《Journal of Environmental Management》：Life cycle assessment of biodegradable mulch films in strawberry production under alternative end-of-life scenarios
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摘要：生物降解地膜（BDMs）可减少农业塑料废弃物，但其环境效益取决于薄膜组成、材料特性和末端生命周期（EoL）管理。本研究对聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯/聚乳酸（PBAT/PLA；PPLA）和聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性淀粉（PBAT/TPS；PTP
摘要：生物降解地膜（BDMs）可减少农业塑料废弃物，但其环境效益取决于薄膜组成、材料特性和末端生命周期（EoL）管理。本研究对聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯/聚乳酸（PBAT/PLA；PPLA）和聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性淀粉（PBAT/TPS；PTPS）地膜在加利福尼亚州草莓生产中的应用开展了从摇篮到坟墓的生命周期评价。研究评估了三种BDM末端生命周期情景：土壤生物降解（SB）、堆肥（CP）和厌氧消化（AD），并以填埋聚乙烯地膜（PEM-LF）作为基线。CP和AD被建模为可回收薄膜组分的补充处理途径。相对于每功能单位的PEM-LF，BDM情景将摇篮到坟墓的影响降低了7.50%–9.02%，在等面积重量基础上则增加至12.32%–18.21%，这得益于化石燃料消耗、富营养化和生态毒性的降低。PEM-LF表现最差，原因是PEM的制造优势被填埋生态毒性和富营养化负担所抵消。SB通过避免废弃物收集与处置并将生物质形成作为土壤改良剂计入信用，提供了最大效益。AD通过沼气能量回收也表现良好，尤其是PTPS-AD，其效果与SB相当。CP是最不利的BDM末端生命周期策略，但仍优于PEM-LF。本研究确定了化石来源聚酯含量是降低BDM制造影响的主要目标，因为PBAT贡献了PPLA影响的90%以上以及PTPS影响的68%–96%，包括两者全球变暖潜势的约93%。敏感性分析表明，较低的化石来源聚酯含量、较高的AD生物甲烷潜力、较短的末端运输距离以及较高的SB生物降解率均可改善BDM性能。本研究为种植者、政策制定者和废弃物管理者提供了可持续地膜使用和废弃物管理决策的依据。
论文解读：生物降解地膜在草莓生产中的全生命周期环境影响评价
一、研究背景与问题
地膜覆盖栽培技术通过改善土壤微气候和提升作物产量，在现代农业中得到广泛应用。传统聚乙烯地膜（PEM）虽然性能优良，但在环境中可持久存在数百年，其废弃后的末端处理成为农业塑料污染的重要来源。生物降解地膜（BDM）被视作替代方案，但实际田间条件下其降解速率差异较大，且降解产物——生物基微塑料——在土壤中的长期生态效应尚不明确。现有生命周期评价（LCA）研究多聚焦于BDM土壤生物降解与PEM填埋、焚烧、回收等处置方式的比较，而将土壤生物降解（SB）、堆肥（CP）和厌氧消化（AD）三种末端路径置于同一作物生产系统、同一功能单位和同一评估框架下进行系统比较的研究仍属空白。草莓种植是典型的高强度覆膜体系，加利福尼亚州草莓产业每年产生约10484吨农业塑料废弃物，其中大部分地膜残留田间。BDM中约25%–30%的肩部埋土部分可回收，因此CP和AD可作为补充末端路径减少土壤残留。然而，这些替代路径与SB相比的优劣尚不清楚。为此，研究人员在加州草莓生产中开展了三种BDM末端情景的比较LCA研究。
二、研究内容与结论概述
研究人员基于ISO 14040/14044标准，对两种市场代表性BDM配方——PBAT/PLA（PPLA）和PBAT/TPS（PTPS）——在加州中央海岸草莓生产中的应用进行了从摇篮到坟墓的对比LCA，以填埋聚乙烯地膜（PEM-LF）为基线。功能单位为覆盖1公顷草莓田所需的地膜质量。研究设置了七个情景：PPLA-SB、PPLA-AD、PPLA-CP、PTPS-SB、PTPS-AD、PTPS-CP和PEM-LF。其中AD和CP情景中，30%可回收地膜组分经相应处理，剩余70%田间残留部分按土壤生物降解处理；SB情景中100%地膜残留田间降解；PEM-LF情景中70%地膜收集填埋、30%弃置田间。研究采用TRACI v2.1影响评价方法，结合Ecoinvent v3和USLCI数据库，通过贡献分析、敏感性分析和蒙特卡洛不确定性传播（5000次迭代）评估环境影响。结果表明，BDM情景较PEM-LF每功能单位净影响降低7.50%–9.02%，等面积重量基础上降低12.32%–18.21%，主要得益于化石燃料消耗（FFDP）、富营养化（EUP）和生态毒性（ECP）的降低。PEM-LF表现最差，其制造优势被填埋和露天弃置的生态毒性和富营养化负担抵消。SB提供最大净效益，因避免了废弃物收集、运输和处置的能耗与排放，并将生物质形成计为泥炭替代信用。AD通过沼气能量回收表现良好，PTPS-AD尤其突出，其净效益与SB相当。CP是最不利的BDM末端策略，但仍优于PEM-LF。研究识别出化石来源聚酯PBAT是BDM制造影响的主要贡献者，占PPLA影响的90%以上和PTPS影响的68%–96%，两者GWP中PBAT贡献均约93%。敏感性分析表明，降低PBAT含量、提高AD生物甲烷潜力、缩短末端运输距离和提高SB降解率均能改善BDM环境绩效。
三、主要关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：按照ISO 14040/14044框架构建从摇篮到坟墓的生命周期评价模型，系统边界覆盖原材料生产、地膜制造、草莓生产与地膜使用、收集运输及末端处理；基于田间试验和文献数据建立生命周期清单，采用Ecoinvent v3和USLCI数据库进行背景数据建模；应用TRACI v2.1影响评价方法，涵盖酸化、生态毒性、富营养化、化石燃料消耗、全球变暖、臭氧消耗、光化学烟雾、人体健康呼吸效应、非致癌和致癌效应十类影响指标；使用OpenLCA v2.6.1软件进行计算，并开展参数敏感性分析和蒙特卡洛不确定性传播。样本数据来源于加州中央海岸商业化草莓生产系统（Bolda et al., 2024）和本团队前期AD实验数据（Habarakada Liyanage et al., 2025）。
四、研究结果分述
（一）摇篮到坟墓全生命周期评价
在功能单位基础上，BDM净影响较PEM-LF降低7.50%–9.02%，但仅在FFDP（降低9.88%–11.31%）、EUP（降低24.08%–30.34%）和ECP（降低35.71%–37.18%）三个类别中实现下降。不确定性分析显示，仅FFDP的降低通常具有稳健性。PEM-LF情景中生态毒性主导，占净影响的39.23%，填埋和露天弃置共同贡献ECP的54.90%和EUP的48.20%。等面积重量敏感性分析显示，地膜面密度从19.15 g/m2增至26.57 g/m2时，BDM相对PEM的净影响降低幅度从12.32%–14.93%扩大至15.14%–18.21%，表明BDM优势随材料用量增加而扩大。
（二）地膜制造影响
每公斤基础上，PEM制造影响低于两种BDM，PPLA略优于PTPS。每功能单位PEM制造GWP为682.31 kg CO?-eq，而BDM为2826.96–3015.79 kg CO?-eq。PBAT生产贡献了PPLA制造GWP的92.91%和PTPS的92.81%，其中己二酸、1,4-丁二醇和对苯二甲酸分别贡献约44%、16%和3%。PLA颗粒生产仅贡献PPLA GWP的2.87%，TPS树脂生产贡献PTPS GWP的2.98%。但TPS在富营养化、人体健康非致癌、致癌、酸化等类别中贡献显著高于PLA，说明淀粉加工过程带来较高的生态系统和人体健康负担。
（三）草莓生产影响
不含地膜的草莓种植环节影响在各情景间一致，占BDM全生命周期影响的70%–72%和PEM的66%。种植环节以毒性相关类别为主，其中人致癌效应（HHC）、生态毒性（ECP）和非致癌效应（HHNC）分别占30.08%、24.82%和11.69%，主要来自肥料和农药。柴油和汽油燃烧贡献种植GWP的52.46%，PSF的70.85%和ACP的55.93%。氯苦碱农药主导臭氧消耗潜力（ODP），贡献99.75%。
（四）地膜末端生命周期影响
PEM末端以生态毒性为主，ECP占净影响的81.64%。BDM各末端情景较PEM-LF降低净影响99.72%–101.57%。SB在所有影响指标上均产生净信用，PPLA-SB和PTPS-SB的GWP分别为?266.22和?254.62 kg CO?-eq，较PEM-LF（103.81 kg CO?-eq）实现净降低356.46%和345.25%。AD情景同样优于PEM-LF，PTPS-AD效益显著优于PPLA-AD，原因在于TPS在嗜热AD条件下更易被产甲烷菌消化，生物甲烷产量更高。CP情景在多数类别上优于PEM-LF，但为三种BDM策略中最不利者，主要因堆肥设备能耗高且无能量回收信用。整体末端影响排序为LF > CP > AD > SB。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，BDM的环境效益取决于材料组成、薄膜特性和末端管理。PEM制造优势无法抵消末端填埋的生态毒性和富营养化负担。BDM全生命周期GWP高于PEM主要源于PBAT生产而非农业原料，这挑战了农业原料主导BDM制造负担的普遍假设。种植环节中，减少农药使用、控制熏蒸剂排放和优化施肥可降低人体毒性和富营养化影响。末端策略中，AD作为可回收组分处理方式尤其适用于淀粉基BDM，PTPS-AD净效益与SB相当，并显著降低生态毒性和致癌指标。CP因无能量回收而效益有限。SB虽效益最大，但完全矿化是长期终端情景，实际田间降解速率可能较慢，且当前LCA方法难以量化未矿化残留物对土壤健康的影响。
研究结论为：在功能单位和末端假设下，BDM在草莓生产中较PEM-LF具有更低的全生命周期环境影响，尤其以SB和AD方式处理可回收BDM组分时效益显著。未来应优先降低PBAT含量，并针对PTPS改进淀粉加工排放。研究为种植者、政策制定者和废弃物管理者提供了基于证据的可持续地膜管理决策支持。
