殘膜對土壤和作物的影響及防治對策

董靈艷 袁海濤

摘要 針對近幾十年我國農用地膜的使用以及產生的污染問題，結合歷年發表的文獻對殘膜對土壤理化性質、土壤微生物、作物生長發育的影響和殘膜污染狀況進行了概述，并從國家政策和科學研究方面對污染防治對策進行了闡述，為以后殘膜污染的防治和地膜合理利用提供參考依據，使地膜生產者和使用者的土壤保護意識進一步加強。

關鍵詞 殘膜;土壤性質;污染;治理;地膜回收;降解地膜

Abstract In view of the use and pollution problems of agricultural mulch film in China in recent decades， combined with the literature published over the years， the effects of mulch film on soil physical and chemical properties， soil microorganisms， crop growth and development， and the pollution situation of mulch film were summarized，and the pollution control strategies from national policies and scientific research were expounded from the aspects of national policy and scientific research， which provide a reference basis for the prevention and control of residual film pollution and the rational use of mulch film， and further strengthen soil protection awareness of mulch producers and users.

Key words Residual film;Soil properties;Pollution;Control;Mulch film recovery;Degradable mulch film

地膜作為我國第四大農業生產資料，具有提高作物生長前中期的土壤溫度、提高水分利用率、減少土壤無效蒸發、防止土壤板結、抑制土壤鹽分上移、促進作物生長和提高農業經濟效益等作用，對保障我國糧食安全具有重要意義[1-4]。中國是世界上農膜大國，已成為世界上最大的農膜生產國和使用國[5]，覆蓋面積之大、覆蓋作物種類之多，同時又是地膜殘留嚴重的國家。地膜在自然條件下難以降解，且被不合理利用，導致大量殘膜留在土壤中，且逐年積累[6]，嚴重影響土壤質量，對我國土壤可持續利用造成嚴重挑戰。隨著國家對殘膜污染的重視，筆者結合幾十年來特別是近10年地膜方面的研究論文，歸類總結了殘膜對土壤理化性質、土壤微生物、作物生長和產量3個方面的影響，以及農膜使用狀況和污染狀況，并從地膜回收和可降解地膜的研發應用兩方面闡述了防治對策，為加強土壤保護意識和減少地膜污染提供參考依據。

1 殘膜對土壤理化性質的影響

1.1 對土壤物理性質的影響

地膜作為難降解的材料，其對土壤物理性質的研究已有很多。杜利等[7]研究發現殘膜量在0～720 kg/hm2，殘膜處理比無膜處理的土壤容重有所增加，土壤孔隙度有所降低，且隨殘膜量和土層深度的增加，土壤容重越大，土壤孔隙度越小;隨殘膜量的增加，土壤含水量呈下降趨勢。說明殘膜阻礙土壤水分下滲并降低了土壤的通透性和導熱性。常芳紅[8]研究得出，當殘膜密度大于900 kg/hm2時，殘膜開始阻止水分下滲，使得下層土壤中含水率明顯降低。鄒小陽等[9]研究表明，殘膜延長了土壤水分入滲時間，入滲至45 cm土層深度時入滲歷時隨殘膜量增加而增大，并且隨殘膜量增加，作物適宜生長區和水分分布重心逐漸上移。解紅娥等[10]研究表明，殘膜各處理的土壤容重均高于對照，殘膜量在0～1 440 kg/hm2時，地膜殘留量與土壤容重呈對數相關關系;當殘留量達360 kg/hm2以上時，明顯影響水分的上下移動速度，水分下滲速度和上移速度均隨著殘膜量的增加呈對數遞減。牛文全等[11]研究指出，土壤中殘膜對土壤水分入滲和蒸發均存在阻滯作用，當殘膜量≥80 kg/hm2 時，濕潤鋒運移速率大幅下降;殘膜破壞了土壤水分分布的均衡性，加劇了土壤水分垂直的變異性，當殘量≥320 kg/hm2 時會出現表土層板結現象。鄒小陽等[12]研究得出，不同殘膜量能夠降低水平濕潤鋒運移速率，當殘膜量超過160 kg/hm2 時，水平濕潤鋒運移速率和累積入滲量均大幅降低。

大量的研究表明，殘膜主要影響土壤耕作層，減少了土壤水分入滲量，降低土壤比熱容，使土壤降溫加快，削弱土壤抗旱能力;殘膜會破壞土壤結構，增大地下水下滲難度，引起土壤次生鹽漬化和造成土壤板結，嚴重污染土壤環境[13-17]。

1.2 對土壤化學性質的影響

目前，關于殘膜自然分解產生的有害物質對土壤化學性質的影響尚缺少長期監測[18]。解紅娥等[10]對覆膜5年以上的地塊的土壤有機質及大量、微量元素進行了測定，結果表明，土壤中的N、P、Fe、Zn的含量略有上升，Cu、Ni、Hg的含量呈下降趨勢，土壤有機質變化不大。于立紅等[19]通過盆栽和大田試驗，發現土壤中重金屬質量分數隨殘膜量增加呈顯著上升趨勢，高殘膜量土壤的重金屬質量分數明顯高于低殘膜土壤，土壤中Cd的質量分數均超標。常芳紅[8]研究表明，隨著殘膜密度的增大，土壤中水解氮、速效磷、速效鉀和有機質均有所下降，而土壤pH呈上升趨勢。張丹等[20]研究表明，殘膜長期殘留在土壤中會降低土壤有機質、全氮、銨態氮、硝態氮以及有效磷含量，引起土壤養分退化。祖米來提·吐爾干等[21]研究表明，隨著殘膜量的增加，土壤中硝態氮和銨態氮的含量增加，降低了植株氮素的吸收量，造成生物量下降，產量降低。董合干等[22]研究新疆棉田殘膜時發現，殘膜使土壤pH顯著上升，有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀顯著下降，在2 000 kg/hm2 殘膜密度下，堿解氮和有效磷分別下降了55.0%和60.3%。由此可見，殘膜對土壤化學性質的影響是顯而易見的。

2 殘膜對土壤微生物的影響

殘膜強度對土壤微生物的影響報道較少。張丹等[20]研究表明，農田土壤中低量殘膜可通過保水作用提高土壤微生物活性及其豐富度，而當殘膜強度超過450 kg/hm2時，土壤微生物量、微生物群落豐度和土壤酶活性顯著降低。蔣金鳳等[23]分析表明，殘留農膜會抑制土壤微生物的活動，使遲效性養分轉化率降低，影響施入土壤的有機肥養分的分解和釋放，降低肥效。鄒小陽等[18]研究指出，殘膜會破壞土壤空氣循環過程，影響土壤微生物的生理活動。Mumtaz等[24]研究認為殘膜會阻隔土壤空氣的流通通道，使CO2體積分數上升，惡化微生物和蚯蚓等昆蟲的生存環境。殘膜對土壤微生物的影響還需進一步深入研究。

3 殘膜對作物生長及產量的影響

由于地膜殘留對土壤理化性質和微生物的影響，地膜殘留對作物生長發育的影響是不言而喻的，大量的研究結果也說明這一點。辛靜靜等[25]研究得出，殘膜降低玉米出苗率，降低玉米生育前期的株高和葉面積指數，當土壤地膜殘留量達360 kg/hm2時，玉米顯著減產達12.4%。耿智廣等[26]研究得出，殘膜量為360和540 kg/hm2時對玉米和胡麻出苗率的抑制作用最大，殘膜量為720 kg/hm2 時顯著降低玉米和胡麻的干物質。李元橋等[27]研究發現，苗期玉米株高和葉面積在90 kg/hm2殘膜梯度下開始顯著降低，而對棉花的影響不顯著，超過180 kg/hm2殘膜會對作物根系的生長造成阻礙作用，直根系作物比須根系作物更能適應殘膜脅迫。董合干等[22]研究表明，當殘膜密度為1 000 kg/hm2時，棉花品種新陸早33號和新陸早13號產量分別下降18.1%、13.5%，培育、應用發達根系的棉花品種可以一定程度上緩解地膜殘留對產量的影響。

4 我國農田殘膜污染狀況及治理

4.1 我國農田地膜利用及污染狀況

我國自20世紀70年代末引入地膜覆蓋技術以來，實現了農作物大幅度增產增收。過去的幾十年，地膜逐步得到大規模普及應用，最初應用于北方干旱、半干旱和南方的高寒冷涼地區，擴展到西北綠洲農業區、黃土高原旱作區、華北平原丘陵區、東北風沙干旱區和西南武陵山區，現全國所有省（市、區）均已覆蓋;應用作物最初主要用于經濟價值較高的蔬菜、花卉，現已擴大到多種經濟作物和大宗糧食作物上[28-29]。1982年我國地膜使用量僅為0.6 萬t，農作物覆蓋面積僅為11.7萬hm2[28]。2017年，我國地膜使用量143.7萬t，地膜覆蓋面積1 865.7千hm2，其中地膜覆蓋面積排在前三位的地區是新疆、山東省、甘肅省[30]。35年間，我國地膜使用量增長近240倍，覆蓋面積增長近160倍。

隨著地膜投入量和使用年限的不斷增加，以及農民使用過程中重使用、輕回收，大量地膜碎片殘留于土壤中，嚴重影響土壤質量和污染土壤環境。當前我國耕地土壤地膜平均殘留量為60 kg/hm2[31]。西北干旱綠洲區是我國農膜使用量最大的區域，覆膜農田平均地膜殘留量達231.0 kg/hm2，西北黃土旱塬區、東北風沙旱作區農田的地膜殘留量在100 kg/hm2左右，華北以及西南種植區污染程度較輕，平均地膜殘留量在50 kg/hm2以下[32]。

國家標準《農田地膜殘留量限值及測定》于2010年發布，并于2011年實施，該標準明確規定，待播農田耕作層（25～30 cm）內地膜殘留量限值應不大于75.0 kg/hm2。根據這一標準，有關研究人員于2011—2014年對河南、河北、山東等地均通過問卷調查及取樣檢測方法對典型覆膜作物地膜殘留情況進行了解析。郭戰玲等[33]研究指出，河南省花生、棉花地塊的地膜殘留量在6.8～37.3 kg/hm2，平均為20.4 kg/hm2，棉花和花生的地膜殘留系數分別為1.11%和0.71%，如果不注重殘膜回收工作，棉花和花生地塊分別在366年和170年后地膜殘留量達到限值;徐鈺等[34]調查的山東省10個地塊的土壤耕層地膜殘留量為5.33～46.99 kg/hm2，平均為23.91 kg/hm2，未超過國家農田殘膜限值標準，棉花和花生的地膜殘留系數分別為13.02%和8.56%，根據地膜殘留系數計算，在沿用當前的覆膜生產模式下，此后分別連續覆膜19 年（2033年）和12年（2026年），2種地塊的地膜殘留量將會超過殘膜限值標準，成為殘膜污染區域;張丹等[35]對河北省的覆膜地塊進行了調查，花生和棉花的年平均地膜用量分別為37.5和32.0 kg/hm2，其地膜殘留系數分別為9.7%和14.3%，如果一直沿用目前的地膜使用模式，預計到2021年，花生田和棉田的地膜殘留量將會分別達到79.4和80.9 kg/hm2，超過國家農田殘膜限值標準，成為殘膜污染區域。

4.2 我國農田殘膜污染治理策略

解決地膜殘留問題任務任重道遠。目前，解決我國農田殘膜污染問題主要有2種途徑：一是合理利用地膜，嚴格按照國家標準使用厚度為0.01 mm以上的地膜，并及時強制回收，保證當年機械化回收率達80%以上，同時做好地膜回收后的后續工作;二是推廣利用降解地膜。

4.2.1 地膜回收及利用。

在這方面，國家制定了一系列政策。2016年，國務院印發《土壤污染防治行動計劃》，提出加強廢棄農膜回收利用;到2020年，河北、遼寧等農膜使用量較高省份力爭實現廢棄農膜全面回收利用;2017年，農業部制定了《農膜回收行動方案》，在甘肅、新疆和內蒙古啟動建設100個地膜治理示范縣，實現示范縣加厚地膜全面推廣使用、回收加工體系基本建立、當季地膜回收率達到80%以上;同年，國家標準化管理委員會和國家質量監督檢驗檢疫總局發布國家強制標準《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》，要求地膜的最小標稱厚度不得小于0.010 mm，力學性能不得低于規定的性能指標，這就解決了地膜回收的根本問題;新疆從標準到立法層面對農田地膜科學使用給予了規定[29];甘肅也頒布了相應的政策法規[36]。目前，甘肅省農民和新疆地區兵團范圍內地膜回收和再利用工作執行較好。 2019年6月，農業農村部、國家發展和改革委員會、工業和信息化部等六部門聯合印發《關于加快推進農用地膜污染防治的意見》，以回收、減量、替代為主要治理方式，健全制度體系，強化責任落實，完善扶持政策。《意見》提出，到2020年建立工作機制，明確主體責任，回收體系基本建立，農膜回收率達到80%以上，全國地膜覆蓋面積基本實現零增長;到2025年，農膜基本實現全回收，全國地膜殘留量實現負增長，農田白色污染得到有效防控。

地膜回收的關鍵環節在于回收機械。我國地膜回收機械研究始于20世80年代，機械化殘膜回收主要應用于地膜覆蓋面積最大的新疆、甘肅和內蒙古地區。根據農藝作業時間的不同，可分為苗期地膜回收機、秋后殘膜回收機和播前殘膜回收機，主要研發單位是新疆農墾科學院、新疆農業科學院，生產中投入使用的機型主要是結構簡單、成本低的彈齒式摟膜機具，但無法實現高效率、高回收率、低成本、輕簡化的生產目標[36]。實際應用中，秋后殘膜回收機應用較多，并且多采用機械撿拾和人工撿拾相結合的回收方法。根據作物生長規律，開展作物適時揭膜技術，即在作物收獲前某一時期揭膜，既能有效提高地膜回收率，對棉花生產又無不利影響[37-38]。作物收獲前，特別是苗期殘膜回收機應用較少，在水源較充足的地區，符合適期揭膜技術的苗期殘膜回收機研發和應用有待加強。

廢膜的再生利用是地膜回收工作的一個重要環節。回收的廢舊農膜如不有效利用，地膜回收工作就不算結束。這樣不但造成資源浪費，還會對環境造成二次污染，應采取有效措施使回收地膜再利用[28-39];第一，回收廢棄地膜作為再生塑料的原料;第二，利用回收薄膜生產環境友好型填充母料;第三，利用回收地膜進行燃料提取;第四，利用回收地膜作為建筑材料;第五，加強國際交流，引進國外的先進經驗和技術及設備，以便在國內消化吸收和再利用。

4.2.2 可降解地膜的研發與利用。

雖然現在研究的降解地膜的種類很多，包括添加劑型降解地膜、全生物降解地膜、氧化生物降解地膜和液態地膜等，但普遍存在各種各樣的問題。添加劑型降解地膜降解不能完全生物降解;全生物降解地膜能完全降解，但降解進程不穩定和可控、農機作業適應性差、成本過高[28，32];氧化生物降解地膜的埋土部分和地面暴露部分均可降解，生產工藝簡單，較生物降解地膜成本低，物理性能能夠滿足機械化覆膜要求，誘導期具有一定可控性，且誘導期內增溫保墑效果與PE地膜相同，能滿足農業生產要求[40-41]，但該地膜降解進程也受環境因素影響，需要不同區域不同作物測試，山東省科學院、江蘇省農業科學院已試驗證明該技術塑料降解產物可作為微生物碳源被利用，但其利用過程需要進一步的研究;液態地膜對作物生長有促進作用，但其降解速度較快，宜應用于生育期較短的作物[42]。

可降解地膜在棉花、玉米、花生等作物上研究應用很多[43-50]，在作物生長前期起到增溫保墑、促進作物生長的作用，但大多處于試驗階段，目前為止還沒有一種降解地膜在生產上大面積推廣利用。各種類型降解地膜在創新技術流程、降低成本、加強研發等方面還有待提高。

地膜殘留污染是一種新型的污染形式，也是我國特有的污染類型[1]，同時殘膜污染治理工作又是公益性屬性較強的工作[36]，因此這項工作需要政府、科研院校、企業、農民共同推進。

安徽農業科學 2020年

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