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农用薄膜研发及应用研究进展

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农用薄膜研发及应用研究进展

p2016.10 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 1530,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-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-5402002,20 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3℃5℃,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 3846,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 4060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 4085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 1030[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[1]Nederhoff E M, Rijsdijk A A, Graaf R D. 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