随着农业产业的不断发展，地膜的使用已成为确保农作物丰产、稳产的重要手段[1]。传统聚乙烯(PE)地膜在田埂及土壤中不可降解，造成了严重的环境污染。与此同时，被埋在农作物根系生长深度的PE残膜连年累积，严重影响土壤的水汽透过性，以及农作物的长势和单产[2]。生物可降解地膜为解决传统不可降解地膜带来的环境污染问题提供了新思路，其具有保温保墒、防治杂草、防病抗虫等作用[3-4]。生物可降解地膜在农田进行覆膜种植后，地膜首先因降解出现大量的裂纹及孔洞，发生破裂成碎片，破碎后的生物可降解地膜在微生物作用下最终将转化为CO2、H2O及其矿化无机盐等，达到生物降解的目的[5-6]。该过程真正意义上实现了绿色环保，成为目前治理不可降解PE地膜污染的首选方式。目前，制备生物可降解地膜的原料主要有聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚乳酸(PLA)等[7]。降解原料具有良好的加工性能和生物可降解性，也具有良好的拉伸强度和水汽阻隔性。目前国内研发的生物可降解地膜主要有PBAT+淀粉型、PBAT+PLA型[8]、PBAT+PBS型等，其中PBAT+PLA型应用广泛[9]。在生物可降解地膜研发的过程中发现，与普通PE地膜相比，生物可降解地膜强度较小，地膜强度不能满足机械覆膜速率。此外，生物可降解地膜的水汽透过量远大于PE地膜，达不到地膜应该有的增温、保墒等作用。本研究介绍了近年来完善生物可降解地膜生产配方，改善生物可降解地膜力学强度，提高水汽阻隔性方面的研究进展。同时，总结了近几年生物可降解地膜在中短生长周期农作物覆膜种植应用情况。通过对生物可降解地膜配方的不断改进与实践应用的总结，对后期生物可降解地膜的研究与应用具有一定的借鉴意义。1生物可降解地膜性能研究进展1.1生物可降解地膜力学性能PBAT具有较高的延展性及柔韧性，断裂伸长率接近700%[10]，但以PBAT树脂为基材的生物可降解地膜普遍存在抗拉强度不足，无法满足机械化覆膜的速率。因此，生物可降解地膜研发需要满足机械覆膜要求的力学强度，为较大规模应用生物可降解地膜奠定基础。汪敏等[11]开展了添加秸秆的PBAT基生物可降解地膜复配配方及成型工艺的探究。结果表明：添加秸秆制备出厚度为0.010 mm的PBAT基生物可降解地膜，其断裂标称应变纵、横向分别为300.26%和278.12%；直角撕裂负荷纵、横向分别为1.05 N和1.17 N；老化100 h后断裂标称应变纵、横向分别62.33%和57.82%。地膜铺设使用120 d后，生物可降解地膜强度相对于初始状态稍有下降，但生物可降解地膜与PE地膜对植株长势影响相当。因此，添加秸秆的PBAT基生物可降解地膜可以进一步推广应用。颜祥禹等[12]采用甘油改性的热塑性淀粉(TPS)作为填料，开发了PBAT+PLA基生物可降解地膜。在固定PBAT的质量分数为50%时，探究了PLA和TPS在不同添加比例下PBAT/PLA/TPS薄膜的力学性能和气体阻隔性。研究表明：PBAT(50%)/PLA(35%)/TPS(15%)薄膜的纵向和横向断裂伸长率分别达到了(275±16)%和(245±18)%。随着PBAT(50%)/PLA/TPS薄膜中TPS比例的增加，PBAT/PLA/TPS薄膜的氧气阻隔性能和断裂伸长率增加，拉伸强度减小。PBAT(50%)/PLA(15%)/TPS(35%)薄膜的纵向和横向断裂伸长率分别达到了(419±37)%和(398±18%)。Yeh等[13]在PLA/PBAT共混体系中将PBAT含量从0增加至20%时，玻璃化转变温度由62.3 ℃降低至61.2 ℃，拉伸强度从58.6 MPa降低至23.0 MPa，断裂伸长率由4.3%增长至266.0%，力学性能的变化均表明PBAT对PLA起较好的增韧效果。田银彩等[14]将玉米淀粉采用丙三醇塑化后获得TPS，研究不同添加比例的TPS对PBAT力学性能影响。结果表明：当TPS添加比例在40%时，断裂伸长率仍可以达到(381±64)%，满足生物可降解地膜国标要求。这是由于丙三醇改性后的玉米淀粉含有丰富的羟基，与PBAT形成相互作用力，进而改善玉米淀粉与PBAT之间的相容性。碳酸钙(CaCO3)也是降解材料中常用的添加填料。Rocha等[15]研究了CaCO3不同添加量对PBAT/PLA生物可降解地膜增强作用。结果表明：纯PBAT/PLA混合体系的弹性模量为(373±95) MPa，而添加10%含量CaCO3制备生物可降解地膜的弹性模量为(544±59) MPa，添加20%含量的CaCO3制备生物可降解地膜的弹性模量达到(584±9) MPa。与此同时，生物可降解地膜的最大标称应变也随CaCO3含量的增加而增大。因此可以将CaCO3应用于生产成本较低、柔性较强的PBAT/PLA/CaCO3薄膜。1.2生物可降解地膜高阻隔性目前，国内PBAT基生物可降解地膜的水蒸气透过量可以达到300~400 g/(m2·24 h)，但相对不可降解PE地膜，生物可降解地膜的水汽阻隔性还具有一定的差距[16]，尤其在西北干旱地区应用，需要进一步加强生物可降解地膜的阻隔性能降低水蒸气透过量，确保农作物产量及农业效益。蒙脱土是一种独特片状结构的硅酸盐，具有优异的阻隔性。Li等[17]发现有机改性蒙脱土(OMMT)与PBAT具有良好的相容性，可以改善PBAT薄膜对水汽和氧气阻隔性能。含13% OMMT的PBAT吹塑成厚度为10~20 μm薄膜的水蒸气渗透量为7.10×10-12 g·m/(Pa·s·m2)，相比纯PBAT薄膜水蒸气渗透量下降了43.8%。Ren等[18]研究表明：片状石墨烯(GONS)也具有优异的阻隔性，添加量较低(0.35%)时，PBAT/GONS薄膜力学性能得到显著提高。其中，拉伸强度和弹性模量分别从24.6 MPa上升至27.8 MPa和72.2 MPa。同时GONS的加入使PBAT薄膜对O2和水蒸气渗透系数分别降低了70%和36%，这对高阻隔性薄膜的制备具有一定的指导意义。此外，PLA、PPC、聚己内酯(PCL)、聚乙醇酸(PGA)等高分子聚合物与PBAT共混也可以改善PBAT薄膜的水汽透过性。冯申等[19]采用熔融共混法探究了PGA对PBAT膜材料的力学性能和水汽阻隔性的影响。研究表明：PGA添加量为20%，PBAT/PGA共混薄膜纵横向断裂伸长率均在600%以上，水蒸气透过率降为纯PBAT薄膜的1/7，可适合生产生物可降解膜袋相关产品。王治洲等[20]制备PBAT/PCL薄膜，研究了不同环境温度、不同湿度下薄膜的气体透过率。结果表明：PCL用量为10%时，PBAT的气体阻隔性降低至原来的1/2，而PCL的含量增加至20%以及30%时，其阻隔性能变化不明显。王莉梅等[21]对PBAT和L-聚乳酸(PLLA)共混制备的薄膜的气体阻隔性进行研究。结果表明：随着PLLA的添加，PBAT/PLLA薄膜对O2和CO2透过性呈现逐渐降低趋势。当PLLA含量为30%时，与PBAT薄膜相比，O2透过系数降低了34.2%，CO2透过系数降低了70.8%；CO2/O2透过比由纯PBAT的10.20降低为4.52。这是由于PLLA降低了PBAT内部自由体积，从而增强了气体阻隔性能。生物可降解地膜通过多种方式完善和改进配方，提高生物可降解地膜的抗拉强度，大部分研究结果均满足机械作业要求，为较大规模应用生物降解地膜创造条件。与此同时，增温保墒性能还需要进一步加强，才能扩大生物可降解地膜使用范围。2生物可降解地膜铺设应用研究进展2.1短生长周期农作物近几年，国内学者对生物可降解地膜在短生长期农作物，如玉米、番茄、水稻等作物应用方面进行了广泛研究。王春丽等[22]通过对比5种生物可降解地膜对玉米生长情况，发现覆膜种植的玉米成熟期大于75 d，满足此生长期的生物可降解地膜诱导期在70 d以上。而试验结果显示，只有一种生物可降解地膜(J5)降解极快，未能满足此要求。此外，J2、J3生物可降解地膜覆盖保温效果较好。与此同时，J3生物降解地膜的玉米产量最高。苏海英等[23]在新疆昌吉市番茄种植区开展生物可降解地膜应用试验。在番茄苗生长期，生物可降解地膜日平均土壤温度比PE地膜温度低0.81 ℃，但两者均比露地处温度分别高1.13 ℃和1.94 ℃，说明生物可降解地膜在苗期对土壤保温效果与PE地膜保温效果相当。番茄在采收时，生物降解地膜破裂达到了50%~70%，试验中采用的生物可降解地膜在新疆番茄应用中可行，有市场推广前景。宋欣等[24]在上海市崇明区开展水稻大田试验，研究PBAT/淀粉生物可降解地膜厚度分别为0.010 0、0.009 0和0.008 5 mm实地铺设后的降解情况。在覆膜135 d时地膜的数均分子量分别相比初始下降了15.32%、28.54%、22.88%。在红外光谱中看到，3种不同厚度的地膜均出现酯键吸收峰面积减小，羟基吸收峰面积增大，表明3种不同厚度的生物可降解地膜在稻田降解方式均为断链式降解。此外，发现同一时期厚度越小的生物降解地膜表面的孔洞数量越多，降解越明显。2.2中生长周期农作物生物可降解地膜应用于中生长周期的农作物主要有马铃薯，在不同地区大田试验均表明：生物可降解地膜在中生长周期农作物应用中可作为传统PE地膜的替代品而被推广使用。王斌等[25]将聚己二酸/PBAT生物可降解地膜应用于新疆南疆马铃薯种植。研究表明：马铃薯在生物可降解地膜覆膜后，生物可降解地膜相对于PE地膜增产了2 500.01 kg/104 m2，增产率达到5.67%。而在地膜下20~40 cm土壤层中温度、湿度和土壤养分指标方面，生物可降解地膜和PE地膜差异不显著。为了探究生物可降解地膜覆膜种植马铃薯增产效果，李海萍等[26]在即墨区蔬菜科技示范园采用0.006、0.008、0.010 mm生物可降解膜及PE膜与未覆盖地膜相比，分别增产12.9%、33.3%、33.6%、14.9%。通过对生物可降解地膜的多方因素的筛选，青岛地区马铃薯生产更适合使用0.008 mm厚度全生物可降解地膜。武岩等[27]以马铃薯为种植的农作物，在内蒙古阴山北麓开展3种生物可降解地膜对马铃薯产量的影响。生物可降解地膜分别为PLA型、PBAT型和PBAT/PLA型。研究表明：3种降解地膜覆膜种植作物产量在49.64~58.53 t/104 m2之间，普通PE地膜种植作物产量在(55.65±3.46) t/104 m2，表明生物可降解地膜产量能达到普通PE地膜作物产量。贺鹏程等[28]以6种不同厂家的生物可降解地膜，通过对比不同生物可降解地膜的降解情况、地膜对土壤温度的影响及地膜对马铃薯产量的影响，优选出一种生物可降解地膜在乌兰察布市马铃薯生产中使用。2.3长生长周期农作物生物可降解地膜在高海拔、寒旱区和部分长生长期的农作物覆膜种植上相关研究报道较少，例如生物可降解地膜在棉花覆膜种植后未取得预期的效果，这可能是由于大多数生物可降解地膜有效使用寿命受环境、长生长期等因素影响，使棉花生育中期生长受限[29]。战勇等[30]研究表明：生物可降解地膜越早进入诱导期，导致棉花产量减产越明显。刘晓伟等[31]探讨不同降解地膜的降解情况及其对棉花农艺性状和产量的影响。结果表明：以PBAT树脂为基体的生物可降解地膜覆膜120 d后基本完全降解，由于过早的降解使得其产量显著低于PE地膜产量，而以PLA树脂为基体生物可降解地膜产量与PE地膜无明显的差异。因此，在生长周期较长的农作物覆膜种植时，生物可降解地膜实地铺设农作物不减产应用不太成熟。生物可降解地膜在不同地区，不同农作物覆膜应用后发现，地膜表现出不同的保温保墒作用。不同于传统PE地膜，生物可降解地膜受环境影响较大。因此，需要选择适应本地区生物可降解地膜来满足不同的农作物的生长需求，从而达到经济成本与农作物产量的最佳点。3生物可降解地膜研发与应用措施建议针对生物可降解地膜研发与应用，提出措施建议：（1）通过生物可降解地膜专用料和不同降解周期系列生物可降解地膜的开发，实现其力学性能的提高、阻隔性能的加强，这将有利于生物可降解地膜在农业中的广泛推广与应用。（2）生物可降解地膜在实践应用中取得了长足的效果，但相关权威机构对生物可降解地膜铺设时对应土壤的评价方式较少。土壤环境对生物可降解地膜降解周期的影响很大。因此需要权威机构建立对土壤环境评价研究标准，生物可降解地膜研究者结合专用配方与土壤评价标准，达到对生物可降解地膜降解周期的可控性。（3）加强生物可降解地膜政策宣传，积极引领和指导相关职能部门和社会化服务组织对生物可降解地膜的推广使用。根据本地区实际情况制定相应的政策，使得企业生产成本、职能部门补贴和农民投入三点之间效益和成本得到平衡。4结论生物可降解地膜能够解决传统不可降解PE地膜残留在土壤中的问题。目前，需要对生物可降解地膜配方着重进行研发并不断优化加工工艺。一方面要实现生物可降解地膜力学性能的提高，这是由于大多数生物可降解地膜抗拉伸强度不能满足规模化机械覆膜作业速度。另一方面要实现生物可降解地膜水蒸气阻隔性的加强，保证生物可降解地膜对中短生育期和对温度敏感农作物增温保墒作用达到了PE地膜相当水平。在生物可降解地膜的不断优化升级后，生物可降解地膜终将取代PE地膜，被规模化推广并应用。