我國(guó)農(nóng)用地膜應(yīng)用趨勢(shì)及殘留特點(diǎn)分析

張俊麗索龍梁建宏景鵬娟劉華棟支進(jìn)鋒

(1.渭南市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 渭南 714000；2.渭南市種子工作站，陜西 渭南 714000；3.陜西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西 西安 710000)

覆蓋農(nóng)用地膜(以下簡(jiǎn)稱“地膜”)有顯著的提升低溫，保水抗旱，抑草滅草等作用[1-3]，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效作用明顯，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[4，5]。隨著地膜的大量使用以及長(zhǎng)期以來的重使用輕回收，導(dǎo)致殘留于農(nóng)田的地膜逐年增多[6-8]，降低耕作層土壤的透氣性，阻礙作物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收，影響機(jī)械作業(yè)質(zhì)量，造成“白色污染”[4，5，9]。為推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，各地結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)地膜使用情況進(jìn)行分析，并在防治對(duì)策等方面進(jìn)行了大量思考和實(shí)踐[3，6，9，10]。為科學(xué)發(fā)揮地膜在保障農(nóng)產(chǎn)品安全供給、推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面的作用，本研究對(duì)我國(guó)地膜使用現(xiàn)狀及殘留特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，針對(duì)使用、回收等方面存在的突出問題提出了建議，以期為地膜科學(xué)使用提供一定的理論依據(jù)。

1 地膜應(yīng)用趨勢(shì)分析

1.1 地膜使用量與覆蓋面積

1993—2020年我國(guó)地膜的覆蓋面積和使用量整體上呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，見圖1，地膜覆蓋面積由1993年的572.19萬hm2增加至2020年的1738.68萬hm2，增加了1166.49萬hm2，增加3.04倍；地膜使用量由1993年的37.46萬t增加到2016年的147.01萬t，隨后持續(xù)略降，至2020年達(dá)到135.70萬t。

1.2 地膜應(yīng)用分布

農(nóng)用地膜在我國(guó)大部分地區(qū)均有應(yīng)用，以1993—2020年28年地膜使用總量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，新疆、山東、甘肅、四川居全國(guó)前列，其次為云南、河南、河北、內(nèi)蒙古、湖南，西藏和青海的使用量相對(duì)較小。以2020年地膜使用量為例，見圖2，新疆、甘肅、山東居全國(guó)前列，分別為23.85×104t、11.30×104t、9.9×104t；其次為云南、內(nèi)蒙古、四川等，寧夏、青海、上海、天津、北京和西藏使用量相對(duì)較小，均低于0.6×104t；以2020年地膜覆蓋面積為例，見圖3，新疆、山東、內(nèi)蒙古、甘肅、云南覆膜面積較大，覆膜面積占全國(guó)覆膜面積的52%以上。

圖2 2020年全國(guó)地膜使用量分布

圖3 2020年全國(guó)地膜覆蓋面積分布

1.3 地膜使用強(qiáng)度

以1993年、2006年和2018年3個(gè)年份為例，分析膜使用強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，見圖4，20多年來，全國(guó)各地農(nóng)用地膜使用強(qiáng)度均有提高，全國(guó)農(nóng)膜使用強(qiáng)度均值由1993年的3.93kg·hm-2提高至10.41kg·hm-2，總體上西北地區(qū)的使用強(qiáng)度大，如2018年新疆和甘肅的地膜使用強(qiáng)度分別達(dá)45.46kg·hm-2和21.10kg·hm-2；不同省份地膜使用強(qiáng)度的提高幅度不同，如青海由1993年的0.19kg·hm-2提高至2018年的9.49kg·hm-2，提高50倍；西藏則由1993年的0.10kg·hm-2提高至2018年的3.59kg·hm-2，提高約36倍；內(nèi)蒙古、河北、新疆、甘肅也由1993年的1.17、1.91、12.42、6.70kg·hm-2提高至2018年的8.17kg·hm-2、8.12kg·hm-2、45.67kg·hm-2、21.10kg·hm-2，均提高3倍以上。

圖4 1993年、2006年和2018年我國(guó)各地農(nóng)用地膜使用強(qiáng)度對(duì)比

2 農(nóng)田土壤中地膜殘留特點(diǎn)分析

地膜可以長(zhǎng)期在土壤中留存[3，10，11]，自然條件下很難分解或降解。據(jù)第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)顯示，2017年農(nóng)田土壤地膜累積殘留量達(dá)118.48萬t。地膜在土壤中的殘留特點(diǎn)與應(yīng)用區(qū)域、土層分布、覆膜年限等有明顯差異[3，12-14]。

2.1 殘留地膜與區(qū)域分布

綜合分析各地殘膜量發(fā)現(xiàn)，我國(guó)農(nóng)田殘膜的區(qū)域分布規(guī)律表現(xiàn)為西南地區(qū)<華南地區(qū)<華東地區(qū)<華中地區(qū)<東北地區(qū)<華北地區(qū)<西北地區(qū)[4，5，13]，其中，西南地區(qū)土壤的殘膜量整體較低，殘膜量由高到低依次為云南、四川和重慶，云南省因旱地農(nóng)業(yè)面積大，覆膜種植技術(shù)應(yīng)用廣泛；華南地區(qū)殘膜量最高為廣西，達(dá)30.96kg·hm-2；在華東地區(qū)，山東、江蘇、安徽、浙江和上海的殘膜量依次遞減，與地膜使用量的變化規(guī)律一致；在華中地區(qū)，河南的殘膜量最高，達(dá)53.54kg·hm-2，明顯高于湖北和江西，這與河南省覆膜種植面積大且覆膜寬度均較高有關(guān)；在華北地區(qū)，殘膜量最高為河北，達(dá)81.25kg·hm-2，這與河北省的花生和棉花多采用覆膜種植有關(guān)；西北地區(qū)殘膜量最高的是新疆，達(dá)128.12kg·hm-2，其次是甘肅、陜西、青海和寧夏。

2.2 殘留地膜與土層分布

多數(shù)研究顯示[4，10]，殘膜主要集中在0～30cm耕作層，殘膜量隨土層深度增加而減小，0～10cm、10～20cm和20～30cm土層殘膜分配比例分別為>50%、10%～40%和<10%；部分地區(qū)(如新疆)因農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較高、土壤耕翻深度較大，在30～40cm土層會(huì)殘留部分地膜[8]，殘留量約占總量的4%。另外，不同土層中殘膜的片數(shù)和大小也存在差異，一般情況下，淺層土壤中的殘膜片數(shù)多于深層土壤，大膜(>25cm2)、中膜(4～25cm2)和小膜(<4cm2)的數(shù)量比約為7∶2∶1[10]，且隨覆膜年限增加，殘膜片數(shù)和小膜數(shù)量逐漸增多[9]。

2.3 殘留地膜與覆膜年限

全國(guó)各省(區(qū))的地膜使用強(qiáng)度在過去20年均呈增加趨勢(shì)，增幅為3～10倍[2-4]。隨覆膜年限增加，農(nóng)田的地膜殘留量呈增多趨勢(shì)[5，12]，有研究顯示，連續(xù)覆膜2年、5年和10年的棉田，殘膜量分別為59.1kg·hm-2、75.3kg·hm-2和103.4kg·hm-2[15]；覆膜5～10年的農(nóng)田耕層中殘膜量達(dá)173.6kg·hm-2，覆膜10～15年和15年以上分別較5～10年提高135.9kg·hm-2和236.0kg·hm-2[3]；當(dāng)?shù)啬び昧繛?5kg·hm-2時(shí)，連續(xù)覆膜8年后農(nóng)田殘膜量(81.6kg·hm-2)約是覆膜1年地膜殘留量(26.55kg·hm-2)的3倍，每年地膜殘留量約為地膜使用量的1/4[11]。另外，土壤中地膜殘留強(qiáng)度和破碎率隨覆膜年限增加而增加，有研究顯示，與覆膜2年相比，覆膜5年、10年、20年后，農(nóng)膜平均殘留強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了80.14%、163.70%、273.64%，農(nóng)膜平均破碎率分別增長(zhǎng)20.97%、38.14%、60.20%；覆膜2年、5年、10年的旱作玉米田耕層殘膜量分別為29.70kg·hm-2、35.49kg·hm-2、53.13kg·hm-2，殘膜數(shù)量分別為198片、273片、483片。

2.4 殘留地膜與覆膜方式

半膜覆蓋下農(nóng)田地膜殘留量明顯低于全膜覆蓋，有研究顯示，全膜覆蓋下0～20cm土壤地膜殘留量均值為14.71kg·hm-2，約是半膜覆蓋的1.7倍[11]；劉含飴[13]分析12個(gè)全覆膜樣本、18個(gè)半覆膜樣本發(fā)現(xiàn)，全膜覆蓋下地膜殘留量為47.24kg·hm-2，半膜覆蓋地膜殘留量37.46kg·hm-2。半膜覆蓋下農(nóng)田地膜殘留量明顯低于全膜覆蓋的原因與半膜覆蓋使用的地膜數(shù)量少、覆蓋面積小以及半膜覆蓋周期短地膜回收時(shí)破碎率相對(duì)較低等有關(guān)。

2.5 殘留地膜與覆膜作物和種植方式

種植作物類型顯著影響地膜殘留量，有研究顯示，連續(xù)覆膜10年瓜菜輪作農(nóng)田地膜殘留量為30kg·hm-2，明顯高于玉米連作(28kg·hm-2)和花生連作(16kg·hm-2)[14]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)膜污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在東北地區(qū)設(shè)置45個(gè)采樣點(diǎn)，調(diào)查殘膜面積>55mm的地膜殘留量，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)玉米田的地膜殘留量高于種植其他作物農(nóng)田[5]，這可能是因?yàn)橛衩赘荡謮眩⑶矣袣馍?，根系纏繞導(dǎo)致地膜難回收。

3 展望與建議

3.1 源頭減量：研發(fā)應(yīng)用地膜替代技術(shù)

加強(qiáng)地膜替代技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用是從源頭上減少地膜殘留的重要措施。常見的地膜替代技術(shù)有生物降解膜替代技術(shù)、秸稈覆蓋替代技術(shù)、施用保水劑替代技術(shù)、農(nóng)藝減控技術(shù)(如減少地膜田間覆蓋度，一膜兩用或多用，適期掲膜，優(yōu)化耕作制度)等，其中生物降解膜替代技術(shù)備受關(guān)注，但其因成本高等原因，目前應(yīng)用面積不大，后期應(yīng)該加強(qiáng)生物降解地膜的生產(chǎn)工藝和原料配方等的研究，進(jìn)一改善產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本，政府部門也可通過一些補(bǔ)助措施，鼓勵(lì)引導(dǎo)農(nóng)民使用生物降解地膜。

3.2 過程控制：強(qiáng)化殘膜與雜質(zhì)分離技術(shù)

從作物收獲后機(jī)械起膜、清雜、卷捆、卸膜等全流程著手，加強(qiáng)殘膜分離技術(shù)研發(fā)，如起膜壓茬碎土技術(shù)、膜面雜質(zhì)清潔技術(shù)、旋轉(zhuǎn)輥集膜卷捆技術(shù)等，提升殘膜機(jī)械化回收利用率，是減少殘留地膜污染的重要環(huán)節(jié)；加強(qiáng)殘膜再生利用技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，如通過改性再生技術(shù)生產(chǎn)品質(zhì)更高，原料適應(yīng)性更強(qiáng)的再生制品，是實(shí)現(xiàn)廢舊農(nóng)膜資源化再利用的重要方向。值得注意的是，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田殘膜與雜質(zhì)分離是目前提升殘膜回收率和利用率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研發(fā)殘膜分離技術(shù)和裝備，對(duì)從源頭上解決環(huán)境污染、土壤污染和實(shí)現(xiàn)殘膜再利用具有重要意義。

3.3 末端消減：無害化處理廢棄地膜

對(duì)于不能通過再生利用技術(shù)進(jìn)行再利用的殘膜，采用能量回收、熱解和溶解等特定方式進(jìn)行無害化處理，是消減殘膜污染的關(guān)鍵措施。利用農(nóng)膜熱值較高(約10278～10833kcal·kg-1)的特點(diǎn)，通過焚燒爐焚燒回收熱能發(fā)電，是目前常用的一種利用方式，但廢舊農(nóng)膜還含有少量鹵素元素，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，容易造成二次污染，減少污染物的排放是該技術(shù)突破的重點(diǎn)方向。另外，熱解技術(shù)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)廢舊塑料循環(huán)利用的關(guān)鍵技術(shù)措施，但存在設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、管道易結(jié)焦堵塞等問題，解決熱解問題中的這些“卡脖子”問題是推動(dòng)地膜無害化處理效能提升的關(guān)鍵。