常見(jiàn)地膜及其在桑園中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張一川++邵榆嵐++宗德琴

摘要 根據(jù)對(duì)環(huán)境的可持續(xù)性應(yīng)用，分類介紹了不可降解地膜和可降解地膜。重點(diǎn)闡述了光降解地膜、生物降解地膜、液體降解地膜和其他環(huán)保型地膜等可降解地膜的類型、機(jī)理和應(yīng)用，以及現(xiàn)階段地膜在桑園中的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了可降解地膜存在的主要問(wèn)題，并對(duì)此進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 地膜；分類；桑園應(yīng)用；問(wèn)題；展望

中圖分類號(hào) S316；S888.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）22-0155-03

Abstract According to the application of environmental sustainability，the non-biodegradable plastic film and biodegradable plastic film were introduced respectively. Type，mechanism and application of degradable mulch film were expounded，including photodegradation film，biodegradable film，liquid degradable film，and other environmental protection type film. The application status of plastic film in mulberry field at present stage was elaborated，the main problems of degradable plastic film were summarized and discussed in this paper.

Key words mulch film；classification；mulberry application；problem；prospect

地膜在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，替代了傳統(tǒng)的稻草、沙石、糞便等覆蓋材料，具有更好的保水、保肥、提高土壤溫度、防蟲(chóng)害等作用[1]。地膜最早于歐美國(guó)家研究使用，我國(guó)20世紀(jì)70年代末由日本引進(jìn)地膜覆蓋栽培技術(shù)，發(fā)展迅速，很快普及到玉米、小麥、馬鈴薯等作物[2]。它是一項(xiàng)采用人工方法改善農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，操作看似簡(jiǎn)單，但對(duì)作物生長(zhǎng)有著較為復(fù)雜影響的栽培技術(shù)措施[3]。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)革新，地膜覆蓋成為我國(guó)重要的農(nóng)作物栽培技術(shù)手段，解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上如低溫、干旱、水災(zāi)等不利自然條件的影響。我國(guó)已成為世界上地膜生產(chǎn)量、使用量最大的國(guó)家。隨著地膜的大范圍推廣，長(zhǎng)期使用量最大的塑料地膜在土壤里殘留，造成嚴(yán)重的白色污染，對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展形成巨大阻礙，并且無(wú)法降解的塑料地膜使土壤板結(jié)、通透性變差，反而降低農(nóng)作物產(chǎn)量。為改善此問(wèn)題，許多國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了可降解地膜的研究，現(xiàn)已發(fā)展了不同類型的地膜應(yīng)用于多種作物。

1 地膜的分類

地膜的分類可追溯其發(fā)展歷史，主要根據(jù)地膜對(duì)環(huán)境的可持續(xù)應(yīng)用，從最早期不可降解的塑料地膜，發(fā)展到可降解地膜，包括光降解地膜、生物降解地膜、光-生物復(fù)合降解地膜和液體降解地膜，隨科技的進(jìn)步，到如今的完全生物降解地膜，如微生物合成型、化學(xué)合成高分子型、天然高分子型等降解地膜，還有其他新型降解地膜。這么多不同類型的地膜其產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)農(nóng)作物和環(huán)境都具有重大意義。

1.1 塑料地膜

塑料地膜是最早應(yīng)用的地膜，是繼塑料大棚之后塑料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的第二大應(yīng)用。塑料主要從石油、煤炭、天然氣中提取，經(jīng)過(guò)化學(xué)手段人工合成的高分子化合物，主要包括聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、乙烯基醋酸乙烯酯（EVA）等[4]。早年塑料地膜主要由聚乙烯為原料制作而成，這類物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗氧化性，在環(huán)境中難以被光和熱降解，并且PE的分子量高、疏水性強(qiáng)，不易被微生物和酶降解[5]。塑料的這些特點(diǎn)最終導(dǎo)致了“白色污染”的日益嚴(yán)重。但是，地膜覆蓋后可將無(wú)效的土壤水分蒸發(fā)變?yōu)橛行У闹参锼终趄v，從而有效提高作物的水分利用效率；可加快作物生育進(jìn)程，促使作物提早出苗，并使作物成熟期提前；它能調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱，最終達(dá)到作物增產(chǎn)增收的目的[6-7]。這些作用效果使塑料地膜奠定了其實(shí)用價(jià)值基礎(chǔ)，讓研究者們?cè)诖嘶A(chǔ)上不斷地改進(jìn)創(chuàng)新。

1.2 光降解地膜

光降解塑料地膜是添加光敏基團(tuán)或光敏化劑于高分子化合物中，在紫外線UV作用下引起光化學(xué)反應(yīng)，從而降解為低分子量化合物的一類塑料地膜[8]。光降解地膜一般分為添加型和共聚合成型。前者主要是添加金屬絡(luò)合物、芳烴環(huán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)類、無(wú)機(jī)類等光敏劑，后者是引入羰基型光敏基團(tuán)[9]。光敏劑的種類、用量和組成決定該種地膜的降解效率。光解膜與普通地膜相比具有相同的土壤環(huán)境效應(yīng)和相近的增產(chǎn)效果，降解產(chǎn)物對(duì)土壤的礦質(zhì)元素含量無(wú)明顯影響，也無(wú)有害物質(zhì)產(chǎn)生[10]。但是該地膜的降解受環(huán)境因素的影響較大，如日照強(qiáng)度、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)雨等[11]，可以通過(guò)調(diào)節(jié)光敏劑的含量來(lái)滿足不同氣候條件下降解地膜的作物覆膜[12]。目前采用的新型光敏劑有氧化石墨、石墨烯[13]、超細(xì)煤粉[14]等。除氧化劑外，抗氧化劑配比的含量也可以控制薄膜氧化程度，以此控制薄膜的脆化期[15]。除光敏劑、抗氧化劑外，還可以添加除草劑，以期達(dá)到除草且降解的目的[16]。

1.3 生物降解地膜

生物降解是指在自然界存在的生物（主要是細(xì)菌、真菌、霉菌、藻類等）的作用下，聚合物發(fā)生降解、同化的過(guò)程。降解過(guò)程主要分為三步：①高分子材料被微生物黏附；②微生物在高分子材料表面分泌酶，這些酶再作用于高分子，通過(guò)水解、氧化等反應(yīng)將高分子斷裂成低分子碎片；③微生物消耗或吸收這些碎片。根據(jù)其降解機(jī)理和破壞形式分為完全生物降解和不完全生物降解[9]。完全生物降解塑料地膜又可分為微生物合成型、化學(xué)合成高分子型和天然高分子型[17]。微生物合成型生物降解地膜是以有機(jī)物為碳源，通過(guò)微生物發(fā)酵得到完全生物降解的地膜，主要包括微生物聚酯和多糖。化學(xué)合成高分子型完全降解地膜是在高分子化合物中引入能被微生物降解的含酯基結(jié)構(gòu)的脂肪族聚酯，如聚乙烯醇（PVA）等。天然高分子型完全降解地膜主要以天然高分子化合物，如淀粉、纖維素、甲殼素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等為原料復(fù)合形成[18]。不完全生物降解主要是指添加型生物降解地膜，是天然高分子與通用塑料組合而成，與完全生物降解的天然高分子型不同，其添加含量一般較低[19]。

1.4 液態(tài)地膜

液態(tài)地膜是一種新型噴灑式可降解地膜，是一種乳狀懸浮液經(jīng)噴施后在土壤表層形成一層膠狀薄膜，使土壤顆粒聯(lián)結(jié)起來(lái)起到地膜的作用，主要分為煤及石油副產(chǎn)品類、化學(xué)高分子降解材料類及天然高分子降解材料類等液態(tài)地膜[20]。其應(yīng)用早期作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑，增加土壤中水穩(wěn)性團(tuán)粒的含量和土壤穩(wěn)定性，降低土壤侵蝕，減少水土流失[21]。除此之外，液態(tài)地膜的保水保溫增產(chǎn)作用顯著[22]。最新研究的腐殖酸類液態(tài)地膜，通常是由含腐殖酸的褐煤、風(fēng)化煤及其他廢液如造紙廢液、釀酒廢液等為原料加工而成，起到了很好的廢物利用和節(jié)能減排作用，同時(shí)產(chǎn)品效果顯著[23]。

1.5 其他環(huán)保型地膜

除上述幾種地膜，采用天然生物質(zhì)材料的環(huán)保型地膜成為研究熱點(diǎn)。紙地膜、秸稈纖維地膜采用清潔制漿造紙工藝，并添加改性輔料及功能助劑研制而成。其主要原料農(nóng)作物秸稈屬于農(nóng)業(yè)廢棄物料，具有來(lái)源廣泛、再生性強(qiáng)、價(jià)格低廉、生物可降解性強(qiáng)、降解后可增加土壤肥力等優(yōu)點(diǎn)[24]。麻纖維地膜是純麻或者麻加入其他纖維采用非織造物的方法制造而成。以麻為骨架制成的非織造物即無(wú)紡布地膜，再配合浸漬附著不同的肥料或天然抗蟲(chóng)、抗菌物質(zhì)，可使麻地膜具備培肥土壤、防治病蟲(chóng)害的特性[25]。

蛋白質(zhì)類材料因其具備良好的力學(xué)、熱學(xué)穩(wěn)定性以及生物降解性，成為環(huán)保型可降解地膜的主要原料來(lái)源。利用制革業(yè)廢棄羊毛[26]、稻草纖維和廢蠶絲纖維[19]等，使地膜不僅具有與塑料地膜相當(dāng)?shù)谋瘛⒈匦阅埽揖哂凶匀唤到獾男阅堋?/p>

2 地膜在桑園中的應(yīng)用

地膜從發(fā)展之初就廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)領(lǐng)域，其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，可有效抑制雜草種類及數(shù)量[27]，改善降水在農(nóng)田中的分配和農(nóng)田水分平衡，使土壤水分含量因天氣干、濕而波動(dòng)的幅度明顯減小，有抗旱和防澇的雙重作用[28]，并且地膜覆蓋能改善土壤結(jié)構(gòu)[29]，有利于改善桑樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境，增加桑葉產(chǎn)量[30]。從桑樹(shù)幼苗繁育到成林桑園管理等方面，地膜都有著廣泛的應(yīng)用。但就現(xiàn)階段地膜在桑園中的應(yīng)用一般都局限于傳統(tǒng)塑料地膜，這種地膜優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)都很明顯，正是因?yàn)槠洳灰捉到獾娜秉c(diǎn)，在未來(lái)農(nóng)業(yè)中的地位會(huì)隨著其他新型地膜的興起而逐漸被取代。桑園管理的好壞作為蠶桑生產(chǎn)中最重要的制約因素，以及省力化養(yǎng)蠶的發(fā)展要求，都需要迫切的尋找一條桑園高效高產(chǎn)的發(fā)展道路，所以各種類型的地膜在桑園中的應(yīng)用探索就顯得尤其必要。而現(xiàn)階段其他類型的地膜在桑園中的應(yīng)用研究較少，因此地膜在其他作物中的研究應(yīng)用成果可以作為桑園應(yīng)用中的借鑒。

2.1 全膜覆蓋育苗

全膜覆蓋育苗技術(shù)在桑樹(shù)育苗方面的應(yīng)用已有20多年歷史，在桑樹(shù)扦插方面，借鑒其他作物地膜覆蓋育苗技術(shù)，在低溫、干旱等氣候特點(diǎn)的地區(qū)可以顯著提高扦插的成活率[31-32]。采用地膜全覆蓋可使土壤耕作層的生態(tài)環(huán)境得到綜合改善，在相當(dāng)程度上把影響桑樹(shù)生長(zhǎng)的水、肥、光、熱等諸因子之間的關(guān)系協(xié)調(diào)起來(lái)，保證了桑樹(shù)硬枝生根成活所需要的溫度和水分[33]。幼苗生長(zhǎng)階段，地膜覆蓋技術(shù)可以保溫保濕，尤其在冬季干旱少水的情況下，新植桑采用地膜覆蓋可以保證桑苗達(dá)到很高的成活率，并且可以很好地抑制雜草萌發(fā)和桑園病蟲(chóng)害的暴發(fā)。

2.2 成林桑園管理

桑園的管理包括桑園病蟲(chóng)害的防治、水肥管理、雜草耕作等很多方面，涉及大量的技術(shù)及勞力。桑園全膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用，一方面，可以大幅度減少土壤熱輻射的擴(kuò)散、熱能的消耗，增加桑園土壤溫度和熱容量；另一方面，水、肥不易揮發(fā)，更加高效地利用水肥可改善桑園耕作層的生態(tài)條件，協(xié)調(diào)了土壤中水肥、空氣和土壤中微生物群落的關(guān)系，有利于桑樹(shù)的及早萌芽和生長(zhǎng)。采用覆膜配合水肥的管理，比起傳統(tǒng)管理方式，桑樹(shù)的發(fā)芽率和產(chǎn)葉量都有顯著的提高[34-35]。試驗(yàn)證明，田間覆膜種植模式對(duì)雜草和優(yōu)勢(shì)種雜草也有一定的控制作用，而且也使整個(gè)雜草群落處于一個(gè)穩(wěn)定水平，避免了一些單一品種雜草的暴發(fā)[36]。同時(shí)，較之使用人力和藥物除草省時(shí)省力，并且不會(huì)對(duì)樹(shù)體造成藥害，可以有效減少桑園草害。并且，其他種類的液態(tài)地膜配合殺蟲(chóng)劑殺菌劑，還可以起到桑園病蟲(chóng)害防治的效果，比起傳統(tǒng)防治手段，更為簡(jiǎn)便、高效、安全[37-39]。而新型液態(tài)地膜配合保水劑在其他苗木栽植中的應(yīng)用也為干旱少雨地區(qū)桑樹(shù)的栽植提供了很好的借鑒[40]。另外，有研究表明光降解地膜具有較好的除草效果，能促進(jìn)煙株的生長(zhǎng)發(fā)育，提高煙葉的品質(zhì)，增加產(chǎn)量，并能逐步降解，減少對(duì)環(huán)境的污染[41]。這也為不同種類的地膜在桑園中的應(yīng)用提供了很好的借鑒。

3 地膜存在的問(wèn)題及展望

傳統(tǒng)塑料地膜的殘留主要與土壤質(zhì)地、覆膜年限、覆膜次數(shù)、使用量和地膜厚度等因素有關(guān)[42]。地膜與黏土的親和力較強(qiáng)，在回收過(guò)程中易破碎，不利于回收；而與沙土親和力較弱，容易與沙土分離，有利于回收。地膜的覆膜年限越長(zhǎng)，覆膜次數(shù)越多，使用量越大，出現(xiàn)高殘留量的機(jī)會(huì)越大。地膜的厚度越厚，回收越容易，殘留量越小。因此，傳統(tǒng)塑料地膜的殘留物除了人為完全回收外，是不能通過(guò)環(huán)境完全降解的。

生物降解地膜作為一種可降解地膜，從發(fā)展思路上來(lái)說(shuō)無(wú)疑是最好的選擇，可有效解決地膜的環(huán)境污染問(wèn)題，它可在自然環(huán)境中通過(guò)微生物的生命活動(dòng)而降解。但是，由于生物降解地膜的原料構(gòu)成，存在加工困難、物化性能和耐水性能差的問(wèn)題，很難加以推廣和應(yīng)用[43]。其次，全生物降解地膜的降解受光、溫、水影響較大，特定配方生物降解地膜可以在一個(gè)地區(qū)滿足某種農(nóng)作物的要求；但在另一個(gè)地區(qū)，由于環(huán)境不同和作物對(duì)環(huán)境要求不同，這種可生物降解地膜就可能完全不適應(yīng)。而光降解地膜雖然物理性質(zhì)優(yōu)于生物降解地膜，但埋在土里部分無(wú)法有效降解[44]，降解速率很難準(zhǔn)確控制，故應(yīng)用受到一定限制；光、生物降解地膜不過(guò)是加速了地膜中能降解部分的降解過(guò)程，不能解決根本問(wèn)題。

液態(tài)地膜和采用天然材質(zhì)的環(huán)保型地膜的局限性更加明顯。液態(tài)地膜在土壤中的存在時(shí)間較短，從農(nóng)業(yè)應(yīng)用角度來(lái)看，更適用于蔬菜等生育期短的作物[45]。天然材質(zhì)的環(huán)保型地膜從制造原料和使用性能方面來(lái)說(shuō)，同生物降解型地膜有一定的類似，無(wú)法作為主要推廣類型。

光-生物雙降解地膜兼顧生物降解和光降解膜的降解特性，通過(guò)紫外光照氧化降低膜的分子量。有研究表明[46]，當(dāng)紫外光氧化LDPE膜的粘均分子量（Mn）下降至4 000～6 000（Mη>Mn）時(shí)，即進(jìn)入微生物可以分解的脆化期，以達(dá)到雙降解效果。這種雙降解膜有效解決了生物降解地膜和光降解地膜存在的不能完全降解問(wèn)題，但功能上的局限性也是顯而易見(jiàn)的，這種膜兼具光降解膜和生物降解膜的特性，使用中受環(huán)境因素影響大，不可控因素多。要達(dá)到完全降解同功能性的完美平衡，還需要解決抗氧化劑含量同光敏劑含量的比例控制，以達(dá)到脆化期的可控制性[15]，同時(shí)還要解決生物降解進(jìn)程的穩(wěn)定性和可控性，以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的局限性。另外，還有熱-生物雙降解地膜，在作用原理和使用性能方面同光-生物雙降解地膜都有類似，正是目前研究和推廣的一個(gè)方向。

因此，能完全降解并且使用性能不遜于傳統(tǒng)塑料地膜的新型地膜是以后研究的主要方向。但在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)該嘗試針對(duì)不同類型作物的生育期長(zhǎng)短以及地膜的應(yīng)用環(huán)境，研究和推廣適合作物特定使用的可降解地膜。

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