農(nóng)用塑料薄膜對土壤環(huán)境的影響

池明眼，王天順，盧蕓笑，王清晨，張杰

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150040)

農(nóng)用塑料薄膜是農(nóng)業(yè)實(shí)踐中促進(jìn)作物增產(chǎn)的重要措施之一,是在有限的耕地面積上增加農(nóng)作物產(chǎn)量的有效途徑，它的使用可以解決作物生長所需條件不足的問題，其主要通過改變土壤溫度、保護(hù)土壤水分、降低雜草壓力來提高作物生產(chǎn)力[1]。目前，農(nóng)用塑料薄膜已被用于各種作物生產(chǎn)中，如玉米、西蘭花、小麥、花生、蔬菜等其他作物[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)用塑料薄膜的使用可以使中國的小麥，玉米，棉花和馬鈴薯的產(chǎn)量提高26%～37%[4]。塑料薄膜最常用的基礎(chǔ)材料為價(jià)格低廉、易加工、高度耐用、有彈性的聚乙烯(PE)[5]。由于聚乙烯的難降解性導(dǎo)致其在田間的累積量逐年增加，大量的殘留塑料碎片會(huì)惡化土壤理化性質(zhì)，降低作物產(chǎn)量，對土壤環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[6]。土壤健康是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的關(guān)鍵組成部分，因此我們需要全面了解農(nóng)用塑料薄膜對土壤環(huán)境的影響，為后續(xù)綜合治理塑料污染問題提供基礎(chǔ)資料。

1 農(nóng)用塑料薄膜的使用情況

20世紀(jì)50年代，農(nóng)用塑料薄膜因其具有可提升土壤溫度的能力而聞名于世，其獨(dú)特的材料特性(可反射特定波長的光輻射)，為農(nóng)業(yè)帶來及時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)其原材料，可將其劃分為3類，分別為聚氯乙烯薄膜(PVC)、 聚乙烯薄膜(PE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)薄膜。聚氯乙烯薄膜保溫效果好，可耐酸、堿、鹽，但成本較高；聚乙烯薄膜質(zhì)地軟，耐酸、堿、鹽，光通透性較好且安全無毒，但其強(qiáng)度和保溫性能差；EVA薄膜透光性、保溫性較好，其耐氣候性強(qiáng)，并且可回收再利用，降低使用成本[7]。通常各類農(nóng)用塑料薄膜通過添加增塑劑，有色顏料，紫外線(UV)穩(wěn)定劑或其他聚合物對其進(jìn)行改性。黑色，透明和白色是農(nóng)用塑料薄膜最常用的顏色， 其顏色的選擇很大程度上取決于作物類型和作物環(huán)境及植物可承受的溫度。農(nóng)業(yè)塑料薄膜的使用不僅可以改變土壤濕度和溫度，還可以控制害蟲的生長，可有效減輕各種昆蟲的傷害和/或疾病傳播，包括蚜蟲，薊馬，粉虱，黃瓜甲蟲，葉蟬，葉螨等植物害蟲等[8]。

在中國，農(nóng)用塑料薄膜的使用在逐年增加，在1991年至2011年期間，農(nóng)用塑料薄膜的使用量從319萬t增加到1245萬t，增長了4倍[9]。截止在2013年，中國的農(nóng)用塑料薄膜覆蓋種植面積已達(dá)到2.2×107hm2[10]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，各行各業(yè)對農(nóng)用塑料薄膜的市場需求不斷上升，我國塑料薄膜產(chǎn)量逐年提高，年均增長速度達(dá)到了15%，且塑料薄膜的需求量每年將以高于9%的速度增長。在“十三五”期間，塑料薄膜市場將保持20%以上的容量擴(kuò)張，預(yù)計(jì)2017年我國塑料薄膜產(chǎn)量將達(dá)到1957.86萬t。

2 農(nóng)用塑料薄膜對土壤環(huán)境的影響

2.1 農(nóng)用塑料薄膜對土壤濕度的影響

在土壤的上表層(0～10cm)，水分變化是高度動(dòng)態(tài)的，但塑料薄膜的使用可以減少土壤水分變化的波動(dòng)，這是因?yàn)檗r(nóng)用塑料薄膜的使用可增加土壤表面與大氣之間蒸汽流動(dòng)的阻力，進(jìn)而可有效減少土壤水分的蒸發(fā)，提高土壤的含水量[11-12]。Li等人對比裸土處理(無塑料薄膜覆蓋)發(fā)現(xiàn)，使用塑料薄膜的玉米-番茄雙季作物系統(tǒng)淺根區(qū)的土壤含水量高于裸土處理，且對水分的利用效率提高了約10%，但在較深的根區(qū)沒有看到兩種處理之間的差異，其結(jié)果表明塑料薄膜的使用對土壤水分的影響通常隨著土壤深度而減小，在40cm以下變得幾乎不顯著[13]。此外不同顏色的塑料薄膜對土壤水分的影響也不同，例如在Ashrafuzzaman等人移栽辣椒的實(shí)驗(yàn)中，使用了不同顏色的塑料薄膜處理，90天后檢測土壤剖面0～10cm的土壤水分，結(jié)果表明使用透明塑料薄膜的土壤水分最高，其次是黑色塑料薄膜和藍(lán)色塑料薄膜，對照裸土水分最低[14]。

2.2 農(nóng)用塑料薄膜對土壤溫度的影響

農(nóng)用塑料薄膜具有改變到達(dá)土壤的光輻射水平的光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而可以導(dǎo)致土壤溫度的升高或降低。黑色塑料薄膜是較為常用的塑料薄膜，因?yàn)樗梢晕蘸椭匦掳l(fā)射紅外(IR),可以使土壤變暖高達(dá)6℃，土壤濕度增加一倍，從而延長了生長季節(jié)[15]。HeiBner等人在炎熱地區(qū)使用塑料薄膜種植蘆筍作物的生長中發(fā)現(xiàn)，與裸土相比使用白色塑料薄膜處理的土壤可以維持或略微降低土壤溫度2℃左右[16]。此外具有高反射率，低吸收率和透射率的銀色塑料與裸土相比也可以降低土壤溫度[17]。所以白色及銀色的塑料薄膜是熱帶農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的良好選擇。相比之下，透明塑料薄膜的太陽輻射吸收能力是最差的，研究表明它可以將85%～95%的輻射傳輸?shù)酵寥?，使得土壤溫度升高，且透明塑料薄膜表面下方的冷凝水也可以吸收土壤反射的IR輻射，從而保持土壤熱量，這種溫室效應(yīng)使得透明塑料薄膜在寒冷地區(qū)較為適用，但透明塑料薄膜覆蓋物的高透射性質(zhì)的缺點(diǎn)是控制雜草生長的能力相對較弱[18]。在干旱地區(qū)，透明薄膜主要用于土壤太陽能化，因?yàn)橥该鞲采w層會(huì)產(chǎn)生極高的溫度。土壤溫度對作物生長的影響與作物生長的氣候位置有關(guān)不同地區(qū)的農(nóng)民可以選擇不同類型的塑料薄膜來降低或升高土壤溫度從而來獲得更高的產(chǎn)量。

2.3 農(nóng)用塑料薄膜對土壤物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)的影響

農(nóng)用塑料薄膜是由聚乙烯類的高分子化合物制備而成，材質(zhì)的穩(wěn)定性導(dǎo)致其在土壤中難以降解，且殘留塑料薄膜的大量聚集會(huì)阻礙土壤與大氣的水、氣、熱交換能力，從而降低土壤的透氣性、熱容量和容水量。此外農(nóng)用塑料薄膜形成的物理屏障在阻礙氣體交換的同時(shí)也造成了土壤缺氧、氧化還原電位低的問題，這種低氧化還原電位首先導(dǎo)致硝化作用降低和反硝化作用增加，并進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用，最終增加N2O和CH4的排放[19]。有研究者表明使用塑料薄膜后可增加12%～15%的碳固存，且減少了大約100g/cm2的二氧化碳排放量，使得土壤中二氧化碳濃度高達(dá)3倍[20]

隨著農(nóng)用塑料薄膜的使用致使土壤微氣候逐漸發(fā)生改變，這種改變在提高植物生產(chǎn)力的同時(shí)也增加了枯枝落葉和土壤有機(jī)物(SOM)的生物降解，而這種生物降解是觸發(fā)土壤養(yǎng)分快速枯竭的一個(gè)重要因素[2]。很多研究表明塑料薄膜的使用顯著減少了土壤有機(jī)質(zhì)，造成土壤局部次生鹽化、氮磷鉀含量減少，加速了土壤退化[21]。土壤條件的改變不僅會(huì)引起土壤生物群落的不良變化，還會(huì)影響土壤生態(tài)系統(tǒng)其他的生物，如蚯蚓或線蟲等[22]。

2.4 農(nóng)用塑料薄膜對土壤微生物的影響

農(nóng)用塑料薄膜的使用使得土壤中微生物呼吸所產(chǎn)生的二氧化碳留存于土壤中，而土壤中CO2的增多可以促進(jìn)植物生長，并進(jìn)一步刺激根部發(fā)育、增加粘液的滲出，因此土壤中微生物養(yǎng)分的吸收和可利用性也將得到提高[23]。當(dāng)使用塑料薄膜增加土壤溫度和濕度后，較高的土壤溫度和濕度可以促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，從而加速土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，加速C/N代謝等[22]。隨著土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分可利用性和微生物活動(dòng)的改變，農(nóng)用塑料薄膜的使用可以誘導(dǎo)土壤微生物群落的變化。印度的壟溝系統(tǒng)使用農(nóng)用塑料薄膜后與裸土相比，土壤細(xì)菌，真菌和放線菌的數(shù)量分別增加了2%、12%和12%[24]。一項(xiàng)在中國沉陽進(jìn)行的為期28年的研究表明，塑料薄膜覆蓋增加了變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度[25]。有研究初步表明使用塑料薄膜覆蓋后的蘆筍作物土壤中的霉菌產(chǎn)生的毒素增加[26]。如果這一觀察結(jié)果得到進(jìn)一步驗(yàn)證，那么我們也需要考慮在使用塑料薄膜后霉菌毒素產(chǎn)生的增加及其毒素引起的食品污染問題。除了微生物群落結(jié)構(gòu)的變化外，塑料薄膜的覆蓋物還會(huì)影響微生物的功能。部分研究表明使用塑料薄膜后微生物活動(dòng)增加，也有部分研究表明其使用塑料薄膜后微生物的活動(dòng)減少[27]，而塑料薄膜的使用造成的微生物活動(dòng)的增加和減少很可能取決于土壤溫度的變化，當(dāng)塑料薄膜覆蓋后使土壤溫度升高到接近土壤微生物生長的最佳溫度時(shí)，其生物活動(dòng)會(huì)增加，當(dāng)升高的土壤溫度高于微生物最佳生長溫度時(shí)，其生物活動(dòng)會(huì)減少，微生物活動(dòng)的變化最終會(huì)影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)和儲存。目前關(guān)于塑料薄膜覆蓋對微生物生物群落的功能多樣性以及C/N代謝影響的研究目前還不是很全面。了解塑料薄膜隨著時(shí)間的推移對土壤生物學(xué)和微生物多樣性相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)功能的影響也是很重要的，這對改善農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)原力會(huì)有所幫助。

2.5 農(nóng)用塑料薄膜造成的土壤重金屬及農(nóng)藥污染

有研究表明在使用塑料薄膜后的田地周圍總農(nóng)藥負(fù)荷升高，而這將會(huì)增加農(nóng)藥徑流進(jìn)入環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，從而對水生生物和土壤生物產(chǎn)生不利影響。研究人員發(fā)現(xiàn)使用塑料薄膜后，百菌清，硫丹，硫丹和氰戊菊酯農(nóng)藥的徑流量高達(dá)8倍[28]。此外塑料薄膜的使用還可能導(dǎo)致植物對重金屬的吸收增加。塑料薄膜除了主要由聚合物組成，還含有少量有機(jī)物(添加劑等)和無機(jī)(Cu，Ni等)組分，而部分添加劑會(huì)對土壤環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，如增速劑及含有不同的過渡金屬配合物(特別是Fe，Co和Mn )的促氧化劑添加劑[29]，如Moreno等研究發(fā)現(xiàn)與未使用塑料薄膜的大白菜相比使用塑料薄膜后的大白菜生物量中的重金屬含量增加較多，其Zn，Cd，Cu和Pb的總含量提高了90%[30]。Baghour等人研究發(fā)現(xiàn)使用塑料薄膜的馬鈴薯植物中的金屬含量比未使用的植物多3倍，植物對重金屬的吸收降低了土壤金屬含量，但卻造成了食品安全問題[31]。

2.6 殘留的農(nóng)用塑料薄膜對土壤環(huán)境造成的危害

由于田地中的塑料薄膜從未被完全移除以及塑料薄膜的不完全分解，導(dǎo)致塑料碎片和塑料微顆粒的大量積累在土壤中長達(dá)數(shù)十年，累積的殘膜碎片不僅會(huì)影響土壤環(huán)境，還可能進(jìn)入食物鏈[6]。在中國，長期使用塑料薄膜覆蓋物導(dǎo)致估計(jì)在表土(0～20cm)中積累50～260kg/hm2的殘余塑料，這些累積的塑料碎片和顆粒會(huì)降低土壤孔隙度，從而導(dǎo)致土壤空氣循環(huán)減少，增加土壤水分排斥，減少土壤滲透和吸水從而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)，最終影響植物的萌發(fā)和生長，使得農(nóng)作物減產(chǎn)[4]。除此之外塑料碎片或顆粒還可以吸附農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中使用的化學(xué)藥品，進(jìn)而作為有毒化學(xué)物質(zhì)的載體，提供了污染土壤環(huán)境的通道[32]。

3 廢舊農(nóng)用塑料薄膜的處理及其殘膜污染的防治措施

3.1 廢舊農(nóng)用塑料薄膜的處理

農(nóng)業(yè)中使用的大多數(shù)塑料薄膜都是由聚乙烯制成，由于聚乙烯具有耐用性和良好的材料特性，所以在生長季節(jié)結(jié)束時(shí)必須將塑料從田地中取出然后進(jìn)行處理，但由于農(nóng)業(yè)塑料薄膜通常被土壤和植物殘骸污染，因此無法有效回收利用，只能回收后在垃圾填埋場中燃燒和沉積，而這導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染[33]。由于我國尚未建立農(nóng)用塑料薄膜回收體系，只有少部分地區(qū)開始回收處理廢舊農(nóng)用塑料薄膜，如山東榮成市及甘肅的臨兆縣等，然而其他很多地區(qū)的農(nóng)民使用后基本不予以回收處理。隨著土壤中塑料薄膜的殘留量逐年增加及清理回收難度的加大，土壤污染還在進(jìn)一步加劇。

3.2 殘膜污染的防治措施

目前，關(guān)于殘膜污染的防治措施主要從以下7個(gè)方面進(jìn)行：(一)制定相關(guān)法律法規(guī)，建立塑料殘膜回收獎(jiǎng)懲機(jī)制；(二)制定農(nóng)用塑料薄膜土壤殘留和相應(yīng)厚度標(biāo)準(zhǔn)；(三)采用適時(shí)揭膜技術(shù)；(四)推廣農(nóng)用塑料薄膜減量化應(yīng)用技術(shù)；(五)研制新型、高效的農(nóng)用地膜回收機(jī)械；(六)推廣使用可生物降解的農(nóng)用塑料薄膜；(七)研究制備農(nóng)用塑料薄膜的新材料，探尋其替代物。

4 結(jié)語

綜上所述，本文介紹了農(nóng)用塑料薄膜對土壤環(huán)境的綜合影響，但目前我們對不同塑料薄膜的使用對土壤的理化性質(zhì)的影響及生物多樣性和土壤微氣候的相互作用的研究還不是很全面。了解塑料薄膜隨著時(shí)間的推移對土壤生物學(xué)和微生物多樣性相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)功能的影響也是很重要的，這對改善農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)原力會(huì)有所幫助。由于可生物降解的聚合物覆蓋材料仍然昂貴，因此還需要對這些材料的成本最小化進(jìn)行研究以使其便于農(nóng)民使用。除此之外，在農(nóng)用塑料薄膜殘留污染的治理過程中，應(yīng)有效提高農(nóng)用塑料薄膜的質(zhì)量、 改進(jìn)農(nóng)用塑料薄膜的回收技術(shù)、加強(qiáng)廢舊農(nóng)用塑料薄膜的回收政策、加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)督部門與其他部門開展的聯(lián)合工作、逐步完善聯(lián)合工作機(jī)制、不斷提高農(nóng)用塑料薄膜殘留污染的防治水平。相信在不久的將來，隨著科技的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)者環(huán)保意識的增強(qiáng)，農(nóng)用塑料薄膜造成的污染問題會(huì)進(jìn)一步得到改善和和解決。