固體廢棄物材料制備可生物降解液態農用地膜研究

摘要：隨著“雙碳”目標的提出，塑料地膜生物降解性低、作物周期后難以去除帶來的經濟和環境方面的問題，使其應用受到限制。在為了解決塑料地膜存在的各種問題而進行的研究中，可生物降解液態農用地膜引起廣泛關注。該類地膜制備涉及的典型材料主要有廚余垃圾、工業廢棄物和農業廢棄物，其主要應用領域是種植業，目的包括單純的抑制雜草生長，以及通過實現產物增產來提高農業和環境效益。由于不同制備材料會顯著影響地膜的不同性能，因此還需進行更深入的探究，以全面提高地膜適用性。

關鍵詞：液態農用地膜；固體廢棄物；生物降解

基金項目：甘肅省科學技術廳重點研究開發項目（21YF5GA051）；甘肅省自然基金項目（21JR11RA068）；甘肅省高校產業支持計劃項目資金-基于健康風險防控的黃河流域甘肅段水安全及生活垃圾處理關鍵技術研究（2020c-38）

地膜覆蓋具有保持土壤水分、增加土壤溫度和控制雜草的功能[1]，是提高糧食產量的重要農藝舉措。農田地膜覆蓋的栽培方式在某種程度上促進了農業發展，但也帶來了諸多嚴重的環保問題，如由于地膜無法再次利用而引起的白色污染和由此產生的土壤中微型塑料等[2]。截至目前，我國是世界上塑料地膜使用最廣泛的國家之一[3]，因此解決農田覆蓋造成的塑料污染成為我國農業可持續發展的迫切需要。

作為傳統塑料地膜的替代品，環保、可生物降解的地膜越來越受到人們關注。而液態地膜噴灑可以通過土壤顆粒聚集來改善土壤的保溫、防潮等物理性質，與傳統塑料地膜相比，液體地膜更適合大規模機械覆蓋[4]。經相關研究，由天然、可回收的各種生物降解材料制成的可降解液態地膜脫穎而出[5]，其具有碳中性、易降解等特點，擁有良好的應用前景[6][7]。將可生物降解液態地膜用機械化噴霧器噴灑在不規則的土壤表面，可于水分蒸發后直接在田間形成保護性土工膜，且勞動強度低于鋪設可生物降解的薄膜[8]。同時，可生物降解液態地膜能直接進入土壤，能完全礦化或轉化為生物量，在使用結束時沒有有毒殘留[9]。因此，可生物降解液態地膜被認為是塑料覆蓋膜的清潔替代品，有利于農業可持續發展[10]。

本文以固體廢棄物制備的可生物降解液態農用地膜為研究對象，分別從發展歷程、制備材料、使用性能等多個角度進行研究論述，以期研究結果有助于相關產業的發展。

1 可降解液態農用地膜發展歷程

可降解液態農用地膜是農業科技領域的一個熱點話題，國內外科研人員積極探索新的材料和技術，力求為可降解液態農用地膜帶來更多的創新和突破。在幾十年的研究當中，液態農用地膜領域獲得了顯著的進步和發展。如，比利時根特大學科研人員成功研制出一種名為Bitume的瀝青乳劑產品，將其噴灑在土壤表面后能夠迅速將分散的土壤顆粒凝聚成團粒狀，起到增溫保墑和改良土壤的作用，該產品在干旱地區的農業生產中得到了廣泛應用，并在固沙植草、灘涂治理和道渠防滲等工程中發揮了重要作用；意大利科研人員研發出一種液態、天然高分子材料合成的可降解地膜，其能均勻噴灑于地面形成薄膜，有效解決了地膜對土壤的污染問題，這種農用地膜逐漸替代了當時普遍應用于農業和園藝領域的塑料農用地膜，在20世紀末被廣泛應用于西紅柿、蘆筍、草莓、馬鈴薯和花卉等作物的種植中，效果顯著。進入21世紀后，大批國內外科技人員更加積極地投入可降解液態農用地膜的研發和應用工作。

在不同階段用于制備可降解液態地膜的主要材料如圖1所示。

2 制備可降解液態農用地膜的固體廢棄物材料類別及成分

目前，用于制備液態農用地膜的廢棄物材料主要有生活垃圾、工業廢棄物和農業廢棄物，詳見表1。

3 固體廢棄物為原料的可降解液態農用地膜性能

3.1 生活廚垃圾為原料的可降解液態農用地膜

生活垃圾（餐廚垃圾）中含有大量的有機物質，如淀粉、纖維素、蛋白質等。

ZHANG J P等[11]利用回收的餐廚垃圾為原料，并通過與海藻酸鈉交聯反應，制備了具有疏水性表面和緊湊結構的可生物降解復合液態農用地膜，水蒸氣阻隔性能得到提升，最小水蒸氣透過率達到（8.23±0.05）×10-12g·cm/（cm2·s·Pa）。

GU H E等[12]以餐廚垃圾為原材料，并添加不同比例的烯酸酯通過接枝共聚制備了可降解液態農用地膜，噴施后地膜的致密結構不僅有效地減少了土壤水分蒸發，還提高了土壤溫度，100d后生物降解率達到70%。

3.2 工業廢棄物為原料的可降解液態農用地膜

TANG M等[13]以羅望子工業廢渣中的羅望子多糖為成膜劑和土壤顆粒聚集劑，并添加天然表面活性劑茶皂素和廢食用油再生油，制備了一種具有土壤改良功能的環保型多糖基液態農用地膜，使延伸率和接觸角分別提高69.30%和84.70%，液態覆蓋物的透水性鑒定水平降低68.70%，土壤抗風蝕率達到90.36%，種子發芽率提高31%，液態覆蓋物降解后，土壤氮素和碳素含量由0.05%提高到1.42%～13.54%，土壤有機質含量顯著提升。

王順新[14]利用廢棄物微硅粉獨特的物理化學特性，以其為原料在過硅烷偶聯劑處理下制備了微硅粉懸浮液態農用地膜，并與不含微硅粉的懸浮液態地膜進行對比試驗。結果表明，微硅粉懸浮液態農用地膜覆蓋能顯著提高土壤的保溫和保水性能，且這種農用地膜中的硅元素對小麥生長有促進作用，能達到增產的效果。

TIAN D等[15]以工業廢棄木質素為原料生產水溶性木質素，并將其進一步用作纖維素納米晶須的仿生粘合劑和功能添加劑，形成液態農用地膜的組成部分，使水溶性得到提高，同時表現出優異的紫外線阻隔性（200nm）和氧氣阻隔能力。

WANG X B等[16]從造紙廢液中提取木質素并與淀粉和丙烯酸酯聚合，制備了具有緩釋尿素功能的新型可噴涂液態農用地膜，木質素的存在增加了斷裂伸長率并降低了楊氏膜量，從而使膜更容易被作物幼苗刺穿，且可在被刺穿后保持土壤的熱量和水分。這種農用地膜表現出更好的土壤絕緣和保水性能，使土壤的有效氮含量（NH4+·N和NO3-·N）分別提高44.82%和45.49%，100d降解率達到85.60%。

3.3 農業廢棄物為原料的可降解液態農用地膜

XU Y M等[17]以竹子為原料，經脫木素、醚化合成纖維素合成羧甲基纖維素，再與聚乙烯醇混合，經戊二醛交聯制成可降解液態農用地膜，使土壤表面形成的地膜機械性能達18.20Mpa，透光率達74.20%，吸濕率達141% ，具有良好的土壤保水性能，60d后降解率達到64%。

楊祖盛等[18]以水稻秸稈為原料，進行化學改性制備羧甲基纖維素，再與丙烯酸接枝聚合制備高吸水樹脂，通過充分利用這2種物質并輔以交聯劑，經交聯聚合制備了抗紫外線液態農用地膜。EWULONU C M等[19]通過機械化學作用，將廢棄的農業秸稈轉化為木質纖維素微纖維和納米纖維，并加入甲基三甲氧基硅烷，使制備的液態農用地膜具有疏水性，抗拉強度約為16MPa，變質前耐熱性能優于150℃，水蒸氣滲透率小于3.419×10-8g/m·h·Pa；同時，提高了可降解液態農用地膜的斷裂伸長率（滯后率小于11%），可使其覆蓋性能達到優良；另外，噴施在土壤表面的納米纖維濃縮物具有良好的附著力，干燥時裂縫很少。

余華喜[20]以山藥皮屑等廢棄物為原料，并加入交聯劑及其他助劑，制備出了一種新型的可降解液態農用地膜。這種農用地膜可顯著提高土溫并降低土壤水分揮發率，將這種農用地膜埋入土壤49d后，降解率達39.40%，表明其具有良好的生物降解性能。

4 結論

綜上所述，目前我國用于制備可降解液態農用地膜的材料主要為固體有機廢棄物，包括生活垃圾（餐廚垃圾）、工業廢棄物和農業廢棄物，制備而成的可降解液態農用地膜性能可在一定程度上滿足使用需求，但綜合利用方面仍存在一些問題。可降解液態農用地膜的主要應用領域是種植業，目的包括單純的抑制雜草生長，以及實現產物增產并提高農業和環境效益。

不同廢棄物制備的可降解液態農用地膜基本性能，如機械強度、斷裂伸長率、降解性能等，會由于制備過程和材料本身特性不同而有所差異，但綜合而言，餐廚垃圾、工業廢棄物和農業廢棄物制備的可降解液態農用地膜均表現出卓越的的降解能力，同時顯示出優秀的保溫保墑效果，具有良好使用價值。

目前，對于上述材料制備的可降解液態農用地膜只是進行了小規模的使用，尚缺廣泛的適用性數據支撐，還需進行有針對性、具規模化的深度研究和改進，以在收獲農業和環境雙重效益的同時，實現“雙碳”目標。

參考文獻

[1] SUN D B，LI H G，WANG E L，et al.An Overview of the use of plastic-film mulching in China to increase crop yield and water-use efficiency[J].National Science Review，2020，7（10）：1523-1526.

[2] MENG F R，YANG X M，RIKSEN M，et al.Effect of different polymers of microplastics on soil organic carbon and nitrogen-A mesocosm experiment[J].Environmental Research，2022，204：111938.

[3] DARYANTO S，WANG L X，JACINTHE P A.Can ridge-furrow plastic mulching replace irrigation in dryland wheat and maize cropping systems？[J].Agricultural Water Management，2017，190：1-5.

[4]賈璇，傅晨星，張軍平，等.可降解液體地膜的研究現狀及應用展望[J].中國塑料，2020，34（12）：110-118.

[5] ADHIKARI R，BRISTOW K L，CASEY P S，et al.Preformed and sprayable polymeric mulch film to improve agricultural water use efficiency[J].Agricultural Water Management，2016，169：1-13.

[6] FILIPOVIC V，BRIS TOW K L，FILIP OVICL，et al.Sprayable Biodegradable Polymer Membrane Technology for Cropping Systems：Challenges and Opportunities[J].Environmental science amp; technology，2020，54（8）：4709-4711.

[7] Chen L，Qiang T T，Chen X J，et al.Fabrication and Evaluation of Biodegradable Multi-Cross-Linked Mulch Film Based on Waste Gelatin[J].Chemical Engineering Journal，2021，419：129639.

[8] BORROWMAN C K， Bücking M，Gock ener B，et al.LC-MS analysis of the degradation products of a sprayable， biodegradable poly（ester-urethane-urea）[J].Polymer Degradation and Stability，2020，178：109218.

[9] SERRANO RUIZ H，MARTIN CLOSAS L，PELACHO A M.Biodegradable plastic mulches：Impact on the agricultural biotic environment[J].Science of the Total Environment，2021，750：141228.

[10] NELSON T F，REMKE S C，KOHLER H P E，et al.Quantification of Synthetic Polyesters from Biodegradable Mulch Films in Soils[J].Environmental science amp; technology，2020，54（1）：266-275.

[11] ZHANG J P， HOU J Q， LI M X，et al.A novel process for food waste recycling： A hydrophobic liquid mulching film preparation[J].Environmental Research，2022，212：113332.

[12] GU H F，GENG H H，WANG D Y，et al.A new method for the treatment of kitchen waste：Converting it into agronomic sprayable mulch film[J].Waste Management，2021，126：527-535.

[13] TANG M，HAN M H，GU W T，et al.Preparation and characterization of eco-friendly polysaccharide-based liquid mulch with soil amend ment function[J].Journal of cleaner production，2022，363：132586.

[14]王順新.微硅粉懸浮液體地膜性能及對植被生長特性研究（碩士論文）[D].西寧：青海大學，2020.

[15] TIAN D，ZHANG J， HU J G，et al.A new water-soluble lignin incorporation enhanced the barrier performance of liquid mulching film[J].Chemical Engineering Journal，2023，452：139383.

[16] WANG X B，LI X X，SANG W T，et al.Hydrothermal Wheat Straw–Reinforced Polyvinyl Alcohol Biodegradable Mulch Film[J].Water Air amp; Soil Pollution，2023，234（11）：695.

[17] XU Y M，LI Q，MAN L P.Bamboo-derived carboxymethyl cellulose for liquid film as renewable and biodegradable agriculture mulching[J].International journal of biological macromolecules，2021，192：611-617.

[18]楊祖盛，楊永啟，孫元芹，等.水稻秸稈制備抗紫外線液體地膜研究[J].山東化工，2022，51（23）：1-4.

[19] EWULONU C M，WANG H K，LIU X R，et al.Sustainable fabrication of hydrophobic lignocellulose micro and nanofibrils mulch films and spray coatings[J].Cellulose，2022，29（4）：2305-2322.

[20]余華喜.山藥多糖提取及其廢棄物制備可降解液體地膜研究（碩士論文）[D].南昌：南昌大學，2017.

作者簡介

吳海龍（1998—），男，漢族，江西南昌人，碩士研究生在讀，研究方向為固體廢棄物處理處置與資源化。

通信作者

白圓（1972—），女，回族，河南鄭州人，副教授，博士，主要從事固體廢棄物處理處置與資源化方面的研究工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-20