河南省花生田地膜使用及殘膜污染現(xiàn)狀分析

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(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮海油料作物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南省油料作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

0 引 言

地膜覆蓋技術(shù)是我國(guó)1978年從日本引進(jìn)，至今已在國(guó)內(nèi)應(yīng)用接近40年，是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的一項(xiàng)重要技術(shù)[1]。地膜覆蓋技術(shù)具有增溫保墑、防病抗蟲(chóng)和抑制雜草等功能，一般可實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)20%以上，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重大作用。隨著地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，覆膜作物已從最初的蔬菜擴(kuò)展到大田作物、果樹(shù)等50多種。據(jù)中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒資料，2015年國(guó)內(nèi)地膜使用量達(dá)到72.3萬(wàn)t[2]，農(nóng)作物地膜覆蓋面積累計(jì)1 062.5萬(wàn)hm2，均居世界第一。

由于我國(guó)地膜覆蓋面積逐年增加，并且超薄地膜(0.003～0.008 mm)的使用比例大，殘膜破碎率高不易回收，同時(shí)由于人們的環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)，多數(shù)農(nóng)戶僅采用人工撿拾的回收方式或者完全不回收，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)田殘膜量不斷增加。農(nóng)用地膜主要原料為聚乙烯類物質(zhì)，自然條件下難以降解，在土壤中可以殘留200～400 a[3]。地膜的廣泛應(yīng)用雖有力地推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，但殘留地膜導(dǎo)致的“白色污染”問(wèn)題也愈發(fā)突出，已對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)環(huán)境安全構(gòu)成了巨大威脅。殘留地膜破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量、作物出苗與養(yǎng)分水分吸收，阻礙根系生長(zhǎng)，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[4]。

河南省是我國(guó)第一農(nóng)業(yè)大省，也是地膜使用大省。據(jù)中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒資料，2015年河南省地膜使用量、地膜覆蓋面積分別達(dá)到3.91萬(wàn)t、65.1萬(wàn)hm2，均居全國(guó)第5位[2]。河南省是我國(guó)花生生產(chǎn)第一大省，2016年種植面積達(dá)到112.8萬(wàn)hm2[5]，其中春播花生種植面積約占四分之一，普遍采用地膜覆蓋技術(shù)。針對(duì)地膜花生的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、高產(chǎn)栽培技術(shù)等已有30多年的研究[6-9]，但有關(guān)河南省花生地膜使用、回收及殘膜污染現(xiàn)狀等方面還未見(jiàn)報(bào)道。本文對(duì)河南省春播花生的地膜使用及殘膜污染現(xiàn)狀進(jìn)行了問(wèn)卷與實(shí)地調(diào)查，分析了花生田殘膜污染的基本情況，旨在為該省花生田地膜的科學(xué)使用及殘膜回收提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 地膜使用問(wèn)卷調(diào)查

2017年4月份，選擇河南省春播覆膜花生的典型地區(qū)安陽(yáng)內(nèi)黃縣城關(guān)鎮(zhèn)和駐馬店確山縣雙河鎮(zhèn)，通過(guò)座談和走訪農(nóng)戶，了解河南省春播花生所用地膜的厚度、寬度、顏色、價(jià)格、用量、殘膜回收方式及再利用情況等；同時(shí)在南陽(yáng)市、開(kāi)封市、濮陽(yáng)市、駐馬店和安陽(yáng)市共計(jì)發(fā)放問(wèn)卷30份，調(diào)研河南省花生田地膜使用及回收利用情況。

1.2 殘留地膜樣品采集

在安陽(yáng)市內(nèi)黃縣城關(guān)鎮(zhèn)選擇典型春播覆膜花生田塊取樣，包含連續(xù)覆膜5年(2012-2016)、10年(2007-2016)和15年(2002-2016)的3類田塊。采樣在花生整地播種前進(jìn)行，每個(gè)采集點(diǎn)選取3個(gè)樣方。采用人工方法收集殘膜，采樣點(diǎn)面積為2 m2(100 cm×200 cm)。首先將表層地膜撿拾干凈，以10 cm為一層次下挖深度為30 cm，分別按照0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm 3個(gè)土層收集殘膜，殘膜(含雜質(zhì)地膜)收集以肉眼可見(jiàn)為標(biāo)準(zhǔn)；撿拾殘膜后，將挖出的土壤按相應(yīng)土層填回，盡量恢復(fù)土壤原貌。

1.3 殘膜樣品處理

將采集到的殘膜帶回實(shí)驗(yàn)室，按土壤深度( 0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm)對(duì)收集的殘膜樣品分別進(jìn)行清洗、晾干、稱重；并參照馬輝等[10]的方法，分別以殘膜面積<4 cm2、4～25 cm2和>25 cm2為標(biāo)準(zhǔn)，分類統(tǒng)計(jì)所收集殘膜的數(shù)量和重量。

1.4 主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法

調(diào)查指標(biāo)包括地膜殘留量(kg·hm-2)、殘膜數(shù)量(萬(wàn)片·hm-2)、年均殘留率、地膜殘留系數(shù)和殘膜破碎度(F)。

年均殘留率(%)=地膜殘留量/(覆膜年限×年均覆膜量)×100%

地膜殘留系數(shù)=總地膜殘留量/覆膜年限

殘膜破碎度用來(lái)評(píng)價(jià)殘膜破碎程度的大小，能夠客觀反映某一地區(qū)的覆膜時(shí)間與對(duì)殘膜物理化學(xué)影響大小的指標(biāo)。F=M/N，F(xiàn)為破碎度(mg·塊-1)；M為樣方內(nèi)殘膜總質(zhì)量(mg)；N為樣方內(nèi)殘膜總塊數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省花生田地膜使用情況

調(diào)查結(jié)果顯示(表1)，河南省花生普遍選用無(wú)色透明的聚乙烯地膜，多采用起壟覆膜栽培種植模式，基本使用機(jī)械覆膜手段；地膜寬度一般為70～80 cm，地膜使用量一般為45 kg·hm-2，地膜使用成本一般為540元·hm-2；地膜厚度多選用0.006 mm以下的超薄膜，其中72%為0.004 mm，13%為0.005 mm，15%為0.006 mm，均不符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB13735-2017規(guī)定的0.010 mm[11]。73%的被調(diào)查農(nóng)戶認(rèn)為“非常有必要回收利用殘膜”，27%的被調(diào)查農(nóng)戶認(rèn)為“沒(méi)有必要回收利用殘膜”或“無(wú)所謂”，因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)田殘膜污染防控的宣傳。目前花生田殘膜多采用人工撿拾的回收方式，沒(méi)有機(jī)械化回收方式，回收率一般60%～70%；回收后的殘膜中地膜占50%～60%，其他土壤、秸稈及根茬等雜質(zhì)占40%～50%。農(nóng)戶回收后的殘膜多采用堆置田間地頭或焚燒或填埋，其中54%農(nóng)戶“收集后堆置路邊地頭”，7%農(nóng)戶選擇“收集后焚燒”，14%農(nóng)戶“收集后填埋”，11%農(nóng)戶“不收集殘膜直接翻入農(nóng)田”，14%農(nóng)戶“收集后堆置路邊地頭或收集后填埋”，均未進(jìn)行殘膜回收后的循環(huán)利用。

2.2 花生田殘膜重量分布特點(diǎn)

河南省花生田0～30 cm耕層殘膜量與覆膜年限有關(guān)，覆膜年限越長(zhǎng)殘膜量越高(圖1)。覆膜5年、10年和15年的殘留量分別達(dá)到15.0 kg·hm-2、26.9 kg·hm-2和40.0 kg·hm-2，按年均覆膜量45 kg·hm-2計(jì)算，年均殘留率分別為6.65%、5.97%和5.92%，地膜殘留系數(shù)分別為2.99 kg·hm-2·a-1、2.69 kg·hm-2·a-1和2.67 kg·hm-2·a-1；覆膜5年、10年和15年的殘留量均未超過(guò)GB/T 25413-2010《農(nóng)田地膜殘留量限值及測(cè)定》中地膜污染的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)75 kg·hm-2[12]；按殘膜污染一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)折算，河南省花生田的安全覆膜年限為25～29年，以內(nèi)黃縣城關(guān)鎮(zhèn)已經(jīng)覆膜15年的花生田為例，如果地膜年均使用量及殘留系數(shù)基本不變，2026～2030年將達(dá)到或超過(guò)75 kg·hm-2的殘膜污染標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 不同覆膜年限花生田殘膜量比較Fig.1 The residual film amount of peanut field in different mulching years

由圖2可知，對(duì)于不同覆膜年限的花生田，殘膜在不同土層中的分布具有相似的規(guī)律，即殘膜主要分布在0～10 cm的表層土壤中，隨土層深度增加殘膜量逐漸遞減。調(diào)查結(jié)果表明，0～10、10～20、20～30 cm土層中殘膜量占0～30 cm土層殘膜總量的比例分別為89.6%、8.90%和1.50%，這主要是由于多年來(lái)殘膜回收率較低以及旋翻耕等機(jī)耕作業(yè)的深度普遍不超過(guò)15 cm造成的。隨著覆膜年限的增加，不同土層中的殘膜量均增加；但0～10 cm土層殘膜量所占比例隨覆膜年限增加逐漸減少，而10～20 cm、20～30 cm土層殘膜量所占比例均隨覆膜年限增加而增加。

表1 河南省花生地膜使用及回收現(xiàn)狀調(diào)查Table 1 Mulching film utilization and its residue recycling in peanut fields of Henan Province

2.3 花生田殘膜數(shù)量分布特點(diǎn)

殘膜數(shù)量是影響農(nóng)田土壤質(zhì)量高低的重要因素之一。結(jié)果表明，河南省花生田殘膜數(shù)量與覆膜年限以及農(nóng)田耕層深度有關(guān)(表2)。隨著覆膜年限的增加，不同土層中的殘膜片數(shù)均增加，0～10 cm殘膜片數(shù)所占比例減少，而10～20 cm、20～30 cm土層殘膜片數(shù)所占比例均顯著增加。殘膜數(shù)量主要分布在淺層土壤，0～10、10～20和20～30 cm土層中殘膜片數(shù)占總數(shù)量的比例分別為64.7%～91.8%、5.61%～25.7%和2.55%～9.57%。

圖2 覆膜年限對(duì)花生田殘膜空間分布的影響Fig.2 The residual film distribution of peanut field in different mulching years

表2 覆膜年限對(duì)花生田殘膜數(shù)量空間分布的影響Table 2 The effect of mulching years on residual film distribution in peanut fields

注: 數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，重復(fù)數(shù)為n=3。下同。

Note: The data means average value ± standard deviation with 3 replications.The same is as below.

2.4 花生田中殘膜的形態(tài)特點(diǎn)

依據(jù)殘膜面積大小，將農(nóng)田殘膜分為大塊膜(>25 cm2)、中塊膜(4～25 cm2)和小塊膜(<4 cm2)。覆膜年限越長(zhǎng)，河南省花生田大塊膜所占比例增加，中塊膜和小塊膜所占比例減?。淮蟛糠謿埬橹写髩K膜，明顯多于小塊膜，3種大小的殘膜(<4 cm2、4～25 cm2和>25 cm2)數(shù)量分別占總數(shù)的21.8%～24.9%、31.8%～49.8%和26.7%～46.4%(表3)。

殘膜破碎度越小，表明單塊殘膜的平均質(zhì)量越小，因此殘膜的破碎程度越大。0～30 cm土層的殘膜破碎度隨覆膜年限增加而增大，表明隨覆膜時(shí)間增加，殘膜的破碎裂解程度逐漸降低，小塊膜所占比例越來(lái)越少(表4)。

表3 覆膜年限對(duì)花生田殘膜形態(tài)的影響Table 3 The effect of mulching years on residual film configuration in peanut fields

表4 不同覆膜年限花生田殘膜破碎度比較Table 4 The residual film fragmentation of peanut fields in different years

3 討論與結(jié)論

調(diào)查結(jié)果顯示，河南省覆膜花生普遍選用無(wú)色透明的聚乙烯地膜，種植模式多采用機(jī)械化起壟覆膜；地膜厚度多為0.004～0.005 mm，均不符合現(xiàn)行的農(nóng)用地膜國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.010 mm[11]；地膜寬度一般為70～80 cm，地膜使用量一般為45 kg·hm-2；對(duì)于花生田殘膜目前均采用人工撿拾的回收方式，但由于費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且地膜過(guò)薄，延展性差，易碎裂，因此回收效果差；對(duì)于回收后的殘膜，由于缺少專門的回收地膜再利用企業(yè)，85%以上農(nóng)戶采用堆置田間地頭或焚燒或填埋的處理方式，造成了嚴(yán)重的“白色污染”。

本次調(diào)查結(jié)果表明，河南省花生田土壤中地膜平均殘留量為15.0～40.0 kg·hm-2，并且覆膜年限越長(zhǎng)，殘膜量越大，覆膜5年、10年和15年的殘留量分別達(dá)到15.0 kg·hm-2、26.9 kg·hm-2和40.0 kg·hm-2，但均低于國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的75 kg·hm-2[12]。本研究結(jié)果表明，河南省花生田殘膜量低于20世紀(jì)90年代農(nóng)業(yè)部在全國(guó)17個(gè)省(市)調(diào)查的平均殘留60 kg·hm-2的水平[13]，可能是由于花生收獲時(shí)根系和莢果從農(nóng)田帶出了部分殘膜。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，河南省花生田殘膜主要分布在0～10 cm土層，平均占89.6%以上；10～20 cm土層次之，平均占8.90%；20～30 cm土層中的殘膜最少，平均占1.50%。這主要是由于近年來(lái)黃淮海平原連續(xù)多年旋耕造成土壤耕層普遍較淺，生產(chǎn)中旋耕作業(yè)深度一般僅為10～15 cm[14-15]。殘膜數(shù)量(片數(shù))分布也呈現(xiàn)出顯著的時(shí)空特點(diǎn)。覆膜年限越長(zhǎng)，花生田大塊膜所占比例增加，中塊膜和小塊膜所占比例減小，且淺層土壤中殘膜顯著多于深層土壤中的殘膜。整體來(lái)看，河南省不同覆膜年限花生田耕層內(nèi)以大塊膜和中塊膜為主，小塊膜較少。

本研究通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查與實(shí)地取樣，詳細(xì)收集了河南省春播花生田地膜使用及殘膜污染的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并分析了花生田殘膜的分布規(guī)律，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)田殘膜污染的防控提供了參考。建議從禁止超薄地膜的生產(chǎn)與使用，大力推廣節(jié)約型地膜使用技術(shù)，加強(qiáng)農(nóng)田殘膜污染的監(jiān)測(cè)與回收再利用等方面著手，有效防治河南省花生田殘膜造成的污染。