殘膜污染防治與可降解地膜生態(tài)環(huán)境影響評價

李倩+安潔+石寶翠+周經(jīng)綸+王麗紅+明照岳

摘 要：地膜作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，在我國使用量十分巨大。2014年全國地膜使用量達(dá)到144萬噸，比1992年增長了近3倍，年均增長率約為6%；新疆、山東和甘肅三地的地膜覆蓋面積占到全國覆蓋面積的38%。但傳統(tǒng)透明塑料地膜性能穩(wěn)定，不易降解，大量殘留在耕地中，部分地區(qū)殘膜量遠(yuǎn)高于我國75.0 kg/hm2的殘留限值，表現(xiàn)出積累效應(yīng)明顯、污染區(qū)域差異大、污染強(qiáng)度逐年增大的特征。可降解地膜是降低殘膜對農(nóng)田環(huán)境污染的有效手段，本研究考慮可降解地膜遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨過程，利用殘膜率、未出苗率、蚯蚓死亡率和重金屬污染度指標(biāo)，建立可降解地膜生態(tài)環(huán)境影響評價模型，并將可降解地膜對生態(tài)環(huán)境的影響分為無影響、影響較小、中等影響和影響較大四級，為評價可降解地膜生態(tài)環(huán)境影響提供了一種研究思路。

關(guān)鍵詞：殘膜污染；可降解地膜；生態(tài)環(huán)境；影響評價

中圖分類號：X825文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2016）12-0111-06

Abstract As an important agricultural production materials， plastic film has a huge use in China. The usage amount of mulch film in 2014 reached to 1.44 million tons， which increased by three times than that in 1992 with the annual growth rate of about 6%. The sum covered area of three provinces of Xinjiang， Shandong and Gansu occupied 38% of the total covered area in China. The traditional transparent plastic film is not easy to degrade after using because of its stable properties. The residual film quantity in farmland in some area is much higher than the limit value of 75.0 kg/hm2 in China. The residual film pollution shows the characteristics of obvious accumulative effect， large difference in different pollution areas and annual increasing pollution intensity. Degradable mulch film is an effective way to prevent the residual film pollution. Considering the migration， transformation and fate processes of degradable plastic film， the ecological environment impact assessment model was established with rate of residual film， seedling non-emergence rate， earthworm mortality and heavy metal pollution level as indices. The model assessed and divided the ecological environment impact of degradable plastic film into four levels of no impact， small impact， medium impact and large impact. This study provided a research method for evaluating the ecological environment impact of degradable mulch film.

Keywords Residual film pollution；Degradable film；Ecological environment impact；Assessment

地膜具有增溫保墑、增加土壤肥力、防治病蟲害等作用，我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年地膜用量十分巨大，目前已成為世界上地膜用量最多、覆蓋面積最大、覆蓋作物種類最多的國家[1]。常用的塑料地膜是以聚乙烯、聚氯乙烯為主要原料，通過添加抗氧化劑、紫外線吸收劑等制成的有機(jī)化合材料，具有良好的透光性和機(jī)械拉伸性，但其分子量大、性能穩(wěn)定、耐化學(xué)侵蝕、可緩沖冷熱，光分解性和生物分解性較差，在自然條件下不易降解，大量殘留于土壤中。殘留地膜在土壤中以片狀、球狀、棒狀和圓筒狀等形態(tài)存在[2]，大量殘膜碎片會導(dǎo)致土壤容重增加、孔隙度和含水量降低[3]，造成水分、養(yǎng)分的運(yùn)移被阻斷，從而導(dǎo)致作物營養(yǎng)不良及減產(chǎn)[4]。近年來，由殘膜污染造成的農(nóng)村土地板結(jié)問題以及由廢膜焚燒而產(chǎn)生的大氣污染、水污染問題日益嚴(yán)重，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅，并具有長期的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

20世紀(jì)80年代以來，可降解地膜憑借其環(huán)境友好性逐漸進(jìn)入人們視野，成為解決殘膜污染問題的重要途徑。與傳統(tǒng)聚乙烯地膜相比，可降解地膜的主要優(yōu)點(diǎn)是在地膜失去增溫保墑等功能后，在各種因素作用下經(jīng)過一定時間，能夠在環(huán)境中最終降解為無毒無害產(chǎn)品[5]，從而防止殘膜對農(nóng)田環(huán)境的污染。按照降解機(jī)理，可降解地膜可分為光（熱）降解地膜、生物降解地膜、氧化-生物降解地膜三類。有研究顯示，可降解地膜在煙草、花生等覆膜時間較短作物上具較好的適用性[1]。隨著政府引導(dǎo)的增強(qiáng)和農(nóng)民環(huán)境保護(hù)意識的提高，可降解地膜對生態(tài)環(huán)境的影響及其評價技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。為規(guī)范可降解地膜的降解性能，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會（CEN）、日本生物降解塑料研究會（JBPA）、澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（SA）等組織，對其分子量、拉伸性能、失重率、崩解度、生物化學(xué)需氧量、CO2產(chǎn)量和生物毒性等指標(biāo)提出了要求，并規(guī)定了測試條件和測試方法。

本文通過分析我國地膜使用現(xiàn)狀，闡明了我國殘膜污染分布的時空分異特征；通過比較國內(nèi)外可降解地膜降解性能指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，識別可降解地膜污染源的遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨途徑，梳理評價指標(biāo)，建立了可降解地膜生態(tài)環(huán)境影響評價模型，為衡量可降解地膜帶來的生態(tài)環(huán)境影響提供一種研究思路。

1 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》（1990-2015）中提供的數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計(jì)了20多年來（1992-2014年）農(nóng)用地膜的使用情況，并由此分析了我國殘膜污染現(xiàn)狀。

2 我國殘膜污染時空分異特征

地膜殘留量受覆膜年限、耕作方式等影響，不同地區(qū)不同耕層的殘片數(shù)量、面積差異較大。多數(shù)研究表明，殘膜主要集中在0～20 cm的土壤耕層中[6，7]，占土壤中殘膜總量的90%以上[8]。通過分析我國地膜使用數(shù)據(jù)可知，我國殘膜污染具有“積累效應(yīng)、區(qū)域差異、逐年增強(qiáng)”三個特征。

2.1 殘膜污染積累效應(yīng)明顯

由圖1可見，我國農(nóng)用塑料薄膜使用量大幅提升，從1992年的78萬噸躍升到2014年的258萬噸。其中，地膜使用量平均占農(nóng)用塑料薄膜使用量的54%，從1992年的38萬噸，增長到2014年的144萬噸，增加了近3倍，年均增長率6.2%；最大增長率出現(xiàn)在1996年，比1995年使用量增長了近20%。

全國地膜覆蓋面積逐年穩(wěn)步提升，1993年地膜覆蓋面積約572萬公頃，到2002年增長到1 170萬公頃，面積翻了一翻；2014年增長到1 814萬公頃，比1993年提高了2倍多，年增長率約為5.7%（見圖2）。

目前，我國去除殘膜的主要方法是靠機(jī)械或人工撿拾，人工撿拾大約需要16 h·hm-2[9]，過高的勞動強(qiáng)度和撿拾成本推動了機(jī)械化殘膜回收的應(yīng)用。但是，隨著我國地膜使用量和覆膜面積的不斷增加，地膜回收率無法達(dá)到相應(yīng)水平，導(dǎo)致我國殘膜量逐年增加，積累效應(yīng)明顯。

2.2 殘膜污染區(qū)域差異較大

由圖3可見，我國各省市地膜覆蓋面積差異較大，地膜的使用主要分布在北方的干旱和半干旱地區(qū)，也是我國糧食主產(chǎn)區(qū)和農(nóng)業(yè)大省。新疆、山東和甘肅三地的地膜覆蓋面積占到全國覆蓋面積的38%，其中，新疆地膜覆蓋面積居全國之首，約為332萬公頃；山東位居第二，為222萬公頃，約為新疆地膜覆蓋面積的67%；甘肅、內(nèi)蒙古、河北、河南的地膜覆蓋面積均在100萬公頃以上。在南方，地膜主要應(yīng)用于高山、冷涼地區(qū)，其中，云南地膜覆蓋面積達(dá)到102萬公頃，四川和湖南緊隨其后。

2.3 殘膜污染強(qiáng)度逐漸增大

地膜使用強(qiáng)度即單位耕地面積的地膜使用量（kg/hm2），能夠在一定程度上反映某一區(qū)域或者地區(qū)殘膜污染的強(qiáng)度。2014年，新疆、上海、福建等地地膜使用強(qiáng)度較大，黑龍江、西藏、吉林使用強(qiáng)度較?。ㄒ妶D4）。從2004年至2014年全國地膜使用強(qiáng)度演化趨勢來看，我國地膜使用強(qiáng)度年均增長較大的主要為西北、西南地區(qū)，青海十年間地膜使用強(qiáng)度年平均增長43.6%，高出第二位增長率為15.8%的西藏近2倍。青海、寧夏屬于黃土高原旱作區(qū)，三分之二的降水量以無效蒸發(fā)形式流失，地膜覆蓋技術(shù)是黃土高原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心技術(shù)之一，部分地區(qū)地膜使用年限在10年以上；西藏、海南由于耕地面積較少，地膜使用強(qiáng)度也較高。

3 可降解地膜的降解性能和生態(tài)影響評價及評價模型構(gòu)建

3.1 現(xiàn)有可降解地膜降解性能評價標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法

評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)見表1。評價光降解常用的測試指標(biāo)有分子量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、厚度、質(zhì)量變化等。另外，聚烯烴的氧化程度還可以用羰基指數(shù)表示，羰基指數(shù)是試樣在1 715 cm-1處的羰基紅外吸收峰與固定特征吸收峰的吸光度之比。

評價生物降解地膜能力的指標(biāo)包括生物分解率、生化需氧量（BOD）、CO2和CH4產(chǎn)生量等。在評價過程中一般使用組合的測試程序，以確認(rèn)生物降解的發(fā)生。在選擇測試方法時，應(yīng)考慮地膜潛在的應(yīng)用區(qū)域和遷移轉(zhuǎn)化過程，如堆肥、土壤或水環(huán)境等。

地膜降解代謝產(chǎn)物可能對作物出苗率、生長率以及蚯蚓的重量變化和生存情況帶來影響，生態(tài)毒性測試即可以評價可降解地膜對植物或動物產(chǎn)生的影響。同時，還要保證地膜的重金屬含量在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi)。

根據(jù)現(xiàn)有地膜降解性能評價標(biāo)準(zhǔn)，可降解性試驗(yàn)評價方法主要有土壤分解法、好氧堆肥法、特定微生物或酶作用法和厭氧試驗(yàn)[10]。土壤分解法包括自然土埋法和實(shí)驗(yàn)室土埋法，自然土埋法能反映自然界中材料的實(shí)際分解情況，一般以試樣的形態(tài)變化、失重率及力學(xué)性能的變化來定性表示，是目前我國可降解地膜性能評價普遍采用的試驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)室土埋法和堆肥法采用在一定時間內(nèi)的失重率、耗氧量及CO2釋放量等表征指標(biāo)。特定微生物或酶作用法是自然條件的簡化模型，一般作為其它試驗(yàn)方法的補(bǔ)充試驗(yàn)。厭氧試驗(yàn)一般采用CO2和CH4的產(chǎn)生量作為表征指標(biāo)。

3.2 可降解地膜降解評價指標(biāo)篩選與建模

目前評價可降解地膜降解性能的指標(biāo)較多，但多為評價同一性能的平行指標(biāo)，指標(biāo)間具有顯著正相關(guān)性，例如CO2產(chǎn)生量、耗氧量和失重率均可表征生物降解過程的發(fā)生，是同一個降解過程的不同表征[11]；除此之外，還有許多關(guān)于殘膜影響的其他指標(biāo)，如對土壤關(guān)鍵酶活性的影響[12，13]，對棉花產(chǎn)量的影響[14，15] 等。因此，在選取構(gòu)建評價模型的指標(biāo)時，首先要考慮指標(biāo)的可操作性，即選取易于測量且直觀的指標(biāo)，這是模型構(gòu)建的第一原則。

模型的構(gòu)建還需建立在識別降解地膜遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨過程的基礎(chǔ)之上。本研究構(gòu)建了一個三層降解評價模型，可以模擬表示出可降解地膜的光降解、生物降解過程和生態(tài)毒性評價（見圖5）。但在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，這三種過程一般是同時發(fā)生的。

第一層表示了可降解地膜的光降解過程：在日光照射下，長鏈分裂成較低分子量的短鏈，聚合物的完整性受到破壞，物理性能下降，從而實(shí)現(xiàn)地膜降解。分子量和揮發(fā)性固體質(zhì)量的變化，是光氧化降解造成地膜物理性質(zhì)變化的表現(xiàn)。在光氧化降解作用下，地膜分解為平均分子量小于5 000的碎片。

經(jīng)第一層光氧化降解后的地膜碎片進(jìn)入第二層進(jìn)行生物降解。生物降解過程分為三個階段：首先通過生物的物理作用如細(xì)菌的增長使高分子材料發(fā)生機(jī)械性破壞，分裂成低聚物碎片；再通過生物的化學(xué)作用，利用微生物中的酶將高分子聚合物分解成低分子碎片；然后由細(xì)菌等微生物侵蝕分解或氧化崩裂，最終形成CO2、水、生物質(zhì)及其所含元素的礦化無機(jī)鹽（在厭氧環(huán)境下，則形成甲烷、水和生物質(zhì)）[16]。該層生物降解過程利用一定時間內(nèi)CO2的產(chǎn)生量進(jìn)行評估，同時測定地膜殘留率，要求60%的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2，且不能降解部分小于10%，而對于多種聚合物產(chǎn)品，則要求90%的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2。

經(jīng)前兩層降解后的殘膜碎片進(jìn)入第三層，繼續(xù)評價其生態(tài)毒性，一般進(jìn)行出苗率、蚯蚓死亡率和重金屬含量測定。另外，時間也是衡量降解殘留產(chǎn)物的重要條件，是考慮地膜長期積累效應(yīng)的重要指標(biāo)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇降解時間180天作為測試終點(diǎn)。

本研究在評價地膜降解殘留物對生態(tài)環(huán)境的影響時，選取殘膜率、出苗率、蚯蚓死亡率和重金屬含量等指標(biāo)進(jìn)行衡量，指標(biāo)的釋義與計(jì)算方法見表2。

為將指標(biāo)調(diào)整為同一維度，將出苗率調(diào)整為未出苗率，重金屬含量指標(biāo)調(diào)整為重金屬污染度?；谶@些指標(biāo)，采用效應(yīng)相加方法[17]構(gòu)建了可降解地膜生態(tài)環(huán)境影響評價模型，計(jì)算公式如下所示。

R=∑ni=1Pi

式中， R為可降解地膜生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)； P為可降解指標(biāo)值；i為指標(biāo)的數(shù)量，i=1，2，…，n。

3.3 可降解地膜的生態(tài)影響等級劃分

在建立的模型基礎(chǔ)上，采用絕對確定法[18]，依據(jù)頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分生態(tài)環(huán)境影響等級，將可降解地膜的生態(tài)環(huán)境影響分為無影響、影響較小、中等影響和影響較大四級，分別用一、二、三、四級表示（見表4）。

4 結(jié)論

隨著農(nóng)膜覆蓋技術(shù)的發(fā)展，我國地膜使用量與覆蓋面積大幅度增長，各地區(qū)地膜使用強(qiáng)度也呈現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的趨勢，表現(xiàn)出積累效應(yīng)明顯、污染區(qū)域差異大和污染強(qiáng)度逐漸增大的時空分異特征。由于使用量、耕作方式和使用時間的差別，我國不同地膜覆蓋區(qū)域土壤中殘膜量差異較大，平均殘留量為60 kg·hm-2，最高達(dá)135 kg·hm-2[19]，高于我國國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)田地膜殘留量限值及測定》（GB/T 25413-2010）中“待播農(nóng)田耕作層內(nèi)（25～30 cm）地膜殘留量限值應(yīng)不大于75 kg·hm-2”的規(guī)定。

可降解地膜既保留了傳統(tǒng)地膜增溫保墑的功能，又能夠在環(huán)境中最終降解為無毒無害產(chǎn)品，是解決農(nóng)田殘膜污染的重要途徑。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對可降解地膜降解性能的規(guī)范，在識別可降解地膜遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨過程的基礎(chǔ)上，利用殘膜率、未出苗率、蚯蚓死亡率和重金屬污染度指標(biāo)，建立了可降解地膜的生態(tài)影響評價模型?；谠撃Ｐ图皹?biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將可降解地膜對生態(tài)環(huán)境的影響劃分為無影響、影響較小、中等影響和影響較大四個等級。

本研究建立的可降解地膜生態(tài)影響評價技術(shù)指標(biāo)體系和模型為評價可降解地膜對生態(tài)環(huán)境的影響提供了一種有效的方法，有利于協(xié)助指導(dǎo)可降解地膜的研發(fā)和解決殘膜污染問題，也為制定國家標(biāo)準(zhǔn)《生物—氧化雙降解地膜》和我國政府有關(guān)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)決策提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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