農用地膜污染防治戰略研究

許詠梅，房世杰，馬曉鵬，朱倩倩

（1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊830091；2.新疆農業科學院科研管理處，烏魯木齊830091）

一、前言

近年來，我國農作物地膜覆蓋面積迅速增長，2016年達到1.84×107hm2，成為世界上地膜覆蓋栽培面積最大的國家。但是，農用地膜在提高作物產量的同時，其殘留在耕地土壤中的碎片已成為我國北方地區主要的面源污染問題之一。本文在分析農用地膜利用和污染態勢及其成因的基礎上，從地膜標準化生產控制、地膜田間科學合理使用、殘膜高效回收以及推廣可降解地膜等四個方面提出了我國農用地膜污染防治的戰略措施，以期為提升耕地土壤環境質量提供科學參考。

二、我國農用地膜使用與污染態勢分析

（一）農用地膜利用現狀

1.地膜覆蓋面積和使用量顯著增加

我國地膜覆蓋面積從1992年的5.934×106hm2增長到2016年的1.84×107hm2，遞增了2.11倍，年均增長率為8.76%，平均每年增加5.195×105hm2。地膜使用量從1992年的3.803×105t增長到2016年的1.47×106t，增加了2.87倍，年均增長率為11.94%，平均每年增加4.54×104t，已占世界地膜使用總量的50%以上（見圖1）（數據來源于《中國農村統計年鑒》1992—2016年）。

2.地膜使用區域由西部向東部急速擴展

對各省覆膜面積的變化統計表明，1992年山東、四川、新疆、湖北是四個主要的覆膜大省（區），其中山東農田覆膜面積為7.26×105hm2，四川為6.618×105hm2，主要應用于蔬菜栽培；新疆覆膜種植6.167×105hm2，湖北覆膜種植5.125×105hm2，其余各省農田覆膜面積均在3.5×105hm2以下。川魯地區的地膜覆蓋栽培面積遠超過西北地區（見圖2）。至2016年，覆膜面積超過5×105hm2的?。▍^）增加到12個，其中超過1×106hm2?。▍^）為8個，以山東、甘肅、內蒙古、河北、河南為代表的中原地區覆膜栽培大省已經形成；云南、四川成為西南地區覆膜栽培的主要種植區。超過1.5×106hm2的地膜大?。▍^）為新疆和山東，分別達到了3.405×106hm2和2.092×106hm2。地膜覆蓋栽培技術從我國中部向西北、東北、南方地區擴展，已覆蓋全國所有?。ㄊ?、區）（見圖2）。

圖1 1992—2016年全國農用地膜使用量和覆蓋面積變化趨勢

（二）農用地膜污染態勢

當前我國地膜殘留總量近2×106t，回收率不足2/3，耕地土壤平均殘留量為60 kg/hm2[1]。西北干旱綠洲區是我國農膜使用量最大的區域，耕地農膜殘留污染也最為嚴重，如新疆地膜覆蓋總面積已近3.405×106hm2，達到其耕地總面積的50%以上。對其20個縣的調查數據顯示，農田地膜殘留量平均為255 kg/hm2，是全國平均值的5倍，其中地膜殘留量大于225 kg/hm2的農田占80%，農田殘膜污染嚴重。

我國其他地區耕地殘膜污染也較嚴重。調查發現[2]，甘肅隴東地區平均地膜殘留量為139 kg/hm2，陜西地區平均地膜殘留量為110 kg/hm2，華北平原覆膜棉區平均地膜殘留量為80.5 kg/hm2，湖北恩施煙田平均殘留量為71.9 kg/hm2，北京、河北、山東等地蔬菜的地膜平均殘留分別達到了48 kg/hm2、58 kg/hm2、40.5 kg/hm2，河南等地的花生種植區平均地膜殘留已達到66 kg/hm2，殘膜累積污染明顯。

我國地膜回收率較低，農用地膜污染呈不斷加重和擴散趨勢。以新疆石河子墾區調查數據為例，連續覆膜20年和10年棉田中的地膜殘留量分別為326 kg/hm2和278 kg/hm2，其中連續20年覆膜種植棉花–加工番茄土壤中殘留量高達358 kg/hm2。即使在南方地區，如湖北省農膜覆蓋玉米連續種植5年，殘留地膜也達到140 kg/hm2。另外，近20多年來我國大多數?。ㄊ?、區）耕地地膜覆蓋系數呈增加趨勢，增加量在0.06%～20.03%，其中，上海、西藏和江西增加量較大，均在17%以上；吉林、湖北、四川、青海和浙江的增加量在4%～10%。單位耕地面積上地膜覆蓋程度不斷加大，表明地膜殘留累積污染的風險越大。

圖2 各?。ㄊ?、區）農田覆膜面積

（三）農膜污染造成土壤理化性質惡化，環境污染風險增加

1.殘膜碎片障礙耕層形成，土壤理化性質下降，作物減產

由于我國使用的農膜厚度＜0.008 mm，超薄膜易破碎，碎片面積1～25 cm2的數量約為1×107～2×107片/hm2，與0～20 cm耕層土壤混合在一起，人為形成了殘膜碎片障礙層。試驗表明，當農田殘膜量為 225 kg/hm2時，容重較無殘膜土壤增加18.2%，土壤孔隙度降低 13.8%[3]， 0～120 cm土層的土壤體積含水率下降、土壤水分下滲速度緩慢、生育期內土壤貯水量減少[4,5]。

殘膜對棉田土壤養分也有不同程度的影響，連作10年、15年和20年后，土壤速效磷下降29.14%、22.09%和38.34%，土壤速效鉀先增加但隨后明顯降低[6]，殘留地膜不利于土壤中養分的礦化釋放，導致當季供肥能力下降。另有研究表明，農膜回收率低的農田連續覆膜3～5年后，小麥產量下降 2%～3%，玉米產量下降 10%左右，棉花產量下降 10%～23%，蔬菜產量下降14.6%～59.2% [7,8]，作物減產顯著。

2.地膜降解物致使環境污染風險增加

殘留地膜在土壤中可釋放出無機污染物和有機污染物，對土壤性質和農作物的生長造成影響。殘留地膜中含有的增塑劑、抗氧化劑和阻燃劑是導致土壤有機物污染的主要原因，其中增塑劑多為酞酸酯類化合物，逐漸釋放到環境中，對空氣、水和土壤等造成污染，通過食物鏈進入人體危害健康，環境和健康風險加劇。

三、農用地膜殘留污染成因

（一）普通聚乙烯（PE）地膜材料降解難

農用地膜都是由高分子的聚乙烯化合物及其樹脂制成的，這些物質具有分子質量大、性能穩定、耐化學侵蝕、能緩沖冷熱等特性，很難在自然條件下進行光降解和熱降解，也不易通過細菌和酶等生物方式降解，在一般情況下，殘膜可在土壤中存留200～400年[9]，將導致嚴重的區域農業面源污染。

（二） 地膜質量標準不達標，回收困難，再利用效率低

按照1992 年我國輕工業部頒布實施的《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜標準》（GB 13735—1992），規定聚乙烯地膜最小厚度為 0.008 mm，但地膜實際厚度主要集中在 0.004～0.008 mm，考慮市場及價格，地膜生產商更傾向于生產超薄型地膜（見表 1）。

地膜再利用效率低。以甘肅為例，2015年，再生顆粒的市場銷售價格是7 500元/t，2017年為4 200～4 800元/t，下降了約50%，再生顆粒的生產成本為4 000元/t，廢舊農膜加工企業的市場利潤率不足2%。加工企業難以享受稅收、電費等優惠政策，也進一步限制了地膜回收。

（三）可降解地膜工藝不成熟，尚無合適替代產品

由于不同作物對降解地膜的寬度、延展性以及裂解起始期、裂解速率、降解率產品特性等需求差異較大，導致可降解地膜材料與農藝生產的配套性差。例如：降解地膜材料本身延展性與播種機械不能配套，地膜黏連在打孔器上被拉伸，致使種子不能進入孔洞中而播在膜面上，造成約30%的播種失敗。同一降解地膜在不同氣候條件下，裂解的起始期不同，使地膜增溫保墑的效應存在地區差異。在使用過程中存在的問題，也制約了降解地膜的大面積推廣，短期內還不能全部替代普通PE地膜。

表1 不同厚度地膜鋪設用量及投入成本（新疆棉花）

（四）生產管理體系混亂，地膜污染控制缺乏嚴格的監管機制

據不完全統計，我國擁有大小規模不等的地膜生產企業約800家，年生產能力3 000 t以下的小型企業約600家，由于產業政策、價格體系和供求關系等方面的原因，采用的農用樹脂品牌多、亂、雜，貨源不穩定，地膜產品質量不高，嚴重影響了地膜的使用和回收。國家對農田地膜污染治理也缺乏相應的法律法規來監督和約束，農民僅將地表殘膜簡單回收一下，有的則直接就翻到土壤中。地膜回收點設置不足，農民撿拾的殘膜也不能得到有效回收，基本都是焚燒或在田間地頭堆置，往往造成地膜的二次污染。

四、農用地膜污染防治的戰略措施

（一）推進地膜標準化生產，從源頭遏制不合格地膜進入農田

在推進地膜生產標準化過程中，各地應積極制定符合本區域實際情況的地方標準。例如，2014年新疆頒布了《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》地方強制標準（DB65T/ 3189—2014），標準中明確了農田地膜的最小公稱厚度為0.01 mm，并且耐候期必須大于180 d，也就是保證新標準地膜在一個生產周期內不能破碎為碎片，生產結束后便于回收再利用。2016年新疆又頒布了《新疆維吾爾自治區農田地膜管理條例》，從標準到立法層面對農田地膜科學使用給予了規定。新標準還增加了0.012 mm、0.014 mm、0.20 mm三個公稱厚度。同時增加了推薦使用天數：厚度0.010 mm、0.012 mm為180天；厚度0.014 mm、0.020 mm為360天，實現從源頭控制殘膜污染。

（二）優化地膜覆蓋方式，推廣適時揭膜等技術

優化地膜覆蓋方式，推進地膜科學使用，是減少農田殘膜污染的重要環節。開展地膜在不同作物和不同栽培模式下的科學合理施用，一是減少無效的超寬地膜覆蓋，降低地膜覆蓋率，有效減少地膜使用量。如華南地區（廣東、廣西），在冬春季反季節瓜菜種植過程中，采用50 cm、100 cm和150 cm三種不同寬度的地膜覆蓋栽培，100 cm寬度的地膜西瓜生長和產量均優于50 cm和150 cm，這主要是由于冬季低溫旱季，需要增溫保墑，春夏季多雨，肥料養分易于淋失，需要保肥。100 cm寬度的地膜在作物早期對土壤的增溫保溫、干旱保水能力優于50 cm寬度地膜，促進植株根系正常生長；而在作物生長中后期，恰是高溫多雨階段，與150 cm寬度地膜相比，其土壤水肥調節、保肥、通氣的協調保障作用強，從而保證了作物穩健生長。因此從促進作物高產和減少殘膜污染的角度考慮，100 cm寬度的地膜是比較適宜的。選擇適宜寬度的地膜，可有效降低單位面積地膜使用量，減少農田殘膜積累。二是推廣適時揭膜技術。在地膜發生破碎老化前，及時將地膜清除出農田。河北、新疆等地區開展的棉花灌頭水前揭膜技術，由于地膜尚未老化，韌性好，不易破碎，回收率可達90%以上。在山西地區玉米覆膜栽培中，揭膜適宜時間為拔節期揭膜，即玉米出苗后45天左右，能大幅度提高地膜的回收率；而在海拔1 000 m以上的玉米種植地區，適宜的揭膜時期延遲到大喇叭口期，能夠在保證85%回收率的同時促進作物增產。

（三）加強殘膜回收機械研發與推廣，提高地膜機械化回收力度

殘膜回收機的研發應與種植模式相適應。目前研發的重點是秸稈粉碎或拔出與殘膜回收聯合作業機，代表機型包括新疆農墾科學院4SJ-1.6型和4SJ-2.0型，機具結構相對復雜，在機械高速運轉條件下難以保障殘膜的回收率，這也是聯合作業機研發的重點和難點。甘肅和內蒙古地區殘膜回收機研發的重點是小型機械，主要應用作物為玉米和馬鈴薯。如河北神耕機械有限公司研發的1MC-70型起茬殘膜回收機，采用鏟式結構，機械前部加裝土鏟，將根茬與地膜鏟起，震動柵條和滾筒篩，使土與地膜分離，將地膜收集至后部框中。在甘肅、內蒙古和山西玉米種植中應用較為廣泛。該種機械幅寬較小，工作效率也較低，適宜于條田面積較小的區域[10]?？傮w來看，殘膜回收機械尚需加大研發力度。

（四）加大降解地膜產品研發力度

研發完全降解地膜，其降解物質不會再造成二次污染。如含氧生物降解地膜，以最終降解產物為CO2和水為最優。針對區域生態氣候特點，作物生育期，在不同區域開展降解地膜的試驗示范工作，準確地確定農用地膜裂解及降解規律，為新產品的研發提供依據。據筆者在新疆棉花、玉米、加工番茄三種作物上開展的降解地膜裂解試驗表明，地膜裂解率達單位面積的20%時，將失去增溫保墑效應。通過地膜裂解動態監測和田間填埋試驗結果顯示，三種地膜裂解面積達到20%所需天數存在顯著差異，普通PE地膜需要1 061天，0.01 mm厚度降解膜需要136天，而0.012 mm厚度降解地膜需要111天（見表2）。因此地膜厚度較大的降解膜裂解時間早于較薄的地膜，地膜生產中可選擇0.01 mm厚度。

在關注地膜裂解的同時，地膜的腐解也是其重要的性能指標。筆者也對上述地膜開展了為期3個月的地膜土壤填埋試驗，以明確降解地膜轉化為無污染物所需時長（見圖3）。結果表明，降解地膜腐解率為2.89%～16.43%，總體而言，黑色降解膜腐解率高于白色膜，腐解速率隨時間增加遞減，表明目前降解地膜的腐解率并非當年能夠完全腐解，存在滯后效應。

綜合地膜裂解和腐解特性，應研發起始裂解期晚，保證地膜增溫保墑，同時在地膜翻入土壤后又能快速腐解的產品，以降低地膜殘留。

（五）構建農用地膜防治的法律法規體系

建議制定和健全殘膜污染防控法律法規，使殘膜防治有法可依。制定殘膜殘留量超標整治措施，統一并完善地膜生產、殘留量標準，規范產品質量，將殘膜污染防治工作納入法制管理軌道。

表2 不同類型地膜裂解變化

圖3 不同類型地膜腐解率