山東省花生種植區(qū)耕層土壤殘膜賦存特征

王學(xué)霞，宋寧寧，薛穎昊，王甲辰，梁麗娜，李夢佳，劉淑麗，劉東生*

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125；4.禹城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 禹城 251200）

地膜覆蓋栽培在提高農(nóng)田水分利用率、增加作物產(chǎn)量和提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力等方面效果顯著，同時在改善農(nóng)業(yè)種植格局、擴大農(nóng)作物種植區(qū)域等方面亦起到積極作用，已成為當前國內(nèi)外廣泛使用的農(nóng)業(yè)技術(shù)，在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重大作用[1-3]。截至2019年全國農(nóng)膜使用總量達到240.8 萬t，其中地膜137.9萬t，地膜覆蓋種植面積達到1 762.8 萬hm2，約占耕地總面積的12.1%[4]。地膜作為一種高分子聚合物在自然條件下短期內(nèi)很難降解，其不合理的應(yīng)用導(dǎo)致我國農(nóng)田生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)嚴重的“白色污染”問題[5]。隨著土壤中地膜殘留量日益增加，土壤團聚體穩(wěn)定性降低[5-6]，土壤水分與養(yǎng)分的正常運移受阻[7]，作物產(chǎn)量下降[2，8]；地膜和殘膜中增塑劑、抗氧化劑等添加劑直接釋放到土壤中成為有機污染物造成二次污染[7，9-10]；殘膜在土壤中進一步破碎形成微塑料，與土壤中的重金屬、有機污染物形成復(fù)合污染物對生態(tài)環(huán)境造成不良影響[11-12]。地膜在土壤中長期殘留對農(nóng)田產(chǎn)地環(huán)境健康造成嚴重負面影響，不利于我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

當前，我國農(nóng)田的殘膜污染比較嚴重，大部分農(nóng)田耕層土壤均存在不同程度的地膜殘留污染，一般農(nóng)田殘留量可達60～300 kg·hm-2，少數(shù)地塊甚至超過450 kg·hm-2[3，13]。由于農(nóng)膜使用總量和種植模式存在明確的區(qū)域特征，導(dǎo)致殘膜地域分布差異很大[11，13-14]。新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)由于氣候干旱、水資源緊缺，地膜用量大、覆蓋面積廣，導(dǎo)致這些地區(qū)殘膜污染較嚴重[1，3，14]，已經(jīng)成為這些區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染防控中不可回避的問題；山東、河南、四川等地區(qū)為保墑、防蟲草害亦大量使用地膜，導(dǎo)致這些區(qū)域也出現(xiàn)殘膜污染問題[15]；上海、天津、北京等地區(qū)耕地少、設(shè)施農(nóng)業(yè)比重高，地膜使用強度大，導(dǎo)致這些區(qū)域也出現(xiàn)不同程度的殘膜污染[11，13]。隨著我國地膜覆蓋面積逐年增加，農(nóng)田殘膜造成的“白色污染”已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境的重大威脅之一[1，16]。

相關(guān)學(xué)者已對農(nóng)田地膜殘留特征做了大量研究，顯示殘膜在土壤耕作層中的分布和形態(tài)狀況受覆膜年限、耕作方式、覆膜方式等的影響[13，16-19]。覆膜年限是影響土壤中地膜殘留量的主要因素，農(nóng)田殘膜量與覆膜年限之間一般呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[15-20]。何文清等[21]和嚴昌榮等[16]對國內(nèi)農(nóng)田殘膜數(shù)據(jù)綜合分析發(fā)現(xiàn)，隨覆膜時間的增長，殘膜量和殘片數(shù)逐漸增多。杜澤玉等[14]對河西走廊張掖綠洲105個農(nóng)田樣地調(diào)查分析表明，覆膜年限是地膜殘留量空間變異的主要因素，連續(xù)覆膜10 a以上，農(nóng)田地膜殘留量顯著增加。此外，覆膜方式也是影響殘膜含量的重要因素之一。董合干等[17]通過調(diào)查新疆棉田土壤殘膜污染情況，發(fā)現(xiàn)連續(xù)覆膜25 a后，殘膜密度和殘片數(shù)分別達405 kg·hm-2和1 376萬片·hm-2，農(nóng)田殘膜的總質(zhì)量和數(shù)量均隨覆膜年限的增長而直線增加，殘膜密度和殘片數(shù)以每年13.66 kg·hm-2和40.02萬片·hm-2的速度遞增。胡燦等[19]發(fā)現(xiàn)殘膜在農(nóng)田耕層土壤中總的趨勢是上層和中層殘膜量高于下層殘膜量，受深耕、旋耕等耕作方式的影響，隨覆膜年限的增加而逐年下移。賀懷杰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，新疆棉田土壤殘膜主要集中分布在0～15 cm 土層內(nèi)，面積大于30 cm2，隨著覆膜年限和旋耕次數(shù)的增加，逐漸下移到15 cm以下土層內(nèi)，且面積和質(zhì)量較小的殘膜在35～40 cm深層土壤中明顯增多。

花生是一種重要的油料作物和經(jīng)濟作物，2018年全國花生播植面積為461.97 萬hm2，在我國種植業(yè)結(jié)構(gòu)中占有重要地位。山東省是我國花生傳統(tǒng)種植區(qū)域，2018 年種植面積達到91.33 萬hm2，占全國種植面積的19.77%[4]。花生是山東地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用較早的作物，覆膜面積達到70%以上[23]。長期和大面積覆膜種植，導(dǎo)致該區(qū)域花生耕地土壤農(nóng)膜不斷積累，殘膜含量達到23.98 kg·hm-2[20，23]，可能會對該地區(qū)花生種植土壤生態(tài)環(huán)境造成影響。當前關(guān)于山東農(nóng)田殘膜賦存情況研究大多集中在農(nóng)膜殘留分布特性調(diào)查及影響因素分析方面[13，20，23]，但這些研究大多樣本量較少且沒有針對花生種植體系。因此，亟待增加調(diào)查區(qū)域與樣本量，對山東花生典型種植區(qū)地膜使用、地膜殘留空間分布及污染狀況進一步翔實了解。因此，本次研究采用問卷與實地調(diào)查相結(jié)合的方法，分別對山東省四大花生主產(chǎn)區(qū)（膠東半島、魯中南山區(qū)、魯西平原和魯北平原）地膜使用、回收與殘膜污染現(xiàn)狀進行了調(diào)研，并對相關(guān)樣地土壤樣品取樣，分析地膜殘留量、殘片數(shù)量及在土壤中的空間分布特征，旨在為該地區(qū)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，同時為全國花生種植耕地土壤殘膜污染評價提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗樣地

選擇山東省膠東半島（青島膠州市、煙臺棲霞市）、魯中南山區(qū)（臨沂莒南縣）、魯西平原（聊城高唐縣、德州寧津縣）和魯北平原（濱州惠民縣、濱州沾化縣）四大花生主產(chǎn)區(qū)作為殘膜調(diào)查的代表性區(qū)域。樣地選擇首要標準是連續(xù)覆膜種植花生農(nóng)田，此外，考慮到覆膜年限、地膜用量、土壤質(zhì)地等影響因素，每個典型區(qū)域選擇4～5 個樣地作為調(diào)查對象，共計18 個樣地（圖1和表1）。

表1 花生種植區(qū)域地膜使用及回收情況（2019年）Table1 Input and recovery of plastic film in peanut planting area（2019）

1.2 殘留地膜樣品采集

2019 年4 月，為防止影響花生種植，在花生整地播種前進行殘膜樣品采集，每個樣地隨機選取3 個樣方，采樣面積為1 m2（100 cm×100 cm）。首先剝離表層地膜，以10 cm 為一層，分別按照0～10、10～20 cm 和20～30 cm 3 個土層取土，分別過10 目篩，揀出肉眼可見殘留地膜，殘膜收集后，盡量恢復(fù)土壤原貌。

1.3 殘膜樣品處理

將收集到的殘膜帶回實驗室，先用自來水沖洗殘膜帶有的大部分土壤和雜物，然后用超聲清洗儀（BRANSON 5800）進一步洗滌30 min，之后用濾紙吸干殘膜上水分，小心展開卷曲的殘膜（防止殘膜破裂），放在干燥處自然風(fēng)干后，用萬分之一電子天平稱其質(zhì)量，計算地膜殘留量；再將展開的殘膜置于帶網(wǎng)格（1 cm×1 cm）的A4紙張上，分別以殘膜面積＜4、4～25 cm2和＞25 cm2為標準，分類統(tǒng)計所收集殘膜的數(shù)量。

1.4 問卷調(diào)查

取樣檢測的同時，對擁有地塊的農(nóng)戶進行問卷調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容包括覆膜年限、覆膜量、地膜厚度、回收量、回收方式、土壤類型。由表1 可知，調(diào)查樣地花生種植覆膜年限在1～15 a，地膜每年使用量為60～75 kg·hm-2，地膜厚度0.008～0.010 mm，其中0.010 mm 的膜占50%以上，每年地膜回收率77%以上，魯北平原回收率達到84.38%。

1.5 數(shù)據(jù)分析

基于SPSS 22.0，運用單因素方差分析（One-way ANOVA）進行各項指標之間的差異性分析。文中數(shù)據(jù)均為平均數(shù)±標準誤，用Origin 2020作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型花生種植區(qū)殘膜分布特征

4個典型區(qū)域殘膜分布情況如圖2所示?；ㄉ麑油寥乐袣埬て骄吭?6.51～19.84 kg·hm-2，4 個區(qū)域差異不明顯。膠東半島農(nóng)田土壤殘膜量為2.48～46.01 kg·hm-2，魯中南山區(qū)殘膜量為4.11～38.50 kg·hm-2，魯西平原殘膜量為4.05～40.61 kg·hm-2，魯北平原殘膜量為3.07～29.65 kg·hm-2。對比《農(nóng)田地膜殘留量限值及測定》（GB/T 25413—2010），農(nóng)田地膜殘留量限值為75 kg·hm-2，山東典型花生種植區(qū)域土壤殘膜均低于殘留量限值。

不同覆膜年限土壤殘膜含量和數(shù)量如圖3 所示。隨著覆膜年限增加，土壤殘膜含量和數(shù)量有逐漸增加趨勢。與1～5 a 相比，6～10、11～15 a 樣地殘膜含量顯著增加了171.57%和376.98%（P＜0.001）（圖3A）。與1～5 a 相比，6～10、11～15 a 樣地殘膜數(shù)量顯著增加了99.05%和190.77%（P＜0.001）（圖3B）。

2.2 耕層土壤殘膜分布特征

不同土層殘膜含量隨覆膜年限增加而增加（圖4A）。0～10、10～20 cm和20～30 cm土壤殘膜含量均表現(xiàn)為1～5 a＜6～10 a＜11～15 a，不同覆膜年限間差異顯著（P＜0.01）。1～5 a 樣地，與0～10 cm 土層相比，10～20 cm和20～30 cm層殘膜含量分別顯著降低了82.7%和95.4%（P＜0.001）。6～10 a 樣地，與0～10 cm 土層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘膜含量分別顯著降低了79.6%和92.5%（P＜0.001）。11～15 a 樣地，與0～10 cm 層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘膜含量分別顯著降低了75.4%和86.1%（P＜0.001）。

土壤殘膜主要分布在淺層土壤（0～10 cm），其含量總體呈現(xiàn)隨深度增加而逐漸降低，且隨著覆膜年限增加，殘膜表現(xiàn)出向深層土壤下移趨勢（圖4B）。0～10 cm 殘膜含量所占比例為74.95%～84.08%，表現(xiàn)為11～15 a＜6～10 a＜1～5 a，其中與1～5 a 相比，11～15 a 含量所占比例顯著降低（P＜0.05）。10～20 cm 所占比例為12.32%～16.25%，表現(xiàn)為1～5 a＜6～10 a＜11～15 a，與1～5 a 相比，11～15 a 所占比例顯著增加（P＜0.05）。20～30 cm 所占比例為3.5%～7.8%，與1～5 a相比，11～15 a所占比例顯著增加（P＜0.01）。

不同土層殘膜數(shù)量也呈現(xiàn)隨覆膜年限增加而增加趨勢（圖5A）。調(diào)查樣地殘膜數(shù)量范圍在16～82 萬片·hm-2，0～10、10～20 cm 和20～30 cm 殘膜數(shù)量變化均表現(xiàn)為1～5 a＜6～10 a＜11～15 a，不同覆膜年限間差異顯著（P＜0.01）。1～5 a 樣地，與0～10 cm 層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘片數(shù)分別顯著降低了75.2%和90.8%（P＜0.001）。6～10 a 樣地，與0～10 cm層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘片數(shù)分別顯著降低了70.6%和86.8%（P＜0.001）。11～15 a，與0～10 cm層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘膜含量分別顯著降低了69.9%和82.7%（P＜0.01）。

土壤殘片主要分布在0～10 cm 層，殘片數(shù)隨深度增加而逐漸降低，隨種植年限增加，殘片呈現(xiàn)向深層土壤下移趨勢（圖5B）。0～10 cm 殘膜所占比例為67.82%～74.66%，表現(xiàn)為11～15 a＜6～10 a＜1～5 a，其中與1～5 a 相比，11～15 a 所占比例顯著降低（P＜0.05）。10～20 cm 所占比例為18.48%～20.62%，不同覆膜年限之間差異不顯著。20～30 cm 所占比例為6.86%～11.72%，與1～5 a 相比，11～15 a 殘片數(shù)所占比例顯著增加（P＜0.01）。

隨覆膜年限增加耕層土壤中小面積殘片數(shù)量和比例有增加趨勢，隨深度增加小面積殘片比例有增加趨勢（表2 和表3）。1～5、6～10、11～15 a 樣地＞25 cm2殘片數(shù)量和比例均顯著低于4～25 cm2和＜4 cm2（P＜0.01）（表2）。＞25、4～25 cm2和4 cm2殘片數(shù)均呈現(xiàn)隨覆膜年限增加而增加，而其所占比例分別表現(xiàn)為隨覆膜年限增加而降低、變化不明顯和增加趨勢。不同大小殘片主要集中在土壤淺層（0～10 cm），且均隨土壤深度的增加而降低，3 個土壤深度均表現(xiàn)為＞25 cm2殘片數(shù)顯著低于4～25 cm2和＜4 cm2殘片（P＜0.01）（表3）。0～10 cm 層＞25 cm2殘片比例顯著高于4～25 cm2和＜4 cm2（P＜0.01），而10～20、20～30 cm 層＞25 cm2殘片比例顯著低于＜4 cm2（P＜0.01）。

表2 不同覆膜年限不同面積殘膜分布特征Table2 The residual film quantity of different sizes in different mulching years

表3 不同深度殘片分布特征Table3 Spatial distribution characteristics of residual film quantity in different layers

2.3 土壤農(nóng)膜殘留含量影響因素分析

由圖6 可知，花生耕層地膜殘留量與覆膜年限、種植過程中覆膜總量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性（R2=0.865 和R2=0.844，P＜0.001），而與殘膜回收率之間關(guān)系不顯著，與地膜厚度呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系（R2=0.606，P＜0.001）?？梢?，覆膜量、覆膜年限及地膜厚度是影響花生耕層土壤殘膜含量的關(guān)鍵因子。因此，適當控制覆膜量、使用厚度較高的地膜對減少花生種植土壤殘膜積累起到積極作用。

3 討論

3.1 典型花生種植區(qū)殘膜分布特征及影響因素

本研究對山東典型花生種植地區(qū)18 個樣地土壤耕層（0～30 cm）的殘膜調(diào)查發(fā)現(xiàn)，殘膜含量介于2.48～46.01 kg·hm-2，遠低于新疆和甘肅覆膜農(nóng)田殘膜含量[14-15，19，24]，與徐鈺等[23]和郝西等[25]對華北花生田殘膜研究結(jié)果一致，低于張丹等[20]調(diào)查的華北農(nóng)田土壤耕層地膜殘留分布范圍（0.2～82.2 kg·hm-2）。主要原因是該區(qū)域花生種植中使用的地膜厚度在0.008 mm 以上，有利于地膜回收，地膜年回收率在77%以上，有效減少農(nóng)田中土壤殘膜累積。地膜殘留量是農(nóng)田殘膜污染的最主要衡量指標，反映了長期覆膜種植下土壤中的殘膜量化值[15，17]。對比《農(nóng)田地膜殘留量限值及測定》（GB/T 25413—2010），農(nóng)田地膜殘留量限值為75 kg·hm-2，山東典型花生種植地區(qū)所有調(diào)查樣地土壤殘膜未超過國家農(nóng)田殘膜限值標準。由此，山東花生種植區(qū)殘膜污染狀況較輕。

國內(nèi)外眾多研究表明農(nóng)田地膜殘留量與地膜質(zhì)量、覆膜年限、回收方式、耕作、土壤質(zhì)地等因素密切相關(guān)[13，16，26]，本研究區(qū)域地膜殘留量與地膜質(zhì)量、覆膜年限密切相關(guān)（圖6）。地膜厚度作為地膜質(zhì)量的重要標志，是影響大田農(nóng)膜殘留的主要因素。張丹等[27]和徐鈺等[23]研究均證實，農(nóng)田土壤地膜殘留量與地膜厚度成反比，這與本文研究結(jié)果一致。究其原因是地膜越薄，其強度越低，地膜越容易破碎，不易撿拾，回收率就越低，導(dǎo)致土壤中地膜殘留量增加。覆膜年限和覆膜量是決定農(nóng)田地膜殘留的最關(guān)鍵因素，對新疆[19，24]、甘肅[14]及華北[20，26]等地區(qū)的殘膜調(diào)查研究均表明隨著覆膜年限的增長，地膜殘留量也逐漸增加，本研究區(qū)也得出相同結(jié)論（圖3 和圖6），隨著覆膜年限增加，花生耕層土壤中殘膜數(shù)量及殘膜含量逐漸上升。前人研究表明，地膜回收率對減少殘膜累積有積極作用[16，23，25-26]，但本研究沒有直接得出殘膜積累量與地膜回收之間的關(guān)系，這是由于地膜調(diào)查回收率僅代表該區(qū)域2019 年地膜回收情況，而調(diào)查區(qū)域每年的殘膜回收率有差異，因此殘留量與回收量之間關(guān)系不明顯。土壤質(zhì)地也是造成殘膜含量差異的重要因素之一[23，25]。本研究中膠東半島最高地膜殘留為46.01 kg·hm-2，高于魯北平原的29.65 kg·hm-2，這可能是兩個地區(qū)耕地土壤質(zhì)地差異造成的。本調(diào)查中所選魯北平原的樣地均是砂土（表1），利于殘膜撿拾，殘膜回收率高，而膠東半島調(diào)查樣地以黏土和壤土為主，不利于殘膜撿拾，殘膜回收率稍低[23]。在覆膜量和覆膜年限相同條件下，砂土的地膜殘留量少，殘留風(fēng)險低。因此，山東典型花生種植區(qū)地膜殘留受地膜厚度、覆膜年限、覆膜量和土壤質(zhì)地的綜合影響。

3.2 耕層土壤殘膜分布規(guī)律及影響因素

本研究發(fā)現(xiàn)，花生田殘膜在土壤中呈現(xiàn)典型層狀空間分布特點，主要集中在0～10 cm 淺層土壤中，隨著土層深度的增加，其殘膜含量和殘片數(shù)量有減小的趨勢，且隨著覆膜年限增加，土壤深層殘膜含量、殘片數(shù)量尤其是＜4 cm2的小殘片逐漸增加。這與賀懷杰等[22]在新疆、王志超等[28]在內(nèi)蒙古、馬輝等[26]在河北和VINOTH 等[5]在印度農(nóng)田中的研究結(jié)果一致，隨著覆膜年限的增加殘膜逐漸向深層移動，雖然土壤上層的殘膜量高于下層，但其比例在下降，且小面積殘片數(shù)和殘膜比例也逐漸增加。這種現(xiàn)象主要原因可能是隨覆膜年限增加，在物理、化學(xué)、生物等自然因素及旋耕等人為因素綜合作用下，殘膜破碎化程度顯著加大[26]；當?shù)剞r(nóng)民缺乏足夠的殘膜污染意識，同時受農(nóng)膜回收時間、成本等問題制約及缺乏相應(yīng)政策的支持[29-30]，致使大量小面積殘膜存留于土壤中；在耕作（深耕、旋耕）和風(fēng)化等作用下，耕層小面積殘膜含量和數(shù)量不斷增高，且逐漸向深層移動[22，28]。這將加大長期覆膜農(nóng)田的殘膜回收難度。

3.3 地膜殘留防治策略

雖然山東典型花生種植區(qū)土壤農(nóng)膜殘留沒有超過國家標準，但也不能忽視地膜殘留的防治。通過借鑒國內(nèi)外地膜使用和回收政策、標準[30-31]，可從下列三方面積極探索，為該地區(qū)花生種植系統(tǒng)的地膜污染防治提供支撐：一是增加地膜厚度，研究適時揭膜回收技術(shù)和裝備，加強地膜回收，提高殘膜回收率，從根本上減少地膜殘留量；二是研發(fā)和推廣性價比優(yōu)良的可降解地膜替代傳統(tǒng)的聚乙烯地膜，減少土壤環(huán)境中地膜殘留；三是建立完整的廢舊地膜回收、處理制度和體系，進一步遏制可能出現(xiàn)的地膜污染。

4 結(jié)論

（1）山東花生典型種植區(qū)耕層（0～30 cm）土壤地膜殘留量在2.48～46.01 kg·hm-2，低于我國農(nóng)田殘留量限值。覆膜年限越長耕層殘膜含量和殘片數(shù)量就越多，且殘膜量受覆膜年限、地膜厚度、土壤質(zhì)地的綜合影響。

（2）土壤殘膜主要集中在0～10 cm，其殘膜含量和殘片數(shù)分別占總量的74.95%～84.08%和67.82%～74.66%；殘膜含量和殘片數(shù)均隨深度增加而逐漸降低，隨種植年限增加，殘膜呈現(xiàn)向深層土壤下移的趨勢。＞25、4～25 cm2和＜4 cm2殘片數(shù)均隨土壤深度的增加而降低，隨覆膜年限增加，深層土壤（20～30 cm）面積較小的殘膜呈增加趨勢。

（3）建議采取適當措施增加地膜回收及可降解地膜的研發(fā)和使用，防止該地區(qū)花生種植體系中可能出現(xiàn)的地膜污染。