新疆農(nóng)田殘膜污染治理技術(shù)與防控策略*

王海基，王敏，王吉亮，盧勇濤，營(yíng)雨琨，何玉澤

(1. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子，832000；2. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子，832000)

0 引言

新疆深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，屬于溫帶大陸性氣候，溫差較大，陽(yáng)光充足，空氣干燥，年平均降水量為150 mm左右，適合棉花、甜菜、哈密瓜、香梨、葡萄等水果類農(nóng)作物種植，新疆生產(chǎn)的果蔬類作物一直以來(lái)是國(guó)際市場(chǎng)的暢銷品[1-3]。

20世紀(jì)70年代，中國(guó)引入地膜覆蓋栽培技術(shù)，該技術(shù)可以增溫保濕，保土保肥，有效地抑制雜草和病蟲害，能夠改善農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境和提高作物產(chǎn)量，為中國(guó)的農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展注入了新的活力[4-5]。近三四十年來(lái)，隨著地膜覆蓋技術(shù)不斷推廣和地膜使用量日益增加，中國(guó)已成為全球地膜使用量和覆蓋量最多的國(guó)家，截至2018年底，我國(guó)當(dāng)年農(nóng)作物地膜覆蓋面積達(dá)到17 760 khm2，地膜年使用量達(dá)到1 404 kt，“白色革命”的風(fēng)暴席卷全國(guó)[6]。農(nóng)用地膜的材質(zhì)大多為聚乙烯(PE)烴類化合物，在自然狀態(tài)下難以降解，可在土壤中存在200～400年[7-8]，殘膜污染持續(xù)加劇，“白色革命”變成了“白色污染”。大量的地膜碎片堆積在土壤耕層，破壞土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)，惡化村容村貌。殘膜污染問(wèn)題深受國(guó)務(wù)院和相關(guān)部門的高度重視，治理“白色污染”迫在眉睫，2015年3月20日農(nóng)業(yè)部副部長(zhǎng)陳曉華在《全國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于改進(jìn)口岸工作支持外貿(mào)發(fā)展的若干意見》中指出，治理農(nóng)村污染，既要打攻堅(jiān)戰(zhàn)，也要打持久戰(zhàn)，明確“一控、兩減、三基本”[9]的目標(biāo)治理農(nóng)村污染。

在此背景下，本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)新疆農(nóng)田殘膜回收再利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，闡述新疆地膜使用情況及污染現(xiàn)狀，歸納目前殘膜污染的治理技術(shù)，對(duì)我國(guó)殘膜污染治理技術(shù)進(jìn)行展望，探索性地提出殘膜污染治理的可行建議，以期為解決新疆地區(qū)殘膜污染問(wèn)題提供參考。

1 新疆地膜使用情況及污染現(xiàn)狀分析

1.1 殘膜污染問(wèn)題的由來(lái)

塑料制造技術(shù)在20世紀(jì)中葉迎來(lái)了發(fā)展期，1955年日本首先將地膜覆蓋栽培技術(shù)應(yīng)用于草莓作物，并進(jìn)行推廣，至20世紀(jì)70年代已經(jīng)廣泛應(yīng)用于旱田作物[10]。與此同時(shí)，我國(guó)農(nóng)業(yè)部通過(guò)對(duì)外科技交流，學(xué)習(xí)日本先進(jìn)的地膜覆蓋栽培技術(shù)，并與我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)耕技術(shù)結(jié)合，經(jīng)過(guò)不斷地消化吸收，將其由果蔬、棉花推廣至玉米、小麥等作物[11-13]。從1985年開始，中國(guó)地膜覆蓋面積躍居世界第一，至今仍高居榜首，截至2018年我國(guó)地膜覆蓋面積達(dá)1.78×1010m2，其中新疆、山東、內(nèi)蒙古和甘肅覆蓋面積最大，分別占全國(guó)比例的19.77%、10.53%、7.64%和7.41%[8]。地膜歷年覆蓋面積如圖1所示。

圖1 2004—2018年地膜覆蓋面積Fig. 1 Coverage area of membrane from 2004 to 2018

新疆從20世紀(jì)80年代開始大范圍推廣并使用地膜覆蓋技術(shù)，截至2018年，我國(guó)地膜年使用量達(dá)1 404 kt，其中新疆年使用量達(dá)238.2 kt，占全國(guó)總量的16.97%，成為我國(guó)地膜使用量最大的省份[8]。國(guó)外使用的農(nóng)膜厚度一般為0.01 mm[14]以上，一季作業(yè)之后仍然有較高的強(qiáng)度，并且制定了嚴(yán)格的使用制度，確保使用后的地膜全部收回，我國(guó)使用的地膜厚度一般為0.004～0.008 mm[15]，強(qiáng)度不足、力學(xué)性能差，經(jīng)過(guò)一個(gè)作業(yè)季節(jié)風(fēng)吹日曬和農(nóng)機(jī)碾壓，大部分地膜變成碎片，回收率不足60%[16]，而且農(nóng)戶的回收意識(shí)薄弱，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的積累，使越來(lái)越多的殘膜遺留在土壤中造成“白色污染”，加劇了新疆乃至中國(guó)的污染治理工作的難度。新疆及全國(guó)的地膜年使用量如圖2所示。

圖2 2004—2018年地膜年使用量Fig. 2 Annual use of plastic film from 2004 to 2018

1.2 殘膜污染現(xiàn)狀與影響

我國(guó)各地由于氣候條件和作物種植模式不同，地膜使用量和地膜覆蓋面積有較大差異，通過(guò)對(duì)我國(guó)東北、西北、西南、華北等地區(qū)進(jìn)行地膜殘留調(diào)查，結(jié)果表明：我國(guó)西北地區(qū)地膜殘留量最多，尤其是在新疆、甘肅，平均地膜殘留量高達(dá)259.1 kg/hm2和136.7 kg/hm2，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。

殘膜主要以空間分布的特性集中在0～30 cm農(nóng)田中，殘膜隨著農(nóng)田耕種次數(shù)而增加，地膜厚度、殘膜回收頻率和耕作模式等因素也影響其殘留量。新疆棉田耕層平均地膜殘留量為260 kg/hm2以上，且主要以碎片為主，比表層殘膜更難回收[17]。地膜栽培技術(shù)在增產(chǎn)增收和推進(jìn)農(nóng)業(yè)進(jìn)步的同時(shí)，也給農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展帶來(lái)了一系列問(wèn)題，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境以及構(gòu)建美麗家園造成了巨大影響。土壤耕層中的殘膜影響土壤物理性狀，使土壤結(jié)塊，減小土壤透氣性，阻礙水肥運(yùn)移，抑制作物根系生長(zhǎng)[18]，改變甚至堵塞土壤氣孔連續(xù)性，減小了土壤深處的水分，削弱了農(nóng)田抗旱能力[19-20]；影響農(nóng)事作業(yè)，殘膜時(shí)常會(huì)纏繞在農(nóng)具上，減弱農(nóng)事作業(yè)質(zhì)量；由于缺少相應(yīng)的回收站點(diǎn)，部分清理出來(lái)的殘膜棄于地頭，經(jīng)常被吹散，掛在房屋和樹枝上，影響農(nóng)村環(huán)境，造成“視覺污染”[21]；牧草中摻雜著殘膜碎片，不容易分離，牲畜誤食之后影響消化系統(tǒng)，甚至死亡[22-23]。

2 殘膜污染治理技術(shù)

新疆農(nóng)業(yè)為干旱性綠洲農(nóng)業(yè)，地膜增溫保濕的優(yōu)點(diǎn)在新疆地區(qū)有舉足輕重的作用，由于水資源匱乏，地膜覆蓋栽培技術(shù)獲得了快速地推廣應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了顯著效果。但隨之而來(lái)的殘膜污染問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫，解決“白色污染”問(wèn)題，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，走出一條具有中國(guó)特色的環(huán)保之路才是發(fā)展農(nóng)業(yè)和建設(shè)美好家園的長(zhǎng)久之策。自2019年5月由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和國(guó)家發(fā)展改革委提出的《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)田地膜污染防治的意見》[24]之后，新疆地區(qū)堅(jiān)持落實(shí)總體要求并貫徹執(zhí)行相關(guān)制度措施，力爭(zhēng)完成2020年全國(guó)地膜回收率達(dá)到80%和2025年農(nóng)用地膜殘留量實(shí)現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的目標(biāo)[25]。農(nóng)田殘膜污染治理是一個(gè)系統(tǒng)工程，要把“農(nóng)機(jī)—農(nóng)藝—農(nóng)膜”并舉并重，才能從根本上解決殘膜污染問(wèn)題。

2.1 農(nóng)機(jī)防治技術(shù)

目前，新疆地區(qū)對(duì)于殘膜回收主要采用人工回收和機(jī)械回收兩種方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人工回收的方式一個(gè)人一天的工作面積約為0.54 hm2，工資約為150～200元，且只能撿拾土壤表層和裸露在外的殘膜，無(wú)法回收掩埋在耕層的殘膜，人工回收殘膜成本高昂、效率低下，導(dǎo)致農(nóng)戶回收殘膜的積極性不高；缺少相應(yīng)的回收站點(diǎn)，只好堆放在地頭進(jìn)行焚燒，產(chǎn)生的有害氣體不僅對(duì)影響人體健康而且會(huì)造成二次環(huán)境污染；人工回收的方法只適用于小規(guī)模作業(yè)，可實(shí)施性不高。對(duì)于新疆大面積的農(nóng)田，機(jī)械化回收才是治理殘膜污染問(wèn)題的有效手段。根據(jù)殘膜回收作業(yè)階段，可分為播前殘膜回收機(jī)、苗期地膜回收機(jī)和收獲后殘膜回收機(jī)[26-27]，因?yàn)榍锖蟮霓r(nóng)田環(huán)境較為優(yōu)越，所以收獲后殘膜回收機(jī)應(yīng)用更加廣泛。根據(jù)關(guān)鍵收膜部件可分為滾筒式、齒鏈?zhǔn)?、摟扒式等[28-29]。機(jī)具類型如表1所示。

表1 機(jī)具類型Tab. 1 Types of machines and tools

2.1.1 滾筒式殘膜回收機(jī)

新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的新型機(jī)具11SM-1.5型滾筒式殘膜回收機(jī)[30]，主要由拖拉機(jī)牽引架、弧線往復(fù)式挑膜裝置、主傳動(dòng)系統(tǒng)、起膜松土齒釘、液壓升降系統(tǒng)、送膜輪、集膜箱等部件構(gòu)成，如圖3所示。作業(yè)時(shí)，利用拖拉機(jī)后傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)回收機(jī)牽引架，通過(guò)液壓升降行走系統(tǒng)調(diào)整到合適的高度，啟動(dòng)動(dòng)力輸出軸，帶動(dòng)弧線往復(fù)式挑膜裝置及其他協(xié)同作業(yè)裝置，起膜松土齒釘在作業(yè)時(shí)挑起成塊的殘膜以及疏松殘膜下膠結(jié)的土壤，挑膜裝置將收起的殘膜輸送到送膜輪裝置，再進(jìn)一步拋送至集膜箱，完成作業(yè)，便于日后重復(fù)使用或進(jìn)行其他工序。

圖3 11SM-1.5型滾筒式殘膜回收機(jī)組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 3 Structure diagram of 11SM-1.5 roller type residual film recycling machine

2.1.2 彈齒式殘膜回收機(jī)

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的CMJY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)[31](圖4)。作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)帶動(dòng)牽引架行進(jìn)，齒釘輥在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將殘膜物料連同殘膜中的秸稈、泥土一起拋起，撿拾機(jī)構(gòu)將殘膜鉤起，輸送至脫膜輥下部，彈齒縮進(jìn)脫膜滾筒內(nèi)，大、小脫膜輥將撿拾機(jī)構(gòu)上的殘膜輸送至打包箱體內(nèi)，殘膜捆到達(dá)一定大小時(shí)，啟動(dòng)液壓缸進(jìn)行壓縮，最后由油缸推出打包箱體，放在地面。機(jī)械作業(yè)動(dòng)力由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳輸給動(dòng)力輸入軸，再供撿拾機(jī)構(gòu)、脫膜機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)作業(yè)。

圖4 彈齒式殘膜回收機(jī)Fig. 4 Spring tooth residual film recovery machine

2.1.3 摟扒式殘膜回收機(jī)

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的耙齒式壟作花生殘膜回收機(jī)[32]，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，由機(jī)架、耙齒、拾膜機(jī)構(gòu)、地輪、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、卸膜機(jī)構(gòu)、限深輪、集膜箱等部件組成，如圖5所示。作業(yè)時(shí)，機(jī)架由拖拉機(jī)牽引，耙齒與地面殘膜接觸，由于花生生長(zhǎng)地面不平整，壟表面殘膜高于兩邊的邊膜，為確保作業(yè)質(zhì)量，選擇彈性較大的耙齒進(jìn)行殘膜回收作業(yè)，使彈齒達(dá)到回收殘膜的入土深度，設(shè)置3排間距不同、交錯(cuò)排列的摟膜耙齒，分別對(duì)大、中、小塊殘膜進(jìn)行收集，前、中、后三排耙齒深入地表5～15 cm進(jìn)行作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，但對(duì)殘膜破碎程度要求較高，不能收集稀碎的殘膜，回收膜中有較多秸稈、泥土等雜質(zhì)，回收效率低。

圖5 耙齒式壟作花生殘膜回收機(jī)Fig. 5 Rake tooth type ridge peanut film reclaimer

2.2 農(nóng)藝防治技術(shù)

精耕細(xì)作是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)藝的主要特點(diǎn)，在漫長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中創(chuàng)造了非凡的價(jià)值[33]。農(nóng)藝技術(shù)離不開農(nóng)業(yè)信息技術(shù)、生物技術(shù)和可持續(xù)發(fā)展技術(shù)，正是由這些技術(shù)的支持，才使得農(nóng)藝有了更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[34]。

2.2.1 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)在污染治理中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用是通過(guò)現(xiàn)代高新技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的重要途徑。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的“作物栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)(CCSODS)”，適用于水稻、小麥、玉米和棉花等作物在氣候、土壤及栽培技術(shù)等因素之下，分析預(yù)測(cè)作物生長(zhǎng)趨勢(shì)和作物信息技術(shù)[35-36]，對(duì)優(yōu)化作物管理方案有低成本高效益的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)此系統(tǒng)評(píng)估新疆農(nóng)田不同作物的最佳播期、最適密度、最佳覆膜時(shí)長(zhǎng)等因素，在保溫保墑、增產(chǎn)增收的前提下達(dá)到農(nóng)膜使用量最少，覆蓋時(shí)間最短，回收率最大的效果，從而減緩農(nóng)田中殘膜的增速，同時(shí)促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展進(jìn)程，使得農(nóng)田作業(yè)變得更加快捷高效。

2.2.2 生物技術(shù)在污染治理中的應(yīng)用

生物技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物生產(chǎn)，主要目的是提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)和獲得抗旱、抗逆特性[37]。利用細(xì)胞工程技術(shù)改良作物品質(zhì)并進(jìn)行無(wú)性繁殖，增加新疆地區(qū)作物的抗寒性和抗逆性，實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，不僅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還減少了幼苗的死亡率和幼苗初期農(nóng)膜的使用量，從農(nóng)藝角度考慮地膜的使用和回收，也能避免殘膜遺留在農(nóng)田中，從而減緩殘膜污染。作物種植方面，結(jié)合新疆各地區(qū)氣候特點(diǎn)因地制宜，干旱地區(qū)可以選擇適當(dāng)退耕還林，水資源充沛的地區(qū)選擇種植油菜、玉米、小麥等無(wú)需覆膜的農(nóng)作物，減少地膜使用量，從而遏制污染加劇。

2.2.3 可持續(xù)發(fā)展技術(shù)在污染治理中的應(yīng)用

可持續(xù)發(fā)展是科學(xué)發(fā)展觀的基本要求之一，是關(guān)于自然科學(xué)、社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的理論和戰(zhàn)略，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展必須遵從的準(zhǔn)則[38]。選購(gòu)地膜時(shí)，應(yīng)避免使用超薄地膜，盡量選擇便于回收的高耐候和高強(qiáng)度的地膜，第2年可以直接在上面打孔免耕，一膜多用，節(jié)省勞動(dòng)力，避免回收時(shí)存在老化嚴(yán)重、破碎率高、拉伸強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。規(guī)范使用地膜的同時(shí)，在棉田澆頭水(6月)之前人工揭去邊膜，8月初將中間膜揭去，此時(shí)土壤比較疏松，膜土附著力較小，地膜容易與土壤分離，而且雜質(zhì)較少，揭去的地膜可直接資源化利用，減輕除雜的工作量，等到機(jī)采棉作業(yè)(10月)之后進(jìn)行第3次殘膜回收，總體回收率可達(dá)95%以上[39-41]，人工揭膜的方式只能作為機(jī)械回收的輔助方式，其工作效率低下容易錯(cuò)過(guò)農(nóng)時(shí)，適合作物小塊種植面積殘膜回收。

2.3 農(nóng)膜防治技術(shù)

隨著人類社會(huì)文明的進(jìn)步和對(duì)環(huán)境問(wèn)題認(rèn)識(shí)水平的不斷深化，解決“白色污染”，建立人與環(huán)境良性互動(dòng)的友好性社會(huì)，唯一辦法就是使用可降解地膜替代聚乙烯(PE)地膜，從根本上解決我國(guó)農(nóng)田殘膜污染問(wèn)題[42]。我國(guó)已經(jīng)研制出生物降解地膜、光降解地膜和液態(tài)噴灑式地膜，其中生物降解地膜的發(fā)展及推廣尤為重要，是今后我國(guó)地膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是發(fā)展可持續(xù)性農(nóng)業(yè)的必要前提。

生物降解地膜主要是植物纖維等原料配合一些可在微生物作用下引起降解，生成小分子化合物，最終分解為二氧化碳和水的一類薄膜，包括竹粉生物降解地膜、草纖維地膜和淀粉地膜，竹粉取材于毛竹和植物淀粉，生產(chǎn)使用過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，降解之后轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料滋養(yǎng)作物。目前研究的新方向是由二元酸和二元醇聚合而成的聚酯材料經(jīng)吹塑而成的生物降解地膜，使用后可被土壤中的微生物完全生物分解，降解原理是其表面被微生物黏附，微生物以聚酯中的有機(jī)碳為營(yíng)養(yǎng)碳源，在酶的作用下，高分子被分解成分子量較低的碎段，碎段被微生物吸收，經(jīng)過(guò)代謝最終形成二氧化碳、水、礦物鹽和新的生物質(zhì)，完全被自然界消納[43]，但在光、熱、微生物等多種因素的影響下，其穩(wěn)定性與分解時(shí)間無(wú)法準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)期要求，技術(shù)仍需完善。

光降解地膜是將可降解的生物質(zhì)摻入在塑料成分中，在紫外線的照射下，使大塊塑料降解為微塑料塊，被降解成小顆粒的塑料依舊殘留在土壤中[44]，無(wú)法真正消失，是一種不徹底的降解技術(shù)，較普通的PE地膜產(chǎn)生更小的水肥運(yùn)輸阻礙和土地板結(jié)影響，無(wú)法從根源解決“白色污染”。目前，降解膜技術(shù)在手工操作的區(qū)域或覆膜時(shí)間較短的作物中使用，嚴(yán)昌榮等[45]試驗(yàn)研究表明，部分降解膜產(chǎn)品能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，如云南地區(qū)的煙草、山東地區(qū)的花生等部分經(jīng)濟(jì)作物中得到應(yīng)用，由于降解后會(huì)產(chǎn)生殘膜異纖，光降解膜不適宜新疆棉花作物的生產(chǎn)應(yīng)用。

液態(tài)噴灑式地膜是在農(nóng)作物秸稈中添加木質(zhì)素、膠原蛋白、表面活性劑、土壤保水劑等天然高分子物質(zhì)為原料[46]，使用時(shí)加水稀釋至適宜濃度，噴灑在農(nóng)田表面，形成與表層土壤結(jié)合的保溫膜，起到保持土壤水分和保護(hù)田間墑情的作用，在作物生長(zhǎng)周期結(jié)束后，生物降解地膜降解80%以上，且對(duì)作物的農(nóng)藝、生長(zhǎng)情況影響不大。結(jié)合農(nóng)藝措施，不但可以起到保溫、保墑、增產(chǎn)的效果，還可根據(jù)不同地區(qū)氣候條件差異和種植作物特性差異設(shè)計(jì)控制降解速度，從而遏制日益嚴(yán)重的“白色污染”，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

可降解地膜雖是一個(gè)新的發(fā)展方向，但也存在諸多潛在問(wèn)題。(1)降解時(shí)間的可控性無(wú)法精確達(dá)到農(nóng)藝要求，在光照更強(qiáng)的南疆區(qū)域降解過(guò)早，無(wú)法達(dá)到增溫保濕的效果，反而減少作物產(chǎn)量；(2)經(jīng)濟(jì)成本是普通PE地膜的2～3倍，甚至更高，新疆地膜需求量較大，在作物增產(chǎn)增收效果不大的情況下，經(jīng)濟(jì)成本成為阻礙可降解地膜推廣的一個(gè)重要因素；(3)生產(chǎn)技術(shù)不成熟，制成同時(shí)滿足增溫保濕和經(jīng)濟(jì)成本的技術(shù)有待提高，增溫保墑作用與普通PE地膜仍有所差距；(4)可降解地膜缺乏韌性，容易開裂，對(duì)植物的后期抗旱效果很差；(5)尚不明確在作業(yè)過(guò)程和分解之后是否會(huì)產(chǎn)生對(duì)人類和自然有害的物質(zhì)[47-49]。根據(jù)上述缺點(diǎn)和新疆地區(qū)作物生長(zhǎng)環(huán)境，可降解地膜暫時(shí)還無(wú)法進(jìn)行大范圍推廣使用，未來(lái)幾年將仍然會(huì)使用普通PE地膜。

3 殘膜資源化利用與防控策略

3.1 資源化利用現(xiàn)狀

農(nóng)田殘膜污染問(wèn)題一直深受國(guó)家相關(guān)部門的高度重視，為切實(shí)加強(qiáng)土壤污染防治，逐步改善土壤環(huán)境質(zhì)量，2016年5月28日，國(guó)務(wù)院制定《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2020年，土壤污染趨勢(shì)得到控制，生態(tài)環(huán)境總體質(zhì)量良性發(fā)展，截至2050年，土壤環(huán)境質(zhì)量得到全面改善[50]。資源化利用是解決殘膜污染問(wèn)題的綠色手段，不僅能充分利用資源，而且有助于建設(shè)美麗家園。目前，我國(guó)農(nóng)田廢舊地膜處理的手段主要有以下幾種。

3.1.1 填埋處理

填埋處理是農(nóng)戶選擇最多的一種處理方法，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，只需要選擇地勢(shì)低洼處或人工挖一個(gè)坑進(jìn)行衛(wèi)生填埋[51]。地膜體積大、性質(zhì)穩(wěn)定，填埋廢舊殘膜占用大量耕作土地，自然狀態(tài)下難以降解，浪費(fèi)國(guó)土資源，破壞土壤結(jié)構(gòu)，阻礙水肥流通，分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，破壞生態(tài)環(huán)境，危害人類健康。

3.1.2 焚燒回收熱能

焚燒回收熱能是將廢舊地膜中的熱能釋放出來(lái)用于其他生產(chǎn)的作業(yè)方式[52]，對(duì)于難以分離雜質(zhì)和無(wú)法回收的廢舊殘膜，可以通過(guò)燃燒回收熱能進(jìn)行處理。可以實(shí)現(xiàn)能源的再利用，但是再利用的過(guò)程中產(chǎn)生有害氣體，危害健康，污染環(huán)境。

3.1.3 再生造粒

再生造粒是最可行的回收方式，產(chǎn)生最少有害產(chǎn)物并實(shí)現(xiàn)資源化利用，主要應(yīng)用于造粒、木塑等領(lǐng)域，造粒方式主要有無(wú)熔造粒工藝、濕法造粒和干法造粒[53]。

無(wú)熔造粒工藝首先將廢舊地膜清洗和篩選，去除其中的雜質(zhì)，然后將粉碎后的殘膜送入壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)中經(jīng)過(guò)壓縮和捻搓，使廢舊塑料成為條狀，再將其粉碎成4～8 mm的顆粒，最后篩選大小合適的塑料顆粒包裝存儲(chǔ)或加工利用[54]。缺點(diǎn)是不能精確控制塑料顆粒大小，使其顆粒大小不均勻，造粒過(guò)程產(chǎn)生細(xì)粉，材料利用率低。

濕法造粒工藝流程如圖6所示，廢舊塑料表面的雜質(zhì)灰塵會(huì)影響造粒質(zhì)量，通過(guò)增加清洗和粉碎次數(shù)提高塑料顆粒純度，制造成大小均勻的塑料顆粒[55]。此方法運(yùn)用廣泛，工藝簡(jiǎn)單，加工成純度較高的地膜再生顆粒，用于制造滴灌節(jié)水材料，但是破碎、清洗、切粒等工藝需要專門的設(shè)備，成本高昂，容易產(chǎn)生噪聲污染。由于該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵、污水及具有揮發(fā)性的有機(jī)物，會(huì)加快機(jī)器磨損，縮短使用壽命，同時(shí)這些揮發(fā)物彌漫在空氣中對(duì)人體健康有不利的影響。

圖6 濕法造粒流程工藝圖Fig. 6 Process diagram of wet granulation process

干法造粒經(jīng)過(guò)破碎、清洗、融化、切粒等工藝。較濕法造粒更為環(huán)保，省去了清洗和烘干環(huán)節(jié)，節(jié)約水資源，適用于新疆等缺水的區(qū)域，但為了檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量需要檢測(cè)其含雜率，需要專門的檢測(cè)設(shè)備，增加了生產(chǎn)成本[56]。生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO和CO2等氣體，影響擠出成條切粒的工序，并且影響健康，造成空氣污染。

木塑制品是以聚乙烯、聚氯乙烯與木頭碎屑、稻殼、秸稈等廢棄植物纖維混合而成的新型木質(zhì)材料[57]，經(jīng)過(guò)擠壓成型、注塑成型等工藝，運(yùn)用于建材、景區(qū)建設(shè)、家具等領(lǐng)域的板材或型材，減少木材使用量。資源化利用如圖7所示。

(a) 塑料造粒 (b) 木塑地板

(c) 木塑花盆 (d) 木塑家具圖7 資源化利用Fig. 7 Resource utilization

現(xiàn)有治理技術(shù)僅僅是片面的從回收角度提出污染治理措施，致使污染問(wèn)題不能從源頭遏制，應(yīng)堅(jiān)持農(nóng)機(jī)—農(nóng)藝—農(nóng)膜相結(jié)合的理念，從多角度解決污染問(wèn)題。

3.2 殘膜防控策略

污染問(wèn)題是全民面臨的一個(gè)社會(huì)性題，解決污染問(wèn)題需要社會(huì)各界全員參與，結(jié)合農(nóng)用機(jī)械、農(nóng)用地膜、農(nóng)藝措施、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)環(huán)境之間的互相影響關(guān)系，按照國(guó)際上流行的“3R1D”原則[58-60]，即Reduce，Reuse，Recycle，Degradable原則，在減少生產(chǎn)，重復(fù)使用，加強(qiáng)回收，回收再利用等方面共同努力，才能徹底解決殘膜污染問(wèn)題。

1) 加強(qiáng)國(guó)家和政府的必要扶持，政府是殘膜回收工作的責(zé)任主體，專門派人負(fù)責(zé)宣傳、組織、實(shí)施工作，爭(zhēng)取專項(xiàng)資金，以獎(jiǎng)代補(bǔ)，獎(jiǎng)勵(lì)殘膜回收企業(yè)和個(gè)體，加大宣傳力度，適當(dāng)增加殘膜回收價(jià)格，提高農(nóng)戶的熱情，全面帶動(dòng)回收利用工作。農(nóng)戶是土地的經(jīng)營(yíng)者和保養(yǎng)人，明確污染管理職責(zé)，回收殘膜并交送到指定回收站。

2) 健全地膜使用條例和回收制度，我國(guó)農(nóng)戶對(duì)殘膜污染的危害認(rèn)識(shí)不足，缺乏環(huán)保意識(shí)，不重視回收工作，嚴(yán)格的規(guī)章制度是落實(shí)任務(wù)的必要手段。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2017年10月14日發(fā)布的《聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜覆蓋薄膜》中指出，地膜的最小標(biāo)稱厚度不得小于0.010 mm，還對(duì)可覆蓋使用時(shí)間和力學(xué)性能提出要求，以提高殘膜可回收性，減少殘膜遺留[61-62]。農(nóng)業(yè)部于2017年5月印發(fā)《農(nóng)膜回收行動(dòng)方案》，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)污染治理力度，提高殘膜資源化利用水平，不斷完善殘膜回收系統(tǒng)，到2020年殘膜回收率達(dá)到80%以上[63]，“白色污染”得到有效解決。

3) 貫徹執(zhí)行農(nóng)機(jī)—農(nóng)藝—農(nóng)膜相結(jié)合的治理方法，高效的回收機(jī)械和規(guī)范的技術(shù)體系是減輕污染的基本條件。從農(nóng)機(jī)角度，結(jié)合地膜性能、作業(yè)環(huán)境和土壤條件優(yōu)化提升機(jī)械性能，提高回收率。從農(nóng)藝角度，綜合考慮作物生長(zhǎng)環(huán)境要求和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，開展新型種植技術(shù)，適時(shí)揭膜。從農(nóng)膜角度，使用便于回收的厚地膜或者可降解地膜，避免形成永久垃圾。

4) 完善回收和資源化利用體系，資源化利用是解決殘膜污染的關(guān)鍵步驟。建立更多的回收站點(diǎn)，落實(shí)回收站點(diǎn)包片包地的回收責(zé)任，政府鼓勵(lì)加工企業(yè)積極學(xué)習(xí)創(chuàng)新技術(shù)，改善加工流程，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高效益，逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)田殘膜治理減量化、清潔化和資源化的目標(biāo)，探索新型環(huán)保防控策略才能將污染問(wèn)題徹底解決，建設(shè)一個(gè)穩(wěn)定可持續(xù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境和綠色健康的生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 白色污染是阻礙農(nóng)業(yè)生態(tài)發(fā)展和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的戰(zhàn)略性問(wèn)題。新疆是我國(guó)地膜覆蓋面積和使用量最大的省份，殘膜污染治理工作迫在眉睫，新疆地區(qū)的污染治理策略對(duì)我國(guó)不同地區(qū)都有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。隨著地膜覆蓋栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械化回收成為治理殘膜污染主要手段之一，國(guó)內(nèi)很多高校院所、科研單位、農(nóng)機(jī)站都針對(duì)播前、苗期和秋后研制出不同類型的回收機(jī)，殘膜回收機(jī)具的關(guān)鍵零部件隨著作物種植模式和作業(yè)要求逐步改進(jìn)，更好地適應(yīng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2) 堅(jiān)持“農(nóng)機(jī)—農(nóng)藝—農(nóng)膜”相結(jié)合的治理理念，推廣機(jī)械化回收的同時(shí)，提升回收機(jī)械的作業(yè)性能，加大農(nóng)田耕層殘膜回收的力度，保證當(dāng)季殘膜有效回收；運(yùn)用農(nóng)藝措施進(jìn)行人工揭膜、改變作物種植模式和退耕還林，實(shí)現(xiàn)地膜回收再利用，減少地膜使用量；規(guī)范使用農(nóng)膜，超薄農(nóng)膜不賣不用，盡量使用厚地膜，在回收時(shí)有一定的強(qiáng)度，方便回收；使用可降解地膜，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光照射或微生物作用，自行降解為對(duì)自然環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)。

3) 可降解地膜將會(huì)成為治理污染問(wèn)題的主要解決方案，綠色、無(wú)污染的特點(diǎn)是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)環(huán)境和建設(shè)美好家園的首要條件，通過(guò)發(fā)展革新技術(shù)，滿足可降解地膜在一個(gè)生長(zhǎng)周期的有效降解，縮小與PE地膜保溫增濕作用之間的差距。目前可降解地膜還無(wú)法完全代替PE地膜，原因如下：(1)降解時(shí)間的可控性不滿足農(nóng)藝要求。(2)經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高，農(nóng)戶難以接受。(3)增溫保墑作用有待進(jìn)一步提高。(4)尚未研制出符合不同地區(qū)光照條件和溫度的可降解地膜。

4) 完善國(guó)家政策，增強(qiáng)農(nóng)民意識(shí)，國(guó)家政府是污染治理工作的責(zé)任主體，是帶動(dòng)全民參與治理工作的領(lǐng)頭羊，制定相關(guān)賞罰制度，調(diào)動(dòng)農(nóng)戶和回收企業(yè)的積極性，健全回收產(chǎn)業(yè)鏈，政府在回收、清洗、加工等方面支持有關(guān)單位和個(gè)人，開展資源化利用創(chuàng)新研究，，從源頭治理污染，把地膜生產(chǎn)—使用—回收—再利用有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)完整的閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，探尋污染治理的新方法，拓寬殘膜利用市場(chǎng)。