農用塑料薄膜使用現狀與環境污染分析

馬兆嶸，劉有勝,*，張芊芊，應光國

1. 華南師范大學環境學院，廣州 510006 2. 廣東省化學品污染與環境安全重點實驗室&環境理論化學教育部重點實驗室，華南師范大學，廣州 510006

農膜包括地膜和棚膜，由于其可以改善農作物生產環境而在農業生產過程中廣泛應用。農膜是繼種子、化肥和農藥之后的又一項重要生產資料，農膜可以起到增溫、保水、防蟲和防草等作用。已有研究表明，使用農膜可將種植作物生產率提升20%～50%[1]。為了滿足我國與日俱增的糧食生產需求，農膜在過去40年間被廣泛使用。我國農膜年使用量巨大且逐年增加，從1991年的64.21萬t增長至2016年的260.26萬t，使用量增長了4.05倍[2]，預計到2020年我國農膜使用量將達到392萬t[3]。農膜經使用后大量殘留于土壤中，我國地膜回收率不到60%[4]。目前使用的絕大部分地膜在自然條件下很難降解，可存在于農田土壤中長達幾百年。農膜殘留于土壤中，將影響耕作層土壤結構、影響水分和肥料營養遷移、阻礙種子發芽和植物根系生長、以及改變土壤微生物組成和破壞土壤生態平衡。地膜可以改變小麥田中半干旱土壤微生物群落的組成，增加土壤的碳含量[5]。因此，如何確保我國農膜可持續發展使用意義重大。

本文通過總結已報道的農膜文獻，綜合分析了農膜類別、組成成分、使用狀況、污染效應和處理方式等，歸納了地膜覆蓋對土壤環境質量、植物和種植作物等影響，以及現行的農膜的回收處理方式和管理措施。并提出未來農膜污染防治的主要研究方向，以期為我國農膜可持續性使用和污染防控提供參考。

1 農膜種類、成分及特性(Types, constiution and characteristics of agricultural plastic film)

農膜主要分為棚膜和地膜2種類別(表1)，另外還有遮陽網、防蟲網和飼草用膜等其他類型的農用覆蓋材料。棚膜是指用于制作塑料大棚和溫室的塑料農膜。地膜即地面覆蓋薄膜，通常是透明或黑色PE薄膜，也有綠色、銀色薄膜，用于地面覆蓋。

1.1 農膜種類

1.1.1 棚膜

目前應用較多的主要有2種棚膜：溫室大棚和拱形小棚。溫室大棚能透光和保溫(或加溫)，可在不適宜植物生長的季節，提供溫室生育期和增加產量，多用于低溫季節喜溫蔬菜、花卉和林木等植物栽培或育苗等。溫室大棚可以用單層或雙層薄膜覆蓋。雙層薄膜之間隔有一層空氣，可以減少傳導性、對流性和長波紅外輻射的損失。與單層薄膜相比，雙層薄膜的加熱節能率在25%～30%之間，但太陽輻射透過率會降低[6]。除相對高度更低以外，拱形小棚與溫室大棚具有相同的特性。拱形小棚由塑料薄膜覆蓋的拱形支撐結構組成，從而創造出適宜栽培作物的保護性內部氣候。在晴日和夏季時節，覆蓋物可被打開或移除，這是一個很大的優勢，有助于增強拱形小棚的氣相擴散，為作物營造更適宜的生長環境。拱形小棚可用于竹筍和西瓜等多種蔬菜瓜果的種植。

1.1.2 地膜

地膜覆蓋于土壤表面，用以提高土壤溫度，保持土壤水分，維持土壤結構，防止害蟲侵襲作物和某些微生物引起的病害等，促進植物生長。地膜在我國大部分地區普及和應用，可在一年之中的任何時候使用，通常最佳的使用時間是土壤被預熱過的晚春時節，而在中國南方，冬天氣溫相對溫和，地膜可常年使用。地膜主要用于糧、棉、油、菜、瓜果、煙、糖、藥、麻、茶和林等40多種農作物，可使作物普遍增產30%～50%，增值40%～60%[7]。

表1 農膜基本信息Table 1 Agricultural film basic information

1.2 農膜組成成分

農膜主要組成成分包括母體化合物和添加劑。母體化合物主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物[8]。聚乙烯(PE)是目前應用最廣泛的農膜主要成分，根據其不同的應用需求主要分為LDPE(低密度聚乙烯)、LLDPE(線性低密度聚乙烯)和HDPE(高密度聚乙烯)3種類型。聚丙烯(PP)是聚烯烴族中第二常見的線性熱塑性聚烯烴族聚合物，其工作溫度和拉伸強度優于PE，最廣泛用于通過擠壓加工生產的纖維和細絲，以及用于農業管道、壓片、管網和繩線[9]。聚氯乙烯(PVC)是一種熱塑性聚合物，也是乙烯基聚合物，小部分柔性PVC(薄膜)也被用作溫室的覆蓋材料。乙烯醋酸乙烯酯(EVA)是乙烯與醋酸乙烯共聚物，在柔軟性和靈活性方面接近彈性材料，通常在溫室農膜中的含量為14%[5]。根據農膜的應用需求，主要添加劑包括抗氧化劑、光穩定劑、增塑劑和促降解劑等[9-10](表2)。

1.3 農膜特性

農膜的性質主要取決于其母體化合物和添加劑，通常其主要成分是聚乙烯，它具有靈活性強、耐久性好、易加工、無異味和無毒等特點。添加劑則包括增塑劑、著色劑、紫外穩定劑以及其他高聚物，添加劑可影響農膜的顏色和使用壽命等特性。農膜的主要特性如下。

1.3.1 耐久性

農膜尤其是溫室棚膜應用過程中需要較長的使用壽命來保障作物生長周期。影響溫室棚膜使用壽命的重要參數主要是薄膜材質特征和環境因素[11]。薄膜材質包括聚合物種類、膜種類、穩定劑類別和膜厚度等，環境因素則包括框架材料、設計方式、地理氣候因素和農藥使用等。另外，溫室大棚薄膜中添加的一些光穩定劑如苯甲酮、苯并三唑、三嗪、鎳衍生物和受阻胺類等也有效提高了其使用壽命。一般而言，抗氧化劑的添加可以有效緩解農膜氧化，農膜中抗氧化劑含量一般為0.01%～0.05%，雖然大多數抗氧化劑無毒且具有良好的穩定效果，但苯基取代的亞磷酸酯等抗氧化劑已被認為具有一定毒性[12]。光穩定劑可有效提高以聚烯烴為原料的塑料制品的長期抗風化能力，受阻胺類物質如Tinuvin622和Chimasorb944等常作為聚烯烴的光穩定劑，美國、英國、日本、法國、德國、加拿大和澳大利亞等國規定在聚乙烯中Tinuvin622最高含量為0.3%。塑化劑可增強農膜的柔韌性和彈性，其主要成分是鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)[13]，而鄰苯二甲酸酯類化合物(PAEs)已被認為具有致癌性和內分泌干擾效應[14]。

1.3.2 光學特性

不同類型和顏色的農膜具有其典型的光學特性，可改變到達土壤的光輻射水平，導致土壤溫度的升高或降低，如黑色和透明的地膜最易使土壤升溫[15]。對于那些生長在涼爽短暫季節中的暖季蔬菜作物，透明地膜對土壤的升溫效果更好[16]。然而，高透光性的缺點是缺乏雜草控制，當暴露在陽光下，雜草會繼續生長[17]。其他顏色，如紅色、藍色、黃色或橙色的地膜，可滿足蔬菜生產的特殊要求，如驅除某些害蟲或吸引有益昆蟲等[18-19]。農膜的關鍵光學特性是透光率和霧度[20]，波長在400～700 nm之間的可見光是植物光合作用所必需的，因此溫室覆蓋物必須對這部分太陽光譜盡可能透過。

1.3.3 紅外傳輸

紅外不透明農膜是蔬菜種植中常用的塑料薄膜，其紅外不透特性可有效增溫保暖，以及在不加熱的情況下能降低結霜的風險，同時能顯著降低能耗和有效降低熱損失。生產過程中主要通過2種方式提高薄膜的紅外不透明度：(1)使用填料和添加劑，如二氧化硅、碳酸鹽等[21]；(2)添加含有紅外吸收帶的共聚物，如乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)等。

1.3.4 抗滴防霧性

為降低雨水對農膜光透射的影響[22]，農膜通常需要通過添加一些特殊添加劑來提高其抗滴防霧性能，如添加非離子表面活性劑用于防霧膜中，將冷凝形狀改變為水膜。但表面活性劑是由濃縮水萃取而成，通常在2個農業季節內其防霧效果會消失，因此隨著農膜使用時間增加，防霧效果會逐漸降低。

2 農膜的使用狀況(Use of agricultural film)

我國農膜使用量巨大，且逐年增加(表3)。我國農膜年使用量從1991年的64.2萬t增加到2017年的252.8萬t，26年增長了4.05倍，年平均增長率為5.4%。

我國農膜使用總量存在明確的地域特征(表4)，在農業大省諸如山東省和河南省使用量要高于其他省份，2016年的農膜用量分別達到了29.79萬t和16.31萬t，而農膜用量在西北如新疆自治區和甘肅省也非常高，2016年分別達到了26.62萬t和19.51萬t。這4個地區的農膜使用量總和達到了92.23萬t，占當年全國農膜使用總量的35.4%。

表2 農膜常用添加劑Table 2 Agricultural addictives of agricultural film

表3 我國1997—2017年農膜和地膜使用用量統計Table 3 Statistics on the use of agricultural film and plastic mulch in China from 1997 to 2017

表4 2016年中國各省/區農膜使用分布[2]Table 4 Distribution of agricultural film use in various provinces in China in 2016[2]

2.1 棚膜使用狀況

我國20世紀60年代初開始制造和使用普通塑料棚膜，80年代初開始研制和使用防老化聚乙烯塑料棚膜(功能棚膜)，90年代棚膜得到快速增長，增長率在10%～15%。2000年后塑料棚膜成為主要的農膜品種，應用已從糧食作物為主轉變為以蔬菜、瓜果和花卉等經濟作物為主[23]。2010年后，隨著部分生物可降解材料的發展，可降解棚膜也應用而生。近年來，添加轉光功能性母料的轉光膜也開始在蔬菜種植中大規模使用，其主要作用是可以吸收陽光中的紫外線和綠光，僅透過有利于光合作用的橙紅光和藍紫光，從而可以提高蔬菜的產量和品質。我國棚膜主要在北方地區、東部沿海地區以及主要港口城市周邊地區，用于蔬菜、瓜果和花卉種植，也有小部分用于畜牧業、家禽養殖和塘魚養殖。據報道，棚膜的產量約占農膜總量的40%左右[24]。

2.2 地膜使用狀況

我國地膜使用量從1991年的31.9萬t增長到2017年的143.7萬t，增長了近4.5倍，年平均增長率達到6.0%(圖1)。地膜覆蓋面積從1991年的491萬hm2增長到2017年的1 866萬hm2，增長了3.8倍，年平均增長率為5.3%。我國部分農業大省2017年的地膜使用狀況如表5所示，新疆自治區、山東省和甘肅省是地膜使用量和覆蓋面積最高的地區。另外，我國也有部分地區在經濟作物種植過程中使用可降解地膜，如云南地區的煙草種植，山東地區的花生和馬鈴薯種植以及新疆地區的番茄種植等，但使用率不足20%[25]。而且部分降解地膜降解速度太快，會導致棉花減產以及增溫保熵效果比較差[26]。

圖1 地膜和農膜使用情況[2]Fig. 1 Usage amount of mulching film and agricultural film[2]

3 農膜的環境污染(Pollution of agricultural film)

3.1 土壤污染

農膜使用后，大部分并沒有回收而是殘留在土壤中。據報道，我國新疆自治區長期覆膜棉田每公頃地膜平均殘留量在200 kg以上，甘肅省、內蒙古自治區、東北地區、山西省和河北省部分地區每公頃平均殘留量在100 kg以上[27]。農膜殘留會影響土壤理化性質和造成二次污染，如帶來鄰苯二甲酸酯污染以及可引起農藥在土壤中的殘留增加等[28]。農膜殘留影響土壤理化性質如下。(1)降低土壤團聚體穩定性。農膜殘留可在土壤中形成阻隔層，使耕層土壤透氣性降低，導致土壤團聚體量減少和穩定性降低。土壤團聚體減少會進一步影響土壤的雨水濺蝕力和保肥保水性能[29-30]。(2)影響土壤抗蝕度與分散性。農膜殘留會增加土壤顆粒分散性，減少土壤滲透和降低土壤的抗蝕性。(3)鄰苯二甲酸酯污染。農膜殘留會釋放鄰苯二甲酸酯類化合物(PAEs)到土壤中，已有報道表明，土壤中PAEs的本底濃度在0.2～33.6 mg·kg-1之間[31]，而在農用地膜中檢測出的PAEs濃度在50～120 mg·kg-1之間[32]。當PAEs從覆蓋膜中釋放出來時，它可能通過植物吸收蒸發的方式進入大氣和徑流，并進一步分布在地下水和地表水環境中[28, 32-33]；另外也有研究報道，覆蓋地膜土壤中鄰苯二甲酸二丁酯(DPB)和鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)的濃度比未覆蓋地膜的土壤高2.5～3倍[34]。Kong等[35]還發現，覆膜土壤中的PAEs濃度分別比沒有覆膜的農田和蔬菜土壤中的PAEs濃度高了74%和208%。長期使用黑膜的土壤中PAEs含量相對更高[36]。厚膜也已被報道會增加土壤中DEHP的含量，而且厚膜比薄膜會釋放更多的PAEs[37]。Wang等[32]還對南京郊區的菜田土壤進行了6種優先PAEs的研究，發現總PAEs的濃度水平在0.15～9.68 mg·kg-1。Kong等[35]在對天津市城郊農田6種優先PAEs的調查分析中發現，總PAEs的范圍在0.05～10.4 mg·kg-1，其中鄰苯二甲酸二正丁酯(DnBP)和DEHP的含量最高。此外，地膜使用后也會增加農藥和重金屬在土壤中的殘留[38]，如有研究報道，地膜覆蓋土壤中農藥和重金屬污染負荷顯著高于未覆蓋的土壤。

表5 2017年農業大省各農業指標Table 5 Agricultural indicators of the major agricultural provinces in 2017

3.2 植物和作物污染

土壤中農膜殘留還會影響植物和種植作物發芽、生長發育，并造成污染物在植物體內富集等。研究發現，當土壤中地膜殘留量達到37.5 kg·hm-2時，小麥發芽率與對照組相比降低25%[39]。地膜殘留還對玉米、茄子、甘藍和花生等作物的根系生長有顯著抑制作用[40]，當殘膜量達到100 kg·hm-2時，玉米葉面積顯著減小，當殘膜量>240 kg·hm-2時，作物產量顯著下降[41]。據統計，連續使用農膜2年以上的麥田，每公頃殘留農膜碎片103.5 kg，小麥月減產率為9%，連續使用5年的小麥田，每公頃殘留農膜碎片達375 kg，小麥減產26%[42]。研究者發現，覆膜大白菜重金屬積累量明顯高于空白對照組，與未覆蓋植物相比，其鋅、鎘、銅和鉛的總含量提高了90%以上[43]。除此之外，國內外其他相關研究者還對不同地區農田作物中PAEs做了相關研究，結果如表6所示。

表6 不同地區可食用作物中鄰苯二甲酸酯(PAEs)含量Table 6 Phthalate esters (PAEs) content in edible crops in different regions

3.3 塑料和微塑料污染

農膜殘留還會帶來塑料和微塑料污染。農膜使用后，隨著風化破碎可成為大塑料和微塑料，并進入大氣環境和水環境。O’Connor等[49]基于干-濕循環模擬研究了100年的微塑料遷移深度，發現土壤是陸地微塑料的主要儲存場所和地下水的主要污染來源載體。另外，我國每年塑料垃圾量全球最高，達到132～353萬t，其中農用塑料占到了30.9%[50]。已有報道表明，我國土壤已遭到不同程度的微塑料污染，表7展示了我國河北省、山東省、云南省和上海市等部分地區土壤中的微塑料分布情況。

3.4 其他污染

農膜殘留還對農業生產和農業環境帶來一系列其他負面影響。如：焚燒殘膜可產生有害氣體排放污染大氣；牛、羊等牲畜食用混有殘膜的農作物秸稈和草料可能會誘發胃腸功能障礙，出現嚴重厭食癥甚至造成死亡[55]；殘膜對田邊、運河和林間也會造成“視覺污染”[56]；影響田間機械耕作，導致開溝機易纏繞和播種質量下降。

表7 不同地區土壤微塑料的分布情況Table 7 Distribution characteristics of microplastic in different regions

4 農膜的處理、防治與管理(Treatment, prevention and management)

農膜的處理既是環境問題又是經濟問題，因為它們可能會對景觀環境、農用土壤、大氣、地表水和地下水環境造成嚴重的彌散性破壞[57]。農膜通常被焚燒、回收、填埋或非法處理[58-60]。農膜回收利用的主要處理方式是再生造粒后生產各種塑料用品[61]。

4.1 農膜的回收處理

4.1.1 焚燒

目前農膜的焚燒有2種，一種是農民經常采用的原位焚燒或露天焚燒，還有一種是回收后的燃燒發電或者是用作燃料[62]。但焚燒處理會產生一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氨氣以及二噁英等有毒致癌物，給生態環境和人體健康帶來潛在風險[63-64]。

4.1.2 填埋

目前無法回收利用的農膜基本上都是采用填埋的方式處理。但填埋處理只能是暫時的處理方式，且填埋后往往會使填埋區土壤質量退化，同時也可能造成土壤污染以及大氣污染，對區域食品質量安全和人體健康帶來危害[65]。

4.2 農膜的防治技術

回收處理和回收再利用是農膜防治的基本做法。主要用以下方式。(1)適期揭膜技術[66]。根據作物種類和區域條件，形成合理的揭膜時間和揭膜方式，在地膜完成其功能且又未老化破損之前進行揭膜回收，提高地膜回收率。如新疆自治區的棉花頭水前揭膜，在膜還未老化前回收，可使回收率達到90%以上[67]。山西省玉米覆膜在玉米出苗后45 d揭膜，也能大幅度提高地膜回收率[68]。(2)回收再利用技術。通過回收地膜作為再生塑料的原料，利用回收薄膜產生環境友好型填充母料，利用回收地膜進行燃料提取，以及利用回收地膜作為建筑材料。(3)使用可降解農膜。通過添加促降解劑來加速殘留在土壤中的農膜自然消解，減少殘膜對環境的污染，避免了農膜在土壤中的過度積累[69]。有研究人員發現，加入促降解劑后，印度粉蛾(Plodiainterpunctella)可在60 d內降解6%～10%的聚乙烯[70]。但目前研制的促降解添加劑還過于昂貴，實際應用性不高。

4.3 農膜的管理政策

為了有效防治農膜帶來的環境污染，嚴格的管理政策和法規是根本。因此，需要政府制定嚴格的行業標準和強制立法，使農膜在生產、使用和回收過程中能有效監管，確保生產的農膜符合生產標準，提高農膜的回收和利用。在這個方面國外有一些好的做法可以給我們提供參考。另外，事實上我國也已經開始制定相關的標準和法規來控制農膜的環境污染。

4.3.1 國內

為控制農膜殘留污染，我國也制定了2項國家標準：《農田地膜殘留量限值及測定》 (GB/T 25413—2010)和《棉花種植用地膜厚度限值及測定》(GB/T 25414—2010)，這2項標準規定了待播農田耕作層內地膜殘留量應不大于75 kg·hm-2，棉花種植用地膜厚度應不小于0.008 mm，以此來確保能機械回收地膜。另外，農業部也提出了“一控、兩減、三基本”和《關于打好農業面源污染防治攻堅戰的實施意見》，其中農膜的污染治理是其中一項重要工作，明確指出需要加大農業面源污染防治力度，推廣高標準農膜和殘膜回收試點，加強農業生態治理，開展農田殘膜回收區域性示范，嚴厲打擊違法生產和銷售不合格農膜的行為。國務院制定的《土壤污染防治行動計劃》也提出，加強廢棄農膜回收利用，明確了農用地膜的回收和再利用目標，到2020年，我國農膜回收率應達到80%以上。

4.3.2 國外

歐盟、美國和日本等鼓勵使用高強度、可降解地膜替代普通地膜。美國通過使用可降解地膜和推廣應用高強度、耐老化的地膜，以及采用卷收設備進行回收來降低殘膜危害。日本則制定行業標準要求地膜厚度在0.02 mm以上，另外日本還頒布了《日本廢棄物處理及清掃法》，規定使用地膜必須經專業公司回收利用。歐盟則建立了農用塑料標記協會(Lable AgriWaste)來制定歐洲農用塑料廢物標簽制度[71]，同時通過頒布《農業廢棄物填埋條例》和《農業廢棄物焚燒條例》對廢棄農膜回收處理進行了明確規定。意大利和法國環保部出臺農業塑料廢棄物回收和利用法律條文，對農膜回收利用進行規范處理[27]。

5 結論與建議(Conclusion and suggestion)

農膜的開發和使用增加了農業生產收益，顯著提高了農田土地利用效率。然而，缺乏有效的回收、處理和再利用，農膜土壤殘留將造成土壤、地下水、地表水、植物作物和大氣污染，甚至對人體健康產生影響。因此，確保農膜的生產質量、提高農膜殘膜回收率和推廣切實可行的農膜回收再利用技術是農膜污染防治的重點。基于此，提出以下未來研究的方向：

(1)開展低價可降解農膜的研發，研制低成本的促降解添加劑，進一步提升可降解地膜的可控性和穩定性，有效縮短農膜在土壤中的自然削減時間，降低殘膜的環境效應；

(2)加快制定針對我國農膜管理的法律法規，細化農膜生產、使用和回收相關標準、要求和制度，明確各級政府部門在農膜生產、流通、使用和回收各環節的管理職責；

(3)大力發展廢棄農膜循環利用制度，對農膜制造商、銷售機構和回收處理機構實行責任制，形成完備的循環利用制度體系，建立農膜回收經濟補償體系，切實提高殘膜回收處理效率。

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