《Environmental Research》：Biodegradable Mulch Film-Enriched with Biochar, Chicken Feather, and Oyster Shell Powder for Improved Soil Quality and Crop Productivity
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开发基于PLA/PVA的生物降解地膜并整合农业废弃物（木炭、鸡毛、牡蛎壳），提升土壤有机质、pH值及微生物活性，促进作物生长，降低环境负担。
Kesinee Iamsaard|Girma Sisay Wolde|Chih-Huang Weng|Ying-Chen Chen|Han-Yu Hsueh|Jenn-Wen Huang|Yao-Tung Lin
泰国披集奴洛克市纳雷苏安大学自然资源与环境系，邮编65000
摘要
本研究开发了一种环保的可生物降解地膜（BDM），该地膜基于聚乳酸（PLA）/聚乙烯醇（PVA）混合基质，并结合了农业和渔业废弃物材料，包括生物炭（BC）、鸡羽毛（CF）和牡蛎壳（OS）。对这些复合BDM的物理化学性质和微观结构进行了表征，并在温室实验中评估了其降解性、对土壤质量的影响以及作物表现。结果表明，添加了BC、CF和OS的BDM显著提高了土壤pH值、有机质含量、阳离子交换容量和养分（N、P、Ca）的可用性，同时增强了微生物活性，特别是脱氢酶和荧光素二乙酸酯酶的活性。在这些处理下，土壤质量指数（SQI）显著提高，其中添加了甘蔗渣来源的BC、CF和OS的BDM薄膜的SQI值最高（0.76 ± 0.03）。这些BDM薄膜在不使用外部肥料的情况下抑制了杂草生长并提高了作物产量。总体而言，这项研究表明，基于PLA/PVA的BDM，通过添加农业和渔业废弃物，不仅为传统塑料地膜提供了可持续的替代品，还作为一种功能性土壤改良剂，有助于改善土壤健康，支持循环农业实践，并为实现全球净零排放和气候适应性农业目标做出贡献。
引言
由于塑料地膜能够提高土壤温度、减少蒸发并抑制杂草生长，因此在世界各地的农业中得到了广泛应用。然而，长期使用传统的石油基地膜引发了越来越多的环境和农艺问题（Zhang等人，2023年）。石油基地膜的广泛使用给农业土壤的废物管理带来了长期挑战，尤其是在缺乏适当塑料回收和再利用基础设施的地区。结果，大量塑料残余物在土壤中长期存在，逐渐分解成微塑料，积累并影响土壤质量（Khalid等人，2023年）。持续的塑料积累会降低土壤水分保持能力和有机碳水平，破坏土壤物理结构，并对作物生产力产生负面影响（Huang等人，2020年）。这些影响导致土壤健康状况下降，凸显了传统塑料地膜系统的不可持续性。此外，地膜残余物改变了微生物群落组成，损害了土壤的化学和物理性质，加剧了农业生态系统的长期退化（Dewi等人，2024年）。因此，减轻与农业塑料地膜相关的环境污染已成为可持续农业的紧迫任务。
为应对这些挑战，基于生物的、可生物降解的聚合物作为有前景的替代品出现，它们既具有环境效益，又能改善土壤管理（Auriemma等人，2025年）。常用的聚合物如PLA和PVA因其良好的机械性能、良好的生物降解性和与农业应用的兼容性而受到越来越多的关注（Wang等人，2022年）。这些BDM薄膜设计为降解为无害副产品，不仅最小化了环境影响，还通过降低体积密度（BD）、增加孔隙度、丰富有机质（OM）和增强脲酶活性来改善土壤健康（Gao等人，2025年）。然而，由于其生产成本较高（通常是聚乙烯地膜的3到4倍），以及满足特定物理和机械要求的挑战（Madin等人，2024年；Xiong等人，2024年），其应用受到限制。为了克服这些障碍，最近的研究强调了优化生产工艺和添加废弃物添加剂以降低成本并提高BDM薄膜的功能性能（Hernandez-Charpak等人，2024年；Vadillo等人，2023年）。
本研究通过结合易于获取的农业废弃物（包括生物炭（BC）、鸡羽毛（CF）和牡蛎壳（OS）来开发基于PLA/PVA的BDM薄膜。BC是一种富含碳的材料，通过生物质热解获得，施用于土壤后可提高养分保持能力、持水能力和微生物活性（Bai等人，2025年）。其多孔结构和表面化学性质也有助于增强可生物降解聚合物的性能，提高薄膜的机械强度和降解行为（Iamsaard等人，2024年）。由于鸡羽毛（CF）是家禽生产的富含氮的副产品，与先前研究中分析的材料类似，同时使用BC和CF可能增强氮的保持能力和微生物活性。生物炭提供了吸附位点和微生境，减少了氮的损失并改善了养分循环，从而确保整个生长季节养分的可持续可用性。当这些材料整合到聚合物基质中时，它们可以降低薄膜密度，提供结构加固，并在分解过程中逐渐释放养分（F. Zhang等人，2024年）。同样，主要由CaCO3组成的OS可作为石灰剂，提高土壤pH值并为植物生长提供钙（Y. Zhang等人，2024年）。
本研究的主要目标是开发并评估一种基于PLA/PVA基质并添加了农业和渔业废弃物材料（BC、CF和OS）的环保BDM薄膜。通过结合BC的结构加固作用、CF的养分丰富特性以及OS中的CaCO3的土壤改良效果，本研究提出了一种符合循环经济原则的可持续多功能解决方案。本研究的新颖之处在于其对材料设计的整体方法，其中利用了易于获取且未充分利用的废弃物资源来提高农艺功能。据我们所知，此前尚未有报道将BC、CF和OS协同整合到基于PLA/PVA的地膜中，以增强农艺和环境性能。
材料
用于制备生物炭（BC）的农业废弃物包括玉米废弃物（CW）、菠萝叶（PL）、稻壳（RH）、稻草（RS）和甘蔗渣（SB），这些废弃物来自台湾的南投市和台中市。原料首先用自来水和去离子水彻底清洗，以去除表面杂质和污染物，然后在60°C下烘干24小时以去除残留水分。所得生物质随后使用机械研磨机进行研磨（Rong Tsong
元素组成和质地特性
1显示了本研究中BDM薄膜的元素组成和质地特性。与纯PLA/PVA薄膜相比，含有BC的薄膜具有更高的C和N含量，其中CWBM的含量最高，这与先前的研究结果一致（Purakayastha等人，2024年）。含有BC的薄膜的碳含量因生物炭来源不同而有所差异，范围从50.59%到58.13%，而PLA/PVA对照组的碳含量为49.46%。含有BC的薄膜中的氮含量范围为0.24%到0.64%
未来展望
尽管本研究展示了所开发的基于PLA/PVA的BDM具有良好的物理化学性质、土壤相容性和作物表现，但仍需进一步研究以推进其在实际农业中的应用。未来的研究应在温室和露天条件下将传统的聚乙烯地膜（PEMF）作为商业基准进行对比。由于PEMF是目前农业中常用的地膜技术，因此有必要
结论
本研究证明，将农业和水产废弃物整合到基于PLA/PVA的可生物降解地膜（BDM）中，显著增强了薄膜的功能性，同时促进了土壤健康。复合薄膜表现出良好的物理化学性质、结构稳定性和高效的生物降解性。温室评估显示，土壤有机质、pH值、养分（N、P、Ca）的可用性、微生物活性以及整体作物生产力均有显著改善。
作者贡献声明
Chih-Huang Weng：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。Girma Sisay Wolde：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。Kesinee Iamsaard：撰写 – 初稿撰写、软件使用、方法论设计、实验实施、数据分析。Yao-Tung Lin：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、结果验证、监督、资源协调、方法论设计、资金获取、概念构思。Jenn-Wen Huang：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。Han-Yu Hsueh：撰写 – 审稿与编辑、数据管理利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了科技部（资助编号：106-3114-E-005-00、109-2218-E-005-006、108-2218-E-005-004、108-2221-E-005-048-MY3、107-2218-E-005-007、106-2218-E-005-011-MY2、112-2221-E-005-021-MY3、114-2218-E-005-005）和国家同步辐射研究中心（NSRRC-2018-3-156-1）的支持。
