张加凡，梁静，罗守杨，姚宗沐，田春杰，孙雨
(1.吉林农业大学 生命科学学院 秸秆综合利用与黑土保持教育部重点实验室，吉林 长春 130118；
2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102)
农田地膜常用的材质是聚乙烯(PE)塑料，它是由乙烯单体经聚合而成，其基本结构为-[-CH2-CH2-]n-[1]。聚乙烯分为高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)，而LDPE和LLDPE用于薄膜制品，其中48.7%的聚乙烯薄膜产品用于农田覆盖[2]。地膜优势主要体现在：减少表层水分蒸发[3]，既可以保湿节水还可以减轻土壤次生盐渍化；
减少地面土壤辐射，尤其在晚上起到保持地温[4]；
减少水流和风力侵蚀，防止水土流失，起到保土保肥的作用；
抑制杂草生长和防止病虫害侵袭[5]。20世纪50年代，塑料薄膜覆盖因具有提高土壤温度的能力而首次被人们注意到[6]，直到1978年地膜覆盖栽培技术才从日本引进我国[7]。
地膜首先应用于北方寒冷、干旱和半干旱地区的农业种植，对于提高或稳定作物产量作用显著[8]。如今，地膜覆盖作物面积已经从北方扩展到南方寒冷的高海拔地区[9]。因其技术简单、对农作物的生长发育及产量提高作用明显等优点而得到广泛应用[10]。目前，我国地膜消耗量巨大，2018年消耗量约210万t，占世界的90%，使用地膜土地面积已超0.2亿hm2[11]。
农田地膜覆盖能有效地改变农作物生长环境促进作物早熟，提高农作物产量和水分利用效率[12]。地膜覆盖的应用使得我国的粮食作物和经济作物的产量分别提高了20%～35%和20%～60%[13]。据Ma等[14]的研究表明，地膜覆盖下谷物和玉米产量分别提高了43.1%和79.4%，不仅在产量方面得到提升，对表层土壤(0～20 cm)的水分和硝酸盐浓度也有明显提升，地膜覆盖下谷物和玉米土壤中硝酸盐浓度分别提高了12.9%和28.2%，而硝酸盐正是作物生长发育的主要氮源之一。马铃薯作为经济作物，在地膜覆盖下我国马铃薯产量和水分利用率分别提高了30.6%和30.3%[15]。地膜覆盖不仅在谷物、玉米和马铃薯的实践应用中增加了产量，在花生、棉花及水稻等农田作物上均取得了成功[5]。因此，农用地膜的广泛应用提高了农作物的产量和农业生产效率，促进了农业的发展[16]。
农膜覆盖回收后，还有部分地膜残留在农田难以回收，并且在自然条件下极难降解[15]。随着地膜覆盖年限的不断增加，残膜在土壤中逐年积累，导致农田污染严重[16]。我国每年农田中残留的地膜高达35万t，残膜率42%[19-20]。根据现有数据统计，甘肃省、内蒙古自治区、东北三省、山西省和河北省部分地区土壤平均残膜量均在100 kg·hm-2以上[21]，在新疆维吾尔自治区土壤中残膜量约为265.3 kg·hm-2，是目前残膜污染最为严重的地区[20]，农田地膜覆盖已由原来的“白色革命”变成“白色污染”[23]。
大量残留的塑料薄膜会显著改变土壤理化性质及其微生物的种群结构与数量[24]，对土壤及土壤微生物群落带来巨大的威胁。研究发现，塑料在高暴露浓度(>90 g·kg-1)下对土壤生物具有潜在的毒性作用[25]；
随着地膜残留量的增加，土壤酶活性和微生物多样性会逐渐降低，当残膜量高于450 kg·hm-2时，土壤微生物量、微生物群落多样性和土壤酶活显著降低[26-27]。微生物的毒性作用一部分来源于地膜生产过程中含Ba、Cd和Pb等的热稳定剂的添加所导致，增加了土壤重金属污染。还有一部分是地膜中含有的增塑剂、抗氧化剂和阻燃剂。这些最常用的添加剂，包括溴化阻燃剂、邻苯二甲酸盐、壬基酚、双酚A和抗氧化剂，均已被确定为持久性有机污染物[28]。并且这些添加剂很少与塑料聚合物发生化学结合，会随着塑料的降解和风化从塑料中浸出，从而进入土壤，这也是导致土壤有机物污染的主要原因。
目前有关常见塑料化学添加剂的生态毒性的报道指出：塑料添加剂会引发神经毒性、炎症、脂质代谢改变和致癌[29-30]。有关塑料中添加剂的研究主要集中在双酚A和邻苯二甲酸酯，发现这两种化学物质会浸出到土壤中，对土壤动物产生毒性[31-32]。地膜残留物不仅有毒性作用，其本身作为固体物质进入土壤，会改变土壤结构。随着农田翻耕，地膜残片会留在耕层中，阻碍水分下渗，减少了土壤水分存储，影响土壤中N2、O2和CO2的交换，并改变水和养分的正常运输和分配[33]。残膜存在还会导致土壤通透性改变，引起土壤质地变硬或板结，造成耕种困难[34]。
残膜不仅对土壤微生物群落、土壤结构、水和养分的运输造成影响，还会严重影响作物产量[35-36]。残膜的存在对作物生长和根系发育具有极大的危害，严重影响着农田环境及农业生产。研究发现，当地膜残留量达到120 kg·hm-2时，小麦、玉米和棉花产量分别下降17.8%、13.2%和16.0%[37]。Gu等[15]发现残膜量在0～240 kg·hm-2之间对马铃薯的产量没有显著影响，但是当残膜量大于240 kg·hm-2后，马铃薯产量显著下降。蒋兆霞[38]通过田间小区对比试验发现，残膜会导致棉花出苗率和棉花产量下降。毛新颖等[39]在残膜对大豆产量和根际土壤微生物影响的研究中发现，随着残膜倍量(残膜1倍量：实际生产中单位面积半覆膜使用新农膜的量；
残膜2倍量：实际生产中单位面积半覆膜使用新农膜量的2倍，以此类推)的增加，大豆出苗率降低，残膜倍量从1增加到5倍，出苗率从89%下降到76%。正常状态下，根系会以垂直和水平方向向地下延伸，汲取土壤中的养分和水分，而小麦、玉米、大豆和棉花产量降低的原因可能是由于残膜的存在阻碍了作物根系的正常伸展，影响作物根系对水分和养分的正常吸收，从而阻碍了根系发育及地上部分作物生长[40]。
地膜残留还会引起牛羊等动物误食，而塑料固体物质会阻塞消化道，在肠胃中无法被消化或排出体外，造成机体消化不良，更甚至会因肠胃损伤致死[21]。残膜也会在自然环境(风、沙、雨和机械力等综合多方面条件作用)下破碎成微塑料(粒径小5 mm的塑料纤维、碎片、颗粒)[41]。人们在土壤、大气和海洋，甚至在人迹罕至的南极也发现了微塑料的踪迹，遍布整个生态系统[42]。为探究微塑料的存在对哺乳动物产生的影响，康恺等[43]利用小鼠实验发现，微塑料导致小肠显微结构发生破坏，小鼠生长明显受到抑制。还有些实验研究了微塑料对无脊椎动物的影响，并且给出了微塑料导致基因表达发生改变、出现氧化应激的迹象和能量代谢变化以及导致的组织病理学肠道损伤的证据[44-49]。Natalie等[50]还发现微塑料对海洋动物也会产生危害。微塑料以食物链方式进行转移和富集积累[51]，人们食用这些带有微塑料的海鲜和禽畜，在机体中不断累积，长此以往，不仅影响人体健康，对农业可持续发展及整个生态圈也构成严重威胁[52](图1)。
图1 农业生产中地膜残留的影响
目前解决农田残膜污染主要有两种途径：一是残膜回收循环利用，严格规定生产、流通和使用国家标准地膜，并及时回收农田废膜，保证废膜回收率达到国家标准(80%以上)，同时做好地膜回收后的后续处理；
二是生物降解地膜代替传统聚乙烯地膜，生物降解地膜的使用可缓解当前传统地膜带来的塑料薄膜残留问题，生物降解地膜应用于农田污染防治，可促进农业绿色、健康及可持续发展。
关于农田地膜回收，政府的政策具有导向性。目前在美国、欧盟及日本等些国家的政策规定农膜厚度都要求在0.02 mm以上。这种厚度的农膜机械性能好，使用机械回收和人工回收也较为容易，而且国外有较完善的农膜回收体系。我国颁布了一系列政策来完善地膜标准及相关质量控制机制，提高地膜回收率，促进地膜回收。2017年之前，规定的农膜厚度为(0.008±0.003)mm，且允许有20%的偏差，导致市面上流通的农膜厚度在0.004～0.006 mm之间，农膜机械性能差，不利于机械化回收[53]。2018年实施的强制性国家标准GB 13735-2017，要求提高地膜机械性能，增加地膜厚度[54]，有利于地膜机播作业和回收再利用[55]。2020年国家发展改革委、生态环境部明确提出：禁止生产和销售厚度小于0.01 mm的聚乙烯农用地膜[56]。2019年农业农村部、国家发展改革委、工业和信息化部、财政部、生态环境部、国家市场监督管理总局提出：到2020年实现基本建立回收体系，农膜回收率达80%以上；
到2025年，农膜基本实现全回收[57](表1)。
表1 我国关于农用地膜主要实施标准和意见内容
据2018年统计，内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区、甘肃省3省(区)100个地膜回收示范县面积已达8.25×105万hm2，占总覆盖面积的56%。2017年甘肃省回收废旧地膜13.6万t，回收利用率达80.1%，新疆自治区40个覆膜大县回收地膜已接近80%，重点区域已经稳定在75%以上。甘肃省从事废旧农膜回收加工的各类企业已达224家，已设立乡、村回收网点2 352个，新疆维吾尔自治区已建成86个废旧地膜回收加工厂，475个废旧农膜回收站，基本实现了重点区域全覆盖。我国农田土壤环境治理政策不断完善，残膜回收体系逐渐健全，地膜生产标准、使用规范和地膜回收标准正逐渐提升。
残膜回收方式分为人工拾取和机械回收[58]。我国残膜回收农具的主要机型有缠绕式、伸缩杆式、弹性齿式、齿轮齿式、滚筒式、气动式等(图2)[59]。机械化残膜回收率最高达80%～90%，机械回收装备的出现代替人力投入，提高了残膜拾取效率。随着技术的发展，机械回收农具不断改进和优化，将极大提高作业效率及残膜回收率，降低农田废膜对土壤的破坏和对作物生产的影响，同时也有利于残膜拾取机的普及和推广。
注：1.缠绕式；
2.伸缩杆式；
3.弹性齿式；
4.齿轮齿式；
5.滚筒式；
6.气动式。
目前，机械化回收农具的出现在一定程度上提高了残膜的拾取效率，但残膜回收率却没有太大提升。受地理环境因素影响，多数地区还是以人工回收为主，人力投入多、人工成本高。各地区缺少残膜回收政策，无法调动农民对残膜回收的积极性。生物降解地膜价格高于传统地膜，农户只考虑到生物降解地膜购买价格比传统PE地膜高，却没有考虑到残膜的危害和传统地膜回收的综合成本。
农田废膜的再利用既能消除农田残膜危机，又能实现资源再生，有利于保护环境节约资源。农膜回收再利用的生产过程主要是将回收的残膜清洗去污、破碎和干燥后挤出造粒，重新加工成农膜或其它塑料制品继续投入使用，形成资源的循环利用[60]。回收利用过程中首要的步骤是对残膜的处理，而残膜中夹杂大量泥土和植物残体，增大了残膜清理难度，当前技术下生产1 t聚乙烯塑料颗粒成本约5 500元，而利用废旧农膜生产1 t再生塑料颗粒成本约3 500元[61]，废膜再生利用不仅降低了塑料生产成本，还节约了石油资源。也可以通过高温催化裂解技术将农田废膜中的有机成分转化成汽油或柴油等液体燃料产品[62]，废塑料制油技术的主要步骤包括预处理、裂解及馏分等步骤[63]，其过程是在非氧化环境中在400 ℃～700 ℃的高温下将长链烃化合物热分解成较小的化合物，在催化剂作用下可以控制在较低温度范围内完成反应[64]。Kaimal[65]和Murugan[66]报道了热解油作为燃料在柴油发动机中的利用，并证明了塑料热解油的性能与柴油相当。如今不断上涨的原油价格使废弃塑料生产液体燃料技术受到人们的关注。热解工艺生产的液体燃料既减少塑料引起的环境问题，又能节约石油资源，也是对农田废膜最理想的处理方式。当然，塑料残膜处理方法多样各有其利弊，表2为目前主要的塑料残膜处理方式及其优缺点。
表2 残膜处理方式优缺点[67-70]
为了更好解决土壤中的塑料薄膜，降低对生态环境的影响，研究人员利用微生物解决塑料引起的环境问题。从自然环境中筛选微生物来降解传统PE塑料一直是研究热点，也是一种经济可行的环境保护方式。目前报道了很多关于从土壤、海洋和动物肠道等地发现降解传统PE塑料的微生物。在土壤中，Anna等[71]分离到一株HDPE降解菌，测得菌株A.xylosoxidansPE-1降解150天后HDPE的失重率为9%；
在海洋中，Harshvardhan等[72]筛选出三株LDPE降解菌，测得菌株KocuriapalustrisM16、BacilluspumilusM27和BacillussubtilisH1584降解30天后LDPE的失重率分别为1%、1.5%和1.75%；
在蜡虫肠道中，Yang等[73]分离出两株PE降解菌，测得菌株EnterobacterasburiaeYT1和Bacillussp.YP1降解60天后PE的失重率为分别为10.7%和6.1%。以上具有塑料降解功能的微生物主要是通过以PE塑料为唯一碳源下的生长曲线作为筛选指标，通过塑料材质的失重分析了解塑料重量损失情况，扫描电子显微镜观察塑料表面出现的孔洞、破损等物理形貌变化，傅里叶红外变换光谱观察塑料化学结构或官能团变化来分析其降解特性。微生物降解聚乙烯塑料的研究为农田地膜残余处理提供了新的解决途径。
聚乙烯薄膜生物降解过程首先是微生物分泌蛋白质和多糖物质在膜表面形成生物膜，降低膜表面疏水性，使微生物附着于膜表面；
然后，细胞分泌具有降解功能的胞外酶，通过酶的氧化和水解作用使得地膜分解成低分子量寡聚物、二聚体和单体等分子碎片；
最后，由聚乙烯分解产生的小分子物质通过细胞膜进入微生物体内，进入β氧化和三羧酸循环系统分解成CO2、H2O和能量物质为细胞供能(图3)[74]。对于微生物将大分子聚合物转变成小分子聚合物和小分子转变为CO2、H2O的过程中参与的酶系尚未有相关研究报道。生物降解并非单一酶参与，而是多种酶协同作用，相互促进的过程[75]。
图3 聚乙烯的生物氧化降解过程[74]
目前关于聚乙烯地膜的降解面临很多问题。通过传统的微生物学方法虽然可以得到降解菌株，但以聚乙烯塑料为碳源进行试验时，菌株分离筛选和降解验证实验周期长。已发现能够降解聚乙烯塑料的微生物菌种资源较少，普遍降解效率低，只能在实验室受控条件下才能达到一定的降解效果，在实际应用中降解效果并不明显。有关聚乙烯微生物降解的降解机理、关键基因及酶系的研究尚也未完全阐述清楚。
生物降解地膜在土壤微生物作用下能够完全降解，最终只产生H2O和CO2[76]，降解产物对土壤、农作物均不会造成危害[77]。生物降解地膜的使用省略了传统残膜的回收和处理这两个步骤，节省残膜机械回收及管理费用，降低了生物降解地膜的综合使用成本[23]。总的来说生物降解地膜与聚乙烯的保温、保墒等性能接近，还具有降解性、安全性和经济性等特点[78]，能有效缓解农田污染。
目前生物降解塑料主要包括：聚乳酸(PLA)、聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、聚己内酯(PCL)以及聚3-羟基烷酸酯(PHA)等[79]，这些塑料聚合物均属于脂肪族聚酯类材料，其中PBAT和PPC被作为生产生物降解地膜的主要原料。PPC是通过环氧丙烷开环并与CO2单体共聚制备而成[80]。PPC塑料的生产以CO2作为原料，不仅来源广泛，还降低了原料成本，并且是可生物降解材料，有利于保护环境[81]。PBAT通过对苯二甲酸丁二醇酯和己二酸丁二醇酯反应生成，它作为芳香族和脂肪族的共聚产物，综合了芳香族聚酯塑料的机械性能和脂肪族聚酯塑料的降解性能[82]，其加工成薄膜的工艺与LDPE非常相似，目前LDPE设备吹膜技术成熟，因此可用于PBAT的薄膜的生产[83]。PBAT和PPC主要市场是塑料包装薄膜、农用薄膜、一次性塑料袋和一次性塑料餐具。产量方面，2011-2019年我国PBAT树脂产量由1.19万t增加至3.92万t。2014-2019年我国聚碳酸亚丙酯(PPC)产量由0.68万t增加至1.94万t。PBAT和PPC可生物降解塑料与传统LDPE塑料的综合性能对比如表3所示。
表3 不同塑料种类的综合性能比较
为探究两种生物降解地膜的农艺性能，研究人员对生物降解地膜进行了作物生产研究，从生物降解地膜的降解时间、覆膜温度、覆膜土壤水分及作物产量进行了一系列试验。毕昕媛等[84]通过在陕西地区进行的PPC地膜覆盖高粱试验发现，1 300 mm×0.007 mm的PPC与PE地膜覆盖下产量水平相当，覆膜65天内土壤的温度和水分与PE地膜无明显差异，6个月后PPC残留率为30.8%。杨晓庭等[85]通过在山西地区进行的PPC地膜和PE地膜在农田土壤中的降解试验表明，150天时间降解率达到39.7%，而普通地膜表面无明显变化。胡宏亮[86]通过在浙江地区进行的PBAT生物降解地膜覆盖种植玉米的研究发现， PBAT地膜保温能力和覆膜产量与PE地膜无明显差异，PBAT膜约20天后损伤开始出现，90～100天基本完全降解。王斌等[87]通过在新疆地区进行的PBAT和PE地膜覆盖马铃薯的试验表明，PBAT生物降解地膜的降解性能良好，对马铃薯产量、土壤温湿度和土壤养分等指标的影响与聚乙烯差异不显著。
通过这些研究对比可知，PPC和PBAT地膜在农业生产中对土壤温度和水分的保持与PE地膜相当。同时，尽管与当地气候和水分有关，但仍可以看出在农田土壤中PBAT降解速度比PPC快，这也说明了PBAT和PPC生物降解地膜不仅具有和传统PE地膜相同的农艺性能，而且使用后可在农田中完全降解。因此，发展生物降解地膜是解决今后残膜污染问题最便捷、最可行的方法，其应用前景广阔，对农业的可持续发展具有重要意义[88]。
目前，在生物降解地膜在实际应用过程中也会存在一些问题。生物降解地膜的市场价格普遍高于聚乙烯地膜，约是聚乙烯地膜价格的3倍，这也是多数农户选择传统聚乙烯地膜的最主要原因。生物降解地膜降解时间不易掌控，不同地区的地膜降解速度不同，地膜过早出现降解会导致作物生长发育及产量受到影响。生物降解塑料制成的塑料薄膜的机械性能不如聚乙烯薄膜，通过塑料添加剂改性能也会造成环境污染。
5.1 残膜回收处理的建议
(1)从地膜功能特性与生态安全性考虑，增加传统地膜厚度，在保持机械性能前提下减少生产过程中有害添加剂的使用；
(2)使用和回收方面，使用大于0.01 mm厚度的地膜，降低机械或人工回收难度，减少农田地膜残留，通过危害宣传教育增强农民残膜回收意识，增强自觉性并主动配合残膜回收，根据不同地区颁布相应地膜回收强制措施和补贴措施并建立全国范围的回收网点，对残膜回收率做出相关规定标准。
5.2 农田中地膜残留降解的建议
目前已发现的降解聚乙烯塑料的菌种资源较少，降解效率低。因此关于农田中地膜残留降解问题的建议是：(1)继续筛选高效降解菌株的同时，探索优化微生物筛选手段；
(2)在已有菌株的基础上通过诱变等方法提高微生物降解效率；
(3)对地膜降解菌的降解机理、关键基因及酶系进行深入研究，为构建高效降解系统的工程菌株提供理论基础。将微生物降解技术运用于降解地膜残留，彻底解决地膜残留对土壤的破坏和对作物产量的影响，促进农业绿色、健康、可持续发展。
5.3 生物降解地膜应用的建议
生物降解地膜在覆膜期间也存在着一些问题，诸如机械性能差、降解时间的不确定性和成本高等问题。因此针对这些问题的建议是：(1)因地制宜选用不同材质的地膜来适应不同地区环境，精确控制地膜的降解时间，以适应不同发育周期的作物；
(2)进一步改进生产工艺，在保证农艺要求的前提下具有与PE地膜相当的性价比；
(3)对塑料进行共混改性研究来提高生物降解塑料各项性能，从而减少有害添加剂的使用，有效降低成本，解决生物降解地膜目前的弊端；
(4)政府主导推广和进行农商合作形式，使其进入大众视野，让农民全面了解生物降解地膜的优势。
农田残膜污染是长期累积的结果，残膜的治理不仅需要政府的政策支持和农民自身的努力，还需要各研究机构共同参与，针对不同地区研发不同的残膜回收农具来提升地区适应性和残膜回收率，探索地膜降解微生物来降解传统聚乙烯残膜以及研究降低生物降解地膜工艺生产成本的方法，从多种途径着手解决残膜污染问题。
猜你喜欢农膜残膜聚乙烯全国农膜回收率年底前达到80%以上今日农业(2020年22期)2020-12-14地表残膜回收机在西北成功应用今日农业(2020年16期)2020-12-14链齿式残膜回收机研制成功农家书屋(2019年4期)2019-03-16链齿式残膜回收机研制成功今日农业(2019年4期)2019-01-04链齿式残膜回收机研制成功今日农业(2019年5期)2019-01-03新型单分子膨胀阻燃剂的合成及阻燃聚乙烯纤维复合材料(2018年4期)2018-04-28选购农膜时的注意事项农家科技中旬版(2017年3期)2017-06-26废弃交联聚乙烯回收利用研究进展中国塑料(2015年9期)2015-10-14占压下埋地聚乙烯管力学响应的数值模拟中国塑料(2014年1期)2014-10-17甘肃：《聚乙烯（PE）再生料》将于9月1日实施中国质量与标准导报(2014年9期)2014-02-28