多層PBAT/TPS復合地膜：加速生物降解與可持續農業的新策略

《npj Sustainable Agriculture》：Advancing sustainable agriculture: a novel multi-layer film approach to plastic mulching

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：npj Sustainable Agriculture

　　

在當今農業生產中，塑料地膜覆蓋技術自20世紀50年代推廣應用以來，憑借其有效控制雜草、保溫保墑、提升作物產量的優勢，已成為現代農業不可或缺的一部分。然而，廣泛使用的低密度聚乙烯（LDPE）等地膜不可生物降解，使用后回收困難，殘留物在土壤中逐年累積，當殘留量超過240公斤/公頃時，會導致土壤質量下降，甚至使土地不再適宜耕作。盡管存在嚴重的環境隱憂，但由于其成本低廉、機械性能良好且能有效抵御環境應力，LDPE地膜的使用依然普遍。

為了解決這一難題，可生物降解地膜（Biodegradable Mulch Films, BMFs）應運而生。它們可在收獲后直接翻耕入土，進行原位生物降解。其中，聚己二酸-對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）作為一種石油基可生物降解聚酯，被廣泛應用于BMFs的制造。但現實是，即使在理想條件下，BMFs的降解速度也往往慢于預期，其碎片可能在土壤中存留數年，形成微塑料，對環境構成長期威脅。這一問題在土壤溫度較低的寒冷地區尤為突出。

面對這一挑戰，由羅切斯特理工學院等機構的研究人員組成團隊，在《npj Sustainable Agriculture》上發表了一項創新研究，提出了一種新型多層農業地膜（Multi-Layer Agricultural Mulch Film, MLAMF）。該地膜設計獨特，由PBAT作為外層，提供必要的機械強度和耐久性，中間包裹著一層較厚的熱塑性淀粉（Thermoplastic Starch, TPS）核心。TPS是一種由天然淀粉經塑化處理后形成的均質聚合物，易于加工且生物降解速度快。研究團隊設想，這種結構能結合兩者的優點：在使用期內，PBAT外層保護TPS核心并確保地膜功能；翻耕入土后，TPS快速降解不僅能刺激周圍微生物群落（尤其是真菌）的生長，其降解過程還會破壞地膜結構，增大PBAT與土壤的接觸面積，從而加速PBAT的生物降解進程，最終減少塑料在土壤中的累積。

為驗證這一設想，研究人員綜合運用了材料制備、性能測試、降解實驗和田間評估等多種方法。他們通過三層共擠吹膜工藝制備了MLAMF，并利用熱重分析（TGA）確定其最終組成約為60±8% TPS和30±8% PBAT。研究的關鍵技術方法包括：力學性能測試（遵循ASTM D882-18標準）以評估地膜的拉伸強度、斷裂伸長率和彈性模量；實驗室堆肥（LC）和工業堆肥（IC）實驗以監測質量損失和降解過程；差示掃描量熱法（DSC）通過結晶溫度（T_c）變化和ζ指數來評估聚合物分子量降解程度；微生物學分析（使用PCA、PDA+SS、TSA培養基）以計數和觀察堆肥中細菌和真菌群落的變化；生物計量瓶實驗在30±1°C下測量二氧化碳釋放量，以量化碳礦化程度；以及為期四個月的隨機完全區組設計（RCBD）田間試驗，比較MLAMF與商用LDPE和BMF（EcoVio?，PBAT/PLA共混物）在洋蔥生長、產量和腐爛發生率方面的表現。

機械性能

力學測試結果表明，與純PBAT薄膜相比，MLAMF在機器方向（MD）的拉伸強度較低（14±2 MPa），但仍在可接受范圍內，其他力學性能如斷裂伸長率和彈性模量與PBAT薄膜相當。雖然其拉伸強度略低于某些標準要求（如16 MPa），但研究認為通過簡單的材料組成和工藝優化即可改善，總體而言MLAMF滿足地膜應用的基本機械要求。

實驗室堆肥中的質量損失

在長達367天的實驗室堆肥（LC，模擬家庭堆肥條件）中，MLAMF表現出顯著更快的降解速度。其在134天時TPS核心完全消耗，最終在367天時達到64%的質量損失，而純PBAT薄膜僅損失12%的質量。MLAMF中PBAT的降解速度幾乎是純PBAT薄膜的兩倍，這得益于TPS降解后暴露出的更大PBAT表面積。

工業堆肥中的質量損失

在工業堆肥（IC，高溫條件）下，MLAMF的降解優勢更加明顯。在14天內，MLAMF和PBAT薄膜的質量損失分別達到58%和33%。MLAMF在23天時質量損失達85±2%，而PBAT為63±9%。視覺觀察也證實MLAMF在IC中碎片化更早、更徹底，表明TPS核心有效加速了降解過程。

差示掃描量熱法（DSC）

DSC分析通過ζ指數（反映結晶溫度T_c的變化）量化了分子量降解。在LC中365天后，MLAMF的ζ值（0.167±0.126）高于PBAT（0.083±0.041）。在IC中49天后，MLAMF的ζ值（0.95±0.04）也高于PBAT（0.91±0.08）。這表明MLAMF，尤其是其PBAT層，在堆肥條件下經歷了更顯著的分子鏈斷裂和降解。

微生物計數

微生物學分析顯示，MLAMF的降解顯著影響了周圍的微生物群落。在IC中，降解MLAMF的樣品周圍微生物數量有0.97 Log的增長。在LC中，降解MLAMF的樣品其真菌數量在183天和366天后分別增加了1.82 Log和1.8 Log，顯著高于基線，而PBAT薄膜的真菌增長不顯著。視覺觀察也發現MLAMF降解土壤中的真菌和細菌多樣性更豐富。這表明TPS的降解產物（如葡萄糖）刺激了微生物生長，特別是真菌，這些微生物隨后可能促進了PBAT的降解。

碳礦化測試

生物計量瓶實驗（30±1°C）測量了MLAMF的碳礦化（轉化為CO₂）。MLAMF在44天內實現了14.2±0.5%的碳礦化，最終在164天時達到20.2±0.3%。這一礦化率高于文獻中報道的純PBAT在182天內的降解率（18±4%），盡管本研究中使用的薄膜樣品面積更大。這進一步證實了TPS的加入為微生物活動提供了更有利的基質，加速了薄膜的最終礦化。

田間試驗和作物產量數據

田間試驗是評估MLAMF農學性能的關鍵。在美國紐約州北部的洋蔥田間試驗中，MLAMF與商用LDPE和BMF（EcoVio?）進行了比較。結果顯示，MLAMF在生長季早期（5月1日至7月1日）能提高土壤溫度，這可能得益于其較大的厚度，預示著早春種植的潛力。在作物長勢方面，MLAMF處理下的洋蔥植株高度和葉片數量與LDPE和BMF處理無顯著差異。收獲后，市場級洋蔥產量（克/鱗莖）在各處理間也無統計學差異（LDPE: 212±128 g, BMF: 146±47 g, MLAMF: 167±11 g）。此外，洋蔥腐爛發生率在各處理間也無顯著差別。這表明MLAMF在保證作物產量和健康方面與常規地膜表現相當。

研究結論與意義

本研究成功開發并評估了一種新型多層可生物降解地膜（MLAMF）。其核心結論在于：通過將可快速生物降解的熱塑性淀粉（TPS）核心與提供機械強度的聚己二酸-對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）外層相結合，MLAMF在設計上巧妙地平衡了農用期間的功能需求和使用結束后的快速環境降解性。

在降解性能上，MLAMF在實驗室堆肥和工業堆肥條件下均展現出比純PBAT薄膜更快的質量損失和分子量降解速率。TPS的降解不僅本身迅速，更重要的是它刺激了周圍微生物群落（尤其是真菌）的生長和多樣性，這些微生物隨后作用于暴露出的PBAT層，形成了“生物降解加速器”效應。碳礦化實驗進一步證實了MLAMF具有更高的最終礦化潛力。

在農學表現上，關鍵的田間試驗證實，MLAMF在支持洋蔥生長、維持產量和控制病害（腐爛）方面，與廣泛使用的LDPE地膜和商用可生物降解地膜（BMF）表現相當，甚至因其厚度在早春顯示出更好的保溫效果。這意味著農民在轉向這種更環保的地膜時，可能無需擔心作物減產的風險。

該研究的深刻意義在于，它為解決可生物降解地膜降解緩慢、塑料殘留積累這一核心挑戰提供了一種新穎且有效的材料設計策略。MLAMF的多層結構允許包含高比例的低成本TPS，這不僅有望降低最終產品的成本，還通過促進更徹底、更快速的生物降解，顯著降低了塑料在農業土壤中長期殘留的風險，從而有助于維護土壤健康和農業生態系統的可持續性。盡管仍需更長期、更大規模、跨不同氣候和土壤類型的田間試驗來全面驗證其長期農藝表現和環境命運，但這項研究無疑為推進可持續農業和應對農業塑料污染開辟了一條充滿希望的新途徑。