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全生物降解地膜未来可期
2022年21期 发行日期:2022-11-01
作者:■ 中国农业科学院 刘家磊

  近年来,国内农地膜的年使用量已经接近150 万吨,约占全球农膜使用量的75%,覆盖作物类型已超过40余种,使用区域已包含国内所有种植区域,每年给我国农业生产所带来的直接收益约1400 亿元。农膜的使用在促进农业增产增收的同时,废弃农膜在田间残留所造成的白色污染问题也越来越严重,受到了广泛的关注。全生物降解地膜作为彻底解决农膜污染问题的重要途径之一,已成为科研界和产业界追踪的热点。

农膜覆盖给我国农业高效生产提供了强有力的技术支持

  我国每年农作物播种面积约24亿多亩,主要作物覆膜面积近3亿亩,农作物地膜覆盖比率接近13%。其中,烟草、大蒜和棉花种植地膜覆盖技术应用比率较高,均超过70%;其次是加工番茄、向日葵、甜菜和蔬菜等,应用比率在25%~50%。农膜覆盖技术快速发展的主要原因为:一是农膜覆盖具有良好的增温功能,地温能够提高1~2℃,导致作物种植向高纬度地区扩展;二是农膜覆盖具有良好的保水作用,水分利用率提高30%,对保障我国安全持续用水意义重大;三是农膜覆盖使得杂草的生物量降低70%以上,缩减了农田的除草环节和除草剂类农药的使用量,减少了农业生产的投入成本;三是农膜覆盖能够明显提高作物产量,增产率在20%~30%,增产所带来的直接经济效益约1400亿元/年。除这些主要功能以外,部分功能性农膜还被赋予了光谱调控功能,对果品着色、农田驱虫、土壤消毒、提高肥料利用效率等意义重大。

农膜污染已成为影响我国农业可持续发展的重要因素

  目前,地膜残留已给局部地区的农业生产和环境造成了不利的影响和危害,尤其是我国西北部农膜使用量较大的区域,部分农田农膜残留量已经超过了25公斤/亩,给农事操作和作物生长带来了较大的障碍。具体表现在以下几个方面:一是农机使用受到影响,特别是播种机械。农膜残片不仅会影响到播种后的覆土过程,还会卷入辅助设备的轮毂或传送带导致机械故障,播种效率和播种质量下降严重。二是影响作物发芽。目前,新疆地区棉花发芽率从95%降低到了87%,其中最重要的原因在于农膜残片阻碍了棉花种子对水分和养分的吸收,其他作物的发芽状况也存在着类似现象;三是影响作物根系生长,并导致产量降低。如果长期覆膜(30年以上)而不进行地膜回收处理,棉花单产将下降5%以上,大蒜单产将下降10%以上;四是残膜会随着收获过程迁移至农产品中,影响农产品质量和食品安全。依据国家标准《棉花细绒棉》(GB1103—2007),皮棉异性纤维含量0.8克/吨为临界值,而目前新疆籽棉的地膜残片含量一般约为2.0克/吨,经过机械和人工挑拣后,皮棉地膜残片含量一般在0.3~1.5克/吨,导致皮棉价格下降600~1000元/吨,甚至部分残膜量太高的地区导致皮棉处于完全无市场状态。其他粮食作物虽然残膜迁入量较少,但其对食品安全所造成的影响更为严重。因此,无论从土壤保护角度,还是从食品安全角度考虑,农膜污染已成为影响我国农业可持续发展的重要因素之一。

全生物降解地膜替代是彻底解决农膜污染问题的关键技术之一

  目前,解决农膜污染的主要途径包括残膜回收和降解地膜替代技术,农业农村部制定的相关政策显示,能回收的作物推荐使用高强度地膜,增加回收率,降低分拣难度,提升残膜高值化利用水平;适宜使用超薄膜或不适宜于使用高强度地膜的作物推荐使用降解地膜替代的途径。

  降解地膜替代在有些作物种植上已经取得了不错的经济效益和社会生态效益,已开始大面积推广全生物降解地膜替代技术的作物包括马铃薯和有机水稻。其中,马铃薯属于喜阴类根茎类作物,与降解地膜配套的种植农艺包括覆膜、覆土。早期,全生物降解地膜起到了很好的保温、保墒、防草的功效。后期,降解地膜出现裂解,增加了土壤的透水、透气性,促进了马铃薯的根茎膨大,与传统聚乙烯(PE)地膜相比能增产5%至15%。传统水稻种植一般不覆膜,降解地膜在有机水稻上的应用,增加了有效积温,实现了跨积温带栽培。5厘米涂层有效积温增加300℃,充分发挥生育期长的水稻品种优势;抑制杂草生长,减少水分蒸发,有利于绿色种植。利用膜下高温杀灭杂草,不使用除草剂,实现无公害栽培,减少无效水分蒸发,实现节水30%左右;两年内地膜能够完全降解,无任何有毒有害残留物,不影响下一季作物生产;能使水稻产量达到550公斤/亩,与常规种植持平,纯收入增加显著。

市场对高品质全生物降解地膜迫切需求

  目前,全国已有近100家企业在从事与全生物降解地膜相关工作,包括全生物降解树脂、助剂和膜类新产品开发。全生物降解地膜产品的质量和性能也得到大幅度改善,尤其是在“五性”(安全性、操作性、功能性、可控性和经济性等)方面。生物降解地膜在水稻、马铃薯、加工番茄、烟草、甜菜和短季蔬菜都有良好应用效果,并基本形成了与生物降解地膜相匹配的农艺技术。2019年,全国生物降解地膜应用面积近10万亩,主要分布在新疆维吾尔自治区、云南、甘肃、河北、内蒙古自治区和东北黑龙江、吉林和辽宁三省等地区。

  目前,对全生物降解地膜的迫切需求主要体现在以下几个方面:一是大蒜、花生等作物因其特殊的种植农艺和生长过程,亟需5微米左右的超薄降解地膜;二是马铃薯、甜菜等在根茎膨大期对土壤透水、透气性有特殊要求的作物,全生物降解地膜对PE地膜的替代能够促进其品质提升和产量增加;三是人力成本较高的地区,地膜使用成本加上回收成本已经超过全生物降解地膜使用成本。

全生物降解地膜的功能还需进一步提升

  近年来,虽然降解地膜在质量和功能方面提升幅度很大,但尚未达到传统PE地膜可以做到一种配方覆盖所有区域、所有作物的程度。与PE地膜相比,降解地膜在以下几个方面的性能还需要进一步提升:一是水蒸气透过率较高,PE地膜水蒸气透过率一般在20 gm-2/day至50 gm-2/day,而降解地膜尚停留在300 gm-2/day~800 gm-2/day之间,差距还在1个数量级以上。二是控草能力较弱。对于10微米厚度的白色降解地膜,其覆盖下杂草的生物量要比相应的PE地膜高1个数量级。三是保温性能差。与相同厚度的PE膜相比,降解地膜覆盖下的土壤表层温度要低0.5℃,对于喜温作物的早期生长产生了不利影响。四是降解地膜的功能期延长和精准控制还存在着较大问题。其原材料对光照、温湿度、土壤盐碱特性、土壤微生物环境等过于敏感,导致其功能期满足不了部分作物的生长覆膜需求。

全生物降解地膜的未来可期

  《中华人民共和国土壤污染防治法》的出台,为降解地膜的快速推广提供了法律依据,《农业农村污染治理攻坚战行动计划》《农业部关于印发农业绿色发展五大行动》《农业部关于印发农膜回收行动方案的通知》等为降解地膜的推广提供了政策支持,《农业部、财政部关于开展地膜科学使用回收试点工作的通知》为降解地膜的推广提供了引导资金。随着降解树脂原材料产能的不断扩大,原材料价格保持下降趋势,原材料价格过高的问题将得到缓解。投产的降解树脂类型在不断增加,加工技术在不断完善,产品质量将得到大幅度提升,应用区域和作物类型将得到扩展。随着降解地膜产品配方开发,适宜性和安全性评价工作的不断深入,与降解地膜相关的标准将日趋完善。


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