李亮亮,代良羽,高維常,張淑怡, ,劉濤澤*
1. 貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;2. 貴州省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)站,貴州 貴陽(yáng) 550001;3. 貴州省煙草科學(xué)研究院煙草行業(yè)山地烤煙品質(zhì)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550081
地膜覆蓋技術(shù)興起于20世紀(jì)70年代,最先在歐美、日本等國(guó)家使用,80年代后大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家引入此技術(shù)用于作物生產(chǎn),該技術(shù)具有增溫保墑、防病抗蟲和抑制雜草的作用,能使糧食作物增產(chǎn)20%—35%,已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)廣泛使用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù),對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義(嚴(yán)昌榮等,2014;嚴(yán)昌榮等,20152-12)。截至2020年,全國(guó)地膜使用總量達(dá)到1.35×106t,占農(nóng)用塑料薄膜總使用量的56.8%;地膜覆蓋種植面積達(dá)到1.74×107hm2,約占耕地總面積的 12.0%(國(guó)家統(tǒng)計(jì)局,2021)。地膜是由人工合成的高分子化合物,其分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在自然條件下很難被光解和熱解,其長(zhǎng)期存在于土壤中,破壞了土壤結(jié)構(gòu),降低了土壤養(yǎng)分含量;隨著土壤中地膜的老化,其含有的大量增塑劑會(huì)緩慢釋放到土壤中,成為重要的有機(jī)污染物之一(He et al.,2015;張丹等,2017;Wang et al.,2021)。此外,地膜在土壤中存留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)還會(huì)進(jìn)一步破碎為微塑料,其與土壤中重金屬和多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等有機(jī)物結(jié)合形成復(fù)合污染物,給農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成污染(Wang et al.,2020;李珍等,2022;劉銳涵等,2022)。因此,地膜殘留污染給農(nóng)田土壤環(huán)境和農(nóng)作物生長(zhǎng)帶來(lái)嚴(yán)重危害,制約了中國(guó)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展(鄒小陽(yáng)等,2017;杜利等,2018)。
目前已有學(xué)者對(duì)農(nóng)田地膜殘留影響因素做了大量研究,結(jié)果表明,土壤中殘膜的分布和存在形態(tài)受覆膜年限、覆膜方式、作物種類、土壤類型等因素影響(嚴(yán)昌榮等,201585-93;張丹等,2016;杜澤玉等,2020;向午燕等,2021)。已有研究表明,覆膜年限是地膜殘留的主要影響因子,賀懷杰等(2019)對(duì)典型綠洲區(qū)長(zhǎng)期膜下滴灌棉田殘膜分布的研究,以及馬彥等(2015)對(duì)甘肅省農(nóng)田地膜污染的研究表明,隨著覆膜年限增加,土壤中殘膜的含量呈逐年上升趨勢(shì)。另外,覆膜作物種類也是影響殘膜量的因素之一,杜澤玉等(2020)對(duì)張掖綠洲不同類型作物農(nóng)田地膜殘留量的研究表明,玉米種植區(qū)地膜殘留量最大,其次為蔬菜和馬鈴薯,中藥材殘留量最小。胡會(huì)軍等(2013)對(duì)吉林省主要覆膜作物地膜殘留的研究表明,瓜菜種植區(qū)地膜殘留量最大,其次為玉米種植區(qū),花生種植區(qū)地膜殘留量最小。此外,土壤類型也是地膜殘留的影響因素之一,王學(xué)霞等(2021)對(duì)山東省花生種植區(qū)土壤殘膜的研究表明,在覆膜量和覆膜年限相同條件下砂土殘膜量少于壤土和黏土;曾招兵等(2014)對(duì)廣東省典型地區(qū)地膜殘留的研究表明,粘質(zhì)土壤中地膜與土壤的親和力較強(qiáng),從而導(dǎo)致粘質(zhì)土壤中地膜容易因?yàn)樗核槎鴼埩?,而砂質(zhì)土壤中地膜很容易被大塊撿拾。
2018—2020年貴州省地膜覆蓋面積呈逐年上升趨勢(shì);截止2020年,覆膜面積增加到了3.71×105hm2,約占貴州省耕地面積8.2%;地膜使用量趨于穩(wěn)定,2019年和2020年地膜使用量均約為2.3×104t,占農(nóng)用塑料薄膜總使用量50%以上(國(guó)家統(tǒng)計(jì)局,2021;貴州統(tǒng)計(jì)局,2021)。貴州省地膜覆蓋方式主要有平畦覆蓋、高壟覆蓋和高畦覆蓋,鋪設(shè)時(shí)間集中在1—4月,回收時(shí)間集中在5—12月,主要采用人工覆膜和揭膜。貴州地處長(zhǎng)江和珠江上游,是中國(guó)重要的生態(tài)屏障之一,地膜殘留增加將可能導(dǎo)致流域內(nèi)塑料污染的加劇,目前尚缺乏關(guān)于貴州省地膜殘留量分布和賦存特征方面的相關(guān)研究工作。本文通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查與取樣檢測(cè)相結(jié)合的方法,對(duì)貴州省主要覆膜作物(烤煙、蔬菜和辣椒)的地膜使用情況、殘留情況和環(huán)境因素等進(jìn)行調(diào)查和采樣分析,研究地膜殘留量的分布賦存特征及影響因素,以期為區(qū)域內(nèi)地膜污染防治提供技術(shù)支撐。
貴州省位于中國(guó)西南地區(qū)東部,東毗湖南、南鄰廣西、西連云南、北接四川和重慶;屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),境內(nèi)氣候溫暖濕潤(rùn),年平均氣溫15 ℃左右,年降雨量在1000—1400 mm之間;年無(wú)霜期在250—300 d之間。冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑,最冷的1月平均氣溫4—6 ℃,最熱的7月平均氣溫 15—23 ℃,陰天多,日照少。主要經(jīng)濟(jì)覆膜作物為烤煙、蔬菜和辣椒。本研究以貴州省9個(gè)市(州)典型覆膜耕地為研究對(duì)象,考慮覆膜年限、種植區(qū)域、覆膜作物和土壤類型等綜合因素,采用PPS抽樣原則,即與覆膜規(guī)模成比例的概率抽樣原則進(jìn)行設(shè)置采樣點(diǎn),在每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域選擇 2—4個(gè)樣地作為調(diào)查對(duì)象,共選擇29個(gè)調(diào)查樣地(圖1和表1)。
表1 地膜使用及回收情況(2021年)Table 1 Input and recovery of plastic film (2021)
圖1 地膜采樣點(diǎn)分布Figure 1 Location of the sampling sites
在作物翻耕播種前進(jìn)行采樣,采樣時(shí)揭除當(dāng)季地表覆蓋地膜,每個(gè)樣地隨機(jī)選擇5個(gè)樣方,采樣面積為1 m2(100 cm×100 cm),采樣深度為0—30 cm,將土壤樣品放在帆布上,用10目的篩子篩去土壤,將肉眼可見(jiàn)的殘膜撿出,放入布袋,殘膜收集完后,恢復(fù)土壤原貌。
將采集完后的地膜帶回實(shí)驗(yàn)室,先用清水浸泡20 min,去除附著在地膜上的大量泥土和樹(shù)枝殘葉等雜物,再用超聲波清洗儀(JT1027HT)進(jìn)行清洗30 min,清洗完后用濾紙將地膜上的水分吸干,小心展開(kāi)卷曲的地膜,放在干燥處自然晾干,然后用電子天平稱量質(zhì)量,統(tǒng)計(jì)地膜殘留量;用毫米尺子測(cè)量地膜最長(zhǎng)邊長(zhǎng)度,按照<5、5—10、10—15 和>15 mm標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí),分類統(tǒng)計(jì)殘膜個(gè)數(shù)。
在取樣時(shí),對(duì)選取的樣地進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。主要包括覆膜年限、覆膜量、地膜厚度和寬度、土壤類型、作物種類、回收方式等。由表1可知,調(diào)查區(qū)覆膜作物包括烤煙、蔬菜、辣椒,覆膜年限在 1—20 a,地膜年均使用量為73—78 kg·hm-2,地膜使用厚度為0.01 mm,土壤類型有壤土、砂土和黏土,其中壤土占比最大,為68.97%。
1.5.1 地膜殘留量計(jì)算
將每個(gè)樣地所有樣方的地膜殘留量相加求平均值,即為該樣地的地膜殘留量(殘膜數(shù)量計(jì)算方法相同):
式中:
A——該樣地地膜殘留量,kg·hm-2;
N1、N2、N3、N4、N5——1#、2#、3#、4#、5#樣方殘膜的質(zhì)量,g;
5——樣方總數(shù)。
1.5.2 地膜殘留污染評(píng)價(jià)方法
參照2011年實(shí)施的《農(nóng)田地膜殘留量限值及測(cè)定》(GB/T 25413—2010)標(biāo)準(zhǔn),待播農(nóng)田耕作層內(nèi)地膜殘留量限值應(yīng)不大于 75.0 kg·hm-2。并根據(jù)2017年發(fā)布的《農(nóng)田地膜殘留調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(DB23/T 2033—2017)地方標(biāo)準(zhǔn),按GB/T 25413標(biāo)準(zhǔn)中農(nóng)田地膜殘留量限值為閾值,確定地膜殘留污染程度,劃分為5個(gè)級(jí)別:地膜殘留量0—25 kg·hm-2屬于低污染;25—50 kg·hm-2屬于中污染;50—75 kg·hm-2屬于高污染;>75 kg·hm-2屬于重污染。
1.5.3 殘膜破碎度(F)計(jì)算
式中:
F——破碎度值,mg·piece-1;
m——樣方內(nèi)殘膜總質(zhì)量,g;
n——樣方內(nèi)殘膜總數(shù)量,piece。
1.5.4 數(shù)據(jù)分析方法
基于 SPSS 26.0,運(yùn)用單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行差異性分析。文中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤,用GraphPad Prism進(jìn)行繪圖。
土壤中的殘膜主要分布在耕作層,根據(jù)調(diào)查,樣地土壤耕作層均在0—30 cm范圍,大于30 cm幾乎沒(méi)有地膜殘留,所以在0—30 cm的耕作層對(duì)殘膜進(jìn)行采樣。本研究共調(diào)查29個(gè)樣地,從表2可知,土壤中殘膜含量分布在8.18—235.39 kg·hm-2,平均值為 70.84 kg·hm-2,地膜殘留量變異系數(shù)為84.53%,各樣地殘膜含量存在較大差異。根據(jù)地膜殘留污染評(píng)價(jià)方法對(duì)樣地污染程度進(jìn)行劃分,由圖2可知,殘膜含量為<25 kg·hm-2的低污染樣地有7個(gè),占比為24.14%;25—50 kg·hm-2的中污染樣地有6個(gè),占比為20.69%;50—75 kg·hm-2的高污染樣地有7個(gè),占比為24.14%;而>75 kg·hm-2的重污染樣地有9個(gè),占比達(dá)到31.03%。
圖2 不同殘膜含量的樣地個(gè)數(shù)Figure 2 Number of plots with different residual film amount
表2 土壤中地膜殘留分布情況Table 2 Distribution of plastic film residue in soil
由表 2可知,29個(gè)樣地殘膜數(shù)量分布在10.00×104— 582.00×104piece·hm-2, 平 均 值 為164.52×104piece·hm-2, 殘 膜 數(shù) 量 變 異 系 數(shù) 為101.93%,表明各樣地殘膜數(shù)量差異非常大。由圖3可知,殘膜數(shù)量<100×104piece·hm-2的樣地有14個(gè),占比為 48.28%;100—200×104piece·hm-2的樣地有7 個(gè),占比為 24.14%;>200×104piece·hm-2的樣地有8個(gè),占比為27.58%。
圖3 不同殘膜數(shù)量的樣地個(gè)數(shù)Figure 3 Number of plots with different residual film quantity
由表 2可知,29個(gè)樣地殘膜破碎度值分布在16.22 — 165.24 mg·piece-1, 平 均 值 為 66.84 mg·piece-1,變異系數(shù)為 59.90%,表明各樣地殘膜破碎度差異較大。由圖 4可知,殘膜破碎度<50 mg·piece-1的樣地有 14個(gè),占比為 48.28%;50—100 mg·piece-1的樣地有 8個(gè),占比為 27.59%;>100 mg·piece-1的樣地有7個(gè),占比為24.13%。
圖4 不同殘膜破碎度的樣地個(gè)數(shù)Figure 4 Number of plots with different residual film fragmentation index
2.2.1 覆膜年限對(duì)殘膜賦存特征的影響
地膜污染的主要特點(diǎn)是長(zhǎng)期使用造成的累積污染,由于使用后回收不完全,導(dǎo)致覆膜時(shí)間越久,污染越嚴(yán)重(郭戰(zhàn)玲等,2106)。29個(gè)樣地覆膜年限范圍為 1—20 a,根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù),將覆膜年限劃分為:1—5、6—10、11—15 和 16—20 a。覆膜年限對(duì)土壤殘膜含量的影響如圖5所示,隨著覆膜年限增加,殘膜含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。覆膜1—5 a,平均殘膜量為40.20 kg·hm-2,處于中污染水平;與覆膜1—5 a相比,6—10 a和11—15 a平均殘膜量顯著增加了約87.69%和146.59%(P<0.05),平均殘膜量分別為 75.45 kg·hm-2和 99.13 kg·hm-2,處于重污染水平;16—20 a殘膜量增加了69.60%,平均殘膜量為68.18 kg·hm-2,處于高污染水平。表明覆膜年限越長(zhǎng),地膜殘留量越大,地膜污染越嚴(yán)重。
圖5 不同覆膜年限地膜殘留量Figure 5 The residual film amount of different mulching years
覆膜年限對(duì)樣地殘膜數(shù)量的影響如圖6所示。覆膜 1—5 a,平均殘膜數(shù)量約為 79.25×104piece·hm-2;與覆膜 1—5 a相比,6—10 a和 11—15 a平均殘膜數(shù)量增加了69.30%和235.10%,殘膜數(shù)量分別為 134.17×104piece·hm-2和 265.57×104piece·hm-2;當(dāng)覆膜16—20 a,殘膜數(shù)量有所減少,與11—15 a相比,殘膜數(shù)量下降了4.66%。方差分析表明覆膜11—15 a和16—20 a殘膜數(shù)量顯著高于1—5 a和6—10 a(P<0.05)。表明殘膜數(shù)量隨覆膜年限的增加呈增加趨勢(shì)。
圖6 不同覆膜年限地膜殘留數(shù)量Figure 6 The residual film quantity of different mulching years
覆膜年限對(duì)不同長(zhǎng)度地膜殘片數(shù)量和比例的影響如表3所示。土壤中長(zhǎng)度<5 cm和5—10 cm的殘膜數(shù)量和比例均高于10—15 cm和>15 cm,當(dāng)覆膜時(shí)間超過(guò)5 a時(shí),這種差異更加顯著(P<0.05)。隨著覆膜年限增加,長(zhǎng)度<5 cm和5—10 cm殘膜數(shù)量和比例呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),長(zhǎng)度10—15 cm和>15 cm的殘片數(shù)量呈現(xiàn)為先增加后減少趨勢(shì),而其所占比例為逐漸減少趨勢(shì)。
表3 不同覆膜年限殘膜大小分布特征Table 3 The distribution characteristics of residual film size in different mulching years
殘膜的破碎度值(F)是表示殘膜破碎程度大小的指標(biāo),殘膜破碎度值越小,即單位數(shù)量殘膜的質(zhì)量越小,表明殘膜破碎程度越大(嚴(yán)昌榮等,2015)89-90。覆膜年限對(duì)殘膜破碎度的影響如圖 7所示,隨著覆膜年限增加,平均殘膜破碎度值呈逐漸減小趨勢(shì)。覆膜1—5 a,平均殘膜破碎度值88.56 mg·piece-1;與覆膜 1—5 a相比,6—10 a殘膜破碎度值減少了14.53%,11—15 a和16—20 a顯著減少了 49.12%和 60.55%(P<0.05)。說(shuō)明覆膜年限越久,殘膜破碎度值越小,殘膜破碎程度越大。
圖7 不同覆膜年限殘膜破碎度Figure 7 The residual film fragmentation index of different mulching years
2.2.2 作物種類對(duì)殘膜賦存特征的影響
調(diào)查中發(fā)現(xiàn),不同作物因用膜量和地膜回收難易程度不同,造成地膜殘留量不同。調(diào)查的 29個(gè)樣地中辣椒的覆膜年限為 1—10 a,蔬菜和烤煙的覆膜年限為1—20 a,因此,統(tǒng)計(jì)覆膜年限1—10 a內(nèi)3種作物的殘膜含量,其中種植烤煙的樣地有10個(gè),種植蔬菜的樣地有4個(gè),種植辣椒的樣地有5個(gè)。3種作物平均殘膜含量如圖8所示,蔬菜平均殘膜量為81.43 kg·hm-2,處于重污染;烤煙平均殘膜量為 61.17 kg·hm-2,辣椒平均殘膜含量為 52.22 kg·hm-2,烤煙和辣椒處于高污染。
圖8 不同作物類型覆膜殘留量Figure 8 The residual film amount of different crops
2.2.3 土壤類型對(duì)殘膜賦存特征的影響
研究區(qū)域土壤類型以壤土分布最多(68.97%),其次為黏土(20.69%),砂土分布最少(10.34%)。如圖9所示,不同土壤類型地膜殘留量不同,3種土壤類型平均殘膜含量關(guān)系為壤土 (87.27 kg·hm-2)>黏土 (47.22 kg·hm-2)>砂土 (40.62 kg·hm-2),壤土殘膜量約為黏土和砂土的1.85倍和2.15倍。方差分析壤土與黏土和砂土存在顯著差異(P<0.05),黏土和砂土差異不顯著(P>0.05)。
圖9 不同土壤類型中殘膜的含量Figure 9 The film residual amount of different soil type
本研究對(duì)地膜殘留調(diào)查表明,29個(gè)樣地地膜殘留空間分布差異較大,殘膜含量分布在 8.18—235.39 kg·hm-2,平均值為 70.84 kg·hm-2。根據(jù)全國(guó)不同地區(qū)地膜平均殘留量(表 4)的比較,本研究調(diào)查樣地的平均值要高于南方平原、四川攀西、河南省、山東省和青島市等地區(qū)地膜殘留量,其主要原因是貴州省屬于典型的喀斯特地貌特征,多為山地和丘陵,主要采用人工覆膜和揭膜,地膜回收效率較低,從而導(dǎo)致地膜殘留量相對(duì)較高;但明顯低于內(nèi)蒙古和新疆等地區(qū),這是因?yàn)閮?nèi)蒙古和新疆地區(qū)土壤干旱,氣候寒冷,覆膜時(shí)間長(zhǎng),又是中國(guó)地膜使用量和覆膜面積最多的地方,因而地膜殘留量比貴州高。
表4 不同地區(qū)地膜殘留量Table 4 Film residue in different regions
農(nóng)田地膜殘留量受覆膜年限、覆膜方式、回收方式、土壤類型、地膜厚度等因素影響。其中覆膜年限是影響地膜殘留量的關(guān)鍵因素。對(duì)山東(王學(xué)霞等,2021)、內(nèi)蒙古(王永寧等,2022)、新疆(董合干等,2013)、廣東(曾招兵等,2014)、河南(郭戰(zhàn)玲等,2016)、華北地區(qū)(馬輝等,2008),以及中國(guó)棉花主產(chǎn)區(qū)(丁凡等,2021)等地區(qū)地膜殘留賦存特征的研究均表明,地膜殘留量隨著覆膜年限增加而增加,本研究也得到相似結(jié)果。本研究表明,在覆膜1—15 a內(nèi)地膜平均殘留量和數(shù)量值呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)覆膜年限達(dá)到16—20 a時(shí),地膜平均殘留量和數(shù)量有所減少,與覆膜11—15 a相比,地膜平均殘留量和數(shù)量分別減少了 31.22%和4.66%。這可能是因?yàn)榈啬らL(zhǎng)期殘留在農(nóng)田里,受氧化和耕作機(jī)械共同作用,地膜破碎程度加大,破碎為肉眼不可見(jiàn)形態(tài),不能被撿拾;此外,殘膜受到地表徑流和風(fēng)等外力導(dǎo)致的沖刷或吹失。
本研究表明,隨著覆膜年限增加,長(zhǎng)度<5 cm和5—10 cm殘膜數(shù)量和比例呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),長(zhǎng)度10—15 cm和>15 cm的殘片數(shù)量呈現(xiàn)為先增加后減少趨勢(shì),而其所占比例為逐漸減少趨勢(shì),說(shuō)明隨著覆膜年限增加,土壤中殘膜破碎化程度增大。這與馬輝等(2008)在華北棉田種植區(qū)的研究,以及尹少媛等(2022)在內(nèi)蒙古農(nóng)田耕層土壤地膜殘留現(xiàn)狀研究一致。殘膜破碎度值隨覆膜年限增加而減小,覆膜16—20 a破碎度值顯著小于1—5 a和6—10 a(P<0.05),表明覆膜年限越久,殘膜破碎程度越大,殘膜的撿拾難度也隨之加大。
國(guó)內(nèi)相關(guān)研究表明,土壤質(zhì)地和作物種類也是影響地膜殘留量的重要原因(黃晶晶等,2012;包明哲等,2022)。徐鈺等(2018)和王學(xué)霞等(2021)對(duì)山東省地膜殘留的研究均表明,壤土殘膜含量大于砂土,本研究得到相同結(jié)果,這主要是因?yàn)榈啬ぴ陴ね梁腿劳晾锏挠H和力較強(qiáng),回收過(guò)程容易破碎,回收不完全,從而造成殘留量較大,而砂土容易與地膜分離,利于殘膜撿拾,殘膜回收率高,地膜殘留量較低。作物種類也是影響地膜殘留量的關(guān)鍵因素,本研究調(diào)查的3種作物中,在覆膜1—10 a內(nèi),蔬菜平均殘膜含量最高,為81.43 kg·hm-2;其次是烤煙,平均殘膜量為61.17 kg·hm-2;辣椒的平均殘膜含量最低,為殘留量為52.22 kg·hm-2。這主要是受到不同作物種植過(guò)程中栽培方式,地膜使用時(shí)間和覆膜方式等因素的綜合影響。
(1)本研究 29個(gè)樣地的調(diào)查研究表明,土壤中殘膜含量分布在8.18—235.39 kg·hm-2,平均值為70.84 kg·hm-2。各樣地殘膜含量差異較大,29個(gè)樣地中處于低污染的樣地有7個(gè),處于中污染的樣地有6個(gè),處于高污染的樣地有7個(gè),處于重污染的樣地有9個(gè)。
(2)隨著覆膜年限增加,長(zhǎng)度<5 cm和5—10 cm殘膜數(shù)量和比例為增加趨勢(shì),長(zhǎng)度10—15 cm和>15 cm殘膜數(shù)量先增加后減少,其所占比例為逐年降低趨勢(shì);另外,隨著覆膜年限增加,殘膜破碎度值逐漸減小,殘膜破碎程度變大,殘膜撿拾難度增加;最后,3種土壤類型平均殘膜含量關(guān)系為壤土>黏土>砂土。在相同覆膜年限下,不同覆膜作物地膜殘留量變化趨勢(shì)為:蔬菜>烤煙>辣椒。