利用木质素磺酸盐、壳聚糖和生物炭开发可生物降解的喷雾覆盖物，以促进可持续农业的发展

《Sustainable Materials and Technologies》：Development of biodegradable spray mulch from lignosulfonate, chitosan, and biochar towards sustainable agriculture

本研究开发了一种基于壳聚糖和木素磺酸盐的生物基复合材料，并添加不同比例生物炭以优化性能。该材料通过室温水处理制备，无需预成型膜即可喷涂成膜，可显著降低土壤蒸发（678降至480 g/m2·天）且10天内降解超40%。其机械强度达0.82-6.22 MPa，兼具UV阻隔和土壤改良功能，为可持续农业提供了替代传统塑料地膜的创新解决方案。

　　

Nitesh K. Kasera|Sushil Adhikari|Hossein Jahromi

奥本大学生物系统工程系，美国阿拉巴马州奥本市36849

摘要

塑料聚乙烯地膜在农业中得到广泛应用，但会产生持久的塑料残留物，并且使用后需要耗费大量人力进行回收。虽然已经探索了可生物降解的地膜，但大多数依赖于预制薄膜，未能充分解决实际应用中的挑战。可喷涂的生物聚合物溶液能够在土壤表面形成保护层，为塑料地膜提供了一种环保的替代方案，符合可持续农业实践。因此，在本研究中，我们报道了一种完全基于生物材料的、可喷涂的地膜系统，该系统以壳聚糖和木质素磺酸盐为基础——这两种成分都对土壤健康有益——能够在土壤表面形成原位保护层。为了进一步调整功能性，还加入了生物炭（占木质素磺酸盐重量的10%、20%和30%）。该配方通过室温水处理制备，无需铺设薄膜或收获后的清除步骤。木质素磺酸盐与壳聚糖之间的相互作用促进了薄膜的形成，而生物炭的加入则调节了机械性能、光学性质和降解动力学。木质素磺酸盐-壳聚糖薄膜的拉伸强度范围为0.82至6.22 MPa，断裂伸长率范围为6.77%至27.30%。加入生物炭后，复合材料的柔韧性和不透明度提高，且能有效阻挡紫外线辐射。含有20%木质素磺酸盐重量的生物聚合物配方使用市售花园喷雾器成功喷涂，在测试条件下未出现喷嘴堵塞现象，并将土壤蒸发量从678 g m^?2 day^?1降低到480 g m^?2 day^?1。测试材料还表现出快速生物降解特性，在实验的前10天内重量减少了40%以上。这些结果共同证明了一种实用、可喷涂且可生物降解的替代方案，能够整合材料设计、应用策略和生命周期管理。

引言

近年来，由于塑料的便利性、易用性和可获得性，它们已成为现代农业不可或缺的一部分[1]、[2]。全球人口在2022年达到80亿，预计到2050年将激增至约100亿。这种快速增长进一步加剧了在资源有限的情况下确保人类粮食安全的艰巨任务[1]。因此，现代农业系统严重依赖塑料薄膜的应用，如地膜覆盖、温室、青贮和低/高隧道[3]。塑料地膜（通常由聚乙烯制成[3]）在确保粮食安全和提高农民收入方面取得了巨大成功，这归功于其提高的水分利用效率、更好的土壤温度调节能力和杂草抑制效果[4]、[5]、[6]、[7]。全球约有2000万公顷的农业用地使用了塑料地膜[8]，并且其使用量在过去30年中持续增加[9]。然而，塑料地膜的应用是农业用地中微塑料（MPs）的主要来源[10]、[11]。

收获后需要妥善回收和处理这些聚乙烯薄膜，这对农民来说是一项耗时（约16小时/公顷）且劳动密集的任务[12]。由于风化作用，聚乙烯薄膜会变脆并破碎，导致回收不完全。此外，生产者还选择其他处理方式，如焚烧或填埋，这些方法对周围环境和人类健康有害。由于聚乙烯的顽固性质，这些处理方式使得薄膜会进入土壤并逐渐积累，造成微塑料污染。尽管关于微塑料对淡水和海洋生态系统的影响已有越来越多报道，但陆地生态系统也是微塑料的重要汇，而它们对这些生态系统的影响却鲜有记录[2]。据认为，农业土壤吸收的微塑料量大于海洋，其中很大一部分来自塑料地膜[13]。微塑料污染会对土壤健康和作物产量产生负面影响，可能污染植物并影响土壤生物[14]。尽管已有研究致力于解决这些问题，但减少微塑料污染的来源至关重要，以防止情况进一步恶化。这些挑战凸显了需要开发不仅可生物降解，还能消除薄膜回收需求、减少合成添加剂，并且可以直接在田间应用的薄膜系统。

可生物降解的塑料地膜（BDM）作为塑料地膜的替代品被引入，旨在缓解这些问题，同时提供类似的农艺效益[15]。BDM薄膜主要以淀粉为基础，其中生物基原料约占成分的10-20%，其余约80%由化石燃料原料和少量添加剂（如着色剂和加工助剂）组成[16]、[17]。与聚乙烯相比，BDM的碳足迹更低[18]。然而，仍存在关于添加剂（如成核剂、增塑剂和润滑剂）从薄膜中渗出的担忧，以及它们对环境和作物的负面影响[15]。一些研究还报告了BDM使用对土壤微生物群落的生态毒性问题[19]、[20]、[21]，以及植物吸收BDM成分的现象[20]、[22]和生物量产量的下降[23]、[24]。BDM在土壤中的长期影响尚未得到研究，因此尚不确定其使用是否符合可持续农业实践。此外，联合国粮食及农业组织（FAO）建议使用基于生物材料且可生物降解的地膜来替代传统和非生物降解聚合物[25]。

最近的研究推动了基于生物聚合物（如木质素和壳聚糖）以及生物炭的地膜和涂层应用的发展。木质素、木质素磺酸盐、壳聚糖和其他生物聚合物已被纳入聚乳酸（PLA）[26]、[27]、聚乙烯醇（PVA）[28]、[29]、[30]和聚（丁酸-对苯二甲酸酯）（PBAT）[31]、[32]、[33]等基质中，以获得具有增强机械性能、阻隔性能和紫外线防护性能的复合材料，用于各种农业应用，如地膜、种子和肥料涂层、防真菌剂等。这类系统依赖于化石来源的聚合物基质和额外的交联剂或复合剂来实现优异的性能。尽管取得了显著进展，但完全基于生物材料的地膜系统的开发仍不充分，这些系统能够避免使用合成聚合物基质，直接在田间应用，并实现可控的土壤降解。特别是木质素磺酸盐和壳聚糖之间的协同作用，以及它们作为不含合成添加剂的可生物降解薄膜的直接适用性，尚未得到系统研究。

在这里，我们使用了壳聚糖和木质素磺酸钠这两种具有良好农业效益的工业副产品[34]、[35]、[36]、[37]、[38]，开发了生物复合地膜薄膜。这项工作的创新之处在于将材料选择、喷雾应用和生物降解行为整合到一个专为农业用途设计的完全基于生物材料的地膜系统中。我们还在木质素磺酸盐和壳聚糖配方中加入了生物炭，以赋予地膜额外的农艺效益。生物炭是一种多孔碳质材料，通常由废弃物生物质制成，可改善土壤孔隙度、保水能力并减少温室气体排放[39]、[40]、[41]。木质素磺酸盐、壳聚糖和生物炭共同提供了互补的功能，包括薄膜形成、机械强度、紫外线屏蔽、水分调节和可调的生物降解性，从而实现了一个无需合成交联剂的合理设计的地膜系统。这种复合方法利用了天然和废弃物衍生材料，符合循环生物经济的原则。与必须预先制备并手动铺设的传统生物塑料地膜不同，我们开发了可直接应用于土壤的喷雾配方，形成原位地膜层，有望减少劳动力需求和薄膜回收工作。本研究中开发的地膜材料在物理化学、机械、热性能、防水性和光学性质方面进行了评估。此外，还进行了土壤埋藏测试以评估这些材料的生物降解性。最后，对这些地膜配方进行了喷涂测试，以考察它们在土壤表面的长期表现及其对土壤水分保持的影响。研究结果表明，所开发的木质素磺酸盐-壳聚糖-生物炭配方作为一种可喷涂、完全基于生物材料且可生物降解的地膜，在可持续农业系统中具有巨大潜力。

材料

本研究中使用的所有化学品均为分析级，按原样使用，未经修改。壳聚糖粉末（CAS: 9012-76-4；脱乙酰度≥90%；分子式：(C₆H₁₁NO₄)_n）和木质素磺酸钠（CAS: 8061-51-6；工业级）购自Spectrum Chemical Manufacturing Corporation（美国）。这些聚合物的分子特性通过稀溶液粘度法进行了评估[42]、[43]、[44]。其内在粘度为3.9 dL g^?1

组成和微观结构

首先研究了木质素磺酸盐和壳聚糖混合对地膜薄膜物理化学性质的影响。傅里叶变换红外光谱（FTIR光谱，图2A）显示了与壳聚糖和木质素磺酸盐结构相关的特征峰。对于壳聚糖，约3290–3357 cm^?1处的谱带可归因于N-H和O-H伸缩以及分子内氢键[49]、[50]。约2919 cm^?1和2871 cm^?1处的谱带对应于C-H对称键

结论

在本研究中，我们制备并系统评估了不同比例的壳聚糖、木质素磺酸钠和生物炭组成的生物复合材料，用于地膜应用。结果表明，生物聚合物成分之间的非共价相互作用使得能够在原位形成薄膜，有效屏蔽紫外线和可见光，保持土壤水分，并在接触土壤的条件下快速生物降解。关于实际应用，该地膜配方

CRediT作者贡献声明

Nitesh K. Kasera：撰写——初稿撰写、数据整理、概念构思。Sushil Adhikari：资源获取、资金筹集。Hossein Jahromi：撰写——审稿与编辑、监督、研究、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

声明在手稿准备过程中使用了生成式AI和AI辅助技术。

在准备本工作时，作者使用了Grammarly和ChatGPT来审查语法并改进语言表达，以提高可读性。使用这些工具后，作者根据需要进行内容审查和编辑

致谢

本工作得到了阿拉巴马农业实验站（AAES）Agr-SEED项目（奖项编号7007962）和美国农业部（USDA）农业研究服务（ARS）的非援助合作协议（58-6010-2-005）的财政支持。此外，作者还感谢Yuchen Peng博士在其实验室进行的紫外线老化实验的支持。