农用薄膜研发及应用研究进展

2016.10 专题论述20 世 纪中期 ，随着高分子化合物的深入研究 ，塑料薄膜逐渐应用到农业生产中 ， 应用于日光温室和塑料大棚等设施环境 ， 实现了果 、 蔬作物的周年生产 ，转变了传统的农业生产方式 ，地膜覆盖所起到的保肥 、保墒 、增温 、防草等作用 ，促进了农业生产力的快速发展1-2。 我 国于 1978 年 从日本引进薄膜覆盖技术 ，最初应用于蔬菜栽培 ，现在已有蔬菜 、果树 、苗木 、花卉 、大田作物等百余种作物应用地膜覆盖栽培技术 ，并开展了地膜覆盖栽培条件下土壤理化特性 、水肥变化规律 、作物生长发育及增产机制研究3-5。 目前 ，我 国农膜的产量和覆盖面积均居世界首位 ，农膜已经成为继化肥和农药后的第三大农业生产资料 ，被誉为继良种 、化肥之后的第三次农业技术革命 。 但绝大部分农膜为高分子的塑料 ，难以降解 ，农田中多年积累的残膜污染农业环境 ，导致土壤质量下降 ，抑制作物生长发育 ，减产达 15%30%，已 经造成了 “白色污染 ”。 因此 ，在发展高光效多功能农用膜的基础上 ，研制可降解的环保型生态农用膜工作迫在眉睫 ，对农业的可持续发展具有重要意义 。1 传 统塑料农膜根 据树脂原料的不同 ， 农业生产中常用的塑料薄膜主要有聚氯乙烯 （PVC）薄 膜 、聚乙烯 （PE）薄 膜 、乙烯 -酯 酸乙烯共聚物 （EVA）薄 膜等 。 首先将树脂材料 、母料核 、改性剂 、偶联层和分散层制成塑料母料 ，通过压延或吹塑工艺制成不同类型的薄膜 。 农膜覆盖在生产中的主要作用为增温 、保墒 、调节光照 、防草以及调控土壤盐碱度等方面 。 最早使用的农膜为PVC 膜 ，其 保温性 、耐候性较好 ，但比重较大 ，膜面易吸灰尘 ，透光性差 ，且燃烧时产生 HCl 等 有毒气体 ；PE 膜 质量轻 ，柔软易造型 ，透光性好 ，是我国主要使用的农膜之一 ，但耐候性 、保温性差 ，易形成水滴 ；E-VA 膜 的透光性 、 保温性 、 耐候性均优于 PVC 和 PE膜 ，是 近年来应用于农业中的新型薄膜材料6-8。 几 十年来 ，地膜覆盖技术促进了农业经济的快速发展 ，但塑料农膜的降解过程缓慢 ，需要 100 年 以上 ，由此带来的土壤质量下降与环境污染问题也逐渐突出 。2 功 能性农膜随 着设施栽培的快速发展 ， 对农膜功能的要求不断提高 ，功能性农膜应运而生 。 其以聚烯烃 （PO）、低密度聚乙烯 （LDPE）或 PVC 树 脂为主要原料 ，添加功能性助剂 ，经混合 、挤出 、吹塑工艺制成 。 功能性农膜的增产 、早熟及改善品质效果更显著 。 目前主要以高耐候 、高透光 、长效流滴防雾及改善光质的多功能膜为研究热点9。2.1 耐 候性农膜农膜的耐老化性是其他所有功能的前提 ， 棚膜的耐老化要求高于地膜 。 通过优化树脂材料和稳定剂可适度延长农膜的使用年限 ， 一般采用高分子量及支链较少的材料做为基础树脂 ， 选择高效耐老化剂 ，使用多层共挤技术生产耐老化农膜 。 20 世 纪 80 年基 金项目 ：潍坊市科技发展计划项目 “热辐射调控膜研究与农业应用 ”（2015ZJ1027）。作者简介 ：厉广辉 （1983-），山东枣庄人 ，博士 ，农艺师 ，研究方向为作物抗逆高产生理生态 。 E-mail:ghli66126.com农用薄膜研发及应用研究进展厉 广辉 于继庆 魏永阳（山东省潍坊市农业科学院 潍坊 261071）摘 要 ：农膜是继化肥和农药之后的第三大农业生产资料 ，但高分子塑料农膜难以降解 ，长期使用会导致土壤质量下降与农业环境污染 。 笔者归纳了传统塑料农膜对农业发展的促进作用 ，综述了耐候性膜 、转光膜 、防雾无滴膜 、除草地膜等功能性农膜的研究历程及作用机理 ，认为生物降解膜 、植物纤维膜 、多功能可降解液态膜等可降解农膜是农用膜的发展趋势 。关键词 ：农用膜 ；功能性农膜 ；可降解农膜 ；研究进展24- -专题论述 2016.10代 耐老化农膜树脂主要为 LDPE；20 世 纪 90 年 代采用 LDPE 和 线性低密度聚乙烯 （LLDPE）共 混树脂 ；目前采用共混树脂添加 mLLDPE 为 基础树脂 。 目前已知的性能最优的耐老化剂为受阻胺光稳定剂 ，20 世纪 80 年 代主要用 GW-540+2002，20 世 纪 90 年 代以后开始利用复配抗氧化剂配方 ， 目前国外采用无毒聚合型受阻胺作为主要的耐老化剂 ， 并且进入国内市场 ，但价格较高 ，国产的 BW6911 和 6911/B215 耐老 化剂价格便宜 ，性能与国外产品相当10-12。2.2 转 光膜由太阳辐射到地表的太阳能中 ，300750 nm 的光 谱辐射能所占比例约为 50%， 而 能被叶绿素大量吸 收而有效提 高 光 合 作 用 的 光 主 要 是 蓝 紫 光 区（400480 nm）和 红橙光区 （600680 nm），290350 nm的 紫外光和 510580 nm 的 黄绿光对光合作用影响较小 ，作物所需的光谱强度不足 ，还要吸收不利于生长的大部分光谱 ，限制了光合速率的提高13。在 农用膜中添加转光剂可实现透过光光谱的转换 ， 可将紫外光或黄绿光转换成光合作用所需的蓝紫光及红橙光 ， 从而增加叶片叶绿素的含量和叶片面积 ，促进作物生长 。 目前使用的转光剂主要有稀土无机转光剂 、稀土有机转光剂 、碱土金属硫化物和荧光染料转光剂等 ，通过附染法 、母料法 、三层共挤法等工艺制备农用转光膜 。 转光膜的基本原理是体系中存在不稳定的离子或磷电子 ， 可被紫外光或绿光的光能激发 ，处于高能状态 ，能量传给中心离子后 ，电子由不稳定的激发态回到稳定的基态 ， 伴随一定波长光谱的发出 ，发射光的能量低于激发光的能量 。较使用普通农用膜的设施蔬菜 ， 转光膜可增加温度35，增 产 20%左 右 ，提前 710 d 上 市14-16。2.3 防 雾无滴膜普通棚膜内表面易凝结水滴 ，易引起作物病害 ，且降低了设施内的透光率 ， 限制了设施栽培作物产量和品质的提高 。 20 世 纪 90 年 代 ，国内外农膜行业通过试验和应用研究 ，选择 EVA 基 础树脂添加流滴剂和消雾剂造母粒 ， 通过三层共挤吹塑技术研制出防雾无滴膜 。 流滴剂以脂肪酸多醇酯 、有机胺类和聚氧乙烯类等多种非离子表面活性剂复配物 ， 采用特殊型高表面活性剂作为消雾剂 ， 主要有氟和硅表面活性剂 ，其中 ，氟系消雾剂的消雾性能优于硅系 。 基础树脂 、流滴剂 、消雾剂及其他活性剂之间有 “配合效应 ”， 不同功能性助剂并用存在显著的差异性 ，必须筛选出最佳流滴 -消 雾体系 。 但是 ，这种添加型防雾流滴膜中的功能性助剂 ，易从膜分子中析出流失 ，膜的功能持续期较短17-18。 近 年来 ，国内外研究发现 ，采用涂覆流滴 、 消雾助剂的方法可实现流滴持效期与膜耐老化性基本同步 ， 并已开发出良好的外涂流滴 、消雾体系19。目 前 ，国内塑料大棚和日光温室使用的防雾无滴膜 ，初始透光率 90%，初 始雾度 25%，流 滴持效期可达 18 个 月以上 ，使用效果显著优于有滴膜20。2.4 其 他功能性农膜农用膜的透光率是评价膜质量的重要参数 ，也是农民选择棚膜的首先指标 。 因此 ，高透光率的塑料薄膜将是农膜市场的主导产品 。 选择高透光 、添加剂少的基础树脂 ，并在树脂材料中添加增透剂 ，增加体系内的晶核数 ，减少晶核粒径 ，可有效提高透光率 ，降低雾度 。 有研究发现 ，先将纳米无机复合粒子与其他功能助剂制成母粒 ， 利用三层共挤技术生产的纳米无机 粒子 改 性 棚 膜 ， 以 及 添 加 成 核 透 明 剂 的LLDPE 棚 膜 ，结晶均匀细密 ，透光率较普通棚膜提高2%，雾 度降低 38%46%，有 较好保温性能 ，且耐老化性显著优于普通棚膜21-22。膜 下杂草防除问题是限制地膜覆盖栽培技术应用的关键因素 ， 除草地膜的应用可有效防除膜下杂草 。 主要有 2 种 除草地膜 ，一种是物理除草地膜 ，主要是绿色 、黑色等有色地膜 ，通过抑制植物的光合作用达到除草目的23；另 一种是化学除草地膜 ，将除草剂添加至地膜中 ，利用除草剂的缓慢扩散 ，在土壤表面形成灭草层 ，添加改良系除草母粒 （GXML）的 PE地 膜除草效果较好24。日 本通过浸入植物精油的方法开发出了具有防虫 、杀菌作用的多功能农用地膜 。 随着生产技术的提高 ，农膜行业在耐候 、流滴 、防虫除草等功能的基础上 ， 又生产出了利用光质调节的专色膜 。3 生 态可降解型农膜农 膜覆盖技术推动了农业生产的快速发展 ，同时 ，由于其自然降解十分缓慢 ，也导致了农业生态环境的 “白色污染 ”，造成土壤质量下降 ，降低了作物产量和品质 。 因此 ，开发利用可降解的环保型农膜 ，是今后农膜行业发展的必然趋势 ， 国内外已经研制出了一系列可降解农膜25。3.1 生 物降解农膜生物降解膜分为完全生物降解膜和添加型生物25- -2016.10 专题论述降 解膜 。 完全降解膜来源于淀粉 、纤维素 、壳聚糖及其他多糖类天然材料 ，以玉米淀粉基农膜为主 ，可完全自然降解 ，不会造成环境污染 。 降解的机理是微生物侵入薄膜后 ，使聚合物水解 ，分裂成低聚物 ，微生物分泌的酶可降解聚合物生成水溶性的小分子化合物 ，最终分解为 CO2和 水26。 添 加型生物降解地膜是生物降解膜的研发重点 ， 它是由天然高分子与合成高分子混合加工而成 ， 其代表产品为聚乙烯淀粉生物降解地膜 。 美国采用 40%60%淀 粉与改性聚乙烯醇共混生产出生物降解农膜 ； 日本制成淀粉含量高达 40%85%的 PE 生 物降解塑料 ； 国内生产的添加型生物降解农膜淀粉含量一般为 10%30%27。 目 前生产的生物降解农膜还属于不完全降解膜 ， 仅其中添加的少量天然高分子能够降解 ， 大部分 PE、PVC等 合成高分子聚酯无法生物降解而残留在土壤中 ，长期积累易造成农业环境污染 。3.2 植 物纤维农膜植物纤维农膜是利用植物纤维作物原料生产的农膜 ，它可在自然环境中被微生物降解 ，生成有机废料 ，改善土壤结构和培肥地力 ，有效解决了农膜的环境污染问题 ，是发展可降解农膜的主要方向之一 。 目前生产的植物纤维地膜有纸地膜 、麻纤维地膜 、草浆地膜等 。 植物纤维地膜的透光性低于塑料薄膜 ，但不影响作物正常生长 ，保温 、保水性较好 ，且抗撕裂强度 ，干 、湿断裂强度等强力指标均满足使用要求 。 日本和欧美国家已推广使用利用壳聚糖和植物纤维素生产的纸地膜 。 我国以麻类纤维为主要原料 ，利用无纺布制造工艺和特有的后整理工艺 、 梳理成网与气流成网相结合的工艺 ， 生产出了符合使用要求的环保型麻纤维地膜 ， 其降解的最终产物为有机质 、CO2和 水 ，基本没有污染28。3.3 多 功能可降解液态农膜多功能可降解液态膜是以植物纤维 、秸秆 、壳聚糖等天然高分子材料为原料的新型液态农膜 。 这种膜喷洒地面后可形成特殊的土膜结构 ， 抑制土表蒸发 ，提高土壤的持水保水能力 ，还可与土壤颗粒联结成理想的团聚体 ， 改良土壤团里结构 ， 促进植株生长 ，提高产量 ，改善品质 ，可完全降解 ，不会造成环境污染29-30。 日 本和欧洲一些国家已经将多功能可降解液态膜应用于蔬菜 、果树和花卉种植 。 近年来 ，我国研发了腐殖酸液态营养地膜 ，并在马铃薯 、花生 、玉米种植中起到了显著效果 。参 考文献1Nederhoff E M, Rijsdijk A A, Graaf R D. 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