農田土壤殘膜的污染現狀及應對措施

張雨蒙，申麗霞

（1.云南大學生態學與環境學院，云南昆明650504；2.太原理工大學水利科學與工程學院，山西太原030024）

我國是世界上農用地膜生產和使用量最多的國家。自20世紀70年代末開始引進農用地膜，經過30多年發展，地膜覆蓋已成為我國重要的栽培技術之一，對于保障作物增產和反季節種植起到了關鍵作用。普通農用地膜是以聚乙烯、聚氯乙烯為主要原料，通過添加抗氧化劑、紫外線吸收劑等制成的有機化合材料，具有良好的透光性和機械延展性，但其分子量大、性能穩定，光/生物分解性較差，在自然條件下不易降解，在土壤中可以殘存200～400年[1]。隨著地膜使用量和使用年限的不斷增加，地膜覆蓋的正面意義正在逐漸被殘留污染造成的危害所蠶食，農田殘膜已嚴重影響土壤的再生產能力，嚴重威脅著我國農業生產和生態環境的可持續發展。

1 農田土壤中殘膜的分布

殘留在土壤中的地膜主要分布在耕作層，據調查，目前我國農田土壤地膜殘留量一般在60～90 kg·hm－2，最高達 165 kg·hm－2[2]。土壤中殘膜的大小和形態多種多樣，受種植和覆蓋方式等因素的影響，主要有片狀、卷縮狀和球狀等，在土壤中呈水平、垂直或傾斜狀分布。

殘膜含量與覆膜年限有關，覆膜年限越久，殘留量越高，且淺層土壤中的殘膜量明顯多于深層土壤。馬彥等[3]調研結果顯示，甘肅省農田0～30 cm土層中，覆膜年限為 1～10年、10～20年、20～ 30年的地膜殘留量分別為 27.6 kg·hm－2、30.8 kg·hm－2和 42.3 kg·hm－2。馬輝等[4]研究報道，河北省邯鄲市覆膜年限為2年、5年和10年的棉田中殘膜量分別為 59.1 kg·hm－2、75.3 kg·hm－2和 103.4 kg·hm－2；其中 0～10 cm、10～20 cm 和 20～30 cm 土層中的殘膜量分別占75%，20%，5%；就殘膜大小而言，小塊膜明顯多于大塊膜，其中小于 4 cm2、4～25 cm2、大于25 cm2的殘膜片數分別約占總量的65%，30%，5%。劉建國等[5]研究表明，新疆長期連作棉田0～30 cm土層中的殘膜量占85%，在30 cm以下隨著土層深度的增加，殘膜量減少；小于10 cm2、10～50 cm2、大于50 cm2的殘膜片數分別約占總量的33.4%，36.5%，30%；隨連作年限增加，0～15 cm土層中的殘膜量減少，15～30 cm土層中的殘膜量逐漸增加，殘膜破碎度提高。據蘇國樟等[6]研究發現，貴州省畢節市煙區煙地0～25 cm土層中的殘膜量為194.3 kg·hm－2，總張數為 49.1萬張，其中表層及0～10 cm土層中的殘膜量占92.2%，張數占75.6%，殘膜破損程度隨土層深度增加而加重。

殘膜分布在不同地區、種植作物及不同覆膜方式間存在差異。馬彥等[3]調研發現，甘肅省2013年地膜殘留總量為4.50×107kg，不同地區地膜殘留量從大到小依次為中部黃土高原區、隴東黃土高原區、河西走廊、隴南山區、天水地區和甘南牧區；耕地利用類型不同，殘膜量大小不同，從大到小依次為糧食作物、花卉、蔬菜和經濟作物；不同種植作物的殘膜量不同，殘膜污染最嚴重的是玉米。周明冬等[7]調研分析，新疆各地州農田殘膜分布差異顯著，表現為北疆與南疆最高，東疆次之，西疆最少；在9個重點使用地膜的地州中，昌吉州農田殘膜密度最大，達 263.3 km·hm－2，伊犁州最小，為 20.1 km·hm－2，前者是后者的 13 倍；造成各地州農田殘膜巨大差異的主要原因是種植結構的差異，昌吉州以種植棉花、加工番茄等地膜覆蓋率高的作物為主，而伊犁州以種植玉米、小麥等地膜覆蓋率較低的作物為主，從而造成地區間農田殘膜差異巨大。

2 農田土壤中殘膜的危害

隨著地膜的連年使用，殘膜大量聚集，對土壤環境、作物生長、機耕作業、農村牲畜安全和生態環境等均造成嚴重影響。

2.1 殘膜對土壤環境的影響

殘留在土壤表層和耕作層中的殘膜碎片會改變土壤結構，切斷土壤孔隙的連續性，阻礙降水和灌溉水的入滲，影響土壤的吸濕性和滲透性，阻礙農田土壤水分運動，使水分移動速度減慢，水分滲透量減少，土壤含水率下降，進而削弱土壤的抗旱能力。Romic D等[8]和嚴昌榮等[9]研究報道，在0～20 cm土層中人工摻入地膜碎片，隨著地膜碎片量的增加，土壤密度下降2.0%～11.7%，土壤水分下滲速度減緩，土壤含水率下降2.7%～5.7%，土壤貯水量減少7.8～16.8 mm；農田土壤水分下滲的速度與殘膜量呈對數關系，當土壤中的殘膜量達到3 60 kg·hm－2時，土壤水分下滲的速度明顯減緩，比土壤中殘膜量小于360 kg·hm－2時減緩了近1/3。

殘膜碎片會導致土壤的孔隙度下降、通氣性降低，影響農田土壤空氣的正常循環和交換，以及土壤微生物的活動和良好土壤結構的形成，進而使土壤肥力水平下降、土壤板結[10]。在一些地區，土壤中的殘膜碎片還會導致地下水下滲困難，引起土壤次生鹽堿化[11]。

2.2 殘膜對作物生長發育及產量的影響

殘膜的機械阻隔作用和土壤理化性狀的劣變，會導致種子發芽出苗困難，降低幼苗成活率。殘膜主要分布在0～30 cm的耕作層，而一般作物的播種深度在地下10 cm左右，種子緊貼殘膜或被殘膜覆蓋時，會因為吸水障礙、殘膜阻隔等原因發不了芽，形成爛種或爛芽。高玉山等[12]、蔣麗萍等[13]和劉敏等[14]研究表明，殘膜對玉米出苗存在抑制作用，尤其是緊貼種子的殘膜對玉米出苗率影響最大，殘膜導致玉米出苗率低、出苗慢，進而影響地上部的生長發育，最終導致玉米產量下降；殘膜量為 58.5 kg·hm－2時，玉米減產 11%～23%，小麥減產9%～16%，大豆減產5.5%～9%，蔬菜減產14.6%～59.2%；殘膜量為 720 kg·hm－2和 1 440 kg·hm－2時，番茄分別減產18.1%和18.8%。

殘膜具有韌性和延展性，與作物根系直接接觸，根系在生長過程中難以穿透殘膜，進而影響根系的生長發育。高青海等[15]、李元橋等[16]和李青軍等[17]研究發現，殘膜影響番茄幼苗根系的生長和空間分布，其中0～20 cm側根的發生受影響較大，側根數量減少，根表面積縮小，并且地膜殘留量越大，影響效果越明顯；殘膜量在一定范圍內會作為一種適度脅迫，作物苗期根系會主動進行適應性的生長，超過該范圍殘膜會對作物根系的生長造成阻礙作用；如棉田殘膜量小于900 kg·hm－2時，棉花根系的生長呈現出適應性變化，棉花的根表面積、根長密度、根干質量和根冠比增加。

殘膜對不同作物生長發育及產量形成的影響程度不同。與小麥、玉米相比，殘膜對棉花的產量影響較小，這可能與棉花是直根系作物，有較粗的主根和發達的側根有關，根系可以抵抗殘膜的阻隔作用而吸收土壤深層的水分和養分；而小麥和玉米都是須根系作物，根系主要分布在0～20 cm的土壤耕作層，殘膜負面影響作用較大，嚴重阻礙植株的正常生長發育，使產量下降明顯[18]。

2.3 殘膜的其他影響

殘膜纏繞犁齒和播種機輪盤等，嚴重妨礙農田機械作業，使機耕和播種質量下降，耕層逐年板結，缺苗斷壟嚴重；殘膜隨風散落于田地、水渠、林帶中，或亂掛在樹枝桿頭，影響農村生態環境，造成嚴重的“視覺污染”；殘膜碎片還會隨農作物的秸稈和飼料混在一起，牛羊等牲畜吞食后還會造成腸梗阻，嚴重時會導致死亡[19]。由于回收不力，農民經常會在地里焚燒殘膜，還有一些地區農民習慣于用殘膜作引火材料，塑料燃燒會產生氯化氫、二噁英等多種有害的氣體，造成大氣污染[20－21]。

3 應對農田土壤殘膜危害的措施

為解決農田殘膜污染問題，通常方法是將殘膜集中填埋或焚燒處理、將殘膜回收再利用或者開發新型的環境友好型材料。其中將殘膜集中填埋處理對有限的土地資源來說是一種長期危害，焚燒處理則會產生大量的有毒有害氣體，因此這兩種方法均不可取。

3.1 殘膜回收再利用

地膜回收與地膜厚度有直接關系。地膜越厚，抗拉強度越高，越不易破碎且利于回收；地膜越薄，抗拉強度越低，越易破碎且難以回收。日本、歐洲使用的地膜厚度基本上是我國的2倍。我國針對農用地膜厚度的國家標準是20世紀90年代制定的，按照1992年《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》生產標準（GB 13735－92）的規定，農用地膜厚度標準為0.008±0.003 mm[22]。該厚度范圍的地膜可以在增溫保墑的同時，最大限度地降低成本，有利于大規模推廣應用。但由于生產者與使用者過分追求經濟利益，大量生產和使用小于0.008 mm的超薄型地膜，致使機械無法回收、人工撿拾困難。

殘膜回收是防治污染與資源再利用的上策，但由于我國地膜厚度超薄、回收效率低等問題，給回收再利用造成困難。比如在廣東省的蔗區，地膜基本無法回收，這一方面是由于地膜太薄，難以回收，同時由于種植甘蔗經濟效益較低，回收成本較高，另一方面也與甘蔗地膜覆蓋種植方式有關，地膜覆蓋在甘蔗種植溝中，且基本被泥土埋住，當甘蔗生長至封行時，蔗葉過于密集，人、畜都難以進入，且地膜被蔗根牢牢固定住，回收極其困難[23]。在內蒙古自治區，2011年全區地膜覆蓋總面積達1.33×106hm2以上，地膜使用量超過 4.90×107kg，并且保持逐年增長的趨勢，全區使用的地膜厚度一般在0.006～0.008 mm，回收率僅為60%左右，全區地膜平均殘留量為 84 kg·hm－2[24]。

我國殘膜不僅回收困難，而且回收再利用效益低下。殘膜回收企業投入大、經濟效益差。殘膜回收后多用于生產滴灌帶等塑料制品，但回收殘膜生產滴灌帶的成本大概是0.15元·m－1，而直接用原材料生產的成本只有0.09元·m－1，回收再利用的生產成本比直接用原材料的生產成本高，價格上沒有競爭優勢，而且在再利用過程中還會產生二次污染，生產企業無法靠市場效益支撐發展，只能依賴政府資金扶持，成為地膜回收再利用的“瓶頸”。

鑒于此，針對地膜回收再利用問題，應加強以下兩方面工作：（1）盡快修訂現有地膜生產標準，增加厚度，提高強度，降低破損率，以利于回收。目前已有部分地區自行出臺了相應標準，如新疆規定從2014年12月1日起，全面強制推廣使用厚度為0.010 mm以上的高標準農膜[23]；甘肅省2014年出臺《甘肅省廢舊農膜回收利用條例》，規定在省內禁止生產、銷售厚度小于0.008 mm的農用地膜，并出臺地方標準《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》對省內農用地膜厚度做了詳細要求[25]。（2）研發不同類別多種功能的地膜回收機，促進和提高殘膜的回收和利用。隨著地膜應用范圍和面積的不斷擴大，人工回收已不可行，機械回收成為必然趨勢，根據農藝要求和殘膜回收時間，研發適用于播前回收、苗期揭膜、秋后回收和耕層內清撿等不同功能的回收機械甚是關鍵。目前市場上的許多殘膜回收機械，由于適應性差、使用率低、回收效果不佳等原因難以推廣。

3.2 開發利用新型環保地膜

開發利用新型環保地膜是應對“白色污染”的重要舉措，是解決目前制約我國農業生產可持續發展的戰略途徑。新型環保地膜的種類有光降解、生物降解和光－生物雙降解地膜、液態地膜、紙地膜和麻地膜等。

光降解地膜有合成型和添加型，其中合成型光降解地膜是在高分子鏈中引入光敏性基團而制成的膜；添加型光降解地膜是在一般塑料原料中添加光敏劑，在紫外光的作用下，經光敏劑的作用把高聚物降解成低聚物[26]。光降解地膜在實際應用中存在降解性能受環境條件影響較大、降解速度難以控制的問題，而且地膜覆蓋的埋土部分不能降解，降解后碎片不易繼續分化或被土壤同化，不能根本解決土壤污染問題[27]。

生物降解地膜是在自然條件下利用微生物和酶的作用促進地膜分解，光－生物雙降解地膜是通過自然日光作用發生光氧化降解并在光降解達到衰變期后可繼續被微生物降解的一類地膜。與光降解地膜相比，生物降解和光－生物雙降解地膜降解比較理想、完全，是今后可降解地膜發展的方向。但生物降解地膜存在力學性能差、耐水性弱、強度差等問題，難以適應大面積機械化覆膜的需求。而光－生物雙降解地膜具有光和生物降解性的協同效應，可基本消除殘膜危害，同時其經濟成本可以接受，推廣應用潛力較大。但因受農業氣候、自然條件及作物多樣性的影響，其降解可控難度加大，同時其降解產物對土壤環境的安全性問題尚需進一步探討[28－29]。

近年來，中國農科院土肥所、山東科技大學等科研單位以富含腐殖酸的風化煤和植物秸稈等有機生物質為主要原料，研發的腐植酸液態地膜，具有增溫、保墑、保苗的作用，同時又可作為土壤改良劑使用，集農藥、肥料和農膜于一身，有效解決普通地膜對土地和環境的污染，但有試驗表明液態地膜的田間覆蓋效應雖然優于露地不覆蓋，但劣于普通地膜和其它類型的可降解地膜[30－31]。

湖北省枝城市第一造紙廠制造了多功能農用紙地膜，該紙地膜能在2～3個月內自行分解變成肥料，具有防病蟲害、除雜草、增養分和改善土質結構的功能。天津市園藝工程研究所也研制出多效農藝營養紙膜，通過試驗證明，該產品不僅能自行分解，還能釋放多種營養成分，促進植物的生長發育，具有一定防治植物病蟲害的作用[21]。但這類紙地膜在加工過程中會使用一些化學助劑以增強機械性能、降解性能和生物性能等，這些化學材料的生物降解性及其對土壤環境的影響有待研究[32－35]。對于麻地膜等特殊材料的可降解地膜，其材料來源和生產成本問題值得關注[36－37]。

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