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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.中國農業科學院2.東營市墾利縣永安鎮農林站

引言

農用地膜覆蓋技術在應對農業自然災害、擴大農作物的種植區域以及提高作物產量等方面的效果顯著［1］。同時，隨著塑料地膜的大面積推廣應用，塑料殘留物對環境的危害也日益加劇。因此，研發利于推廣應用的可降解地膜對促進農業的可持續發展具有重要的作用。目前，可完全降解的塑料主要以淀粉、纖維素、糖和有機酸的一種或幾種為基本原料，經過物理、化學或生物學方法加工而成的。受原材料成本、膜材料價格以及推廣應用的影響，農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，以植物纖維為基本原料，在植物紙漿的基礎上，通過添加濕強劑、防腐劑和透明劑等化學助劑，采用常規造紙工藝抄制出原紙，然后對其進行加工處理，使紙張具有農用地膜所要求的機械強度和透光、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整性高分子。從化學結構上看，天然纖維素高分子內含有許多親水性的羥基集團;從物理構造上，纖維素又是一種纖維狀、多毛細管的高分子聚合物，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，農業秸稈纖維如玉米稈、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品的性能和價格，如草纖維和農業秸稈纖維，不但來源豐富而且價格便宜，但是纖維強度較低，不利于提高增強紙地膜的機械強度，不利于機械化操作。麻類纖維的纖維長度和強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用的基本因素。在造紙工藝中，制漿方法包括化學漿法、機械制漿和生物制漿等。其中，較多采用化學漿法，包括燒堿法、硫酸鹽法、亞硫酸鹽法等［10，12］，為減少在生產過程中采用強酸、強堿而產生的污染，專利200710123115．5［6］采用“浸漬氧化催解”法制漿，生產過程中不用高溫高壓蒸煮，不用強堿，用無機和有機鹽以及有機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，木質素得到改性，膠體灰分得到分解，生產過程不產生黑液，無污染;機械制漿包括磨石磨木漿、盤磨機械漿和熱磨機械漿等，在生產過程中不添加任何化學物質，采用揉搓、擠壓、自然爆破撕裂獲得，無污染物產生［13］;生物制漿技術在紙漿過程中，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原料，工藝輔料減少，產生的工業廢水易處理［14］。

1．2化學助劑選擇

1．2．1制漿添加劑

制漿工藝中添加化學助劑的主要目的是提高得漿率，改善紙漿的物理強度、柔韌性，提高透明度，增強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，一般都需要對紙漿進行處理，例如為提高得率，一般會添加一定量的蒽醌(0．05%)［10，12］;為增加紙基地膜的干濕強度、干裂斷長和撕裂指數等基本指標，在打漿過程中一般會添加濕強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］通過試驗確定了聚酰胺環氧氯丙烷樹脂(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%。結果表明，紙基地膜的各項指標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)作為纖維的潤漲劑，當打漿度達到53°SR時，加入1%的水溶性聚乙烯醇(PVA)，以增強其吸濕性;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%的增強劑［6］或0．05%～1．5%的8－羥基喹啉酮用以增強其防腐作用［10］。

1．2．2涂布助劑

在制造出一定規格的原紙基礎上，為使紙基地膜的基本性能達到普通塑料地膜所要求的機械性能、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助劑。涂布方法通常采用浸泡、滾涂、噴涂、刷涂等技術方法，涂布助劑類型相對較多。例如，段蘊華等［10］在紙張表面涂布有機硅油、聚丙烯酸乙二酸丙三酯、石蠟系聚合物、生物膠等化學助劑，以提高紙基地膜的防水性能、撕裂指數等。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植物油煉制而成，可以被微生物分解，不會產生二次污染。楮全慧［6］在紙張表面施加1．5%的殼聚糖濕強劑(20℃，pH=7)，紙的強度可以增加40%左右。同時，為制造復合多功能地膜，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，同時需要額外的薄膜對粘蟲劑進行保護。段蘊華等［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生產工藝特征

紙基地膜生產過程一般采用常規抄紙、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(長石質飯狀安山巖，粒度為100～6000目粉末)，經壓榨合成，壓光打孔，切割成能夠改良土壤的紙地膜，而且因為麥飯石能夠釋放多種養分，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率，韓紹娟等［18］提出了一種物理方法，即在造紙生產工藝上增加一個后烘缸(生產工藝類似于皺紋紙)，后烘缸的溫度控制在95～105℃，壓力為2個大氣壓，能夠增加普通紙的伸長率，生產的紙基地膜有利于機械鋪設，同時地膜的透氣率有一定的改善。

2田間效果驗證

與塑料地膜相比，紙基地膜具有一定的透氣性，主要因為在紙膜浸涂過程中，由于涂料液的粘度以及各種浸漬阻力、溶劑揮發等因素的影響，紙頁內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波輻射的熱量散失［19］。同時，透明度降低了白天太陽輻射的透射，導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，并以熱傳導的形式將熱量傳導給土壤，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。研究結果表明，最終的作物產量要高于塑料地膜，表現出了較好的經濟價值和環保價值。傅玉全［20］使用丹江口第一造紙廠生產的紙地膜，主要技術指標為:原紙定量35±5g/m2，原紙斷裂長(縱橫平均)3600～3700m，原紙濕強度20%，涂布量8～10g/m2，透明度65%～70%。與裸地栽培的對照試驗結果表明，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的優勢。同時，與普通塑料薄膜相比除雨天保溫效果略差外，其增產效果好，抑制雜草能力強，可以有效防止土壤板結。而且，紙基地膜60天基本降解，不但減少農田污染，而且可以增加土壤有機質。另外，紙基地膜的纖維素材料具有一定的吸濕性能，不但具有調節土壤濕度的作用，而且空氣濕度也有一定的調節作用，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生和傳播。因此，與普通塑料地膜相比，紙地膜能夠更好地協調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”和提高土壤質量的作用，有利于降低空氣環境的相對濕度，降低病蟲害的發生概率，從而提高作物的光合作用，有利于作物的持續增產。

3存在問題

1)田間試驗結果表明，與露天及普通塑料地膜相比，紙地膜具有減少“白色污染”、改良土壤微環境、培肥土壤、改善植物光合作用、提高作物產量和品質的優勢。但是，目前田間的實際應用仍然較少，這與紙地膜的干濕強度和斷裂強度較低有直接關系，這使得紙地膜在人工或機械鋪設過程中，容易破碎，從而不利于機械化作業。2)紙地膜成本較高是限制大規模推廣應用的重要原因［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用。3)紙地膜受到太陽輻射、風力侵蝕、降雨侵蝕及微生物分解等一系列破壞作用，容易發生分解、破碎，紙地膜持續時間較短［3］，影響了保溫保濕的效果。4)與塑料地膜生產中各項指標和標準體系相比，紙地膜的各項指標體系尚沒有建立，不利于紙地膜的生產和推廣。

4討論與結論

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，優化助劑類型，參考塑料地膜產品標準，優化紙地膜的性能，并最終建立一套完善的紙地膜的質量參數標準體系。根據作物生長中需要地膜覆蓋的時間長短，對紙地膜的抗老化和分解能力進行合理調整，不但有助于實現地膜覆蓋的效果，且省時省力。總之，最終獲得機械性能、降解性能、生物性能等各項指標比較理想的紙地膜，并盡可能降低生產成本，是紙地膜能夠大規模推廣應用的前提。2)目前紙地膜加工工藝往往加入漂白劑等化學助劑，以增加紙地膜的透明度，由此必然產生一定的污染，因此紙地膜可以不以增加透明度為基本目標，可以添加其他調色劑，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的太陽輻射，均有利于提高作物產量。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具有一定的優勢，集肥效、殺菌、殺蟲、除草等不同功能為一體的復合功能型紙地膜有待于進一步開發應用;而且，復合型紙地膜的功能助劑(肥料或農藥)的釋放周期及有效性的調控有待于進一步研究。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助劑以增強紙地膜的機械性能、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、植物或動物油脂和人工合成纖維等，這些化學材料的生物降解性及其對土壤環境體系的影響有待于進一步研究。