💡这项突破是什么?
南湖新闻网讯（通讯员 张艳）近日，工学院、园艺林学学院、湖北洪山实验室李强教授研究团队在生物降解液体地膜研究方面取得新进展。相关成果以“Aquo-bioplastic from Rotten Bamboo-derived Carboxymethyl Cellulose for Biodegradable Mulching”为题在International Journal of Biological Macromolecules发表。研究面向农田残膜污染治理和竹资源高值化利用需求，以自然腐朽竹为原料开发了一种可喷施、生物降解的液体地膜，为解决传统农用塑料地膜残留污染和促进竹资源高值化利用提供了新路径。
图1 竹基生物降解液体地膜的设计思路
传统聚乙烯（PE）地膜虽能保温、增墒、促进作物生长，但使用后难以自然降解，残留地膜会对土壤生态环境造成影响。近年来，PBAT、PLA等生物降解材料逐渐用于替代PE地膜，但仍面临成本较高、性能差等问题。竹材具有可再生、来源广泛、易降解等优势，但竹子速生材生育期短，大量竹材在自然死亡后直接腐朽，资源利用不充分。针对上述问题，研究团队将自然腐朽竹转化为液体地膜，既实现竹资源高值利用，又赋予地膜良好的农业覆盖和生物降解功能（图1）。
图2 自然腐朽对竹细胞壁及纤维素结构的影响
研究发现，竹材在自然腐朽过程中，微生物作用使其原本致密的细胞壁发生解构，从而降低纤维素结晶度和聚合度，同时暴露出更多活性羟基（图2）。这种结构变化降低了纤维素分子链的规整性和结晶区限制，提高了纤维素的可及性和化学反应活性（图2）。基于此，研究团队进一步将腐朽竹来源纤维素进行醚化制备羧甲基纤维素（CMC）。高活性腐朽竹纤维素醚化反应更充分，合成的CMC具有更高的取代度和制备效率。
图3 腐朽竹基液体地膜的制备及力学性能
在此基础上，研究团队将腐朽竹来源CMC与PVA复合，并通过戊二醛交联构建可喷施的生物降解液体地膜。所得材料具有良好的流动性和成膜性能，喷施后可随着水分蒸发在土壤表面形成连续覆盖膜层，其拉伸强度达到75.5 MPa，杨氏模量达到527.6 MPa，断裂伸长率达到61.8%（图3）。与新鲜竹来源CMC制备的液体地膜相比，腐朽竹制备的液体地膜综合性能更优，为液体地膜的田间应用提供了支撑。
图4 腐朽竹基液体地膜的作物促生效果及无人机田间应用
为验证竹基液体地膜的农业应用效果，研究团队以小白菜和玉米为对象开展了种植试验。结果表明，腐朽竹基液体地膜能够改善土壤温湿环境，促进种子萌发和植株生长。小白菜种植试验中，液体地膜处理的种子萌发率稳定在90%；与不覆膜处理相比，小白菜干重和鲜重分别提高2.2倍和2.5倍，株高、根长和叶面积分别提高1.2倍、1.8倍和2.2倍（图4）。研究团队进一步利用无人机在70 m2的玉米田中开展液体地膜喷施，喷施后第11天玉米种子萌发率为不覆膜处理的3倍（图4），验证了该材料与现代农业装备结合应用的可行性。
图5 竹基液体地膜在土壤中的降解行为
在降解性能方面，研究团队进一步开展了自然土壤埋藏试验。结果表明，液体地膜在埋藏40天后出现明显裂纹和破损，64天后实现完全生物降解，而同期PE和PBAT地膜基本未降解（图5）。研究同时通过蚯蚓回避试验评价了地膜降解后土壤的环境安全性，在测试条件下未观察到明显的蚯蚓回避行为，表明该液体地膜具有良好的土壤环境相容性。
图6 竹基液体地膜生命周期环境影响评价
此外，研究团队还从全生命周期视角评估了竹基液体地膜的环境效益（图6）。以生产100 kg液体地膜为功能单元，液体地膜的全球变暖潜势较传统PE地膜降低37.5%（图6）；同时在富营养化潜势、酸化潜势、臭氧耗竭潜势和人体毒性潜势环境影响指标方面也表现出较低的环境负荷。结果表明，将腐朽竹转化为液体地膜不仅能够实现竹资源高值利用，还有助于减少传统石油基农用地膜带来的生命周期环境影响。
该研究将竹材自然腐朽、细胞壁结构重构、生物质高值转化和农业地膜应用相结合，揭示了自然腐朽引起的竹细胞壁解构能够降低纤维素的结晶度和聚合度、暴露更多反应性羟基，进而提高纤维素的反应活性和CMC转化效率，并最终促进高性能液体地膜的构建。研究建立了从腐朽竹资源利用、液体地膜材料制备到作物生长验证、田间应用和生命周期环境评价的系统研究链条，为传统PE地膜绿色替代、农田残膜污染治理和竹资源高值化利用提供了新的技术支撑。
李强教授为论文通讯作者，博士研究生张艳和硕士研究生黄品歌为论文的共同第一作者，华中农业大学和湖北洪山实验室为主要完成单位。该研究得到国家重点研发计划（2024YFD1701400）和华中农业大学高层次人才启动经费等支持。
【英文摘要】
Plastic mulching has been widely utilized to enhance crop yield but generates persistent plastic residues that threaten agricultural sustainability. To address this challenge, a biodegradable and sprayable liquid mulching of carboxymethyl cellulose (CMC)-based ‘aquo-bioplastic’ derived from renewable rotten bamboo was developed. Natural deconstruction remodeled the bamboo cell walls, enhancing cellulose accessibility by providing cellulose with lower crystallinity, less degree of polymerization, and more exposed reactive hydroxyl groups for efficient etherification into CMC, and subsequent crosslinking with glutaraldehyde for aquo-bioplastic. The resulting aquo-bioplastic exhibited strong mechanical properties (75.5 MPa of tensile strength and 527.6 MPa of Young's modulus) and excellent air resistance (0.003 μm/Pa·s) exceeding reported bio-plastic films. Furthermore, the aquo-bioplastic was facilely applied into the field by drone spraying, enabling automated mulching and promoting soil moisture, temperature, seed germination, and eventually crop growth. Following field application, the aquo-bioplastic has been completely biodegraded within 64 days in soil, eliminating the requirement for post-harvest mulch removal. These results collectively suggest that CMC-based aquo-bioplastic derived from rotten bamboo could serve as an alternative of traditional plastic mulch to tackle white pollution and promote sustainable agriculture.
