農用地膜殘留及其防治技術研究

蔡子睿，楊相龍，劉人杰，吳 騰，黃碧捷

(江漢大學 化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430056)

1 引言

20世紀70年代農業(yè)用地膜覆蓋技術便開始在我國廣泛應用，我國地膜使用量常年穩(wěn)居世界第一。當前，我國地膜覆蓋技術已延伸到棉花、小麥、玉米、水稻等絕大多數(shù)大田作物。2014年，我國地膜使用量144.14萬t，覆膜面積達到1814.02萬hm2，并保持逐年穩(wěn)步增長的趨勢[1]。近年來，農田地膜殘留所帶來的環(huán)境問題和生態(tài)風險逐漸顯現(xiàn)，解決農業(yè)用地膜殘留問題刻不容緩。普通農用地膜一般由分子結構穩(wěn)定且難以自然降解的聚乙烯材料制成，使用后的殘留地膜會在土壤中長期存在，改變土壤特性，阻礙土壤水的滲透，影響土壤吸濕性，導致土壤次生鹽堿化，殘留地膜還會降低土壤通透性，阻礙土壤與空氣間的循環(huán)交換，干擾土壤微生物活動，使土壤肥力下降[2]。

近年來，我國農膜殘留量占總使用量的3成左右[3]，第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)顯示，我國覆膜農田土壤中累積殘膜量約118.48萬t。相對于發(fā)達國家，我國地膜厚度普遍偏薄，使用后，清理和回收都較困難，帶來一系列的殘膜遺留與利用的環(huán)境問題，給我國農田帶來的“白色污染”問題必將限制我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，2020年4月24日經(jīng)農業(yè)農村部、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、市場監(jiān)管總局四部(局)批準，《農用薄膜管理辦法》已于2020年9月1日起正式施行。該管理辦法將對我國農膜的生產、銷售、使用、回收、再利用及監(jiān)管等環(huán)節(jié)予以規(guī)范，形成農膜回收利用的良性機制，保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境。與此同時，農膜污染與防治相關科技問題一直都是研究的熱點，眾多學者對諸如殘膜農田形態(tài)分布與降解、殘膜量影響因素、殘膜回收與治理技術等方向均產出了大量成果。

2 農用地膜殘留量影響因素

農用地膜殘留量的主要影響因素有：覆膜年限/覆膜間隔年限；地膜厚度；種植模式；作物種類；覆膜方式；土壤類型等。

覆膜年限的增加以及覆膜間隔年限的減少都會增加地膜殘留量，累積效應明顯[4]。嚴昌榮等[5]的研究表明，無論何種種植模式，20年覆膜種植的農田殘膜量都較10年的高?？灯降碌萚6]對不同年限(≤5年、5～10年、10～20年和>20年)連續(xù)覆膜的玉米種植區(qū)的平均殘膜量(17 kg/hm2、28.21 kg/hm2、38.71 kg/hm2、44.71 kg/hm2)和殘膜數(shù)量(215 萬片/hm2、357萬片/hm2、491 萬片/hm2、567 萬片/hm2)也驗證了覆膜年限對地膜殘留的顯著影響。

淺層土壤中的地膜殘留量明顯多于深層土壤中的地膜殘留量，并隨著地膜厚度的增加，殘膜量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。唐文雪等[10]研究了0～30 cm的土層范圍，經(jīng)4年栽培的玉米地，使用厚度為0.006 mm、0.008 mm、0.010 mm、0.012 mm的地膜后的殘留量分別為79.03 kg/hm2、57.68 kg/hm2、50.32 kg/hm2、53.58 kg/hm2。

種植模式和覆膜方式對地膜殘留量也有顯著的影響。嚴昌榮等[5]比較了石河子棉區(qū)在不同覆膜年限與種植方式下的地膜殘留量，得出了單作栽培的殘膜量明顯少于輪作栽培的結論，單作棉花連續(xù)覆膜20年和10年的殘膜量為307.9 kg/hm2、259.7 kg/hm2，棉花—番茄輪作10年的殘膜量為334.4 kg/hm2。周昌明等[7]的研究表明：壟溝種植方式下降解地膜的破損速率要快于平地覆蓋種植10 d左右，壟溝種植在播種后40 d左右已經(jīng)達到2級破損程度。蒙永軍等[8]在認為覆膜方式是影響土壤中地膜累積殘留量的重要因素之一，影響最大的覆膜方式是微壟平鋪，其殘膜量可達372.21±20.56 kg/hm2；影響最小的是全膜覆蓋雙壟溝播種，殘膜量為86.59±7.75 kg/hm2，前者地膜累積殘留量是后者的近4倍。

農田種植作物的不同、農田與農民居住地的遠近、是否設施農業(yè)種植、土壤質地等也對地膜殘留量具有一定影響。徐剛等[9]調查顯示，在溫室大棚、蔬菜地、作物大田中的地膜殘留量分別為：4.1～5.6 kg/hm2、3.7～7.4 kg/hm2、2.5～2.8 kg/hm2。周明東等[10]研究發(fā)現(xiàn)：無論種植作物是玉米田，加工番茄田還是棉田，距離村落近處的農田殘膜密度小于遠處，這可能因為農民對清理難度的自我選擇。同時，種植作物的不同會顯著影響殘膜量，覆膜0～10年的棉田殘膜密度是玉米田和加工番茄田的近2倍；覆膜10～20年，3種作物的殘膜密度梯度表現(xiàn)為玉米田>棉田>番茄田，且差異明顯。馬彥等[11]研究發(fā)現(xiàn)隨著農田中土壤孔隙度的增加，地膜殘留量會呈現(xiàn)減少趨勢，砂土地、壤土地和黏土地的殘膜量分別為27. 66 kg/hm2、28. 99 kg/hm2、29. 13 kg/hm2，顯現(xiàn)出一定的差別。

3 農用殘膜形態(tài)分布

土壤中的農田殘膜呈現(xiàn)不同形狀和大小的碎膜分布，農田質量與農田殘膜的分布形態(tài)，數(shù)量特征具有一定相關性。馬輝等[12]調查發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)典型農區(qū)的棉田中，即使覆膜年限不同，但是殘膜在土壤各層的分布依舊較為一致。一般0～10 cm土層的殘膜量最高，10～20 cm次之，20～30 cm處最少，嚴昌榮等[5]的研究也得到了相似的結論，土壤下10 cm區(qū)域仍為最高，3個層次之間無顯著差異，其所呈現(xiàn)的不同殘膜分布情況，可能源于翻耕方式，機械化程度，拾撿方式的不同。

土壤殘膜的形態(tài)各異，大小不一。殘膜形狀主要有片狀、卷縮圓筒狀和球狀等；呈水平、垂直和傾斜狀分布；且大多出現(xiàn)龜裂、分層現(xiàn)象；小塊膜(<4 cm2)最多，中塊膜(4～25 cm2)次之，大塊膜(>25 cm2)最少。農田中殘膜大小、數(shù)量與覆膜年限的長短呈正相關。覆膜年限各不相同的棉田中，殘膜的破碎程度也會隨著覆膜年限的增長而愈發(fā)嚴重[3，5，12]。

4 農用殘膜污染防治及利用措施

4.1 有效的田間耕種及農藝手段

袁俊霞等[13]的研究證實了一膜多茬的種植方式能有效減少農田土壤殘膜量，使用更寬的膜能降低殘膜量，相比于140 cm的寬膜，60 cm的膜導致超過2倍的殘膜遺留在農田中。除此之外，秋季翻耕土地也能減少農田地膜殘留量[14]，在所種植作物所需的水份與溫度能得到保證的地區(qū)進行提前揭膜，也能更好的提高地膜回收利用率。張江華等[15]研究表明：在棉花第一次灌水前揭膜，能有效回收90 %以上的地膜，回收的地膜上無淤泥，同時也保障了揭膜時農田土壤濕潤，且對作物的后期生長基本無影響。

4.2 達標基礎上合理增加地膜厚度

我國早在20世紀90年代便制定了地膜厚度的國家標準GB13735-92，規(guī)定地膜厚度應為0.008±0.003 mm。為提高農用地膜回收率，《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜(GB13735-2017)》(2017年，強制性標準)規(guī)定地膜厚度應大于0.01 mm。地膜越厚，所需水、肥等投入會減少，作物產量相應也能提高，當然也加大了地膜的成本投入，且地膜越厚越有利于回收利用，如果回收利用得當，增加的地膜厚度帶來的成本能得到補償，同時也減少了農田地膜的殘留量。唐文雪等[16]經(jīng)4年實地栽培試驗發(fā)現(xiàn)隨使用地膜厚度的增加，農田中的地膜殘留量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，采用0.012 mm厚度的地膜較0.006 mm地膜覆蓋帶來的處理殘膜量減少32.2 %。而在棉田采用0.010 mm和0.012 mm厚度地膜較0.006 mm厚度地膜覆蓋相比，經(jīng)濟效益分別增加了11.7 %和15.1 %[17]。廣泛推廣厚膜的使用與回收是經(jīng)濟效益和環(huán)境效益雙贏的良好方式。

4.3 逐步推進生物降解性地膜研發(fā)與使用

生物降解塑料基本用于包裝材料，在農用地膜上的應用尚存在降解時間不可控及成本偏高等核心問題。同時，不同種類的作物田最佳的生物降解膜的厚度、膜片尺寸與作物生長存在一定的特異關系，與普通塑料膜不同，缺乏廣泛適用性。王淑英等[18]對三菱生物降解膜進行了3年試驗觀測，結果顯示該降解膜在土壤中具備良好的降解性。種植地膜玉米時，壓入土壤的部分地膜或地膜上有土覆蓋的部分同樣有明顯的降解效果，而壟上的地膜在玉米收獲后絕大部分仍與常規(guī)膜一樣保持完好，能起到良好的抑蒸保墑作用。保墑性試驗數(shù)據(jù)顯示生物降解膜保墑率比普通農用地膜低4.5%～9.4%，生物降解膜保墑性能達普通農用地膜的90.4%～95.4%，抑蒸保墑效果接近普通農用地膜。崔磊等[19]對氧化-生物雙降解地膜的研究表明：氧化-生物雙降解地膜過早降解，顯著降低土壤溫度、土壤水分，但對棉花產量無顯著影響。降解地膜降解的徹底性和降解時間的可控性仍有較大提升空間。目前，高成本是生物降解地膜推廣應用的主要障礙因素，對照普通PE地膜，德國BASF公司3種不同生物降解地膜的系統(tǒng)成本分別增加16.5 %、47.3 %和 75.8 %[20]。另外，普通PE地膜的操作方法、使用規(guī)范、管理措施等并不適用于生物降解地膜，生物降解地膜產品和配套農藝技術應得到進一步的研發(fā)和實踐，逐步促進生物降解地膜的合理應用。

4.4 革新殘膜農田回收技術及資源化利用途徑

建立整體的機械化回收技術體系。2019年，農業(yè)農村部、國家發(fā)展改革委、財政部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《關于加快推進農用地膜污染防治的意見》中指出：堅持政府引導、部門聯(lián)動、公眾參與、多方回收，因地制宜建立政府扶持、市場主導的地膜回收利用體系。由于長期以來大量使用超薄地膜，強度小，覆蓋期長，清除時易碎，我國農田殘膜較難回收，現(xiàn)有國際上廣泛使用的收卷式地膜回收機并不匹配我國的實際。應加大適合我國的殘膜回收機具的研發(fā)與應用，在一定的時期內可以采用人工和機械回收相結合的方式，主推秋后殘膜回收機械，重視播前殘膜清除機械的推廣，并研發(fā)推廣可有效回收耕層20 cm深度殘膜的機械[19]。同時，還應探討殘膜回收后的利用方式，目前殘膜回收后主要是制PE再生料，利用途徑單一，一旦石油工業(yè)PE新料價格降低到與再生料無顯著價格差，再生料便沒有了市場，探討殘膜回收后資源多種利用途徑也是未來必須要面對的問題。