農(nóng)用地膜污染防治戰(zhàn)略研究

許詠梅，房世杰，馬曉鵬，朱倩倩

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研管理處，烏魯木齊830091）

一、前言

近年來，我國農(nóng)作物地膜覆蓋面積迅速增長，2016年達(dá)到1.84×107hm2，成為世界上地膜覆蓋栽培面積最大的國家。但是，農(nóng)用地膜在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，其殘留在耕地土壤中的碎片已成為我國北方地區(qū)主要的面源污染問題之一。本文在分析農(nóng)用地膜利用和污染態(tài)勢及其成因的基礎(chǔ)上，從地膜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)控制、地膜田間科學(xué)合理使用、殘膜高效回收以及推廣可降解地膜等四個(gè)方面提出了我國農(nóng)用地膜污染防治的戰(zhàn)略措施，以期為提升耕地土壤環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)參考。

二、我國農(nóng)用地膜使用與污染態(tài)勢分析

（一）農(nóng)用地膜利用現(xiàn)狀

1.地膜覆蓋面積和使用量顯著增加

我國地膜覆蓋面積從1992年的5.934×106hm2增長到2016年的1.84×107hm2，遞增了2.11倍，年均增長率為8.76%，平均每年增加5.195×105hm2。地膜使用量從1992年的3.803×105t增長到2016年的1.47×106t，增加了2.87倍，年均增長率為11.94%，平均每年增加4.54×104t，已占世界地膜使用總量的50%以上（見圖1）（數(shù)據(jù)來源于《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》1992—2016年）。

2.地膜使用區(qū)域由西部向東部急速擴(kuò)展

對各省覆膜面積的變化統(tǒng)計(jì)表明，1992年山東、四川、新疆、湖北是四個(gè)主要的覆膜大?。▍^(qū)），其中山東農(nóng)田覆膜面積為7.26×105hm2，四川為6.618×105hm2，主要應(yīng)用于蔬菜栽培；新疆覆膜種植6.167×105hm2，湖北覆膜種植5.125×105hm2，其余各省農(nóng)田覆膜面積均在3.5×105hm2以下。川魯?shù)貐^(qū)的地膜覆蓋栽培面積遠(yuǎn)超過西北地區(qū)（見圖2）。至2016年，覆膜面積超過5×105hm2的?。▍^(qū)）增加到12個(gè)，其中超過1×106hm2?。▍^(qū)）為8個(gè)，以山東、甘肅、內(nèi)蒙古、河北、河南為代表的中原地區(qū)覆膜栽培大省已經(jīng)形成；云南、四川成為西南地區(qū)覆膜栽培的主要種植區(qū)。超過1.5×106hm2的地膜大?。▍^(qū)）為新疆和山東，分別達(dá)到了3.405×106hm2和2.092×106hm2。地膜覆蓋栽培技術(shù)從我國中部向西北、東北、南方地區(qū)擴(kuò)展，已覆蓋全國所有?。ㄊ?、區(qū)）（見圖2）。

圖1 1992—2016年全國農(nóng)用地膜使用量和覆蓋面積變化趨勢

（二）農(nóng)用地膜污染態(tài)勢

當(dāng)前我國地膜殘留總量近2×106t，回收率不足2/3，耕地土壤平均殘留量為60 kg/hm2[1]。西北干旱綠洲區(qū)是我國農(nóng)膜使用量最大的區(qū)域，耕地農(nóng)膜殘留污染也最為嚴(yán)重，如新疆地膜覆蓋總面積已近3.405×106hm2，達(dá)到其耕地總面積的50%以上。對其20個(gè)縣的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)田地膜殘留量平均為255 kg/hm2，是全國平均值的5倍，其中地膜殘留量大于225 kg/hm2的農(nóng)田占80%，農(nóng)田殘膜污染嚴(yán)重。

我國其他地區(qū)耕地殘膜污染也較嚴(yán)重。調(diào)查發(fā)現(xiàn)[2]，甘肅隴東地區(qū)平均地膜殘留量為139 kg/hm2，陜西地區(qū)平均地膜殘留量為110 kg/hm2，華北平原覆膜棉區(qū)平均地膜殘留量為80.5 kg/hm2，湖北恩施煙田平均殘留量為71.9 kg/hm2，北京、河北、山東等地蔬菜的地膜平均殘留分別達(dá)到了48 kg/hm2、58 kg/hm2、40.5 kg/hm2，河南等地的花生種植區(qū)平均地膜殘留已達(dá)到66 kg/hm2，殘膜累積污染明顯。

我國地膜回收率較低，農(nóng)用地膜污染呈不斷加重和擴(kuò)散趨勢。以新疆石河子墾區(qū)調(diào)查數(shù)據(jù)為例，連續(xù)覆膜20年和10年棉田中的地膜殘留量分別為326 kg/hm2和278 kg/hm2，其中連續(xù)20年覆膜種植棉花–加工番茄土壤中殘留量高達(dá)358 kg/hm2。即使在南方地區(qū)，如湖北省農(nóng)膜覆蓋玉米連續(xù)種植5年，殘留地膜也達(dá)到140 kg/hm2。另外，近20多年來我國大多數(shù)?。ㄊ?、區(qū)）耕地地膜覆蓋系數(shù)呈增加趨勢，增加量在0.06%～20.03%，其中，上海、西藏和江西增加量較大，均在17%以上；吉林、湖北、四川、青海和浙江的增加量在4%～10%。單位耕地面積上地膜覆蓋程度不斷加大，表明地膜殘留累積污染的風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖2 各省（市、區(qū)）農(nóng)田覆膜面積

（三）農(nóng)膜污染造成土壤理化性質(zhì)惡化，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)增加

1.殘膜碎片障礙耕層形成，土壤理化性質(zhì)下降，作物減產(chǎn)

由于我國使用的農(nóng)膜厚度＜0.008 mm，超薄膜易破碎，碎片面積1～25 cm2的數(shù)量約為1×107～2×107片/hm2，與0～20 cm耕層土壤混合在一起，人為形成了殘膜碎片障礙層。試驗(yàn)表明，當(dāng)農(nóng)田殘膜量為 225 kg/hm2時(shí)，容重較無殘膜土壤增加18.2%，土壤孔隙度降低 13.8%[3]， 0～120 cm土層的土壤體積含水率下降、土壤水分下滲速度緩慢、生育期內(nèi)土壤貯水量減少[4,5]。

殘膜對棉田土壤養(yǎng)分也有不同程度的影響，連作10年、15年和20年后，土壤速效磷下降29.14%、22.09%和38.34%，土壤速效鉀先增加但隨后明顯降低[6]，殘留地膜不利于土壤中養(yǎng)分的礦化釋放，導(dǎo)致當(dāng)季供肥能力下降。另有研究表明，農(nóng)膜回收率低的農(nóng)田連續(xù)覆膜3～5年后，小麥產(chǎn)量下降 2%～3%，玉米產(chǎn)量下降 10%左右，棉花產(chǎn)量下降 10%～23%，蔬菜產(chǎn)量下降14.6%～59.2% [7,8]，作物減產(chǎn)顯著。

2.地膜降解物致使環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)增加

殘留地膜在土壤中可釋放出無機(jī)污染物和有機(jī)污染物，對土壤性質(zhì)和農(nóng)作物的生長造成影響。殘留地膜中含有的增塑劑、抗氧化劑和阻燃劑是導(dǎo)致土壤有機(jī)物污染的主要原因，其中增塑劑多為酞酸酯類化合物，逐漸釋放到環(huán)境中，對空氣、水和土壤等造成污染，通過食物鏈進(jìn)入人體危害健康，環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)加劇。

三、農(nóng)用地膜殘留污染成因

（一）普通聚乙烯（PE）地膜材料降解難

農(nóng)用地膜都是由高分子的聚乙烯化合物及其樹脂制成的，這些物質(zhì)具有分子質(zhì)量大、性能穩(wěn)定、耐化學(xué)侵蝕、能緩沖冷熱等特性，很難在自然條件下進(jìn)行光降解和熱降解，也不易通過細(xì)菌和酶等生物方式降解，在一般情況下，殘膜可在土壤中存留200～400年[9]，將導(dǎo)致嚴(yán)重的區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染。

（二） 地膜質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)，回收困難，再利用效率低

按照1992 年我國輕工業(yè)部頒布實(shí)施的《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13735—1992），規(guī)定聚乙烯地膜最小厚度為 0.008 mm，但地膜實(shí)際厚度主要集中在 0.004～0.008 mm，考慮市場及價(jià)格，地膜生產(chǎn)商更傾向于生產(chǎn)超薄型地膜（見表 1）。

地膜再利用效率低。以甘肅為例，2015年，再生顆粒的市場銷售價(jià)格是7 500元/t，2017年為4 200～4 800元/t，下降了約50%，再生顆粒的生產(chǎn)成本為4 000元/t，廢舊農(nóng)膜加工企業(yè)的市場利潤率不足2%。加工企業(yè)難以享受稅收、電費(fèi)等優(yōu)惠政策，也進(jìn)一步限制了地膜回收。

（三）可降解地膜工藝不成熟，尚無合適替代產(chǎn)品

由于不同作物對降解地膜的寬度、延展性以及裂解起始期、裂解速率、降解率產(chǎn)品特性等需求差異較大，導(dǎo)致可降解地膜材料與農(nóng)藝生產(chǎn)的配套性差。例如：降解地膜材料本身延展性與播種機(jī)械不能配套，地膜黏連在打孔器上被拉伸，致使種子不能進(jìn)入孔洞中而播在膜面上，造成約30%的播種失敗。同一降解地膜在不同氣候條件下，裂解的起始期不同，使地膜增溫保墑的效應(yīng)存在地區(qū)差異。在使用過程中存在的問題，也制約了降解地膜的大面積推廣，短期內(nèi)還不能全部替代普通PE地膜。

表1 不同厚度地膜鋪設(shè)用量及投入成本（新疆棉花）

（四）生產(chǎn)管理體系混亂，地膜污染控制缺乏嚴(yán)格的監(jiān)管機(jī)制

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國擁有大小規(guī)模不等的地膜生產(chǎn)企業(yè)約800家，年生產(chǎn)能力3 000 t以下的小型企業(yè)約600家，由于產(chǎn)業(yè)政策、價(jià)格體系和供求關(guān)系等方面的原因，采用的農(nóng)用樹脂品牌多、亂、雜，貨源不穩(wěn)定，地膜產(chǎn)品質(zhì)量不高，嚴(yán)重影響了地膜的使用和回收。國家對農(nóng)田地膜污染治理也缺乏相應(yīng)的法律法規(guī)來監(jiān)督和約束，農(nóng)民僅將地表殘膜簡單回收一下，有的則直接就翻到土壤中。地膜回收點(diǎn)設(shè)置不足，農(nóng)民撿拾的殘膜也不能得到有效回收，基本都是焚燒或在田間地頭堆置，往往造成地膜的二次污染。

四、農(nóng)用地膜污染防治的戰(zhàn)略措施

（一）推進(jìn)地膜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，從源頭遏制不合格地膜進(jìn)入農(nóng)田

在推進(jìn)地膜生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化過程中，各地應(yīng)積極制定符合本區(qū)域?qū)嶋H情況的地方標(biāo)準(zhǔn)。例如，2014年新疆頒布了《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》地方強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)（DB65T/ 3189—2014），標(biāo)準(zhǔn)中明確了農(nóng)田地膜的最小公稱厚度為0.01 mm，并且耐候期必須大于180 d，也就是保證新標(biāo)準(zhǔn)地膜在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)不能破碎為碎片，生產(chǎn)結(jié)束后便于回收再利用。2016年新疆又頒布了《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)田地膜管理?xiàng)l例》，從標(biāo)準(zhǔn)到立法層面對農(nóng)田地膜科學(xué)使用給予了規(guī)定。新標(biāo)準(zhǔn)還增加了0.012 mm、0.014 mm、0.20 mm三個(gè)公稱厚度。同時(shí)增加了推薦使用天數(shù)：厚度0.010 mm、0.012 mm為180天；厚度0.014 mm、0.020 mm為360天，實(shí)現(xiàn)從源頭控制殘膜污染。

（二）優(yōu)化地膜覆蓋方式，推廣適時(shí)揭膜等技術(shù)

優(yōu)化地膜覆蓋方式，推進(jìn)地膜科學(xué)使用，是減少農(nóng)田殘膜污染的重要環(huán)節(jié)。開展地膜在不同作物和不同栽培模式下的科學(xué)合理施用，一是減少無效的超寬地膜覆蓋，降低地膜覆蓋率，有效減少地膜使用量。如華南地區(qū)（廣東、廣西），在冬春季反季節(jié)瓜菜種植過程中，采用50 cm、100 cm和150 cm三種不同寬度的地膜覆蓋栽培，100 cm寬度的地膜西瓜生長和產(chǎn)量均優(yōu)于50 cm和150 cm，這主要是由于冬季低溫旱季，需要增溫保墑，春夏季多雨，肥料養(yǎng)分易于淋失，需要保肥。100 cm寬度的地膜在作物早期對土壤的增溫保溫、干旱保水能力優(yōu)于50 cm寬度地膜，促進(jìn)植株根系正常生長；而在作物生長中后期，恰是高溫多雨階段，與150 cm寬度地膜相比，其土壤水肥調(diào)節(jié)、保肥、通氣的協(xié)調(diào)保障作用強(qiáng)，從而保證了作物穩(wěn)健生長。因此從促進(jìn)作物高產(chǎn)和減少殘膜污染的角度考慮，100 cm寬度的地膜是比較適宜的。選擇適宜寬度的地膜，可有效降低單位面積地膜使用量，減少農(nóng)田殘膜積累。二是推廣適時(shí)揭膜技術(shù)。在地膜發(fā)生破碎老化前，及時(shí)將地膜清除出農(nóng)田。河北、新疆等地區(qū)開展的棉花灌頭水前揭膜技術(shù)，由于地膜尚未老化，韌性好，不易破碎，回收率可達(dá)90%以上。在山西地區(qū)玉米覆膜栽培中，揭膜適宜時(shí)間為拔節(jié)期揭膜，即玉米出苗后45天左右，能大幅度提高地膜的回收率；而在海拔1 000 m以上的玉米種植地區(qū)，適宜的揭膜時(shí)期延遲到大喇叭口期，能夠在保證85%回收率的同時(shí)促進(jìn)作物增產(chǎn)。

（三）加強(qiáng)殘膜回收機(jī)械研發(fā)與推廣，提高地膜機(jī)械化回收力度

殘膜回收機(jī)的研發(fā)應(yīng)與種植模式相適應(yīng)。目前研發(fā)的重點(diǎn)是秸稈粉碎或拔出與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，代表機(jī)型包括新疆農(nóng)墾科學(xué)院4SJ-1.6型和4SJ-2.0型，機(jī)具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在機(jī)械高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下難以保障殘膜的回收率，這也是聯(lián)合作業(yè)機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。甘肅和內(nèi)蒙古地區(qū)殘膜回收機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)是小型機(jī)械，主要應(yīng)用作物為玉米和馬鈴薯。如河北神耕機(jī)械有限公司研發(fā)的1MC-70型起茬殘膜回收機(jī)，采用鏟式結(jié)構(gòu)，機(jī)械前部加裝土鏟，將根茬與地膜鏟起，震動(dòng)?xùn)艞l和滾筒篩，使土與地膜分離，將地膜收集至后部框中。在甘肅、內(nèi)蒙古和山西玉米種植中應(yīng)用較為廣泛。該種機(jī)械幅寬較小，工作效率也較低，適宜于條田面積較小的區(qū)域[10]?？傮w來看，殘膜回收機(jī)械尚需加大研發(fā)力度。

（四）加大降解地膜產(chǎn)品研發(fā)力度

研發(fā)完全降解地膜，其降解物質(zhì)不會(huì)再造成二次污染。如含氧生物降解地膜，以最終降解產(chǎn)物為CO2和水為最優(yōu)。針對區(qū)域生態(tài)氣候特點(diǎn)，作物生育期，在不同區(qū)域開展降解地膜的試驗(yàn)示范工作，準(zhǔn)確地確定農(nóng)用地膜裂解及降解規(guī)律，為新產(chǎn)品的研發(fā)提供依據(jù)。據(jù)筆者在新疆棉花、玉米、加工番茄三種作物上開展的降解地膜裂解試驗(yàn)表明，地膜裂解率達(dá)單位面積的20%時(shí)，將失去增溫保墑效應(yīng)。通過地膜裂解動(dòng)態(tài)監(jiān)測和田間填埋試驗(yàn)結(jié)果顯示，三種地膜裂解面積達(dá)到20%所需天數(shù)存在顯著差異，普通PE地膜需要1 061天，0.01 mm厚度降解膜需要136天，而0.012 mm厚度降解地膜需要111天（見表2）。因此地膜厚度較大的降解膜裂解時(shí)間早于較薄的地膜，地膜生產(chǎn)中可選擇0.01 mm厚度。

在關(guān)注地膜裂解的同時(shí)，地膜的腐解也是其重要的性能指標(biāo)。筆者也對上述地膜開展了為期3個(gè)月的地膜土壤填埋試驗(yàn)，以明確降解地膜轉(zhuǎn)化為無污染物所需時(shí)長（見圖3）。結(jié)果表明，降解地膜腐解率為2.89%～16.43%，總體而言，黑色降解膜腐解率高于白色膜，腐解速率隨時(shí)間增加遞減，表明目前降解地膜的腐解率并非當(dāng)年能夠完全腐解，存在滯后效應(yīng)。

綜合地膜裂解和腐解特性，應(yīng)研發(fā)起始裂解期晚，保證地膜增溫保墑，同時(shí)在地膜翻入土壤后又能快速腐解的產(chǎn)品，以降低地膜殘留。

（五）構(gòu)建農(nóng)用地膜防治的法律法規(guī)體系

建議制定和健全殘膜污染防控法律法規(guī)，使殘膜防治有法可依。制定殘膜殘留量超標(biāo)整治措施，統(tǒng)一并完善地膜生產(chǎn)、殘留量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量，將殘膜污染防治工作納入法制管理軌道。

表2 不同類型地膜裂解變化

圖3 不同類型地膜腐解率