多层PBAT/TPS复合地膜：加速生物降解与可持续农业的新策略

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

本刊推荐一项创新研究：为解决传统聚乙烯地膜残留污染及现有可生物降解地膜（BMFs）降解缓慢问题，研究人员开发了一种新型多层农业地膜（MLAMF），其结构为聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）外层包裹热塑性淀粉（TPS）核心。研究表明，MLAMF在实验室堆肥（LC）和工业堆肥（IC）条件下均表现出更快的质量损失和矿化速率，且田间试验显示其洋葱产量和腐烂发生率与商用薄膜无显著差异。该研究为减少农业土壤中塑料累积提供了可行方案，对推动可持续农业发展具有重要意义。

　　

在当今农业生产中，塑料地膜覆盖技术自20世纪50年代推广应用以来，凭借其有效控制杂草、保温保墒、提升作物产量的优势，已成为现代农业不可或缺的一部分。然而，广泛使用的低密度聚乙烯（LDPE）等地膜不可生物降解，使用后回收困难，残留物在土壤中逐年累积，当残留量超过240公斤/公顷时，会导致土壤质量下降，甚至使土地不再适宜耕作。尽管存在严重的环境隐忧，但由于其成本低廉、机械性能良好且能有效抵御环境应力，LDPE地膜的使用依然普遍。

为了解决这一难题，可生物降解地膜（Biodegradable Mulch Films, BMFs）应运而生。它们可在收获后直接翻耕入土，进行原位生物降解。其中，聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）作为一种石油基可生物降解聚酯，被广泛应用于BMFs的制造。但现实是，即使在理想条件下，BMFs的降解速度也往往慢于预期，其碎片可能在土壤中存留数年，形成微塑料，对环境构成长期威胁。这一问题在土壤温度较低的寒冷地区尤为突出。

面对这一挑战，由罗切斯特理工学院等机构的研究人员组成团队，在《npj Sustainable Agriculture》上发表了一项创新研究，提出了一种新型多层农业地膜（Multi-Layer Agricultural Mulch Film, MLAMF）。该地膜设计独特，由PBAT作为外层，提供必要的机械强度和耐久性，中间包裹着一层较厚的热塑性淀粉（Thermoplastic Starch, TPS）核心。TPS是一种由天然淀粉经塑化处理后形成的均质聚合物，易于加工且生物降解速度快。研究团队设想，这种结构能结合两者的优点：在使用期内，PBAT外层保护TPS核心并确保地膜功能；翻耕入土后，TPS快速降解不仅能刺激周围微生物群落（尤其是真菌）的生长，其降解过程还会破坏地膜结构，增大PBAT与土壤的接触面积，从而加速PBAT的生物降解进程，最终减少塑料在土壤中的累积。

为验证这一设想，研究人员综合运用了材料制备、性能测试、降解实验和田间评估等多种方法。他们通过三层共挤吹膜工艺制备了MLAMF，并利用热重分析（TGA）确定其最终组成约为60±8% TPS和30±8% PBAT。研究的关键技术方法包括：力学性能测试（遵循ASTM D882-18标准）以评估地膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量；实验室堆肥（LC）和工业堆肥（IC）实验以监测质量损失和降解过程；差示扫描量热法（DSC）通过结晶温度（T_c）变化和ζ指数来评估聚合物分子量降解程度；微生物学分析（使用PCA、PDA+SS、TSA培养基）以计数和观察堆肥中细菌和真菌群落的变化；生物计量瓶实验在30±1°C下测量二氧化碳释放量，以量化碳矿化程度；以及为期四个月的随机完全区组设计（RCBD）田间试验，比较MLAMF与商用LDPE和BMF（EcoVio?，PBAT/PLA共混物）在洋葱生长、产量和腐烂发生率方面的表现。

机械性能

力学测试结果表明，与纯PBAT薄膜相比，MLAMF在机器方向（MD）的拉伸强度较低（14±2 MPa），但仍在可接受范围内，其他力学性能如断裂伸长率和弹性模量与PBAT薄膜相当。虽然其拉伸强度略低于某些标准要求（如16 MPa），但研究认为通过简单的材料组成和工艺优化即可改善，总体而言MLAMF满足地膜应用的基本机械要求。

实验室堆肥中的质量损失

在长达367天的实验室堆肥（LC，模拟家庭堆肥条件）中，MLAMF表现出显著更快的降解速度。其在134天时TPS核心完全消耗，最终在367天时达到64%的质量损失，而纯PBAT薄膜仅损失12%的质量。MLAMF中PBAT的降解速度几乎是纯PBAT薄膜的两倍，这得益于TPS降解后暴露出的更大PBAT表面积。

工业堆肥中的质量损失

在工业堆肥（IC，高温条件）下，MLAMF的降解优势更加明显。在14天内，MLAMF和PBAT薄膜的质量损失分别达到58%和33%。MLAMF在23天时质量损失达85±2%，而PBAT为63±9%。视觉观察也证实MLAMF在IC中碎片化更早、更彻底，表明TPS核心有效加速了降解过程。

差示扫描量热法（DSC）

DSC分析通过ζ指数（反映结晶温度T_c的变化）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）。这表明MLAMF，尤其是其PBAT层，在堆肥条件下经历了更显著的分子链断裂和降解。

微生物计数

微生物学分析显示，MLAMF的降解显著影响了周围的微生物群落。在IC中，降解MLAMF的样品周围微生物数量有0.97 Log的增长。在LC中，降解MLAMF的样品其真菌数量在183天和366天后分别增加了1.82 Log和1.8 Log，显著高于基线，而PBAT薄膜的真菌增长不显著。视觉观察也发现MLAMF降解土壤中的真菌和细菌多样性更丰富。这表明TPS的降解产物（如葡萄糖）刺激了微生物生长，特别是真菌，这些微生物随后可能促进了PBAT的降解。

碳矿化测试

生物计量瓶实验（30±1°C）测量了MLAMF的碳矿化（转化为CO₂）。MLAMF在44天内实现了14.2±0.5%的碳矿化，最终在164天时达到20.2±0.3%。这一矿化率高于文献中报道的纯PBAT在182天内的降解率（18±4%），尽管本研究中使用的薄膜样品面积更大。这进一步证实了TPS的加入为微生物活动提供了更有利的基质，加速了薄膜的最终矿化。

田间试验和作物产量数据

田间试验是评估MLAMF农学性能的关键。在美国纽约州北部的洋葱田间试验中，MLAMF与商用LDPE和BMF（EcoVio?）进行了比较。结果显示，MLAMF在生长季早期（5月1日至7月1日）能提高土壤温度，这可能得益于其较大的厚度，预示着早春种植的潜力。在作物长势方面，MLAMF处理下的洋葱植株高度和叶片数量与LDPE和BMF处理无显著差异。收获后，市场级洋葱产量（克/鳞茎）在各处理间也无统计学差异（LDPE: 212±128 g, BMF: 146±47 g, MLAMF: 167±11 g）。此外，洋葱腐烂发生率在各处理间也无显著差别。这表明MLAMF在保证作物产量和健康方面与常规地膜表现相当。

研究结论与意义

本研究成功开发并评估了一种新型多层可生物降解地膜（MLAMF）。其核心结论在于：通过将可快速生物降解的热塑性淀粉（TPS）核心与提供机械强度的聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）外层相结合，MLAMF在设计上巧妙地平衡了农用期间的功能需求和使用结束后的快速环境降解性。

在降解性能上，MLAMF在实验室堆肥和工业堆肥条件下均展现出比纯PBAT薄膜更快的质量损失和分子量降解速率。TPS的降解不仅本身迅速，更重要的是它刺激了周围微生物群落（尤其是真菌）的生长和多样性，这些微生物随后作用于暴露出的PBAT层，形成了“生物降解加速器”效应。碳矿化实验进一步证实了MLAMF具有更高的最终矿化潜力。

在农学表现上，关键的田间试验证实，MLAMF在支持洋葱生长、维持产量和控制病害（腐烂）方面，与广泛使用的LDPE地膜和商用可生物降解地膜（BMF）表现相当，甚至因其厚度在早春显示出更好的保温效果。这意味着农民在转向这种更环保的地膜时，可能无需担心作物减产的风险。

该研究的深刻意义在于，它为解决可生物降解地膜降解缓慢、塑料残留积累这一核心挑战提供了一种新颖且有效的材料设计策略。MLAMF的多层结构允许包含高比例的低成本TPS，这不仅有望降低最终产品的成本，还通过促进更彻底、更快速的生物降解，显著降低了塑料在农业土壤中长期残留的风险，从而有助于维护土壤健康和农业生态系统的可持续性。尽管仍需更长期、更大规模、跨不同气候和土壤类型的田间试验来全面验证其长期农艺表现和环境命运，但这项研究无疑为推进可持续农业和应对农业塑料污染开辟了一条充满希望的新途径。