農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“白色革命” 秸稈與高分子材料“牽手”成功

“你看，被土蓋住的地膜已經(jīng)沒了，外面還留了一點(diǎn)點(diǎn)地膜，也是一捏就碎。”

大暑節(jié)氣，江蘇省常州市的農(nóng)田里，昌玉紅香芋專業(yè)合作社理事長(zhǎng)蔡冬生一邊用鋤頭翻土，一邊樂呵呵地對(duì)記者說(shuō)。

“我們合作社種了5000多畝紅香芋。往年7月份，就該雇人下地人工除膜了，每畝至少要4個(gè)工時(shí)，也就是320元左右，就這樣還除不干凈，因?yàn)榈啬ど细擦艘粚油痢?rdquo;蔡冬生感慨道，“今年用上了江蘇省農(nóng)科院研發(fā)的新型生物降解地膜，不用人工除膜，也不擔(dān)心‘白色污染’了。”

不只是常州的紅香芋，如今，江蘇的番茄、大蒜和甘薯，還有寧夏的馬鈴薯，海南的甜瓜……都用上了這種生物降解塑膜。

改性秸稈與高分子材料“牽手”成功

地膜，曾被稱為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“白色革命”。20世紀(jì)70年代，地膜覆蓋技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，隨后迅速推廣普及，目前，我國(guó)農(nóng)用地膜年用量達(dá)140萬(wàn)噸。

大規(guī)模使用塑料地膜，在助農(nóng)增產(chǎn)的同時(shí)，也帶來(lái)了難以降解的“白色污染”。破碎的地膜還會(huì)轉(zhuǎn)化成微塑料，通過(guò)動(dòng)植物進(jìn)入人體，危害百姓健康。雖然國(guó)際市場(chǎng)上推出一些降解地膜產(chǎn)品，但其高昂的成本、單一的性能，令我國(guó)農(nóng)民很難接受。

而另一方面，隨著“禁燒令”全面出臺(tái)，秸稈的綜合利用成為一道新難題。

“能不能為秸稈找到一個(gè)高效利用的出路，同時(shí)把降解地膜成本減下來(lái)?”2011年，蘇州大學(xué)高分子材料學(xué)專業(yè)畢業(yè)的徐磊來(lái)到江蘇省農(nóng)科院。帶著學(xué)科交叉融合的眼光，他敏銳地發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)需求巨大的新領(lǐng)域。

認(rèn)準(zhǔn)方向的徐磊，一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。然而，第一個(gè)問題就難住了他：粗糙的秸稈跟高分子材料根本“玩不到一起去”。

“降解地膜的主要成分是PBAT(降解樹脂)，而秸稈的主要成分是纖維素、木質(zhì)素。秸稈有較強(qiáng)的纖維分子內(nèi)氫鍵，使其與降解樹脂的相容性較差且分散性不佳。”徐磊說(shuō)，這就像是冷水沖泡的奶粉，表面浮著大大小小的“奶疙瘩”，無(wú)法達(dá)到成膜條件。

為了讓兩者融合，徐磊用更強(qiáng)的粉碎機(jī)，一遍又一遍研磨。秸稈顆粒直徑從300目縮小到500—800目，勉強(qiáng)能用了，但是能耗成本也大大上升。徐磊陷入了迷茫。

2019年，他來(lái)到江蘇太倉(cāng)的一家秸稈飼料廠調(diào)研，無(wú)意中聽到負(fù)責(zé)人在抱怨：切割秸稈產(chǎn)生的粉塵每個(gè)月有100噸，沒法利用還堵塞磨頭，真是煩人。

徐磊頓時(shí)眼前一亮，問道：“這粉塵粒徑多少?”

“大概1000目。怎么了?”飼料廠負(fù)責(zé)人不解地看著他。

“太好了!我就是在找它。”一瞬間柳暗花明，徐磊高興壞了。

但是，1000目的秸稈顆粒，表面活性依然不強(qiáng)，必須想辦法讓秸稈顆粒變得更“活潑”。

“我們嘗試過(guò)很多途徑，最后找到一種改性方法，其原理就像給秸稈顆粒表面加上‘活化層’，也就是用改性處理技術(shù)和秸塑共混造粒工藝，讓秸稈粉和生物降解高分子充分結(jié)合，通過(guò)成型技術(shù)制成秸塑復(fù)合生物降解材料。”徐磊說(shuō)。

個(gè)性地膜為農(nóng)作物“量體裁衣”

2020年初，在徐磊團(tuán)隊(duì)的不懈努力下，新型生物降解地膜終于研發(fā)成功，當(dāng)年推廣應(yīng)用量達(dá)300噸。

今年，蔡冬生他們抱著“試試看”的想法，采用了這種新型生物降解地膜。清明前覆的膜，7月中旬已不見蹤影。

“在田間土壤特定環(huán)境下，地膜可通過(guò)微生物作用在一定時(shí)間內(nèi)降解，最終化為水和二氧化碳回歸大自然。”徐磊說(shuō)。

在新型地膜中，秸稈粉占30%，不僅成本大大降低，力學(xué)性也能得到鞏固，其“韌性”遠(yuǎn)高于其他生物降解地膜，產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度和保溫效能得以同步提升。

隨著新型地膜的推廣，適應(yīng)性問題又凸顯出來(lái)——我國(guó)幅員遼闊，新疆的棉花需要抵抗紫外線照射，廣東的煙草需對(duì)根部照射陽(yáng)光，寧夏的馬鈴薯則對(duì)保溫保墑性能要求更高……

“不同地區(qū)的氣候特征、土壤墑情以及農(nóng)作物的需求不同，單一配方與功能的降解地膜難以匹配不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)需要。”徐磊說(shuō)，這就好比穿同一件衣服，無(wú)法滿足人們?cè)诓煌貐^(qū)不同季節(jié)的需求。

能否研制針對(duì)不同地區(qū)、不同農(nóng)作物的個(gè)性化地膜，從而讓地膜對(duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)提質(zhì)發(fā)揮更好的作用?

2020年，徐磊嘗試著研制適合江蘇地區(qū)甘薯栽培的專用降解地膜。這種地膜以秸稈粉混合降解樹脂為基底，疊加發(fā)泡材料為保溫層。大田試驗(yàn)表明，采用新型地膜的甘薯產(chǎn)量比傳統(tǒng)PE(聚乙烯)地膜增產(chǎn)約10%，商品化率提高約12%。

“今年我們又研制成功一種多層生物降解膜，外層是秸稈顆粒，中間是降解樹脂，內(nèi)層為艾草成分。”徐磊說(shuō)，這樣的地膜不僅可以抗太陽(yáng)紫外線照射，還能實(shí)現(xiàn)生物驅(qū)蟲，減少農(nóng)藥使用量。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，徐磊團(tuán)隊(duì)建立起適用不同場(chǎng)景的降解地膜設(shè)計(jì)模型，將氣候、土壤、栽培方式、生長(zhǎng)周期等參數(shù)納入其中。

“模型建立后，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，輸入特定參數(shù)就能生成專屬地膜配方及加工成型技術(shù)。后期還可根據(jù)當(dāng)?shù)刈魑锷L(zhǎng)情況作出調(diào)整。”徐磊說(shuō)，目前，他們研發(fā)的個(gè)性化地膜最多已有5層復(fù)合功能膜，可為多種作物“量體裁衣”。

從“白色污染”到“綠色革命”，學(xué)科交叉融合讓秸稈變廢為寶，不僅串聯(lián)起一條農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，也為改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村貢獻(xiàn)了科技力量。(張曄)