液態(tài)地膜促進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展

文/劉艷鵬 本刊編輯

液態(tài)地膜又稱液體地膜（liquid mulching film，簡(jiǎn)稱LMF），是以高分子化合物為主要材料合成的一種乳狀懸浮液。將其噴施于地表，會(huì)與土壤顆粒發(fā)生聯(lián)結(jié)，形成一層特殊的膠狀土膜結(jié)構(gòu)，使土壤顆粒連接起來(lái)，封閉土壤表面孔隙，從而抑制土壤水分的蒸發(fā)，且不影響膜外水分的滲入，改善土壤持水、保水、保溫等能力。液態(tài)地膜受光、熱、土壤中微生物的作用可自行降解，降解后產(chǎn)物及液態(tài)地膜本身無(wú)毒無(wú)污染，對(duì)土壤、地下水質(zhì)和環(huán)境無(wú)不良影響，避免了塑料殘膜危害，還可改善土壤理化性質(zhì)，提高肥效；另外，液態(tài)地膜既可以人工操作也可以用于機(jī)械噴施，不受地勢(shì)地貌的限制，對(duì)地形地貌適應(yīng)能力強(qiáng)。由液態(tài)地膜的特點(diǎn)可知，液態(tài)地膜的研發(fā)和應(yīng)用符合農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色發(fā)展的要求，滿足治理“白色污染”的需求，將成為促進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的有力措施之一。

“白色污染”亟待治理

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自20世紀(jì)70年代引進(jìn)塑料地膜覆蓋栽培技術(shù)，40多年來(lái)這一技術(shù)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的推動(dòng)器使農(nóng)作物的產(chǎn)量得到大幅提高。我國(guó)十幾億人的糧食、蔬菜完全能夠自行解決，而且還可以出口，地膜覆蓋技術(shù)功不可沒，它使中國(guó)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)了飛躍的發(fā)展，因此被人們譽(yù)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的“白色革命”。目前我國(guó)塑料地膜的使用量居世界首位，每年需求量高達(dá)150萬(wàn)t以上，并呈逐年遞增的趨勢(shì)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2024年，我國(guó)地膜覆蓋面積將達(dá)到2 200萬(wàn)hm2[1]，使用量超過(guò)200萬(wàn)t，均居世界第一。然而，地膜在全國(guó)范圍的廣泛使用也帶來(lái)了新的問(wèn)題，大量的地膜因各種原因不能被回收。

當(dāng)季的塑料薄膜如不回收，在自然環(huán)境下可存在上百年，其存在和降解過(guò)程中均造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境危害。例如，在甘肅、新疆等塑料地膜大面積應(yīng)用的省份，殘膜回收率僅10%左右，留在田間地頭的殘膜隨處可見，有的掛在樹枝、矮植上隨風(fēng)擺動(dòng)，有的留存在地里被完全或不完全掩埋。菜園土壤中農(nóng)膜殘留過(guò)多時(shí)，土壤微生物和動(dòng)物活性將受到抑制，耕作層結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔隙度大大減少，通透性明顯下降，土壤中養(yǎng)分、水分傳輸受阻，影響蔬菜種子發(fā)芽、出苗、苗齊、苗壯、根系擴(kuò)展和深扎，造成死苗、缺苗、斷壟和植株早衰等，使作物減產(chǎn)或大幅減產(chǎn)。據(jù)黑龍江農(nóng)墾局環(huán)保部門測(cè)定，當(dāng)667 m2土壤中殘膜含量為3～4 kg時(shí)，蔬菜將減產(chǎn)15%～60%[2]。在生產(chǎn)農(nóng)用塑料薄膜時(shí)，需要加入40%以上的鄰苯二甲酸酯類增塑劑，此類物質(zhì)對(duì)人、動(dòng)物、土壤微生物等有較強(qiáng)毒性，不易降解，易富集，有致癌、致畸等作用，菜園殘膜等如得不到及時(shí)、完全清除，達(dá)到一定的量就會(huì)污染土壤、水和蔬菜，最終給人的健康帶來(lái)危害。有的菜農(nóng)為省事，將廢舊農(nóng)膜集中焚燒，產(chǎn)生的煙塵和碳化物中含有大量有毒和有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成二次污染。若菜園殘膜被小孩、牛、羊等誤食，輕者身體不適，重者造成腸梗阻或死亡。菜園殘膜還會(huì)被鳥、鼠等用于筑巢，用來(lái)?xiàng)⒒蚍敝车?，易成為傳染病傳播源。另外，廢舊殘膜經(jīng)風(fēng)吹、日曬等會(huì)慢慢分解，產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)進(jìn)入大氣層，使臭氧層遭到破壞。

當(dāng)年的“白色革命”衍生了今天的“白色污染”，且問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，這對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和耕地的可持續(xù)利用造成了嚴(yán)重的威脅。

液態(tài)地膜脫穎而出

2018年5月1日，《農(nóng)用地膜》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（新修訂）正式實(shí)施，對(duì)地膜的適用范圍、分類、產(chǎn)品等級(jí)、厚度等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了修訂，特別是提高了地膜的厚度下限，這有利于地膜機(jī)播作業(yè)和回收再利用，以減少地膜殘留。2019年中央“一號(hào)文件”提出加強(qiáng)農(nóng)村污染治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，要求“加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度，開展農(nóng)業(yè)節(jié)肥節(jié)藥行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥使用量負(fù)增長(zhǎng)。發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，推進(jìn)畜禽糞污、秸稈、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，實(shí)現(xiàn)畜牧養(yǎng)殖大縣糞污資源化利用整縣治理全覆蓋，下大力氣治理白色污染”。

治理“白色污染”，是發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)之需。首先應(yīng)從源頭下手，據(jù)調(diào)查，農(nóng)民對(duì)便宜可行的能“化在地里”的地膜產(chǎn)品及技術(shù)呼聲越來(lái)越高；因此，盡快研制出易降解、無(wú)污染的新型地膜換代產(chǎn)品已成為全國(guó)乃至全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需求。在國(guó)內(nèi)外廣泛開展的可替代塑料地膜產(chǎn)品的研究中，液態(tài)地膜因其具有安全、高效、無(wú)殘留的特點(diǎn)脫穎而出。液態(tài)地膜能否替代塑料薄膜參與到生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中呢？

液態(tài)地膜發(fā)展現(xiàn)狀

液態(tài)地膜的產(chǎn)生

為了解決塑料地膜引發(fā)的“白色污染”問(wèn)題，全球科研工作者紛紛尋找能夠替代塑料地膜的可自然降解材料。早在1963年，比利時(shí)根特大學(xué)DeBoot等人與Labofine公司合作，研制出了瀝青乳化劑Bitume（商品名為Humofina，簡(jiǎn)稱BIT），并在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，該產(chǎn)品當(dāng)時(shí)曾被作為土壤調(diào)理劑新產(chǎn)品進(jìn)行推廣。我國(guó)的液態(tài)地膜研發(fā)始于1986年，科研工作者首次引進(jìn)比利時(shí)的BIT產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用研究，但因其市場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性差、價(jià)格昂貴、運(yùn)輸不便等問(wèn)題，轉(zhuǎn)向從國(guó)內(nèi)自然條件、經(jīng)濟(jì)條件、生產(chǎn)力條件、運(yùn)輸條件等多方面入手，同時(shí)吸收借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，開始大量液態(tài)地膜的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)。

1998年，第一代國(guó)產(chǎn)液態(tài)地膜問(wèn)世，其以石油瀝青或渣油為原料，成本比較高，推廣難度較大。之后，圍繞液態(tài)地膜研究的科技工作相繼開展并取得了很大成就[3-4]。第二代液態(tài)地膜主要是以農(nóng)作物秸稈、樹皮等為原料，利用風(fēng)化煤、褐煤或泥炭等進(jìn)行化學(xué)改質(zhì)，并添加一些添加劑制造而成。其價(jià)格有所降低，原材料來(lái)源更為廣泛。第三代液態(tài)地膜主要以造紙廢液、釀酒廢液、海藻廢液、淀粉廢液等為原料，在多種交聯(lián)劑的作用下形成高分子化合物。第四代液態(tài)地膜是在交聯(lián)劑的作用下，將腐殖酸、木質(zhì)素、纖維素和多糖合成高分子化合物，并添加硅肥、微量元素、農(nóng)藥和除草劑，混合制取多功能可降解黑色液態(tài)地膜。第五代液態(tài)地膜是以富含腐殖酸的風(fēng)化煤為主要原料，添加活性劑、交聯(lián)劑、除草劑等混合而成的多功能可降解黑色液態(tài)地膜，可集農(nóng)藥、肥料和農(nóng)膜于一身，具有可現(xiàn)場(chǎng)噴施造膜、自然出苗、對(duì)地形地貌適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。

液態(tài)地膜研究現(xiàn)狀

通過(guò)科研人員多年的研發(fā)與實(shí)踐，液態(tài)地膜不斷更新?lián)Q代，產(chǎn)品種類日益豐富，按照材料來(lái)源主要分為3大類（表1）。其中，天然高分子降解液態(tài)地膜具有良好的降解性、透氣性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，并且可完全生物降解，材料來(lái)源豐富，使用過(guò)程無(wú)污染。甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)聯(lián)合，以牛糞提取物與農(nóng)作物秸稈為原料制成的生物液態(tài)地膜，在當(dāng)?shù)剡m用于防風(fēng)固沙，且降解后還可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥改良土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤通透性，可使5～l5 cm的土壤增溫2 ℃，作物生育期提前3～5 d；同時(shí)可抑制水分蒸發(fā)率30%以上，提高土壤含水量20%以上[6]。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所通過(guò)物理修飾水相塑化技術(shù)，采用玉米淀粉等材料研制出新型液態(tài)地膜，可替代傳統(tǒng)塑料地膜，保溫、保墑性好，667 m2使用成本只要100元，并且3～6個(gè)月內(nèi)可完全自然降解，不僅保護(hù)環(huán)境，還能改良土壤[7]。Hsueh等[8]在木質(zhì)素地膜中加入農(nóng)藥和肥料，得到低成本多功能地膜，不僅可以使地溫提高1～4 ℃，蒸發(fā)抑制率可達(dá)30%以上，土壤含水量提高20%以上，土壤容重降低6%～10%，土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒數(shù)量增加10%以上，還能使土體含鹽量降低，作物生育期提前，增產(chǎn)20%以上，推廣效果非常理想，可用于荒地、沙地、鹽堿地、灘涂整治及工程道路護(hù)坡、固沙造林綠化、渠道防滲等領(lǐng)域。化學(xué)高分子降解液態(tài)地膜，一般分子鏈較長(zhǎng)，較穩(wěn)定，對(duì)土壤粘附作用較強(qiáng)。以上2種液態(tài)地膜由于原材料豐富、降解徹底，逐漸成為近年來(lái)研究和應(yīng)用的重點(diǎn)，但化學(xué)高分子降解液態(tài)地膜往往由于成本偏高，保溫效果一般，目前推廣應(yīng)用較少。

復(fù)合型液體地膜（表1）原料來(lái)源廣泛，輔以一種或多種功能于一體，降解性能良好，推廣應(yīng)用較多。例如有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合型液態(tài)地膜，在性能上各成分可互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，使其綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足不同需求，是一種功能相對(duì)全面的新型液體地膜，也是下一代地膜發(fā)展趨勢(shì)。烏魯木齊中匯國(guó)豪生物科技有限公司[9]將蒙脫石（硅鋁酸鹽）和腐殖酸進(jìn)行改性，在交聯(lián)劑、成膜劑的作用下形成高分子，然后再與各種添加劑、硅肥、微量元素、農(nóng)藥和除草劑混合，制成多功能可降解黑色液態(tài)地膜，既可以保溫、保水、防止蒸發(fā)、提高出苗速度，又可以保肥、減少養(yǎng)分流失、防止土壤板結(jié)，還可以快速分解、改善土壤環(huán)境。這種腐殖酸多功能可降解黑色液態(tài)地膜以自然界中可開發(fā)利用的腐殖酸資源（褐煤、風(fēng)化煤或泥炭）為原料，不含重金屬，無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)公害，屬環(huán)保型新技術(shù)產(chǎn)品，可用在干旱、寒冷、丘陵地區(qū)水土保持整治以及工程道路護(hù)坡、固沙造林綠化和渠道防滲、樹木防凍等領(lǐng)域，還可用于鮮食玉米生產(chǎn)，提高產(chǎn)品品質(zhì)（氣味風(fēng)味、柔嫩性均有明顯優(yōu)勢(shì)，感官品質(zhì)、色澤、糯度、皮厚度等品質(zhì)也有所提高）[10]。污泥多功能全降解液態(tài)地膜，不但可替代常用的塑料地膜，還能有效解決污泥處理利用難題。

表1 液態(tài)地膜類型（按照材料來(lái)源分類）

液態(tài)地膜應(yīng)用現(xiàn)狀

應(yīng)用領(lǐng)域

液態(tài)地膜作為一種新型覆蓋材料，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，涉及蔬菜、糧食、果樹和藥用作物等。在施用保水肥的條件下，噴施腐殖酸鉀液態(tài)地膜后土壤各養(yǎng)分含量最高，生菜植株氮、磷、鉀含量提高，生菜葉綠素含量和根系活力提高，土壤酶活性提高，生菜品質(zhì)顯著提高，產(chǎn)量增加17.17%；同樣條件下，也能提高馬鈴薯的品質(zhì)，增加馬鈴薯中的礦質(zhì)元素含量，顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量（7.20%～20.02%）[11]。新型液態(tài)肥料地膜在提高土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)油菜與甘藍(lán)植株生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量等方面顯著優(yōu)于普通塑料地膜；在自然狀態(tài)下2個(gè)月左右即可完全降解，達(dá)到了“綠色環(huán)保”的效果[12]。覆蓋液體地膜對(duì)朝天椒植株的株高、莖粗生長(zhǎng)有促進(jìn)效應(yīng)，并能顯著提高其產(chǎn)量和品質(zhì)[13]。在西藏地區(qū)（高海拔）應(yīng)用液態(tài)地膜，因環(huán)境因素影響作用較大，降解速度加快[14]。多功能液態(tài)地膜還可以應(yīng)用于蘋果、果桑、梨、葡萄、杏、棗等果樹[15-20]及延胡索、白術(shù)等[21-22]藥用作物上，不僅可以改善土壤肥力、提高產(chǎn)量和品質(zhì)，還可以防止病蟲害發(fā)生，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益。

液體地膜用于林業(yè)領(lǐng)域，可以有效保水，并且能有效減緩?fù)寥乐械乃稚⑹В€能有效增加土壤中有機(jī)碳、全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為林木提供生長(zhǎng)所需養(yǎng)分[23-26]。液體地膜的使用不受地塊面積和海拔等因素限制，可用于坡地、灘涂、不規(guī)則地塊等區(qū)域[27]。液態(tài)地膜在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域發(fā)揮的作用也不小，可應(yīng)用于沙漠、風(fēng)口、丘陵等地，防止水土流失，且效果顯著[28-32]。通過(guò)配方改良和產(chǎn)品更新，液體地膜還可用于鹽堿地改良、綠化樹木防凍等領(lǐng)域。

應(yīng)用案例

金河多功能生物全降解液體地膜是由江蘇連云港市金河液態(tài)地膜廠開發(fā)研制成功的新型農(nóng)用地膜，產(chǎn)品由木質(zhì)素、植物膠原蛋白、土壤改良劑等天然高分子物質(zhì)經(jīng)特殊工藝螯合加工而成，可100%降解，并且不產(chǎn)生有害殘留。在江蘇、河南成功應(yīng)用于花生的種植，可使花生根系粗壯，莖葉厚密，抗旱能力強(qiáng)，無(wú)爛根爛果現(xiàn)象發(fā)生，每667 m2可增產(chǎn)100 kg以上。目前，在黑龍江、山東、河北、新疆、福建等地已大面積試驗(yàn)和推廣，受到了農(nóng)民的普遍歡迎。

宏亞三省全降解液體地膜是山東宏亞三省全降解液體地膜有限公司生產(chǎn)的具有國(guó)際先進(jìn)水平的多功能可降解液體地膜，是以農(nóng)作物秸稈為原料，利用現(xiàn)代生物技術(shù)從秸稈中提取活性成分，加入多種作物所需有機(jī)質(zhì)和微量元素，經(jīng)交聯(lián)聚合反應(yīng)生成的高分子化合物，不含重金屬及其他化學(xué)成分，無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)公害。已開發(fā)出的專用型液體地膜產(chǎn)品有蔬菜、瓜果、花生、土豆、棉花、煙草等6大種類，2008年產(chǎn)品已遍布以山東、江蘇、河南、河北為主的10多個(gè)省近300個(gè)縣（市、區(qū)）。

液態(tài)地膜研發(fā)技術(shù)面臨的困境及解決辦法

技術(shù)難題

首先是設(shè)備問(wèn)題，由于液態(tài)地膜成分具有粘連性，在噴灑作業(yè)時(shí)容易堵塞噴頭及其他設(shè)備，因此為更廣泛地推廣和應(yīng)用液態(tài)地膜，噴灑設(shè)備的研發(fā)任務(wù)首當(dāng)其沖。其次是性能問(wèn)題，同一液態(tài)地膜對(duì)不同性質(zhì)土壤、地塊、地形、地域適應(yīng)性不同，其保溫保墑等效果各有差異，因此尚需開發(fā)針對(duì)特定土壤、特定區(qū)域、特定地形的專用液態(tài)地膜。液態(tài)地膜應(yīng)用效果受天氣、氣候等自然條件的影響也較大，例如土壤表層液態(tài)地膜在遇到雨水、高溫等因素時(shí)，其被沖刷或降解速度加快，從而破壞地膜的持久性和完整性，因此高性能液態(tài)地膜是未來(lái)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。因增加可塑性和成膜性而添加某些成分，導(dǎo)致部分液態(tài)地膜降解周期不受控制，甚至和作物生長(zhǎng)周期發(fā)生沖突。最后是價(jià)格問(wèn)題，現(xiàn)有液體地膜產(chǎn)品的原材料價(jià)格較高，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格偏高，影響其推廣和應(yīng)用。

解決途徑

研發(fā)與推廣配套液態(tài)地膜的噴灑裝置，特別是與機(jī)械化作業(yè)聯(lián)合應(yīng)用的噴灑裝置，便于液態(tài)地膜大面積推廣應(yīng)用。針對(duì)特殊季節(jié)、區(qū)域、地塊研發(fā)適宜液態(tài)地膜類型，并篩選合理的噴施濃度，指導(dǎo)用戶合理使用地膜，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的同時(shí)，達(dá)到高效生產(chǎn)。研究新型合成工藝，發(fā)現(xiàn)新型天然高分子，合成新型液體地膜。例如，通過(guò)添加適宜成分來(lái)改善土壤或滿足植物生長(zhǎng)需要，研制低成本、多功能、復(fù)合型液態(tài)地膜。還可以回收利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活廢棄物，開發(fā)新型可降解液態(tài)地膜，控制生產(chǎn)成本，開發(fā)價(jià)廉物美的液態(tài)地膜產(chǎn)品。研發(fā)液態(tài)地膜覆蓋集成技術(shù)，為保水、保溫、高效、增產(chǎn)提供保障。開發(fā)液態(tài)地膜粉劑產(chǎn)品，便于生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用。加強(qiáng)液態(tài)地膜宣傳力度，建立應(yīng)用示范基地，進(jìn)行大力推廣和試用，盡快改變傳統(tǒng)塑料地膜使用習(xí)慣，避免加重“白色污染”。制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和使用技術(shù)規(guī)程，使生產(chǎn)和應(yīng)用走向規(guī)范化。

液態(tài)地膜的發(fā)展前景

液態(tài)地膜應(yīng)用前景廣闊，生產(chǎn)和應(yīng)用液態(tài)地膜可以變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源再生利用。工業(yè)生產(chǎn)中的制革固體廢棄物、城鎮(zhèn)生活污水污泥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈等均可作為液態(tài)地膜的原材料，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用。全降解液體地膜無(wú)殘留，可達(dá)到農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、資源綜合利用的目的?？山到舛喙δ軓?fù)合型液體地膜通常功能多樣、價(jià)格低廉，環(huán)保，具有巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。目前看來(lái)，液態(tài)地膜是一種最有可能替代生產(chǎn)中普遍使用的塑料地膜的新型地表覆蓋材料，對(duì)解決“白色污染”問(wèn)題具有重要意義。

結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用液態(tài)地膜可以增加農(nóng)作物產(chǎn)量，提高農(nóng)田土壤溫度，抑制土壤水分蒸發(fā)，提高土壤水分含量和利用率，減少“白色污染”，凈化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，防止水土流失，但也存在著諸如上述列舉的技術(shù)和應(yīng)用難題。近年來(lái)，液態(tài)地膜研發(fā)工作不斷突破，液態(tài)地膜產(chǎn)品眾多，但真正在生產(chǎn)中得到充分利用的液態(tài)地膜種類為數(shù)不多。治理“白色污染”，液態(tài)地膜能否擔(dān)當(dāng)重任，掀起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“再革命”？我國(guó)農(nóng)業(yè)要發(fā)展節(jié)水、環(huán)保型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，多功能全降解液態(tài)地膜的研發(fā)和應(yīng)用勢(shì)在必行，也為全民所望。