殘膜對土壤和作物的影響及防治對策

董靈艷 袁海濤

摘要 針對近幾十年我國農(nóng)用地膜的使用以及產(chǎn)生的污染問題，結(jié)合歷年發(fā)表的文獻(xiàn)對殘膜對土壤理化性質(zhì)、土壤微生物、作物生長發(fā)育的影響和殘膜污染狀況進(jìn)行了概述，并從國家政策和科學(xué)研究方面對污染防治對策進(jìn)行了闡述，為以后殘膜污染的防治和地膜合理利用提供參考依據(jù)，使地膜生產(chǎn)者和使用者的土壤保護(hù)意識進(jìn)一步加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 殘膜;土壤性質(zhì);污染;治理;地膜回收;降解地膜

Abstract In view of the use and pollution problems of agricultural mulch film in China in recent decades， combined with the literature published over the years， the effects of mulch film on soil physical and chemical properties， soil microorganisms， crop growth and development， and the pollution situation of mulch film were summarized，and the pollution control strategies from national policies and scientific research were expounded from the aspects of national policy and scientific research， which provide a reference basis for the prevention and control of residual film pollution and the rational use of mulch film， and further strengthen soil protection awareness of mulch producers and users.

Key words Residual film;Soil properties;Pollution;Control;Mulch film recovery;Degradable mulch film

地膜作為我國第四大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，具有提高作物生長前中期的土壤溫度、提高水分利用率、減少土壤無效蒸發(fā)、防止土壤板結(jié)、抑制土壤鹽分上移、促進(jìn)作物生長和提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等作用，對保障我國糧食安全具有重要意義[1-4]。中國是世界上農(nóng)膜大國，已成為世界上最大的農(nóng)膜生產(chǎn)國和使用國[5]，覆蓋面積之大、覆蓋作物種類之多，同時(shí)又是地膜殘留嚴(yán)重的國家。地膜在自然條件下難以降解，且被不合理利用，導(dǎo)致大量殘膜留在土壤中，且逐年積累[6]，嚴(yán)重影響土壤質(zhì)量，對我國土壤可持續(xù)利用造成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。隨著國家對殘膜污染的重視，筆者結(jié)合幾十年來特別是近10年地膜方面的研究論文，歸類總結(jié)了殘膜對土壤理化性質(zhì)、土壤微生物、作物生長和產(chǎn)量3個(gè)方面的影響，以及農(nóng)膜使用狀況和污染狀況，并從地膜回收和可降解地膜的研發(fā)應(yīng)用兩方面闡述了防治對策，為加強(qiáng)土壤保護(hù)意識和減少地膜污染提供參考依據(jù)。

1 殘膜對土壤理化性質(zhì)的影響

1.1 對土壤物理性質(zhì)的影響

地膜作為難降解的材料，其對土壤物理性質(zhì)的研究已有很多。杜利等[7]研究發(fā)現(xiàn)殘膜量在0～720 kg/hm2，殘膜處理比無膜處理的土壤容重有所增加，土壤孔隙度有所降低，且隨殘膜量和土層深度的增加，土壤容重越大，土壤孔隙度越小;隨殘膜量的增加，土壤含水量呈下降趨勢。說明殘膜阻礙土壤水分下滲并降低了土壤的通透性和導(dǎo)熱性。常芳紅[8]研究得出，當(dāng)殘膜密度大于900 kg/hm2時(shí)，殘膜開始阻止水分下滲，使得下層土壤中含水率明顯降低。鄒小陽等[9]研究表明，殘膜延長了土壤水分入滲時(shí)間，入滲至45 cm土層深度時(shí)入滲歷時(shí)隨殘膜量增加而增大，并且隨殘膜量增加，作物適宜生長區(qū)和水分分布重心逐漸上移。解紅娥等[10]研究表明，殘膜各處理的土壤容重均高于對照，殘膜量在0～1 440 kg/hm2時(shí)，地膜殘留量與土壤容重呈對數(shù)相關(guān)關(guān)系;當(dāng)殘留量達(dá)360 kg/hm2以上時(shí)，明顯影響水分的上下移動速度，水分下滲速度和上移速度均隨著殘膜量的增加呈對數(shù)遞減。牛文全等[11]研究指出，土壤中殘膜對土壤水分入滲和蒸發(fā)均存在阻滯作用，當(dāng)殘膜量≥80 kg/hm2 時(shí)，濕潤鋒運(yùn)移速率大幅下降;殘膜破壞了土壤水分分布的均衡性，加劇了土壤水分垂直的變異性，當(dāng)殘量≥320 kg/hm2 時(shí)會出現(xiàn)表土層板結(jié)現(xiàn)象。鄒小陽等[12]研究得出，不同殘膜量能夠降低水平濕潤鋒運(yùn)移速率，當(dāng)殘膜量超過160 kg/hm2 時(shí)，水平濕潤鋒運(yùn)移速率和累積入滲量均大幅降低。

大量的研究表明，殘膜主要影響土壤耕作層，減少了土壤水分入滲量，降低土壤比熱容，使土壤降溫加快，削弱土壤抗旱能力;殘膜會破壞土壤結(jié)構(gòu)，增大地下水下滲難度，引起土壤次生鹽漬化和造成土壤板結(jié)，嚴(yán)重污染土壤環(huán)境[13-17]。

1.2 對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

目前，關(guān)于殘膜自然分解產(chǎn)生的有害物質(zhì)對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響尚缺少長期監(jiān)測[18]。解紅娥等[10]對覆膜5年以上的地塊的土壤有機(jī)質(zhì)及大量、微量元素進(jìn)行了測定，結(jié)果表明，土壤中的N、P、Fe、Zn的含量略有上升，Cu、Ni、Hg的含量呈下降趨勢，土壤有機(jī)質(zhì)變化不大。于立紅等[19]通過盆栽和大田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨殘膜量增加呈顯著上升趨勢，高殘膜量土壤的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于低殘膜土壤，土壤中Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超標(biāo)。常芳紅[8]研究表明，隨著殘膜密度的增大，土壤中水解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)均有所下降，而土壤pH呈上升趨勢。張丹等[20]研究表明，殘膜長期殘留在土壤中會降低土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及有效磷含量，引起土壤養(yǎng)分退化。祖米來提·吐爾干等[21]研究表明，隨著殘膜量的增加，土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量增加，降低了植株氮素的吸收量，造成生物量下降，產(chǎn)量降低。董合干等[22]研究新疆棉田殘膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，殘膜使土壤pH顯著上升，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀顯著下降，在2 000 kg/hm2 殘膜密度下，堿解氮和有效磷分別下降了55.0%和60.3%。由此可見，殘膜對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響是顯而易見的。

2 殘膜對土壤微生物的影響

殘膜強(qiáng)度對土壤微生物的影響報(bào)道較少。張丹等[20]研究表明，農(nóng)田土壤中低量殘膜可通過保水作用提高土壤微生物活性及其豐富度，而當(dāng)殘膜強(qiáng)度超過450 kg/hm2時(shí)，土壤微生物量、微生物群落豐度和土壤酶活性顯著降低。蔣金鳳等[23]分析表明，殘留農(nóng)膜會抑制土壤微生物的活動，使遲效性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率降低，影響施入土壤的有機(jī)肥養(yǎng)分的分解和釋放，降低肥效。鄒小陽等[18]研究指出，殘膜會破壞土壤空氣循環(huán)過程，影響土壤微生物的生理活動。Mumtaz等[24]研究認(rèn)為殘膜會阻隔土壤空氣的流通通道，使CO2體積分?jǐn)?shù)上升，惡化微生物和蚯蚓等昆蟲的生存環(huán)境。殘膜對土壤微生物的影響還需進(jìn)一步深入研究。

3 殘膜對作物生長及產(chǎn)量的影響

由于地膜殘留對土壤理化性質(zhì)和微生物的影響，地膜殘留對作物生長發(fā)育的影響是不言而喻的，大量的研究結(jié)果也說明這一點(diǎn)。辛靜靜等[25]研究得出，殘膜降低玉米出苗率，降低玉米生育前期的株高和葉面積指數(shù)，當(dāng)土壤地膜殘留量達(dá)360 kg/hm2時(shí)，玉米顯著減產(chǎn)達(dá)12.4%。耿智廣等[26]研究得出，殘膜量為360和540 kg/hm2時(shí)對玉米和胡麻出苗率的抑制作用最大，殘膜量為720 kg/hm2 時(shí)顯著降低玉米和胡麻的干物質(zhì)。李元橋等[27]研究發(fā)現(xiàn)，苗期玉米株高和葉面積在90 kg/hm2殘膜梯度下開始顯著降低，而對棉花的影響不顯著，超過180 kg/hm2殘膜會對作物根系的生長造成阻礙作用，直根系作物比須根系作物更能適應(yīng)殘膜脅迫。董合干等[22]研究表明，當(dāng)殘膜密度為1 000 kg/hm2時(shí)，棉花品種新陸早33號和新陸早13號產(chǎn)量分別下降18.1%、13.5%，培育、應(yīng)用發(fā)達(dá)根系的棉花品種可以一定程度上緩解地膜殘留對產(chǎn)量的影響。

4 我國農(nóng)田殘膜污染狀況及治理

4.1 我國農(nóng)田地膜利用及污染狀況

我國自20世紀(jì)70年代末引入地膜覆蓋技術(shù)以來，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)增收。過去的幾十年，地膜逐步得到大規(guī)模普及應(yīng)用，最初應(yīng)用于北方干旱、半干旱和南方的高寒冷涼地區(qū)，擴(kuò)展到西北綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)、黃土高原旱作區(qū)、華北平原丘陵區(qū)、東北風(fēng)沙干旱區(qū)和西南武陵山區(qū)，現(xiàn)全國所有?。ㄊ?、區(qū)）均已覆蓋;應(yīng)用作物最初主要用于經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的蔬菜、花卉，現(xiàn)已擴(kuò)大到多種經(jīng)濟(jì)作物和大宗糧食作物上[28-29]。1982年我國地膜使用量僅為0.6 萬t，農(nóng)作物覆蓋面積僅為11.7萬hm2[28]。2017年，我國地膜使用量143.7萬t，地膜覆蓋面積1 865.7千hm2，其中地膜覆蓋面積排在前三位的地區(qū)是新疆、山東省、甘肅省[30]。35年間，我國地膜使用量增長近240倍，覆蓋面積增長近160倍。

隨著地膜投入量和使用年限的不斷增加，以及農(nóng)民使用過程中重使用、輕回收，大量地膜碎片殘留于土壤中，嚴(yán)重影響土壤質(zhì)量和污染土壤環(huán)境。當(dāng)前我國耕地土壤地膜平均殘留量為60 kg/hm2[31]。西北干旱綠洲區(qū)是我國農(nóng)膜使用量最大的區(qū)域，覆膜農(nóng)田平均地膜殘留量達(dá)231.0 kg/hm2，西北黃土旱塬區(qū)、東北風(fēng)沙旱作區(qū)農(nóng)田的地膜殘留量在100 kg/hm2左右，華北以及西南種植區(qū)污染程度較輕，平均地膜殘留量在50 kg/hm2以下[32]。

國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)田地膜殘留量限值及測定》于2010年發(fā)布，并于2011年實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，待播農(nóng)田耕作層（25～30 cm）內(nèi)地膜殘留量限值應(yīng)不大于75.0 kg/hm2。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)研究人員于2011—2014年對河南、河北、山東等地均通過問卷調(diào)查及取樣檢測方法對典型覆膜作物地膜殘留情況進(jìn)行了解析。郭戰(zhàn)玲等[33]研究指出，河南省花生、棉花地塊的地膜殘留量在6.8～37.3 kg/hm2，平均為20.4 kg/hm2，棉花和花生的地膜殘留系數(shù)分別為1.11%和0.71%，如果不注重殘膜回收工作，棉花和花生地塊分別在366年和170年后地膜殘留量達(dá)到限值;徐鈺等[34]調(diào)查的山東省10個(gè)地塊的土壤耕層地膜殘留量為5.33～46.99 kg/hm2，平均為23.91 kg/hm2，未超過國家農(nóng)田殘膜限值標(biāo)準(zhǔn)，棉花和花生的地膜殘留系數(shù)分別為13.02%和8.56%，根據(jù)地膜殘留系數(shù)計(jì)算，在沿用當(dāng)前的覆膜生產(chǎn)模式下，此后分別連續(xù)覆膜19 年（2033年）和12年（2026年），2種地塊的地膜殘留量將會超過殘膜限值標(biāo)準(zhǔn)，成為殘膜污染區(qū)域;張丹等[35]對河北省的覆膜地塊進(jìn)行了調(diào)查，花生和棉花的年平均地膜用量分別為37.5和32.0 kg/hm2，其地膜殘留系數(shù)分別為9.7%和14.3%，如果一直沿用目前的地膜使用模式，預(yù)計(jì)到2021年，花生田和棉田的地膜殘留量將會分別達(dá)到79.4和80.9 kg/hm2，超過國家農(nóng)田殘膜限值標(biāo)準(zhǔn)，成為殘膜污染區(qū)域。

4.2 我國農(nóng)田殘膜污染治理策略

解決地膜殘留問題任務(wù)任重道遠(yuǎn)。目前，解決我國農(nóng)田殘膜污染問題主要有2種途徑：一是合理利用地膜，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)使用厚度為0.01 mm以上的地膜，并及時(shí)強(qiáng)制回收，保證當(dāng)年機(jī)械化回收率達(dá)80%以上，同時(shí)做好地膜回收后的后續(xù)工作;二是推廣利用降解地膜。

4.2.1 地膜回收及利用。

在這方面，國家制定了一系列政策。2016年，國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動計(jì)劃》，提出加強(qiáng)廢棄農(nóng)膜回收利用;到2020年，河北、遼寧等農(nóng)膜使用量較高省份力爭實(shí)現(xiàn)廢棄農(nóng)膜全面回收利用;2017年，農(nóng)業(yè)部制定了《農(nóng)膜回收行動方案》，在甘肅、新疆和內(nèi)蒙古啟動建設(shè)100個(gè)地膜治理示范縣，實(shí)現(xiàn)示范縣加厚地膜全面推廣使用、回收加工體系基本建立、當(dāng)季地膜回收率達(dá)到80%以上;同年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》，要求地膜的最小標(biāo)稱厚度不得小于0.010 mm，力學(xué)性能不得低于規(guī)定的性能指標(biāo)，這就解決了地膜回收的根本問題;新疆從標(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[29];甘肅也頒布了相應(yīng)的政策法規(guī)[36]。目前，甘肅省農(nóng)民和新疆地區(qū)兵團(tuán)范圍內(nèi)地膜回收和再利用工作執(zhí)行較好。 2019年6月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等六部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)用地膜污染防治的意見》，以回收、減量、替代為主要治理方式，健全制度體系，強(qiáng)化責(zé)任落實(shí)，完善扶持政策?！兑庖姟诽岢?，到2020年建立工作機(jī)制，明確主體責(zé)任，回收體系基本建立，農(nóng)膜回收率達(dá)到80%以上，全國地膜覆蓋面積基本實(shí)現(xiàn)零增長;到2025年，農(nóng)膜基本實(shí)現(xiàn)全回收，全國地膜殘留量實(shí)現(xiàn)負(fù)增長，農(nóng)田白色污染得到有效防控。

地膜回收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于回收機(jī)械。我國地膜回收機(jī)械研究始于20世80年代，機(jī)械化殘膜回收主要應(yīng)用于地膜覆蓋面積最大的新疆、甘肅和內(nèi)蒙古地區(qū)。根據(jù)農(nóng)藝作業(yè)時(shí)間的不同，可分為苗期地膜回收機(jī)、秋后殘膜回收機(jī)和播前殘膜回收機(jī)，主要研發(fā)單位是新疆農(nóng)墾科學(xué)院、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院，生產(chǎn)中投入使用的機(jī)型主要是結(jié)構(gòu)簡單、成本低的彈齒式摟膜機(jī)具，但無法實(shí)現(xiàn)高效率、高回收率、低成本、輕簡化的生產(chǎn)目標(biāo)[36]。實(shí)際應(yīng)用中，秋后殘膜回收機(jī)應(yīng)用較多，并且多采用機(jī)械撿拾和人工撿拾相結(jié)合的回收方法。根據(jù)作物生長規(guī)律，開展作物適時(shí)揭膜技術(shù)，即在作物收獲前某一時(shí)期揭膜，既能有效提高地膜回收率，對棉花生產(chǎn)又無不利影響[37-38]。作物收獲前，特別是苗期殘膜回收機(jī)應(yīng)用較少，在水源較充足的地區(qū)，符合適期揭膜技術(shù)的苗期殘膜回收機(jī)研發(fā)和應(yīng)用有待加強(qiáng)。

廢膜的再生利用是地膜回收工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。回收的廢舊農(nóng)膜如不有效利用，地膜回收工作就不算結(jié)束。這樣不但造成資源浪費(fèi)，還會對環(huán)境造成二次污染，應(yīng)采取有效措施使回收地膜再利用[28-39];第一，回收廢棄地膜作為再生塑料的原料;第二，利用回收薄膜生產(chǎn)環(huán)境友好型填充母料;第三，利用回收地膜進(jìn)行燃料提取;第四，利用回收地膜作為建筑材料;第五，加強(qiáng)國際交流，引進(jìn)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)及設(shè)備，以便在國內(nèi)消化吸收和再利用。

4.2.2 可降解地膜的研發(fā)與利用。

雖然現(xiàn)在研究的降解地膜的種類很多，包括添加劑型降解地膜、全生物降解地膜、氧化生物降解地膜和液態(tài)地膜等，但普遍存在各種各樣的問題。添加劑型降解地膜降解不能完全生物降解;全生物降解地膜能完全降解，但降解進(jìn)程不穩(wěn)定和可控、農(nóng)機(jī)作業(yè)適應(yīng)性差、成本過高[28，32];氧化生物降解地膜的埋土部分和地面暴露部分均可降解，生產(chǎn)工藝簡單，較生物降解地膜成本低，物理性能能夠滿足機(jī)械化覆膜要求，誘導(dǎo)期具有一定可控性，且誘導(dǎo)期內(nèi)增溫保墑效果與PE地膜相同，能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求[40-41]，但該地膜降解進(jìn)程也受環(huán)境因素影響，需要不同區(qū)域不同作物測試，山東省科學(xué)院、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院已試驗(yàn)證明該技術(shù)塑料降解產(chǎn)物可作為微生物碳源被利用，但其利用過程需要進(jìn)一步的研究;液態(tài)地膜對作物生長有促進(jìn)作用，但其降解速度較快，宜應(yīng)用于生育期較短的作物[42]。

可降解地膜在棉花、玉米、花生等作物上研究應(yīng)用很多[43-50]，在作物生長前期起到增溫保墑、促進(jìn)作物生長的作用，但大多處于試驗(yàn)階段，目前為止還沒有一種降解地膜在生產(chǎn)上大面積推廣利用。各種類型降解地膜在創(chuàng)新技術(shù)流程、降低成本、加強(qiáng)研發(fā)等方面還有待提高。

地膜殘留污染是一種新型的污染形式，也是我國特有的污染類型[1]，同時(shí)殘膜污染治理工作又是公益性屬性較強(qiáng)的工作[36]，因此這項(xiàng)工作需要政府、科研院校、企業(yè)、農(nóng)民共同推進(jìn)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年

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