地膜殘留污染防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

薛穎昊，曹肆林，徐志宇，靳拓，賈濤，嚴(yán)昌榮

（1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子 832000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)膜殘留污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

地膜殘留污染防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

薛穎昊1，曹肆林2，徐志宇1，靳拓1，賈濤1，嚴(yán)昌榮3*

（1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子 832000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)膜殘留污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

地膜已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物資之一，地膜覆蓋已廣泛應(yīng)用到全國(guó)，尤其是北方干旱、半干旱和南方的高山冷涼地區(qū)，且呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2015年地膜用量達(dá)145.5萬(wàn)t，覆蓋面積達(dá)1 831.8萬(wàn)hm2。地膜覆蓋技術(shù)對(duì)保障中國(guó)食物安全供給做出了重大貢獻(xiàn)，但是，隨著地膜投入量和使用年限不斷增加，大量農(nóng)膜殘留在土壤中，不但嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，而且對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境安全與健康構(gòu)成了巨大威脅。通過分析生物降解地膜替代、一膜兩（多）用、機(jī)械化地膜回收等地膜殘留污染防控關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀，提出未來(lái)應(yīng)對(duì)地膜殘留污染的技術(shù)措施和策略，為地膜覆蓋技術(shù)合理應(yīng)用和殘膜污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

地膜殘留污染；防控技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

地膜是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)資料之一，地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和效益的提高，帶動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改變和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的快速發(fā)展[1]。2015年全國(guó)地膜用量達(dá)145.5萬(wàn)t，覆蓋面積1 831.8萬(wàn)hm2[2]，地膜覆蓋已廣泛應(yīng)用到全國(guó)，尤其是北方干旱、半干旱和南方的高山冷涼地區(qū)，且呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[3]。地膜覆蓋的增溫保墑、抑制雜草等功能，使我國(guó)蔬菜、玉米、花生、棉花等農(nóng)作物產(chǎn)量大幅度提高，為保障食物安全供給做出了重大貢獻(xiàn)[3]。但是，普通PE地膜以聚乙烯為原料，在自然條件下很難降解[4-6]。隨著地膜投入量和使用年限的不斷增加，大量地膜殘留于土壤中，破壞土壤結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降、作物減產(chǎn)以及農(nóng)事操作受阻[7-9]，且呈現(xiàn)逐漸加重的態(tài)勢(shì)。本文從降解地膜替代、PE地膜減量化、回收機(jī)械化三方面入手，針對(duì)覆蓋地膜使用、回收兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)資料梳理，對(duì)我國(guó)地膜殘留污染防控關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題進(jìn)行了分析，并提出我國(guó)未來(lái)應(yīng)對(duì)地膜殘留污染的技術(shù)措施和策略，旨在為地膜覆蓋技術(shù)合理應(yīng)用和殘膜污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 生物降解地膜替代技術(shù)

生物降解地膜替代PE地膜是新型環(huán)境友好型地膜替代技術(shù)的主體。生物降解地膜的主要原料有天然生物質(zhì)和石油基兩類，天然生物質(zhì)包括對(duì)淀粉、纖維素、甲殼素等原料進(jìn)行改性、再合成的高分子化合物，石油基則主要包括二元酸二元醇共聚酯（PBS、PBAT等）、聚羥基烷酸酯（PHA）、聚己內(nèi)酯（PCL）[10]、聚羥基丁酸酯（PHB）[11]、二氧化碳共聚物-聚碳酸亞丙酯（PPC）等。

全國(guó)各地開展的相關(guān)研究顯示，生物降解地膜具有與普通PE地膜相似的增溫保墑、抑制雜草等功能，并能徹底解決地膜用后的殘留問題。王建武等[12]研究結(jié)果顯示，在旱作條件下生物降解地膜覆蓋能夠提高馬鈴薯產(chǎn)量與水分利用效率，且均優(yōu)于PE地膜。白麗婷等[13]和趙愛琴等[14]研究了生物降解地膜對(duì)小麥和玉米生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)二者的作用和功能基本一致。諸多學(xué)者（林萌萌等[15]、張淑敏等[16]、楊友軍等[17]、楊丹[18]）的研究結(jié)果都顯示生物降解地膜對(duì)花生、大蒜、甘蔗、冬油菜的作用與PE地膜基本一致，能夠滿足作物生長(zhǎng)需要。尤其是王錫春等[19]研究表明，生物降解地膜能有效促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)和煙葉品質(zhì)改善，煙葉外觀質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性狀均優(yōu)于普通PE地膜。但也有研究顯示，生物降解地膜在功能方面與普通PE地膜還存在差異。趙彩霞等[20]發(fā)現(xiàn)在新疆棉花生產(chǎn)中，生物降解地膜過快破裂和降解影響了其增溫保墑性能，造成了20%以上的減產(chǎn)，尤其是寒旱區(qū)，生物降解地膜與普通PE地膜的增產(chǎn)效果存在較大差異，大部分生物降解地膜因破裂和降解過早而無(wú)法滿足作物生長(zhǎng)需求[21]。生物降解地膜的降解受到外界環(huán)境的強(qiáng)烈影響，具有很強(qiáng)的區(qū)域性，需要根據(jù)區(qū)域環(huán)境和作物需求研發(fā)專用生物降解地膜[22]。

從農(nóng)業(yè)部2015—2016年的試驗(yàn)和部分地區(qū)開展的大面積示范來(lái)看，與上述學(xué)者的研究成果基本一致。在一定地區(qū)和部分作物上，生物降解地膜替代技術(shù)具備推廣條件，可以開展較大面積的推廣示范，如在馬鈴薯（特別是覆土種植的馬鈴薯）和南方地區(qū)的經(jīng)濟(jì)作物（蔬菜、煙草）上。但由于生物降解地膜材料和生產(chǎn)工藝等方面的特性，大規(guī)模應(yīng)用前仍需要解決四個(gè)方面的問題：一是操作性，產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度能否滿足覆膜操作的要求，在大規(guī)模的機(jī)械化作業(yè)農(nóng)區(qū)，抗拉強(qiáng)度要求較高，能夠進(jìn)行機(jī)械化鋪膜作業(yè)，而在西南山區(qū)，人工覆膜，則可以對(duì)其強(qiáng)度要求相對(duì)降低；二是功能性，即覆膜后能夠在農(nóng)田中保持合適的時(shí)間后才開始破裂，以滿足增溫保墑抑草等利于作物生長(zhǎng)的特性；三是可控性，即地膜破裂和降解時(shí)間應(yīng)該在完成其基本功能后才開始，尤其是不能過早開裂和降解；四是經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)品成本要通過材料生產(chǎn)規(guī)?；?、產(chǎn)品配方精準(zhǔn)化等措施和方法逐漸降低，以求形成與普通PE地膜具有競(jìng)爭(zhēng)能力的綜合成本。

隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)、地膜回收法律法規(guī)的完善、農(nóng)村勞動(dòng)力缺失和回收人工投入成本上升以及地膜回收的困難，普通PE地膜回收和生物降解地膜的綜合成本將會(huì)越來(lái)越接近，生物降解地膜替代普通PE地膜是地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用的必由之路，生物降解地膜的應(yīng)用前景十分良好。

2 一膜兩（多）用技術(shù)

一膜兩（多）用技術(shù)是指覆膜前茬作物收獲后，不揭膜保護(hù)地膜，于當(dāng)年或翌年春季在原有地膜上播種后茬作物的一種免耕抑蒸保墑增溫技術(shù)。旨在一次覆膜，連續(xù)多年免耕，種植多茬作物，降低生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)地膜地面覆蓋時(shí)間，保蓄秋冬降雨，最大限度利用自然降水，有效減少地膜用量，防治地膜殘留污染。

蘇永中等[23]研究了玉米免耕與地膜再利用栽培模式，結(jié)果表明舊膜仍具較好的增溫保墑功能，尤其是能夠減少冬閑期田間無(wú)效蒸發(fā)，而舊膜直播的玉米產(chǎn)量?jī)H降低4.4%～10.6%，節(jié)本增效的效果明顯。史建國(guó)[24]和閆雅菲[25]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜玉米后茬免耕種植向日葵能夠有效發(fā)揮地膜在冬閑期的保墑功能，且省去了地膜投入，減少了農(nóng)田耕作作業(yè)，向日葵產(chǎn)量與新膜覆蓋相比僅略有降低，但綜合經(jīng)濟(jì)效益卻有較大幅度提高。吳兵等[26]和閆志利等[27]研究了舊膜再種植胡麻的模式，發(fā)現(xiàn)利用前茬作物的地膜基本滿足胡麻生產(chǎn)對(duì)溫度和水分需求；同時(shí)，地膜二次利用能有效減少地膜投入，減少耕耙地等田間作業(yè)次數(shù)，簡(jiǎn)化栽培管理活動(dòng)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到省工、省力、節(jié)本和增效的目的[28-29]。雖然一膜兩用滿足了降低地膜投入的目的，但需要在農(nóng)田管理技術(shù)方面進(jìn)行改進(jìn)。蘇化洲等[30]研究發(fā)現(xiàn)，地膜玉米后茬免耕直播向日葵要特別注重土壤墑情管理；周月君[31]研究發(fā)現(xiàn)舊膜上免耕直播種植應(yīng)改革前茬作物的基肥施用量，防止肥力不足；艾海艦等[32]研究表明地膜再利用可提高舊膜覆蓋土壤水分并降低土壤鹽分，但可能導(dǎo)致地膜之間耕層的土壤鹽分提高。以上都是一膜兩（多）用中需要加以研究和解決的關(guān)鍵問題。

黃土高原旱作區(qū)是一膜兩（多）用的主要區(qū)域，已經(jīng)在一定規(guī)模上得到了應(yīng)用。如2016年，甘肅省會(huì)寧縣一膜多年利用種植面積已達(dá)2.55萬(wàn)hm2，占2015年全膜雙壟溝播面積的36.2%，該縣以頭茬新膜玉米-二茬舊膜玉米-三茬舊膜胡麻為核心的輪作種植制度，已成為不保灌水區(qū)獨(dú)特的少免耕輪作節(jié)水節(jié)本增效種植模式，穴播胡麻面積已占胡麻播種面積的70%以上。一膜兩（多）用技術(shù)不僅發(fā)揮了地膜覆蓋的作用，而且通過對(duì)前茬作物地膜的再利用，減少了耕作對(duì)土壤的擾動(dòng)，減輕冬春季土壤水蝕和風(fēng)蝕危害，尤其是減少地膜投入，實(shí)現(xiàn)了節(jié)本增效并緩解了地膜殘留污染的問題。同時(shí)，一膜兩（多）用技術(shù)也存在一些局限和問題，尤其是無(wú)法一次大量施肥和穴補(bǔ)追肥作業(yè)效率低。此外，一膜兩（多）用與機(jī)械化作業(yè)存在不匹配的問題。這些是影響該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用面積擴(kuò)大的主要障礙因素。

3 機(jī)械化地膜回收技術(shù)

地膜回收機(jī)具的研究始于20世紀(jì)80年代末，已開發(fā)研制的機(jī)具達(dá)百余種[33]，主要類型包括彈齒式、卷膜輥式、伸縮桿齒式、鏈耙式、鏟篩式、夾指鏈?zhǔn)降萚33-36]。按照農(nóng)藝要求和作業(yè)時(shí)間分為三類：一是苗期地表殘膜回收，二是耕前地表殘膜回收，三是耕后的耕層殘膜回收[37]。

苗期地表殘膜回收一般是在作物澆頭水前將地膜揭去，以便于中耕除草、施肥和灌溉，此時(shí)地膜使用時(shí)間短、未老化，并有一定強(qiáng)度，而且膜上積土少，起膜容易，有利于收膜。此類機(jī)具以起膜后再卷膜的工作方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，地膜收凈率一般在80%以上[38]。代表機(jī)型主要有MSM-3型卷膜式棉花苗期殘膜回收機(jī)和CSM型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C(jī)。由于苗期收膜會(huì)導(dǎo)致作物灌水量增加，與我國(guó)北方旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不相適應(yīng)，已很少應(yīng)用。

耕前地表殘膜回收則是在作物收獲后、耕地前將田間的殘膜收起。由于地膜在農(nóng)田經(jīng)過了一個(gè)作物生長(zhǎng)季，存在不同程度的破損，以及地膜與土壤緊密粘連等，農(nóng)作物秸稈尚存于農(nóng)田中，回收難度較大，但優(yōu)勢(shì)是此時(shí)回收不會(huì)影響農(nóng)作物。因此，耕前殘膜回收機(jī)也是研究熱點(diǎn)，并已開發(fā)出大量針對(duì)特定作物和種植方式的地膜回收機(jī)，形成了比較系統(tǒng)的作業(yè)體系，主要包括：一是以立稈摟膜機(jī)為核心的秸稈粉碎之前立稈摟膜集條作業(yè)體系，即用秸稈還田機(jī)在垂直于作物種植行方向構(gòu)建一條30～50 m寬的卸膜道，然后用立稈摟膜機(jī)將地膜摟集到卸膜通道，最后用鏟車等將地膜清理出田間；二是以拔稈起膜機(jī)為核心的棉稈（茬）起拔與摟膜集條分段作業(yè)體系，先采用特定的拔稈起膜機(jī)刀輥入土將棉稈（茬）拔起鋪放在地表并完成膜土分離，然后用指盤式摟草機(jī)進(jìn)行集條，最后采用人工分揀地膜與秸稈；三是以秸稈粉碎還田和地膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)為核心的秸稈粉碎還田與摟膜集條聯(lián)合作業(yè)體系，通過將秸稈粉碎還田機(jī)與摟膜工作部件進(jìn)行有效集成，作業(yè)時(shí)秸稈粉碎機(jī)將秸稈粉碎后拋灑到機(jī)具正后方，緊接著摟膜部件進(jìn)行摟膜作業(yè)；四是棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)為核心的秸稈粉碎還田與殘膜撿拾裝聯(lián)合作業(yè)，采用臥式秸稈粉碎還田機(jī)將棉花秸稈粉碎后拋灑到機(jī)具后方，然后運(yùn)用撿拾部件撿膜脫膜并將殘膜輸送到集膜箱，在地頭進(jìn)行卸膜，如4JSM型滾筒式棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)和4CMS型鏈耙式殘膜回收與秸稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機(jī)，已經(jīng)在新疆較大規(guī)模地進(jìn)行應(yīng)用。此外，根茬翻埋與殘膜撿拾裝聯(lián)合作業(yè)，即先采用旋耕機(jī)將棉稈根茬翻埋入土并將地膜打碎成片狀，然后運(yùn)用鏈齒式撿拾部件撿膜并在氣力作用下脫膜入箱，如4CM型多功能殘膜回收機(jī)[39-42]。近幾年，我國(guó)在壟作作物的田間收膜機(jī)研究方面也取得了一定進(jìn)展，如研發(fā)了鏈條導(dǎo)軌式、鏟鏈?zhǔn)健㈢P篩式、齒鏈?zhǔn)脚c鏟掘篩分式等多種殘膜回收機(jī)，并形成了比較合理的技術(shù)方案[43-46]。

耕層殘膜回收主要針對(duì)歷年耕層內(nèi)的殘碎膜，結(jié)合秋翻、春耕犁地作業(yè)（作物播前）進(jìn)行殘膜回收作業(yè)。由于殘膜主要以碎片狀形式分布在耕層，回收難度大，殘膜回收率有限。目前在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的回收機(jī)主要是密排彈齒式摟膜機(jī)、平地?fù)ぢ?lián)合作業(yè)機(jī)和加裝摟膜耙、扎膜輥的整地機(jī)，都采用摟或扎的方式回收，作業(yè)深度5 cm以內(nèi)，殘膜回收率50%，一般需要人工卸膜，存在作業(yè)效率較低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。研究的重點(diǎn)在摟膜和扎膜自動(dòng)脫膜機(jī)構(gòu)、收膜深度和卸膜方便性等方面，比較成熟的有彈齒鏈耙式播前殘膜回收機(jī)和振動(dòng)篩式播前殘膜回收機(jī)等[47-49]。

4 地膜殘留污染防控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

由于我國(guó)地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和模式的多樣性，地膜殘留污染防控面臨著巨大挑戰(zhàn)，僅依靠單一技術(shù)并不能很好地解決問題，需要因地制宜、多措并舉，集成現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)建地膜污染綜合防控體系，有效減少殘膜污染、節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)健康發(fā)展。生物降解地膜替代和機(jī)械化地膜回收將是地膜殘留污染防控的關(guān)鍵措施。在生物降解地膜替代方面，適合不同區(qū)域和特定作物的低成本生物降解地膜將是未來(lái)的發(fā)展方向。此外，在滿足農(nóng)藝要求的同時(shí)，應(yīng)對(duì)生物降解地膜特性進(jìn)行改進(jìn)，使之與農(nóng)藝措施有機(jī)匹配和結(jié)合。在地膜機(jī)械化回收方面，要重視構(gòu)建殘膜回收機(jī)械化“立體”作業(yè)技術(shù)體系，發(fā)展和豐富殘膜回收機(jī)具的種類和功能，滿足種植模式和收膜時(shí)間多樣性的要求。機(jī)具本身的性能要強(qiáng)化因地制宜，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝技術(shù)相融合，提高作業(yè)效率，重點(diǎn)發(fā)展能夠突破膜雜分離、邊膜回收和耕層殘膜回收等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

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Status and trends in application of technology to prevent plastic film residual pollution

XUE Ying-hao1,CAO Si-lin2,XU Zhi-yu1,JIN Tuo1,JIA Tao1,YAN Chang-rong3*
（1.Rural Energy&Environment Agency,Ministry of Agriculture,Beijing 100125,China;2.Machinery Research Institute，Xinjiang Academy of Land Reclamation Sciences，Shihezi 832000，China;3.The Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,CAAS/ Key Laboratory for Prvention and Control of Residual Pollution in Agricultural Film,MOA,Beijing 100081,China）

Plastic film has been recognized as a valuable material within agricultural production in China in recent years.Consequently, plastic film mulching technology has markedly improved grain crop yields and water use efficiency by conserving water,maintaining soil moisture,suppressing weeds,increasing soil temperature,and improving cold tolerance in China′s Northern drylands,semiarid regions,high altitude regions,and Southern cold regions.Plastic film coverage in China now covers an area of 18.3 million hectares,and the amount of plastic film used reached 1.45 million tons in 2015.Hence,plastic film mulching has played an important role in Chinese agricultural production.Despite the benefits of plastic film mulching technology,its widespread use has generated large amounts of plastic film mulching residue,which has led to unsustainable farmland use,thereby affecting the agricultural environment.In this paper,we summarized the current state of key technologies to prevent residual pollution by plastic film,including alternative biodegradable film technologies,the multipurpose plastic film technique,and film machine recycling technologies.We also propose strategies to deal with plastic film pollution,which may provide a scientific basis for the rational application of plastic mulching technology and the corresponding prevention of residual film pollution.

plastic film residual pollution;pollution prevention technology;development trends

X712

A

1672-2043（2017）08-1595-06

10.11654/jaes.2017-0298

2017-03-07

薛穎昊（1984—），男，江蘇宜興人，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。E-mail：yhxue010@qq.com

*通信作者：嚴(yán)昌榮E-mail：yanchangrong@caas.cn

中國(guó)工程院咨詢項(xiàng)目“我國(guó)地膜覆蓋及殘留污染防控戰(zhàn)略研究”（2017-XZ-18）；農(nóng)業(yè)部“農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)專項(xiàng)”（2110402）

Project supported：China Academy of Engineering Consulting Project“Plastic Mulching and Residual Pollution Prevention and Control Strategy Research in China”（2017-XZ-18）；Ministry of Agriculture“Agricultural Ecological Environmental Protection Specialization”（2110402）

薛穎昊，曹肆林，徐志宇，等.地膜殘留污染防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（8）：1595-1600.

XUE Ying-hao,CAO Si-lin,XU Zhi-yu,et al.Status and trends in application of technology to prevent plastic film residual pollution[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（8）：1595-1600.