新疆棉花主產區土壤殘膜賦存特征及相關性

華震宇,李 霞,姜 娜,劉河疆,馬興旺

(1.新疆農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所/農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室(烏魯木齊)/新疆農產品質量安全重點實驗室,烏魯木齊 830091;2.農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室,烏魯木齊 830091;3.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】地膜加工過程中PAEs用于增加其穩定性作為增塑劑被使用[1,2]。研究新疆棉區土壤殘膜分布及產生的影響,對新疆棉田地膜土壤殘留含量分布有重要意義。【前人研究進展】彭祎等[3]研究發現新疆南疆棉花轉產區PAEs污染關鍵控制點是降低農田殘膜量;牛瑞坤等[4]分析新疆阿克蘇地區棉田地膜殘留量,結果顯示阿克蘇地區棉田土壤殘膜在土壤0～30 cm耕作層中都有分布;劉曉偉等[5]研究分析了新疆兵團和地方2種不同農田管理模式下農田地膜殘留量、地膜回收現狀和殘膜處理方式;易鴛鴦等[6]對新疆五家渠地區不同地膜使用年限棉田土壤中塑化劑分布也有研究。【本研究切入點】目前針對新疆棉田土壤中殘膜的污染研究現狀僅限于新疆局部地區,研究的角度多為建議及對作物生長的影響等,缺乏針對全疆層面的、系統的、關聯污染物的相關性分析,亟待對新疆棉花種植區地膜殘留賦存形態、空間分布、水平等詳實探究。【擬解決的關鍵問題】研究分別對新疆9地(州)棉花主產區不同耕層土壤進行采樣,分析地膜殘留量、殘片數量、區域空間分布特征及土壤中塑化劑來源相關性,為棉田地膜的科學使用及殘膜回收提供相應的數據支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 土壤樣品

樣品采集點分布于全疆9個地(州)20個縣(市)的棉花生產基地,以多點采樣混合法采集(用清潔的不銹鋼鏟采集),每個采樣點用采土器采集(20 cm×20 cm)的土樣至少2份,其中包括淺層土壤(0～20 cm)和深層土壤(20～40 cm)樣品。全程采集淺層土29個,深層土29個,總計58個土壤樣品。土壤晾干后挑揀去除植物根系和地膜等雜物,過100目不銹鋼篩,蓋塞密封,于-20℃冰箱保存。

殘膜樣品與土壤樣品采集點一致,在土壤樣品風干處理過篩時,分離出殘膜樣品,淺層土壤(0～20 cm)中分離出29個,深層土壤(20～40 cm)中分離出29個,共計58個。表1

表1 新疆9地(州)棉花主產區土壤采樣信息

1.1.2 試劑與儀器

SK5210HP型超聲波清洗儀(上海科導超聲儀器有限公司);AR522CN型電子天平(上海奧豪斯儀器公司);N-1100V-W型旋轉蒸發儀(日本EYELA公司);CT18RT型離心機(上海天美科學儀器有限公司);MS3型渦旋振蕩器(德國IKA公司);測厚儀;數顯式游標卡尺(得力公司,0.001 mm)。

1.2 方 法

1.2.1 殘膜樣品處理

將殘膜用自來水沖洗,去除粘附的土壤及雜質,后用超聲清洗儀超聲30 min,取出后自然風干,天平稱重。殘膜置于帶網格(1 cm×1 cm)的紙張上,用數顯卡尺測量長寬數據,分別以殘膜面積<4 cm2、4～25 cm2、>25 cm2為標準,分類統計殘膜的數量。

1.2.2 土壤中16種塑化劑檢測

根據國家標準 GB/T 39234-2020《土壤中鄰苯二甲酸酯測定 氣相色譜-質譜法》檢測分析土壤樣品中16種塑化劑含量。

根據GB/T 25413-2010《農用地膜殘留量限值及測定》和DB 37/T 4176-2020《農田地膜殘留監測與評價技術規范》,對棉區地膜殘留量進行等級劃分。

1.3 數據處理

基于 SPSS 26軟件進行各項指標之間的相關性,統計數據,用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 新疆棉花產區地膜殘含量分布及賦存狀態

2.1.1 棉田不同耕層土壤殘膜垂直分布特征

研究表明,淺表層殘膜含量略大于深層。淺層土壤(0～20 cm)中殘膜質量濃度水平范圍在6.46～697.14 mg/kg,均值為204.39 mg/kg,土壤中殘膜量范圍在2.5～221.69 kg/hm2,均值為65 kg/hm2;深層土壤(20～40 cm)中殘膜質量濃度范圍在2.17～1 309.78 mg/kg,均值為192.59 mg/kg,范圍在3.19～454.03 mg/kg,土壤中殘膜量為61.25 kg/hm2;新疆棉田土壤(0～40 cm)中,殘膜質量濃度范圍在5.02～713.89 mg/kg,均值為198.49 mg/kg,土壤中殘膜量范圍在3.19～454.03 kg/hm2,均值為126.24 kg/hm2。棉田地膜殘留量等級劃分,依次為清潔閾值為小于75 kg/hm2,輕度閾值為75～120 kg/hm2,中度閾值為 120～270 kg/hm2;重度污染閾值為大于270 kg/hm2。新疆棉田土壤殘膜量屬于中度水平。表2

土壤中殘膜進行殘膜數量、破碎度、碎片大小及質量統計,將殘膜碎片按照不同面積分成三類,分別為<4 cm2、4～25 cm2、>25 cm2,淺層土壤殘膜破碎度10.94 mg/塊,深層土壤殘膜破碎度8.65 mg/塊。淺層土壤破碎度大于深層土壤,隨著土層深度的增加,<4 cm2的小殘片比例逐漸增大,殘片數量和碎片面積均有減小的趨勢;不同耕層殘膜膜厚均值為0.011 mm,4～25 cm2碎片為殘膜質量的主要貢獻形式,在數量上殘膜碎片主要以面積<4 cm2的形態集中殘留于不同土層,殘膜3種面積范圍的殘膜碎片大致呈8.4∶1.2∶0.3的比例分布。圖1、圖2、圖3

圖1 不同耕層土壤中殘膜量 統計雷達圖

圖2 不同耕層地膜殘留數量分布Fig.2 Quantitative distribution of residual plastic film in different topsoil

圖3 土壤中不同面積殘膜碎片 分布形式占比

68.6%新疆棉花產區有不同程度殘膜量,清潔區域占41.4%。圖4

圖4 采樣點土壤不同殘膜等級及構成Fig.4 Different levels and composition of soil pollution in sampling sites

2.1.2 新疆棉田土壤殘膜量空間分布特點

研究表明,土壤殘膜空間分布規律為在傳統區域上,殘膜平均含量是北疆>南疆>東疆;塔城>阿克蘇>和田>石河子>昌吉>哈密>吐魯番>巴州>喀什,其中喀什地區棉田土壤殘膜含量全疆最低;屬于輕度區域有巴州、吐魯番、哈密等3個地區,屬于中度的有昌吉、石河子、和田、阿克蘇、塔城等5地。表2

2.1.3 殘膜土壤中塑化劑(PAEs)含量

研究表明,29組殘膜-土壤對應樣品,土壤樣品去除殘膜后,并用氣質聯用法測定16種PAEs,僅有DEP、DMP、DBP、DEHP、DIBP等5種塑化劑檢出,其余項目均未檢出,土壤(0～40 cm)中塑化劑總量(∑PAEs)水平1.94～266.21 μg/kg,∑PAEs均值77.62 μg/kg,土壤PAEs濃度大小受到殘膜形態、含量的影響。圖5

2.1.4 棉田覆膜種植年限對殘膜含量的影響

研究表明,隨著棉田覆膜種植年限增長,土壤中的殘膜含量也有逐漸累積的趨勢。覆膜年限≤10 a、11～20 a和21 a以上地膜殘膜含量存在極顯著差異(P<0.01)。圖6

表2 新疆不同棉花產區殘膜分布

圖5 土壤殘膜量與塑化劑總量對比Fig.5 Comparison of soil residual film amount and total plasticizer amount

2.2 新疆棉田土壤中PAEs與殘膜含量、破碎度、膜厚相關性

研究表明,土壤中∑PAEs與殘膜含量呈極顯著正相關,Pearson相關系數(r2)為0.2425(P= 0.007;P<0.01) 。殘膜含量與殘膜破碎度也顯著正相關,相關系數分別為 0.2505 (P= 0.048;P<0.05);殘膜含量與殘膜厚度也顯著負相關,0.528(P= 0.012;P<0.05)。圖7

圖6 不同覆膜年限與殘膜含量箱形圖Fig.6 Box diagram of different film mulching years and residual film quantity

圖7 殘膜含量與土壤塑化劑含量、破碎度和地膜厚度關系Fig.7 The relationship between residual film amount and soil plasticizer amount, fragmentation, and film thickness

3 討 論

3.1新疆地區地膜覆蓋技術已經推廣并使用近40年[7-9]。2020年新疆棉花種植面積2 501.93×103hm2[10],新疆生產建設兵團棉花種植870.14×103hm2[11],2021年新疆地膜使用總量約17×104t[13]。

牛瑞坤[4]等研究顯示,土壤深度對阿克蘇地區棉田土壤殘膜含量有較大影響,地表所占殘膜比例為5.88% ,0～12 cm耕層所占比例為44.92% ,12～30 cm耕層所占比例為49.20%。嚴昌榮等[13]研究石河子地區土層殘膜,結果顯示兵團農田中殘膜在0～10、10～20、20～30 cm土層中的含量沒有顯著差異,殘膜主要存在于0～10 cm土壤中;研究了0～40 cm深度的土壤,結果顯示深層土壤(20～40 cm)與淺層土壤(0～20 cm)殘膜含量僅略有不同,變化并不明顯。

3.2殘膜塊按照不同面積分成三類,分別為<4 cm2,4～25 cm2,>25 cm2,牛瑞坤等[4]研究發現殘膜大都集中在4～25 cm2,研究發現全疆情況略有不同,4～25 cm2的殘膜碎片在新疆土壤殘膜總質量上仍占比較重,但在數量上占比<4 cm2的殘膜碎片,占絕對優勢,殘膜碎片分布形式更趨于小體積化。

3.3農田殘膜含量與膜厚、種植年限、回收處理方式、土壤質地等因素密切相關[14-15]。董合干等[16]研究連續25 a的棉田覆膜時間與殘膜量關系,隨著覆膜年限的增長,地膜殘含留也逐漸增加,研究也得出相同結論。

殘膜是重金屬、揮發性有機物、微塑料[17-21]等的重要來源,研究土壤中5種塑化劑總量∑PAEs與土壤殘膜含量相關性分析,發現∑PAEs與殘膜量顯著相關。

3.4目前,殘膜關注熱點逐漸從殘膜形態、含量向殘膜次生污染轉變[22]。

4 結 論

新疆棉田土壤(0～40 cm)中,殘膜質量濃度范圍在5.02～713.89 mg/kg,均值為198.49 mg/kg,土壤中殘膜含量范圍在3.19～454.03 kg/hm2,均值為126.24 kg/hm2。在數量上殘膜碎片主要以面積<4 cm2的形態殘留于不同土層,碎片面積大小在4～25 cm2的碎片在殘膜質量中占比較大。新疆棉花產區殘膜區域含量大小依次順序為北疆>南疆>東疆。隨著棉田覆膜種植年限增長,土壤中的殘膜含量也有逐漸累積的趨勢。