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本文作者：呂國華1白文波1國金義2宋吉青1作者單位：1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院2.東營(yíng)市墾利縣永安鎮(zhèn)農(nóng)林站

引言

農(nóng)用地膜覆蓋技術(shù)在應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害、擴(kuò)大農(nóng)作物的種植區(qū)域以及提高作物產(chǎn)量等方面的效果顯著［1］。同時(shí)，隨著塑料地膜的大面積推廣應(yīng)用，塑料殘留物對(duì)環(huán)境的危害也日益加劇。因此，研發(fā)利于推廣應(yīng)用的可降解地膜對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。目前，可完全降解的塑料主要以淀粉、纖維素、糖和有機(jī)酸的一種或幾種為基本原料，經(jīng)過物理、化學(xué)或生物學(xué)方法加工而成的。受原材料成本、膜材料價(jià)格以及推廣應(yīng)用的影響，農(nóng)用地膜仍然較多采用纖維素或淀粉為基本原料，包括淀粉基地膜和紙地膜等。其中，紙地膜以造紙工藝為基礎(chǔ)，以植物纖維為基本原料，在植物紙漿的基礎(chǔ)上，通過添加濕強(qiáng)劑、防腐劑和透明劑等化學(xué)助劑，采用常規(guī)造紙工藝抄制出原紙，然后對(duì)其進(jìn)行加工處理，使紙張具有農(nóng)用地膜所要求的機(jī)械強(qiáng)度和透光、透水、保溫、增溫、保墑性或其他增肥和除草功能［2－4］。

1助劑選擇及工藝

1．1纖維類型及制漿方法

纖維素屬于多羥基葡萄糖聚合物，是無水葡萄糖殘基通過β－1和4苷鍵連接而成的立體規(guī)整性高分子。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，天然纖維素高分子內(nèi)含有許多親水性的羥基集團(tuán);從物理構(gòu)造上，纖維素又是一種纖維狀、多毛細(xì)管的高分子聚合物，具有多孔和大表面積的特性，因此纖維素具有一定的親和吸附性［5］。目前，在造紙工藝中所選擇的纖維素原料類型較多，包括雜草纖維如龍須草、荻、葦，農(nóng)業(yè)秸稈纖維如玉米稈、棉稈［6］等，也有采用麻類［7－9］、木材、廢紙等纖維素原料［10－11］。不同類型的纖維直接影響最終產(chǎn)品的性能和價(jià)格，如草纖維和農(nóng)業(yè)秸稈纖維，不但來源豐富而且價(jià)格便宜，但是纖維強(qiáng)度較低，不利于提高增強(qiáng)紙地膜的機(jī)械強(qiáng)度，不利于機(jī)械化操作。麻類纖維的纖維長(zhǎng)度和強(qiáng)度均好于普通秸稈纖維，但是原材料來源和成本是限制其推廣應(yīng)用的基本因素。在造紙工藝中，制漿方法包括化學(xué)漿法、機(jī)械制漿和生物制漿等。其中，較多采用化學(xué)漿法，包括燒堿法、硫酸鹽法、亞硫酸鹽法等［10，12］，為減少在生產(chǎn)過程中采用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿而產(chǎn)生的污染，專利200710123115．5［6］采用“浸漬氧化催解”法制漿，生產(chǎn)過程中不用高溫高壓蒸煮，不用強(qiáng)堿，用無機(jī)和有機(jī)鹽以及有機(jī)溶劑配制而成的浸漬劑，使用0．4～0.6MPa的氧壓，制成漿的纖維不受破壞，木質(zhì)素得到改性，膠體灰分得到分解，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生黑液，無污染;機(jī)械制漿包括磨石磨木漿、盤磨機(jī)械漿和熱磨機(jī)械漿等，在生產(chǎn)過程中不添加任何化學(xué)物質(zhì)，采用揉搓、擠壓、自然爆破撕裂獲得，無污染物產(chǎn)生［13］;生物制漿技術(shù)在紙漿過程中，添加一定量的生物制劑，通過微生物酶降解非纖維素，以獲得純纖維素纖維用作造紙?jiān)希に囕o料減少，產(chǎn)生的工業(yè)廢水易處理［14］。

1．2化學(xué)助劑選擇

1．2．1制漿添加劑

制漿工藝中添加化學(xué)助劑的主要目的是提高得漿率，改善紙漿的物理強(qiáng)度、柔韌性，提高透明度，增強(qiáng)其防腐和抗分解能力。在目前紙基地膜的加工處理中，除使用部分已經(jīng)加工好的具有良好韌性及較薄的白紙，如拷貝紙、美濃紙等薄型白紙［15］以外，一般都需要對(duì)紙漿進(jìn)行處理，例如為提高得率，一般會(huì)添加一定量的蒽醌(0．05%)［10，12］;為增加紙基地膜的干濕強(qiáng)度、干裂斷長(zhǎng)和撕裂指數(shù)等基本指標(biāo)，在打漿過程中一般會(huì)添加濕強(qiáng)劑或其他合成纖維素。例如在打漿度52～58°SR的條件下，周景輝和朱宏偉［2］通過試驗(yàn)確定了聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂(PAE)、羥甲基纖維素(CMC)、水溶性聚乙烯醇纖維(PVA)和聚丙烯纖維的用量，用量比例分別為1．5%，0．1%，1%和5%。結(jié)果表明，紙基地膜的各項(xiàng)指標(biāo)滿足地膜覆蓋的要求，可替代塑料地膜。為提高紙漿的透明度，打漿時(shí)采用次氯酸鹽和過氧化氫的一種或混合為漂白劑，一般加入量為植物纖維原料量的1．5%～12%［10］;為了提高纖維的柔軟性和強(qiáng)度，在打漿過程中可以加入1．5%的羧甲基纖維素鈉(CMC)作為纖維的潤(rùn)漲劑，當(dāng)打漿度達(dá)到53°SR時(shí)，加入1%的水溶性聚乙烯醇(PVA)，以增強(qiáng)其吸濕性;為了提高紙基地膜的抗降解程度，在紙漿中加入5%～8%的防水劑，4%～6%的增強(qiáng)劑［6］或0．05%～1．5%的8－羥基喹啉酮用以增強(qiáng)其防腐作用［10］。

1．2．2涂布助劑

在制造出一定規(guī)格的原紙基礎(chǔ)上，為使紙基地膜的基本性能達(dá)到普通塑料地膜所要求的機(jī)械性能、透水性、保溫、保濕和抗分解的能力，通常在紙張表層涂布一定量化學(xué)助劑。涂布方法通常采用浸泡、滾涂、噴涂、刷涂等技術(shù)方法，涂布助劑類型相對(duì)較多。例如，段蘊(yùn)華等［10］在紙張表面涂布有機(jī)硅油、聚丙烯酸乙二酸丙三酯、石蠟系聚合物、生物膠等化學(xué)助劑，以提高紙基地膜的防水性能、撕裂指數(shù)等。劉正初等［14］選擇醇酸清漆和200#汽油的混合液(8:2)作為涂布劑，其中醇酸清漆是由動(dòng)植物油煉制而成，可以被微生物分解，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。楮全慧［6］在紙張表面施加1．5%的殼聚糖濕強(qiáng)劑(20℃，pH=7)，紙的強(qiáng)度可以增加40%左右。同時(shí)，為制造復(fù)合多功能地膜，徐華［11］在紙基地膜的表面噴淋不干膠，然后涂布一層粘蟲劑，用來防止爬蟲和飛蟲侵入，同時(shí)需要額外的薄膜對(duì)粘蟲劑進(jìn)行保護(hù)。段蘊(yùn)華等［9］在涂布液中添加肥料或除草劑，制作出具有肥效或除草功能的紙基地膜。

1．2．3生產(chǎn)工藝特征

紙基地膜生產(chǎn)過程一般采用常規(guī)抄紙、分切原紙、涂布助劑、烘干等基本加工工藝，其中涂布采用的方法包括浸漬、滾筒式單面涂布、噴涂、刷涂等涂布方法［10，15－16］。另外，專利(01127449．2)在兩層纖維原紙中間噴涂麥飯石(長(zhǎng)石質(zhì)飯狀安山巖，粒度為100～6000目粉末)，經(jīng)壓榨合成，壓光打孔，切割成能夠改良土壤的紙地膜，而且因?yàn)辂滐埵軌蜥尫哦喾N養(yǎng)分，因此該紙基地膜具有改良土壤的作用［17］。為了提高普通紙的伸長(zhǎng)率，韓紹娟等［18］提出了一種物理方法，即在造紙生產(chǎn)工藝上增加一個(gè)后烘缸(生產(chǎn)工藝類似于皺紋紙)，后烘缸的溫度控制在95～105℃，壓力為2個(gè)大氣壓，能夠增加普通紙的伸長(zhǎng)率，生產(chǎn)的紙基地膜有利于機(jī)械鋪設(shè)，同時(shí)地膜的透氣率有一定的改善。

2田間效果驗(yàn)證

與塑料地膜相比，紙基地膜具有一定的透氣性，主要因?yàn)樵诩埬そ窟^程中，由于涂料液的粘度以及各種浸漬阻力、溶劑揮發(fā)等因素的影響，紙頁內(nèi)部的纖維孔隙不可能被完全填充，從而保留一定的空隙。其次，纖維本身具有一定的顏色和較低的透明度，在不進(jìn)行處理的條件下，紙基地膜的透明度較低。紙地膜覆蓋的土壤，由于其較高的透氣性增大了夜間長(zhǎng)波輻射的熱量散失［19］。同時(shí)，透明度降低了白天太陽輻射的透射，導(dǎo)致紙地膜的平均地溫略低于塑料地膜。然而，雖然太陽輻射的透射率降低，由于紙基地膜本身可以吸收更多的太陽輻射，并以熱傳導(dǎo)的形式將熱量傳導(dǎo)給土壤，因此紙基地膜覆蓋的土壤溫度僅略低于塑料地膜覆蓋的土壤溫度。研究結(jié)果表明，最終的作物產(chǎn)量要高于塑料地膜，表現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。傅玉全［20］使用丹江口第一造紙廠生產(chǎn)的紙地膜，主要技術(shù)指標(biāo)為:原紙定量35±5g/m2，原紙斷裂長(zhǎng)(縱橫平均)3600～3700m，原紙濕強(qiáng)度20%，涂布量8～10g/m2，透明度65%～70%。與裸地栽培的對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果表明，作物的光合作用有明顯改善，土壤溫度增加，土壤含水量狀況較好，具有抑制雜草和增產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，與普通塑料薄膜相比除雨天保溫效果略差外，其增產(chǎn)效果好，抑制雜草能力強(qiáng)，可以有效防止土壤板結(jié)。而且，紙基地膜60天基本降解，不但減少農(nóng)田污染，而且可以增加土壤有機(jī)質(zhì)。另外，紙基地膜的纖維素材料具有一定的吸濕性能，不但具有調(diào)節(jié)土壤濕度的作用，而且空氣濕度也有一定的調(diào)節(jié)作用，可以有效抑制大棚中因過度潮濕而帶來的菌核病和灰霉病等病害的發(fā)生和傳播。因此，與普通塑料地膜相比，紙地膜能夠更好地協(xié)調(diào)保水性與透氣性之間的矛盾，具有較好的保溫效果，具有抑制雜草、減少“白色污染”和提高土壤質(zhì)量的作用，有利于降低空氣環(huán)境的相對(duì)濕度，降低病蟲害的發(fā)生概率，從而提高作物的光合作用，有利于作物的持續(xù)增產(chǎn)。

3存在問題

1)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，與露天及普通塑料地膜相比，紙地膜具有減少“白色污染”、改良土壤微環(huán)境、培肥土壤、改善植物光合作用、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。但是，目前田間的實(shí)際應(yīng)用仍然較少，這與紙地膜的干濕強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度較低有直接關(guān)系，這使得紙地膜在人工或機(jī)械鋪設(shè)過程中，容易破碎，從而不利于機(jī)械化作業(yè)。2)紙地膜成本較高是限制大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要原因［4，20］。目前也有研究表明，紙地膜的成本可以有效降低，如專利00125308．5［11］采用較為低廉的普通農(nóng)作物秸稈纖維，可以降低成本，使其成本低于聚乙烯地膜成本，從而有利于紙地膜的推廣應(yīng)用。3)紙地膜受到太陽輻射、風(fēng)力侵蝕、降雨侵蝕及微生物分解等一系列破壞作用，容易發(fā)生分解、破碎，紙地膜持續(xù)時(shí)間較短［3］，影響了保溫保濕的效果。4)與塑料地膜生產(chǎn)中各項(xiàng)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)體系相比，紙地膜的各項(xiàng)指標(biāo)體系尚沒有建立，不利于紙地膜的生產(chǎn)和推廣。

4討論與結(jié)論

1)紙地膜加工過程中，需要不斷篩選纖維素材料，改良制漿加工工藝，優(yōu)化助劑類型，參考塑料地膜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化紙地膜的性能，并最終建立一套完善的紙地膜的質(zhì)量參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。根據(jù)作物生長(zhǎng)中需要地膜覆蓋的時(shí)間長(zhǎng)短，對(duì)紙地膜的抗老化和分解能力進(jìn)行合理調(diào)整，不但有助于實(shí)現(xiàn)地膜覆蓋的效果，且省時(shí)省力?？傊罱K獲得機(jī)械性能、降解性能、生物性能等各項(xiàng)指標(biāo)比較理想的紙地膜，并盡可能降低生產(chǎn)成本，是紙地膜能夠大規(guī)模推廣應(yīng)用的前提。2)目前紙地膜加工工藝往往加入漂白劑等化學(xué)助劑，以增加紙地膜的透明度，由此必然產(chǎn)生一定的污染，因此紙地膜可以不以增加透明度為基本目標(biāo)，可以添加其他調(diào)色劑，改善紙地膜的其他功能。如黑色地膜可以有效抑制雜草，銀灰色反光地膜可以起到避蚜、防治病毒病的作用［21］，白色反光地膜可以改善作物冠層內(nèi)的太陽輻射，均有利于提高作物產(chǎn)量。3)由于植物纖維可以吸附較多的礦物離子，因此功能性紙地膜的研制開發(fā)具有一定的優(yōu)勢(shì)，集肥效、殺菌、殺蟲、除草等不同功能為一體的復(fù)合功能型紙地膜有待于進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用;而且，復(fù)合型紙地膜的功能助劑(肥料或農(nóng)藥)的釋放周期及有效性的調(diào)控有待于進(jìn)一步研究。4)雖然紙地膜能夠完全降解，但是紙地膜加工過程中必然使用一些化學(xué)助劑以增強(qiáng)紙地膜的機(jī)械性能、降解性能和生物性能等，比如涂布助劑所使用的水溶性脂類、醇類、植物或動(dòng)物油脂和人工合成纖維等，這些化學(xué)材料的生物降解性及其對(duì)土壤環(huán)境體系的影響有待于進(jìn)一步研究。