《Polymers for Advanced Technologies》：Toward Plastic-Free Vineyards: The Role of Bioplastics in Sustainable Viticulture—A Review
农业价值链每年消耗超过12.5 Mt（百万吨）塑料，而葡萄园系统是短寿命塑料废弃物的重要来源。在葡萄栽培中，传统塑料提高了农业效率、作物保护水平和葡萄酒品质，但其广泛使用引发了环境和健康方面的担忧。近期研究报道了葡萄园土壤中大塑料、微塑料和纳米塑料的累积，浓度高达13,000 particles kg?1，并影响土壤理化性质、微生物活性和养分循环。邻苯二甲酸酯（phthalates）和双酚类（bisphenols）等塑料相关添加剂也在葡萄酒基质中被检出，引发对产品安全性和慢性暴露的关注。本综述考察了葡萄酒生产链中传统塑料的使用，涵盖采前应用（如地膜、葡萄藤夹、灌溉系统和防护覆盖物）以及采后流程（包括发酵、储存和包装）。本综述还通过生命周期评价（LCA）对生物基及可生物降解塑料作为石油基材料替代品进行了批判性评估。尽管这些材料可能减少环境影响，但经济障碍、性能局限和不确定的降解途径仍然是关键挑战。循环经济策略，尤其是将葡萄栽培残余物转化为生物基材料，为提升资源效率和支撑可持续、低塑料葡萄栽培提供了有前景的机遇。
**1 农业中塑料的使用：塑料栽培（Plasticulture）**
塑料栽培指在农业中战略性使用塑料材料以提升作物管理和生产。塑料的低密度、机械耐久性、防潮性和可调特性使其适用于营养控释、作物保护、采后处理和包装等多类应用。大多数农用塑料为一次性材料，使用寿命很少超过12个月，且仍以石油基聚合物（如PE、PP、PVC、EPS、EVA、PET）为主。塑料的环境持久性导致其在土壤和水生系统中长期积累，并产生已记录的生态影响。FAO报告估计农业价值链年消费12.5 Mt塑料产品，另有37.3 Mt用于食品包装；行业预测显示温室、地膜和青贮膜需求将从2018年的6.1 Mt增至2030年的9.5 Mt。
**2 葡萄酒产业中的塑料**
**2.1 葡萄酒产业中的可持续挑战与塑料使用**
葡萄酒和葡萄产业覆盖全球约7.3 Mha葡萄园，2023年全球葡萄酒出口量达99.3 MhL，价值360亿欧元。可持续生产日益受到关注，主要驱动因素包括消费者对绿色、有机或生物动力葡萄酒的需求。葡萄酒产业高度分散，以中小型生产商为主，导致可持续标准繁杂。欧盟对葡萄园和酒庄用聚合物材料的管理分散在环境与食品安全法规中：农业塑料按特殊非危险废弃物管理；酒庄内塑料适用食品接触材料法规（如EC 1935/2004和EU 10/2011）。现代葡萄酒产业需应对五大可持续挑战：适应气候变化、减少温室气体排放、优化葡萄园投入、改善包装可持续性以及增强社会经济韧性。减少传统塑料使用并采用生物塑料有助于实现上述目标。
**2.2 采前阶段塑料**
**2.2.1 一次性葡萄藤夹与防护管**
一次性葡萄藤夹和防护管是支撑、整形和保护幼株的关键塑料组件，通常由PP、PE、PA、PVC或EVA制成。每公顷安装约4000-5000个防护管（每个约0.08 kg），藤夹更轻（每个约1.5 g）。总计每公顷塑料用量约300-400 kg，若未回收则可能残留土壤并造成塑料累积。
**2.2.2 地膜**
地膜覆盖通常使用含炭黑LDPE或HDPE薄膜，用于抑草、保墒、减少压实和侵蚀。在幼年葡萄园、陡坡和干旱地区使用较多。黑色PE地膜可促进幼株生长，透明和黑色PE膜在沙漠条件下可将灌溉需求降低50%以上。不同颜色和材质的PP或PE地膜可影响葡萄香气、浆果大小及酚类物质。
**2.2.3 塑料覆盖物**
塑料覆盖物以悬挂膜或隧道结构保护树冠和果实区，同时改变微气候。PE基覆盖物最常见，包括透明PE膜、散射光PE膜、UV/IR过滤PE膜等；LDPE应用最广（160-220 μm厚），并可通过共混EVA、HDPE或TPU调整辐射和热性能。PP基覆盖物包括常规行覆盖和编织PP膜。总体上以PE和PP衍生材料为主，LDPE为优势聚合物。
**2.2.4 灌溉系统与容器**
微灌（滴灌）可将水直接输送到根区，常结合施肥；但滴灌线和连接器等依赖PVC、PC、PA和PE，可能造成土壤塑料污染。HDPE、PE和PVC罐、软管和喷雾器组件用于储存和施用农用化学品。采收时HDPE或PP料箱和板条箱因轻便、耐用等优点成为行业标准。
**2.3 采后阶段塑料**
**2.3.1 发酵与储存**
不锈钢和橡木桶是发酵与储存的主要材料。塑料材料用于辅助设备或直接接触表面：HDPE塑料发酵罐偶尔用于小批量生产；交联过滤系统使用聚合物膜；HDPE也被探索作为葡萄酒陈酿的合成替代品；多层PE或PP复合的大容量柔性袋用于惰性气体下储酒。
**2.3.2 装瓶**
玻璃瓶仍占主导（全球年产量约150亿个），但回收瓶颈和高能耗限制其环境效益。替代包装包括PET瓶（较轻但有氧渗透性）、盒中袋（多层塑料膜+纸板）、铝罐（内涂聚合物）和复合纸盒。柔性集装袋（PE、EVA、PA）用于散装酒运输，容量达24,000 L，但设计为一次性使用。天然软木为可再生可降解材料；合成软木和螺旋盖则含PE、EVA、PVDC等非降解塑料组件，带来长期可持续性挑战。
**2.4 土壤与产品污染**
**2.4.1 土壤污染**
微塑料（如PE和PP）改变土壤理化性质、微生物群落和植物生长。德国葡萄园土壤中微塑料浓度达400-13,000 particles kg
?1干土（均值4200±2800），主要成分为PP（35.2%）、PA（25.3%）和PE（15.5%）。老化塑料中农药残留量达114-76,400 ng g
?1，且高于周围土壤。高剂量PP和PVC微塑料（10 g kg
?1）使微生物生物量下降30%，硝态氮有效性降低98%，CO
2排放加倍，其中PVC影响最为严重。
**2.4.2 产品污染**
葡萄酒与塑料接触可能引入增塑剂和双酚等污染物。已有报道葡萄酒中邻苯二甲酸酯（如DEHP、DBP）达15 μg L
?1，BPA达0.58 ng mL
?1。法国酒样中DBP检出率59%（中位数0.0587 mg kg
?1）。PET瓶长期储存的retsina酒中乙醛（AA）可升至66.8 mg L
?1。进一步研究在葡萄酒接触塑料材料中检出邻苯二甲酸酯（DEHP达17.7 μg L
?1）、烷基酚、DEHA、BPA、抗氧化剂和NIAS。微拉曼光谱首次确认几乎所有酒样中至少存在一个微塑料颗粒；法国市售葡萄酒中微塑料平均浓度8.2±3.3 particles L
?1，玻璃瓶盖为主要污染源。
**3 迈向更可持续的葡萄酒产业塑料使用**
**3.1 生物塑料解决方案与可持续性**
塑料可按原料来源（生物基/化石基）和寿命终结行为（可降解/不可降解）分为四类。生物基与可降解性相互独立，其环境效益需通过生命周期评价综合判断。
**3.1.1 采前阶段生物塑料**
PBAT及其共混物适用于高弹性应用，PHA和PBS具有中等柔韧性和较好环境表现。商业产品虽有（如PolyNatural、Bio-Flex、Mater-Bi），但缺乏针对藤夹和防护管的田间性能数据。PBAT/淀粉地膜与PE性能相当，可维持约5个月功能并开始降解；MSW堆肥可降低土壤温度达5°C并减少热波动。可喷涂地膜（菜籽油、淀粉、海藻酸钠）可在3-4周内减少杂草覆盖83%-97%。生物降解滴灌组件具备技术可行性，LDPE/PHB共混管机械性能与纯LDPE相当，且1000小时土壤测试中未观察到微塑料碎片。Bi-OPL管5个月后失重和拉伸强度损失约2%，Ecovio在6个月内明显降解。
**3.1.2 采后阶段生物塑料**
发酵和储存阶段塑料作用有限。装瓶阶段，PLA和生物基PET可部分替代传统PET。70%回收玻璃+30% rPET的混合方案相比一次性玻璃可减少68%生产相关温室气体排放。PLA-滑石复合瓶在4周储存后未引起风味改变，但目前更适合短期至中期应用。Bodega Matarromera已商业化PLA葡萄酒瓶（约50 g）；Bio'teille采用模塑木质纤维外壳（来自回收纸板）和柔性内袋，碳足迹约114 g CO
2，远低于玻璃瓶的约502 g。
**3.2 循环经济策略：葡萄栽培废弃物的增值与再利用**
葡萄园副产物（藤条、葡萄果梗、葡萄渣、酒泥）可作为微生物合成生物乙醇、乳酸、琥珀酸、PLA、PBS和PHA的碳源。藤条粉末作为PHBV和PLA刚性托盘的填充料，可在5 vol%含量下降低全球变暖潜势（GWP）；30 vol%藤条含量使PHBV复合材料GWP降低20%、材料成本降低25%。葡萄藤生物炭（GVC）可作为PLA和PBS的成核剂，提高拉伸强度约42%和冲击强度约32%，并将PBS基复合材料的热变形温度从94.5°C提升至112.6°C。藤条提取物（10 wt%）使PLA膜抗张强度下降52%、柔韧性增加30%、水蒸气阻隔性提升55%。藤条经绿色生物精炼可制得可家庭堆肥的纤维素膜，8周内崩解；葡萄修剪废物纤维素膜透明度约84%/mm，17天内在土壤中完全降解。废弃软木粉可在PP基复合材料中用作填充料（最高35 wt%）且不显著损失机械性能。酒泥可用于微生物生产PHA，Cupriavidus necator和Hydrogenophaga pseudoflava分别达到1.27 g L
?1和1.60 g L
?1 PHA产量。
**3.3 技术、环境和经济准备度的批判性评估**
**3.3.1 采前生物塑料**
PBAT/淀粉地膜技术准备度最高，但其环境准备度中等偏低。田间埋置478天后，仍有约23%（未老化）和17%（UV老化）的材料可从土壤中回收；PBAT/PLA地膜微塑料在2.5年时达350-525 particles kg
?1，3.5年降至50-125 particles kg
?1。三年田间试验中PBAT地膜产生1560-1820微塑料颗粒 kg
?1，高于PE的747-840；且约70%颗粒小于0.25 mm。生物降解膜还可能刺激微生物活性并增加CO
2排放。生物降解地膜相比PE仅减少2.6%总体环境影响和9%累计能耗，经济优势限于污染传统膜收集处置成本高的场景。商业化藤夹、绳索和防护管的田间验证不足。可降解灌溉组件仍处于原型阶段，PLA在25°C-37°C土壤中1年降解甚微，而在50°C-55°C显著加速。
**3.3.2 采后生物塑料**
rPET和部分生物基PET与现有生产回收系统兼容，但仍是持久性材料且重复热机械加工会降低分子量。PLA瓶需要长期阻氧性、尺寸稳定性和抗冲击性，其降解高度依赖工业堆肥条件，因此仅适用于短期储存和专用收集系统。木质纤维瓶仍需聚合物内阻隔层，其可回收性和经济性应基于完整多层包装评估。生命周期评价表明，包装质量、运输距离和重复使用比单一组分的可再生来源影响更大；盒中袋和无菌纸盒通常优于一次性玻璃瓶。
**3.3.3 循环废弃物增值**
藤条粉末和葡萄藤生物炭可减少PLA、PBS和PHBV复合材料中聚合物使用，但其可扩展性受水分、粒度、灰分和表面化学变异限制。废弃物源PHA的商业化障碍包括底物变异、灭菌、发酵控制和下游回收，试验规模PHA累积量为7.6-76 wt%。纤维素膜和含葡萄藤添加剂的PLA膜适合短寿命或活性包装，但湿敏性、残余物变异和机械性能损失仍受限；其商业化需食品接触评估和迁移测试。酒泥源PHA可作为新兴生物精炼平台，但尚非市场成熟包装方案。总体来看，PBAT/淀粉地膜是功能准备度最高的可降解采前产品，但矿化不完全和微塑料形成问题仍待解决。
**4 未来研究需求与大规模实施机遇**
**4.1 当前知识空白**
需开展葡萄园特异性、多年期质量平衡研究，量化母体聚合物、微纳米塑料、可溶性降解产物和最终矿化，而非仅依赖视觉劣化或质量损失。需评估重复施用导致的残留累积，尤其是在冷凉、干燥、钙质或黏重土壤中。还需研究降解产物、添加剂、NIAS及其生态毒理效应。应用特定性能数据（如UV抗性、蠕变、使用寿命和用后降解）仍明显缺乏。
**4.2 规模化技术障碍**
主要挑战在于平衡使用寿命与终降解速率。现有制造设备主要针对PE、PP、PET设计，生物降解聚合物需调整干燥、挤出、冷却和质量控制流程。废弃物转化材料面临原料变异性问题，需制定原料规格、预处理协议和可追溯性。基础设施兼容性至关重要：土壤可降解产品依赖当地降解条件，可堆肥包装依赖收集处理设施，可回收聚合物依赖分选和回收系统。
**4.3 数字化农业：监测、可追溯性与塑料废弃物管理**
遥感已成功用于检测塑料覆盖葡萄园，如基于VHSR航空影像的分类精度达96%，Landsat-8数据结合谱指数精度超80%。GIS分析可估算覆盖膜（614 kg ha
?1）、防雹网（159 kg ha
?1）和灌溉管（83 kg ha
?1）的年废弃物产生量并优化收集点。多时相Sentinel-2影像和深度学习可绘制塑料温室图。未来应建立单个葡萄园地块的数字记录，包括聚合物类型、供应商、安装日期、使用时限和处置路线，但小型生产商的采用受人力资本和协调限制。
**4.4 气候变化影响下对生物塑料的需求**
气候变化可能导致90%的传统沿海和低地葡萄酒产区面临高风险。更热更干的条件下，地膜需更长保墒期，灌溉部件承受更高水力负荷和热应力，防护膜受更强UV辐射。暖土可能加速降解，而干旱抑制微生物活动。因此测试方案应包含热、UV、干湿循环和农用化学品组合，并在生命周期评价中考虑服务寿命、更换频率和终端管理。
**4.5 监管与标准化挑战**
ISO 23517:2021和EU 2019/1009为土壤可降解地膜提供了标准和法规框架，但尚未覆盖所有生物塑料品类。“生物基”“可降解”“可堆肥”等术语不应混用。化学安全仍是关键：DEHP等增塑剂具有内分泌干扰性，替代品如DINCH也可能带来新风险。EU 2025/40包装法规强化了可回收性和物质关注要求，且酒接触材料仍需满足食品接触法规。应建立分级测试体系（实验室、半田间、多点多田间）并开展认证和激励措施。
**4.6 结束语**
向低塑料葡萄栽培转型不能仅靠替换聚合物。新材料须满足特定农业或废弃物管理需求，提供可靠机械性能，具备安全降解或回收路径。未来研究应在真实葡萄园条件下开展长期多站点试验，比较常规塑料与可降解、可回收、可重复使用及非塑料替代品。需将崩解与生物降解明确区分，并统一测试方法。安全性和商业可行性应在材料开发早期纳入考量，数字化工具可支持材料使用跟踪和废弃物流管理，政策与法规需提供明确标准和激励措施。多学科合作是建立可靠、经济和环境友好解决方案的必要条件。
