貴州省典型覆膜耕地殘膜賦存特征及影響因素

李亮亮，代良羽，高維常，張淑怡, ，劉濤澤*

1. 貴州民族大學生態環境工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省農業生態與資源保護站，貴州 貴陽 550001；3. 貴州省煙草科學研究院煙草行業山地烤煙品質與生態重點實驗室，貴州 貴陽 550081

地膜覆蓋技術興起于20世紀70年代，最先在歐美、日本等國家使用，80年代后大多數發展中國家引入此技術用于作物生產，該技術具有增溫保墑、防病抗蟲和抑制雜草的作用，能使糧食作物增產20%—35%，已成為當前國內廣泛使用的農業生產技術，對中國農業生產有重要意義（嚴昌榮等，2014；嚴昌榮等，20152-12）。截至2020年，全國地膜使用總量達到1.35×106t，占農用塑料薄膜總使用量的56.8%；地膜覆蓋種植面積達到1.74×107hm2，約占耕地總面積的 12.0%（國家統計局，2021）。地膜是由人工合成的高分子化合物，其分子結構穩定，在自然條件下很難被光解和熱解，其長期存在于土壤中，破壞了土壤結構，降低了土壤養分含量；隨著土壤中地膜的老化，其含有的大量增塑劑會緩慢釋放到土壤中，成為重要的有機污染物之一（He et al.，2015；張丹等，2017；Wang et al.，2021）。此外，地膜在土壤中存留時間過長還會進一步破碎為微塑料，其與土壤中重金屬和多氯聯苯、多環芳烴等有機物結合形成復合污染物，給農田生態環境造成污染（Wang et al.，2020；李珍等，2022；劉銳涵等，2022）。因此，地膜殘留污染給農田土壤環境和農作物生長帶來嚴重危害，制約了中國農業高質量發展（鄒小陽等，2017；杜利等，2018）。

目前已有學者對農田地膜殘留影響因素做了大量研究，結果表明，土壤中殘膜的分布和存在形態受覆膜年限、覆膜方式、作物種類、土壤類型等因素影響（嚴昌榮等，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）對典型綠洲區長期膜下滴灌棉田殘膜分布的研究，以及馬彥等（2015）對甘肅省農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。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）對張掖綠洲不同類型作物農田地膜殘留量的研究表明，玉米種植區地膜殘留量最大，其次為蔬菜和馬鈴薯，中藥材殘留量最小。胡會軍等（2013）對吉林省主要覆膜作物地膜殘留的研究表明，瓜菜種植區地膜殘留量最大，其次為玉米種植區，花生種植區地膜殘留量最小。此外，土壤類型也是地膜殘留的影響因素之一，王學霞等（2021）對山東省花生種植區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）對廣東省典型地區地膜殘留的研究表明，粘質土壤中地膜與土壤的親和力較強，從而導致粘質土壤中地膜容易因為撕碎而殘留，而砂質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；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%；地膜使用量趨于穩定，2019年和2020年地膜使用量均約為2.3×104t，占農用塑料薄膜總使用量50%以上（國家統計局，2021；貴州統計局，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，鋪設時間集中在1—4月，回收時間集中在5—12月，主要采用人工覆膜和揭膜。貴州地處長江和珠江上游，是中國重要的生態屏障之一，地膜殘留增加將可能導致流域內塑料污染的加劇，目前尚缺乏關于貴州省地膜殘留量分布和賦存特征方面的相關研究工作。本文通過問卷調查與取樣檢測相結合的方法，對貴州省主要覆膜作物（烤煙、蔬菜和辣椒）的地膜使用情況、殘留情況和環境因素等進行調查和采樣分析，研究地膜殘留量的分布賦存特征及影響因素，以期為區域內地膜污染防治提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究地基本情況

貴州省位于中國西南地區東部，東毗湖南、南鄰廣西、西連云南、北接四川和重慶；屬亞熱帶濕潤季風氣候區，境內氣候溫暖濕潤，年平均氣溫15 ℃左右，年降雨量在1000—1400 mm之間；年無霜期在250—300 d之間。冬無嚴寒，夏無酷暑，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。主要經濟覆膜作物為烤煙、蔬菜和辣椒。本研究以貴州省9個市（州）典型覆膜耕地為研究對象，考慮覆膜年限、種植區域、覆膜作物和土壤類型等綜合因素，采用PPS抽樣原則，即與覆膜規模成比例的概率抽樣原則進行設置采樣點，在每個監測區域選擇 2—4個樣地作為調查對象，共選擇29個調查樣地（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 地膜采樣點分布Figure 1 Location of the sampling sites

1.2 殘留地膜樣品采集

在作物翻耕播種前進行采樣，采樣時揭除當季地表覆蓋地膜，每個樣地隨機選擇5個樣方，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，將肉眼可見的殘膜撿出，放入布袋，殘膜收集完后，恢復土壤原貌。

1.3 殘膜樣品的處理

將采集完后的地膜帶回實驗室，先用清水浸泡20 min，去除附著在地膜上的大量泥土和樹枝殘葉等雜物，再用超聲波清洗儀（JT1027HT）進行清洗30 min，清洗完后用濾紙將地膜上的水分吸干，小心展開卷曲的地膜，放在干燥處自然晾干，然后用電子天平稱量質量，統計地膜殘留量；用毫米尺子測量地膜最長邊長度，按照＜5、5—10、10—15 和＞15 mm標準進行分級，分類統計殘膜個數。

1.4 問卷調查

在取樣時，對選取的樣地進行問卷調查。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，調查區覆膜作物包括烤煙、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 數據處理與分析

1.5.1 地膜殘留量計算

將每個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（殘膜數量計算方法相同）：

式中：

A——該樣地地膜殘留量，kg·hm-2；

N1、N2、N3、N4、N5——1#、2#、3#、4#、5#樣方殘膜的質量，g；

5——樣方總數。

1.5.2 地膜殘留污染評價方法

參照2011年實施的《農田地膜殘留量限值及測定》（GB/T 25413—2010）標準，待播農田耕作層內地膜殘留量限值應不大于 75.0 kg·hm-2。并根據2017年發布的《農田地膜殘留調查與評價技術規程》（DB23/T 2033—2017）地方標準，按GB/T 25413標準中農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個級別：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）計算

式中：

F——破碎度值，mg·piece-1；

m——樣方內殘膜總質量，g；

n——樣方內殘膜總數量，piece。

1.5.4 數據分析方法

基于 SPSS 26.0，運用單因素方差分析（One-way ANOVA）對各指標進行差異性分析。文中數據為平均數±標準誤，用GraphPad Prism進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤中殘膜空間分布特征

土壤中的殘膜主要分布在耕作層，根據調查，樣地土壤耕作層均在0—30 cm范圍，大于30 cm幾乎沒有地膜殘留，所以在0—30 cm的耕作層對殘膜進行采樣。本研究共調查29個樣地，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為84.53%，各樣地殘膜含量存在較大差異。根據地膜殘留污染評價方法對樣地污染程度進行劃分，由圖2可知，殘膜含量為＜25 kg·hm-2的低污染樣地有7個，占比為24.14%；25—50 kg·hm-2的中污染樣地有6個，占比為20.69%；50—75 kg·hm-2的高污染樣地有7個，占比為24.14%；而＞75 kg·hm-2的重污染樣地有9個，占比達到31.03%。

圖2 不同殘膜含量的樣地個數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個樣地殘膜數量分布在10.00×104— 582.00×104piece·hm-2， 平 均 值 為164.52×104piece·hm-2， 殘 膜 數 量 變 異 系 數 為101.93%，表明各樣地殘膜數量差異非常大。由圖3可知，殘膜數量＜100×104piece·hm-2的樣地有14個，占比為 48.28%；100—200×104piece·hm-2的樣地有7 個，占比為 24.14%；＞200×104piece·hm-2的樣地有8個，占比為27.58%。

圖3 不同殘膜數量的樣地個數Figure 3 Number of plots with different residual film quantity

由表 2可知，29個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，占比為 48.28%；50—100 mg·piece-1的樣地有 8個，占比為 27.59%；＞100 mg·piece-1的樣地有7個，占比為24.13%。

圖4 不同殘膜破碎度的樣地個數Figure 4 Number of plots with different residual film fragmentation index

2.2 土壤中殘膜賦存特征分析

2.2.1 覆膜年限對殘膜賦存特征的影響

地膜污染的主要特點是長期使用造成的累積污染，由于使用后回收不完全，導致覆膜時間越久，污染越嚴重（郭戰玲等，2106）。29個樣地覆膜年限范圍為 1—20 a，根據調查數據，將覆膜年限劃分為：1—5、6—10、11—15 和 16—20 a。覆膜年限對土壤殘膜含量的影響如圖5所示，隨著覆膜年限增加，殘膜含量呈現增加趨勢。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，地膜殘留量越大，地膜污染越嚴重。

圖5 不同覆膜年限地膜殘留量Figure 5 The residual film amount of different mulching years

覆膜年限對樣地殘膜數量的影響如圖6所示。覆膜 1—5 a，平均殘膜數量約為 79.25×104piece·hm-2；與覆膜 1—5 a相比，6—10 a和 11—15 a平均殘膜數量增加了69.30%和235.10%，殘膜數量分別為 134.17×104piece·hm-2和 265.57×104piece·hm-2；當覆膜16—20 a，殘膜數量有所減少，與11—15 a相比，殘膜數量下降了4.66%。方差分析表明覆膜11—15 a和16—20 a殘膜數量顯著高于1—5 a和6—10 a（P＜0.05）。表明殘膜數量隨覆膜年限的增加呈增加趨勢。

圖6 不同覆膜年限地膜殘留數量Figure 6 The residual film quantity of different mulching years

覆膜年限對不同長度地膜殘片數量和比例的影響如表3所示。土壤中長度＜5 cm和5—10 cm的殘膜數量和比例均高于10—15 cm和＞15 cm，當覆膜時間超過5 a時，這種差異更加顯著（P＜0.05）。隨著覆膜年限增加，長度＜5 cm和5—10 cm殘膜數量和比例呈逐年增長趨勢，長度10—15 cm和＞15 cm的殘片數量呈現為先增加后減少趨勢，而其所占比例為逐漸減少趨勢。

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，殘膜破碎度值越小，即單位數量殘膜的質量越小，表明殘膜破碎程度越大（嚴昌榮等，2015）89-90。覆膜年限對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。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 作物種類對殘膜賦存特征的影響

調查中發現，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。調查的 29個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，統計覆膜年限1—10 a內3種作物的殘膜含量，其中種植烤煙的樣地有10個，種植蔬菜的樣地有4個，種植辣椒的樣地有5個。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 土壤類型對殘膜賦存特征的影響

研究區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

3 討論

3.1 不同地區土壤地膜殘留量的對比

本研究對地膜殘留調查表明，29個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。根據全國不同地區地膜平均殘留量（表 4）的比較，本研究調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，從而導致地膜殘留量相對較高；但明顯低于內蒙古和新疆等地區，這是因為內蒙古和新疆地區土壤干旱，氣候寒冷，覆膜時間長，又是中國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 不同地區地膜殘留量Table 4 Film residue in different regions

3.2 殘膜賦存特征及影響因素分析

農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鍵因素。對山東（王學霞等，2021）、內蒙古（王永寧等，2022）、新疆（董合干等，2013）、廣東（曾招兵等，2014）、河南（郭戰玲等，2016）、華北地區（馬輝等，2008），以及中國棉花主產區（丁凡等，2021）等地區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果。本研究表明，在覆膜1—15 a內地膜平均殘留量和數量值呈逐年增長趨勢。當覆膜年限達到16—20 a時，地膜平均殘留量和數量有所減少，與覆膜11—15 a相比，地膜平均殘留量和數量分別減少了 31.22%和4.66%。這可能是因為地膜長期殘留在農田里，受氧化和耕作機械共同作用，地膜破碎程度加大，破碎為肉眼不可見形態，不能被撿拾；此外，殘膜受到地表徑流和風等外力導致的沖刷或吹失。

本研究表明，隨著覆膜年限增加，長度＜5 cm和5—10 cm殘膜數量和比例呈逐年增長趨勢，長度10—15 cm和＞15 cm的殘片數量呈現為先增加后減少趨勢，而其所占比例為逐漸減少趨勢，說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）在華北棉田種植區的研究，以及尹少媛等（2022）在內蒙古農田耕層土壤地膜殘留現狀研究一致。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。

國內相關研究表明，土壤質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）和王學霞等（2021）對山東省地膜殘留的研究均表明，壤土殘膜含量大于砂土，本研究得到相同結果，這主要是因為地膜在黏土和壤土里的親和力較強，回收過程容易破碎，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鍵因素，本研究調查的3種作物中，在覆膜1—10 a內，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程中栽培方式，地膜使用時間和覆膜方式等因素的綜合影響。

4 結論

（1）本研究 29個樣地的調查研究表明，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個樣地中處于低污染的樣地有7個，處于中污染的樣地有6個，處于高污染的樣地有7個，處于重污染的樣地有9個。

（2）隨著覆膜年限增加，長度＜5 cm和5—10 cm殘膜數量和比例為增加趨勢，長度10—15 cm和＞15 cm殘膜數量先增加后減少，其所占比例為逐年降低趨勢；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為：蔬菜＞烤煙＞辣椒。