常见地膜及其在桑园中的应用研究进展

张一川++邵榆岚++宗德琴

摘要 根据对环境的可持续性应用，分类介绍了不可降解地膜和可降解地膜。重点阐述了光降解地膜、生物降解地膜、液体降解地膜和其他环保型地膜等可降解地膜的类型、机理和应用，以及现阶段地膜在桑园中的应用现状，总结了可降解地膜存在的主要问题，并对此进行探讨。

关键词 地膜；分类；桑园应用；问题；展望

中图分类号 S316；S888.4 文献标识码 A 文章编号 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

地膜在现代农业中的广泛应用，替代了传统的稻草、沙石、粪便等覆盖材料，具有更好的保水、保肥、提高土壤温度、防虫害等作用[1]。地膜最早于欧美国家研究使用，我国20世纪70年代末由日本引进地膜覆盖栽培技术，发展迅速，很快普及到玉米、小麦、马铃薯等作物[2]。它是一项采用人工方法改善农作物生长环境，操作看似简单，但对作物生长有着较为复杂影响的栽培技术措施[3]。经过多年的技术革新，地膜覆盖成为我国重要的农作物栽培技术手段，解决了农业生产上如低温、干旱、水灾等不利自然条件的影响。我国已成为世界上地膜生产量、使用量最大的国家。随着地膜的大范围推广，长期使用量最大的塑料地膜在土壤里残留，造成严重的白色污染，对环境的可持续发展形成巨大阻碍，并且无法降解的塑料地膜使土壤板结、通透性变差，反而降低农作物产量。为改善此问题，许多国内外研究者进行了可降解地膜的研究，现已发展了不同类型的地膜应用于多种作物。

1 地膜的分类

地膜的分类可追溯其发展历史，主要根据地膜对环境的可持续应用，从最早期不可降解的塑料地膜，发展到可降解地膜，包括光降解地膜、生物降解地膜、光-生物复合降解地膜和液体降解地膜，随科技的进步，到如今的完全生物降解地膜，如微生物合成型、化学合成高分子型、天然高分子型等降解地膜，还有其他新型降解地膜。这么多不同类型的地膜其产生和发展对农作物和环境都具有重大意义。

1.1 塑料地膜

塑料地膜是最早应用的地膜，是继塑料大棚之后塑料在农业生产上的第二大应用。塑料主要从石油、煤炭、天然气中提取，经过化学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为原料制作而成，这类物质分子结构稳定，具有较强的抗氧化性，在环境中难以被光和热降解，并且PE的分子量高、疏水性强，不易被微生物和酶降解[5]。塑料的这些特点最终导致了“白色污染”的日益严重。但是，地膜覆盖后可将无效的土壤水分蒸发变为有效的植物水分蒸腾，从而有效提高作物的水分利用效率；可加快作物生育进程，促使作物提早出苗，并使作物成熟期提前；它能调节土壤水、肥、气、热，最终达到作物增产增收的目的[6-7]。这些作用效果使塑料地膜奠定了其实用价值基础，让研究者们在此基础上不断地改进创新。

1.2 光降解地膜

光降解塑料地膜是添加光敏基团或光敏化剂于高分子化合物中，在紫外线UV作用下引起光化学反应，从而降解为低分子量化合物的一类塑料地膜[8]。光降解地膜一般分为添加型和共聚合成型。前者主要是添加金属络合物、芳烃环结构的有机类、无机类等光敏剂，后者是引入羰基型光敏基团[9]。光敏剂的种类、用量和组成决定该种地膜的降解效率。光解膜与普通地膜相比具有相同的土壤环境效应和相近的增产效果，降解产物对土壤的矿质元素含量无明显影响，也无有害物質产生[10]。但是该地膜的降解受环境因素的影响较大，如日照强度、温度、相对湿度、风雨等[11]，可以通过调节光敏剂的含量来满足不同气候条件下降解地膜的作物覆膜[12]。目前采用的新型光敏剂有氧化石墨、石墨烯[13]、超细煤粉[14]等。除氧化剂外，抗氧化剂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]。除光敏剂、抗氧化剂外，还可以添加除草剂，以期达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（主要是细菌、真菌、霉菌、藻类等）的作用下，聚合物发生降解、同化的过程。降解过程主要分为三步：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，这些酶再作用于高分子，通过水解、氧化等反应将高分子断裂成低分子碎片；③微生物消耗或吸收这些碎片。根据其降解机理和破坏形式分为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为微生物合成型、化学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机物为碳源，通过微生物发酵得到完全生物降解的地膜，主要包括微生物聚酯和多糖。化学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结构的脂肪族聚酯，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、纤维素、甲壳素、木质素、蛋白质等为原料复合形成[18]。不完全生物降解主要是指添加型生物降解地膜，是天然高分子与通用塑料组合而成，与完全生物降解的天然高分子型不同，其添加含量一般较低[19]。

1.4 液态地膜

液态地膜是一种新型喷洒式可降解地膜，是一种乳状悬浮液经喷施后在土壤表层形成一层胶状薄膜，使土壤颗粒联结起来起到地膜的作用，主要分为煤及石油副产品类、化学高分子降解材料类及天然高分子降解材料类等液态地膜[20]。其应用早期作为土壤结构改良剂，增加土壤中水稳性团粒的含量和土壤稳定性，降低土壤侵蚀，减少水土流失[21]。除此之外，液态地膜的保水保温增产作用显著[22]。最新研究的腐殖酸类液态地膜，通常是由含腐殖酸的褐煤、风化煤及其他废液如造纸废液、酿酒废液等为原料加工而成，起到了很好的废物利用和节能减排作用，同时产品效果显著[23]。

1.5 其他环保型地膜

除上述几种地膜，采用天然生物质材料的环保型地膜成为研究热点。纸地膜、秸秆纤维地膜采用清洁制浆造纸工艺，并添加改性辅料及功能助剂研制而成。其主要原料农作物秸秆属于农业废弃物料，具有来源广泛、再生性强、价格低廉、生物可降解性强、降解后可增加土壤肥力等优点[24]。麻纤维地膜是纯麻或者麻加入其他纤维采用非织造物的方法制造而成。以麻为骨架制成的非织造物即无纺布地膜，再配合浸渍附着不同的肥料或天然抗虫、抗菌物质，可使麻地膜具备培肥土壤、防治病虫害的特性[25]。

蛋白质类材料因其具备良好的力学、热学稳定性以及生物降解性，成为环保型可降解地膜的主要原料来源。利用制革业废弃羊毛[26]、稻草纤维和废蚕丝纤维[19]等，使地膜不仅具有与塑料地膜相当的保湿、保温性能，而且具有自然降解的性能。

2 地膜在桑园中的应用

地膜从发展之初就广泛应用于农业增产领域，其优势显而易见，可有效抑制杂草种类及数量[27]，改善降水在农田中的分配和农田水分平衡，使土壤水分含量因天气干、湿而波动的幅度明显减小，有抗旱和防涝的双重作用[28]，并且地膜覆盖能改善土壤结构[29]，有利于改善桑树生长环境，增加桑叶产量[30]。从桑树幼苗繁育到成林桑园管理等方面，地膜都有着广泛的应用。但就现阶段地膜在桑园中的应用一般都局限于传统塑料地膜，这种地膜优势和缺点都很明显，正是因为其不易降解的缺点，在未来农业中的地位会随着其他新型地膜的兴起而逐渐被取代。桑园管理的好坏作为蚕桑生产中最重要的制约因素，以及省力化养蚕的发展要求，都需要迫切的尋找一条桑园高效高产的发展道路，所以各种类型的地膜在桑园中的应用探索就显得尤其必要。而现阶段其他类型的地膜在桑园中的应用研究较少，因此地膜在其他作物中的研究应用成果可以作为桑园应用中的借鉴。

2.1 全膜覆盖育苗

全膜覆盖育苗技术在桑树育苗方面的应用已有20多年历史，在桑树扦插方面，借鉴其他作物地膜覆盖育苗技术，在低温、干旱等气候特点的地区可以显著提高扦插的成活率[31-32]。采用地膜全覆盖可使土壤耕作层的生态环境得到综合改善，在相当程度上把影响桑树生长的水、肥、光、热等诸因子之间的关系协调起来，保证了桑树硬枝生根成活所需要的温度和水分[33]。幼苗生长阶段，地膜覆盖技术可以保温保湿，尤其在冬季干旱少水的情况下，新植桑采用地膜覆盖可以保证桑苗达到很高的成活率，并且可以很好地抑制杂草萌发和桑园病虫害的暴发。

2.2 成林桑园管理

桑园的管理包括桑园病虫害的防治、水肥管理、杂草耕作等很多方面，涉及大量的技术及劳力。桑园全膜覆盖技术的应用，一方面，可以大幅度减少土壤热辐射的扩散、热能的消耗，增加桑园土壤温度和热容量；另一方面，水、肥不易挥发，更加高效地利用水肥可改善桑园耕作层的生态条件，协调了土壤中水肥、空气和土壤中微生物群落的关系，有利于桑树的及早萌芽和生长。采用覆膜配合水肥的管理，比起传统管理方式，桑树的发芽率和产叶量都有显著的提高[34-35]。试验证明，田间覆膜种植模式对杂草和优势种杂草也有一定的控制作用，而且也使整个杂草群落处于一个稳定水平，避免了一些单一品种杂草的暴发[36]。同时，较之使用人力和药物除草省时省力，并且不会对树体造成药害，可以有效减少桑园草害。并且，其他种类的液态地膜配合杀虫剂杀菌剂，还可以起到桑园病虫害防治的效果，比起传统防治手段，更为简便、高效、安全[37-39]。而新型液态地膜配合保水剂在其他苗木栽植中的应用也为干旱少雨地区桑树的栽植提供了很好的借鉴[40]。另外，有研究表明光降解地膜具有较好的除草效果，能促进烟株的生长发育，提高烟叶的品质，增加产量，并能逐步降解，减少对环境的污染[41]。这也为不同种类的地膜在桑园中的应用提供了很好的借鉴。

3 地膜存在的问题及展望

传统塑料地膜的残留主要与土壤质地、覆膜年限、覆膜次数、使用量和地膜厚度等因素有关[42]。地膜与黏土的亲和力较强，在回收过程中易破碎，不利于回收；而与沙土亲和力较弱，容易与沙土分离，有利于回收。地膜的覆膜年限越长，覆膜次数越多，使用量越大，出现高残留量的机会越大。地膜的厚度越厚，回收越容易，残留量越小。因此，传统塑料地膜的残留物除了人为完全回收外，是不能通过环境完全降解的。

生物降解地膜作为一种可降解地膜，从发展思路上来说无疑是最好的选择，可有效解决地膜的环境污染问题，它可在自然环境中通过微生物的生命活动而降解。但是，由于生物降解地膜的原料构成，存在加工困难、物化性能和耐水性能差的问题，很难加以推广和应用[43]。其次，全生物降解地膜的降解受光、温、水影响较大，特定配方生物降解地膜可以在一个地区满足某种农作物的要求；但在另一个地区，由于环境不同和作物对环境要求不同，这种可生物降解地膜就可能完全不适应。而光降解地膜虽然物理性质优于生物降解地膜，但埋在土里部分无法有效降解[44]，降解速率很难准确控制，故应用受到一定限制；光、生物降解地膜不过是加速了地膜中能降解部分的降解过程，不能解决根本问题。

液态地膜和采用天然材质的环保型地膜的局限性更加明显。液态地膜在土壤中的存在时间较短，从农业应用角度来看，更适用于蔬菜等生育期短的作物[45]。天然材质的环保型地膜从制造原料和使用性能方面来说，同生物降解型地膜有一定的类似，无法作为主要推广类型。

光-生物双降解地膜兼顾生物降解和光降解膜的降解特性，通过紫外光照氧化降低膜的分子量。有研究表明[46]，当紫外光氧化LDPE膜的粘均分子量（Mn）下降至4 000～6 000（Mη>Mn）时，即进入微生物可以分解的脆化期，以达到双降解效果。这种双降解膜有效解决了生物降解地膜和光降解地膜存在的不能完全降解问题，但功能上的局限性也是显而易见的，这种膜兼具光降解膜和生物降解膜的特性，使用中受环境因素影响大，不可控因素多。要达到完全降解同功能性的完美平衡，还需要解决抗氧化剂含量同光敏剂含量的比例控制，以达到脆化期的可控制性[15]，同时还要解决生物降解进程的稳定性和可控性，以及在农业生产中的局限性。另外，还有热-生物双降解地膜，在作用原理和使用性能方面同光-生物双降解地膜都有类似，正是目前研究和推广的一个方向。

因此，能完全降解并且使用性能不逊于传统塑料地膜的新型地膜是以后研究的主要方向。但在现代农业生产应用中，应该尝试针对不同类型作物的生育期长短以及地膜的应用环境，研究和推广适合作物特定使用的可降解地膜。

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