚度等多因素决定的。一方面需要通过原材料规模化生产、配方完善降解产品价格,另一方面,应综合评价地膜使用成本,明确生物降解地膜与普通PE地膜的成本差异,促进降解地膜的规模化应用。据调查和计算,日本普通PE地膜应用的总成本包括地膜产品购买成本和回收处理成本,二者各占50%,而生物降解地膜应用则无回收处理成本。在我国,由于劳动力相对便宜,加上大量普通PE地膜没有进行回收和处理,则突显生物降解地膜应用的高成本。随着普通PE地膜回收处理必要性提高,地膜回收处理法律法规的完善,以及农村劳动力成本提高,普通PE地膜与生物降解地膜应用的综合成本差异将会越来越小,生物降解地膜的应用将具有良好的前期。


四、主要结论与建议


生物降解地膜是解决地膜残留污染重要途径之一,在农业生产中具极好效果,潜力巨大,但技术问题不少,属于起步阶段。目前需要加强生物降解地膜的原材料、配方和生产工艺的研究,提高产品质量和降低成本,尤其是要研发针对特定区域和特定作物的专用生物降解地膜产品,以满足和适应农业生产多样性的要求。在加强生物降解地膜产品研究的同时,应根据农业生产的需要和地膜产品的特性,做好配套农艺技术和措施的研究。通过改进农艺技术,使其能够适合生物降解地膜产品的性能,从而实现生物降解地膜产品与农艺技术紧密结合,满足农业生产的需求。

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