朱立志‖全降解生物质材料替代石化塑料的农业应用研究综述

摘要
石化塑料在农业生产大规模使用带来的残膜残留、微塑料污染问题日益突出，推动农用塑料向生物质基全降解材料转型，已经成为农业面源污染治理的重要方向。生物质全降解材料以秸秆、木质素、淀粉、壳聚糖等农林生物质资源为主要原料，可在土壤环境中完成彻底矿化，从源头规避石化塑料破碎产生微塑料的风险。随着材料配方与加工工艺持续迭代，部分产业化产品已经实现综合成本不高于传统石化农用塑料，并且能够依据不同作物生长周期需求，通过组分调控实现降解时长的定向调节，兼顾农艺使用性能与环境友好属性。本文梳理近年来国内外相关试验与产业化研究进展，围绕生物质全降解材料的技术路径、成本演变、降解周期调控机制、田间应用效果以及现存短板开展评述，为农业领域石化塑料替代、农田白色污染防控提供理论参考。
关键词：农业；生物质材料；全降解；可控降解周期；石化塑料替代；残膜污染
1 引言
地膜、育苗盆、养殖网箱、农资包装等石化塑料制品，支撑起现代农业保温保墒、设施栽培、规模化养殖的生产需求，但聚乙烯等石化高分子材料难以被自然环境降解，大量残膜留存于土壤，经风化裂解持续产出微塑料，顺着水土气介质进入种养系统，沿食物链传递，威胁耕地质量与食品安全，这一问题已经得到学界广泛关注。
过去很长一段时间，可降解材料的推广一直受制于两大现实瓶颈：一是材料购置成本显著高于普通石化塑料，农户接受度低；二是降解节奏不可控，经常出现 “种后很快破碎失效” 或者 “作物收获后长期残留” 的矛盾，无法匹配大田实际生产周期。早期部分改性光降解塑料并非真正全降解，只是大块塑料碎裂为微塑料颗粒，污染问题并没有得到根本解决，难以实现真正意义上的替代。
近些年来，依托农林废弃物资源化利用，以纤维素、木质素、淀粉、微生物合成聚合物为主体的全降解生物质材料快速发展。大量实验室研究与多地田间示范表明，经过共混改性、助剂体系优化之后，新一代生物质基农用材料，既可以维持地膜覆盖、育苗容器等基础使用功能，部分产品综合成本已经追平甚至低于传统石化塑料，同时可以定向调控降解周期，做到 “作物生长周期内保持完整，收获之后逐步降解”，为破解农业白色污染提供可行路径。
2 农用生物质全降解材料主要技术体系
当前农业场景使用的全降解生物质材料，主要分为天然生物质改性、生物质基合成高分子、生物质‑降解树脂复合三大技术路线。
第一类是天然高分子直接改性，原料来源于农作物秸秆、稻壳、竹木加工剩余物，提取其中的纤维素、木质素、淀粉，辅以壳聚糖等天然多糖，经过塑化、交联处理加工成膜材、育苗钵、养殖缓冲构件。这类材料原料来源广泛，就地利用农业废弃物，碳足迹低，土壤微生物可以直接分解，完全不会产生石化来源微塑料，但是纯生物质材料抗水性能偏弱，遇强降雨环境力学性能容易衰减，一般需要通过交联改性来提升田间耐用性。
第二类为生物质基合成可降解高分子，以农林资源发酵产出的乳酸、羟基烷酸为单体合成聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯，具备良好力学性能，加工性能接近传统塑料。但纯聚乳酸在土壤常温环境下降解速度偏慢，直接使用很难匹配短周期作物需求，一般需要和淀粉、木质素共混改性，调整降解特性。
第三类是生物质填料与可降解树脂复合体系，也是目前产业化落地最多的路线。将秸秆粉、木质素等生物质填料按一定比例和 PBAT、PBS 等基体树脂共混，既降低原料成本，又借助生物质组分改变材料内部孔隙结构，调节微生物接触位点，以此实现降解速率调控，兼顾力学强度、耐候性与降解性能，适合大规模大田推广应用。
不同于早年的光裂解塑料，上述几类生物质全降解材料是真正意义上的生物矿化降解，在土壤微生物酶系作用下逐步分解为二氧化碳、水和腐殖质，不会留存高分子塑料碎片，从源头减少微塑料生成风险。
3 成本演变：生物质材料实现与石化塑料成本持平的现实路径
长期以来，可降解材料被贴上 “价格高” 的标签，制约大面积推广。但随着原料路线优化、规模化产能释放以及全生命周期成本核算理念转变，部分生物质全降解产品综合成本已经做到不高于石化塑料。
单纯看材料采购单价，早期纯合成降解树脂价格远高于 PE 石化地膜。但如果把石化塑料后续回收、捡拾人工、转运处置成本纳入核算，成本格局会发生明显变化。传统石化地膜使用结束后，需要人工或者机械捡拾残膜，很多地块残膜回收难度大，人工捡拾每亩投入可达数十至上百元，这部分是容易被忽略的隐性成本。
以秸秆等农林废弃物作为主要填料的复合生物质材料，把原本需要处理的农业固废转化为生产原料，大幅压低原材料开支。国内多地示范试验显示，超薄化工艺配合高比例生物质填料的地膜产品，亩均投入已经和同等规格石化地膜基本持平；秸秆基系列产品，对比市面纯树脂降解膜成本下降 20%‑30%，已经具备和石化塑料同台竞争的经济基础。需要说明的是，成本持平主要体现在规模化生产条件下，小批量定制产品仍然存在价格偏高的情况，原料供应稳定性、加工工艺水平会直接影响最终成本表现。
4 降解周期定向调控技术：匹配不同作物生长节律
农业生产最大的现实痛点，就是不同作物的田间覆膜周期差异巨大。叶菜类作物生长周期仅 50‑70 天，玉米、棉花等大田作物生育期 100‑130 天，部分多年生经济作物则需要更长的膜材使用寿命。如果降解时间不可调，材料过早破碎会丧失保墒抑草功能；降解过慢，收获之后依旧留存残体，起不到替代效果。
生物质全降解材料依靠多重路径实现降解时长的定向调节。其一为组分比例调控，调整天然生物质填料和基体树脂配比，生物质占比越高，微生物越容易附着，降解启动时间越早；提高基体树脂占比，则可以延长材料完整使用周期。其二是交联改性处理，通过可控交联调整材料内部致密程度，改变土壤微生物酶的渗透难度，实现使用寿命从几十天到一百几十天区间可调。其三是环境响应型功能助剂，在不引入有毒化学物质前提下，调控材料对土壤温度、湿度、微生物的响应特性，保证在作物整个生育期内维持拉伸、抗撕裂性能，作物采收完成之后，快速启动生物降解过程。
国内田间试验已经验证，经过配方优化的生物质基地膜，可实现有效使用期 50‑120 天梯度调节，短周期蔬菜、长周期大田粮食作物都可以匹配对应的产品。在玉米、高粱、各类蔬菜种植试验中，作物收获时膜材开始碎裂分解，下一季播种前基本完成矿化，无需人工揭膜回收，很好解决传统地膜 “回收难、残留多” 的老问题。同时材料降解之后形成的有机质还可以少量补充土壤碳库，对土壤微生物群落不会产生明显负面扰动。
5 田间应用现状与现存技术短板
从多地示范结果来看，合格的生物质全降解农用材料，在地膜的增温、保墒、抑草，育苗钵的透水透气等核心农艺指标上，能够达到和石化塑料接近的效果，部分秸秆基产品还可以改善根际微环境，对作物产量无负面影响，部分地块甚至出现小幅增产表现，也可拓展用于养殖投料容器、简易养殖防护构件等场景。
但现阶段技术体系依旧存在不少短板。第一，降解表现受田间环境影响大，土壤温度、含水率、有机质水平、微生物群落都会改变实际降解速度。实验室条件下标定的降解周期，放到低温干旱地块，降解进程会明显放缓；高温高湿田块，降解又会提前启动，配方还需要进一步适配不同地域土壤气候条件。第二，耐老化耐雨水冲击性能仍有提升空间，暴雨多发区域，部分生物质膜容易出现局部提前破损，影响田间实际使用效果。第三，原料来源复杂，农林废弃物组分存在批次差异，给产品性能稳定带来挑战，标准化生产体系还需要持续完善。第四，检测评价体系有待完善，多数试验集中在大田地膜，对于养殖场景、农资包装等其他农用塑料制品的替代研究，相关原位试验数据积累仍然偏少。
6 研究展望
生物质全降解材料替代农业石化塑料，不是简单的材料替换，而是材料科学、农艺栽培、产业推广相互配合的系统工程。未来的研究方向，首先要继续推进原料端降本增效，进一步挖掘秸秆、果木加工剩余物等废弃物资源，完善规模化生产工艺，巩固成本优势，让更多产品可以做到综合成本不高于石化塑料。其次要强化环境适配性研究，针对不同气候带、不同土壤类型，开发对应配方，完善降解周期调控技术，缩小实验室检测结果与田间实际表现之间的差距。再者要拓展应用场景，从地膜向育苗容器、养殖设施、农资包装等更多农用塑料制品延伸，建立全场景的替代方案。同时完善田间评价标准，不能只看实验室降解率，更要把农艺效果、土壤生态效应、全生命周期成本纳入评价体系。
从长远来看，生物质全降解材料的推广，是从源头化解农业石化塑料带来的残膜、微塑料污染问题，守护耕地健康，维护农业生态系统稳定。这项技术的落地，需要材料研发、农业科研、产业生产、政策引导多方协同推进，为农业绿色转型提供现实可行的技术路径。
参考文献
[1] 张宇，王琦。农业生物质基全降解地膜研究进展 [J]. 农业环境科学学报，2024，43 (05)：945‑956.
[2] 刘浩，陈丽。秸秆复合全降解材料的降解周期调控及田间应用评价 [J]. 土壤通报，2025，56 (01)：211‑219.
[3] 桑涛，李建峰。秸秆基聚乳酸生物降解地膜制备与规模化示范 [J]. 农业工程学报，2026，42 (02)：132‑139.
[4] 周明远，吴昊。农用全生物降解材料成本分析与替代路径探讨 [J]. 农业资源与环境学报，2025，42 (03)：412‑420。