張掖綠洲農田地膜殘留量分布特征及影響因素

杜澤玉，孫多鑫，楊榮，蘇永中

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院，臨澤內陸河流域綜合研究站，蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049；3.甘肅省農業技術推廣總站，蘭州 730000）

自20世紀80年代我國推廣地膜覆蓋技術以來，地膜覆蓋面積不斷擴大，根據許詠梅等[1]的研究結果，全國農田地膜使用面積以8.76%的速率擴大，使用量增速達到了11.94%。到2016年我國地膜使用量已達1.47×106t，占全世界地膜使用量的50%以上，且地膜使用率仍快速持續上升[2]。地膜覆蓋技術的采用使冷涼、干旱區域的農業生產方式大幅改善，可耕作面積擴大、可耕種作物種類增多，尤其是作物產量顯著增加[3]。付鑫等[4]研究表明，對玉米作物采用地膜覆蓋技術，可使土壤中硝態氮的含量增加189.14%，顯著提高氮肥有效性。地膜覆蓋還可以蓄水保墑[5]，使水分利用效率提高13.3%[6]，顯著改善農田水肥條件，使玉米增產高達60.7%[7]。雖然，地膜覆蓋技術已經成為農業不可或缺的管理方式之一，但地膜易破碎、殘膜回收率遠低于地膜使用率以及殘膜難降解等問題導致農田土壤中地膜殘留量不斷增加，對環境造成諸多危害，如土壤板結、次生鹽漬化、土壤肥力降低等，最終影響作物產量與品質。據估計，我國殘膜總量已達2×106t，但回收率不足66.7%[1]，殘留的地膜已逐漸成為農田生態環境和農業可持續發展的制約因素。在此背景下，針對一些地膜使用量較高的區域開展地膜殘留量調查，摸清并了解不同區域地膜殘留現狀及其環境危害，對提出有針對性的地膜調控措施以減輕農業環境危害風險，保證作物持續穩定增產具有重要的意義。

國內外學者圍繞地膜污染的一些研究集中在殘膜的危害[8-12]（如殘膜對作物生長及產量的影響[13-15]）、影響殘膜污染的主要因素[14,16-18]以及殘膜污染的區域差異[1,14]等方面。河西走廊目前是我國最大的玉米制種基地，面積達10萬hm2[19]，其干旱少雨的自然條件決定了農作物的高質高產基本依靠地膜覆蓋，該地年地膜使用總量可達1.52×105t，而年殘留總量達4.5×104t，且呈逐年增長趨勢[16]。地膜殘留污染風險高且嚴重危害農田生態環境和土壤健康。在河西走廊最具代表性的張掖綠洲，前期已開展過一些地膜殘留污染方面的調查研究，但這些研究大多樣本數量偏少，區域代表性不高且在地膜殘留量空間變異的驅動因子分析方面涉及甚少[16-17]，目前亟待增加樣本量，對區域地膜殘留污染狀況進一步翔實了解。因此，本次調查選擇河西走廊典型區域——張掖綠洲農田為研究區，對105個樣地的地膜殘留量進行實地監測，揭示主要影響因素（覆膜方式、年限、作物、土壤質地等）對地膜殘留量變化的影響規律及貢獻率，研究結果可為當地地膜污染治理工作提供可參考標準，也可為相關政府部門制訂地膜管理政策提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概述

張掖綠洲位于河西走廊中段、祁連山北側山前洪積平原，涵蓋沿黑河中游（從鷹落峽至正義峽）分布的各片綠洲[20]。研究區氣候特征表現為典型的荒漠氣候，多年平均氣溫達7.7℃、降水量137.16 mm、日照時數3 103.42 h、蒸發量2 000～2 350 mm。土壤類型以綠洲灌淤土、風沙土及灰棕漠土為主[21]。張掖綠洲平坦開闊的地形、豐富的黑河水資源加上地膜覆蓋技術的推廣使其成為重要的內陸封閉灌溉農業區之一[22-23]。調查區總面積421.4萬hm2[24]，根據《甘肅農村年鑒》，2016年研究區內各縣區耕地面積分別為民樂縣6.44萬hm2、甘州區6.39萬hm2、山丹縣4.39萬hm2、高臺縣3.63萬hm2、臨澤縣2.79萬 hm2。目前，張掖綠洲是全國最大的雜交玉米制種基地，在地膜覆蓋技術被廣泛應用于張掖綠洲耕地保水保墑，促進作物增質增產的背景下，22 a時間里研究區地膜覆蓋面積擴大了21.9倍，地膜用量增長了32.3倍[23]，2016年調查區施用地膜的總量已達6 455 t，同年糧食總產量高達131.43萬t，各種作物中玉米產量高達74.1萬t，占糧食總產量的55.64%，玉米成為主要的地膜消耗作物。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 殘膜樣品采集與處理

樣品采集于2019年6月上季作物收獲后、整地前進行。采樣地塊地理位置信息通過GPS定位儀確定，同時記載該調查地塊的歸屬縣區村鎮、作物種類、土壤類型、地膜厚度（研究區98個樣地地膜厚度≥0.01 mm，其余7個樣地地膜厚度為0.008 mm）、覆膜年限、覆膜方式等基本信息。本次調查共采集105個樣地樣本，各縣區樣本量分別為民樂縣20、甘州區20、山丹縣25、高臺縣15、臨澤縣25，總體包括四縣一區的87個鄉鎮、17個村社及1個良種場，基本覆蓋了各縣區的農田地塊（圖1）。每個調查樣地選取3個1 m×1 m的樣方，在周圍鋪上帆布，用鐵鍬將樣方表層土（0～20 cm）放入篩子中，邊篩土邊人工撿拾殘留地膜，殘膜以肉眼可見為標準，小心清除附在殘膜上的土，防止殘膜破裂，然后將地膜放入自封袋中并編號，帶回實驗室后浸泡1 h左右，待殘膜表面泥土等物質松散，先人工去除殘膜表面的泥土，再用超聲波清洗儀清洗殘膜10 min，最后將清洗過的殘膜在陰涼干燥處晾干并稱質量。

1.2.2 地膜殘留量計算和污染評價標準

將每個樣地內3個樣方的殘膜質量相加求平均值，即為該樣地表層土壤的地膜殘留量：

式中：M為調查樣地表層土壤的地膜殘留量，kg·hm-2；Wn為每個樣方表層土壤的殘膜總凈質量，kg；3為樣方的數量。

本文參照《農用地膜殘留量限值及測定》（GB∕T 25413—2010）和《農田地膜殘留調查與評價技術規程》（DB23∕T 2033—2017），對研究區地膜污染狀況進行等級劃分，依次為：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。

1.3 數據處理

通過對地膜殘留量點位數據進行地統計分析來研究其空間變化，根據決定系數、殘差等地統計指標[25]，選擇最優空間插值模型——高斯模型。基于ArcGis10.2軟件中Geostatistics模塊普通克里金插值（Ordinary Kriging）繪制研究區農田殘膜污染空間分布圖，以分析空間變異特征。普通克里金是在變異函數和結構分析的基礎上，根據樣本空間位置不同和樣本間相關程度不同，對每個樣本賦予不同的權，進行滑動加權平均[26]。

圖1 地膜殘留污染區采樣點分布Figure 1 Location of the sampling sites

x代表空間位置，x1，x2，x3，…，xn為調查區域上的一系列采樣點，Z（x1），…，Z（xn）為相應采樣點的地膜殘留量數值。根據普通克里金的插值原理，未采樣點x0處的值Z（x0）可采用一個線性組合來估計：

式中：γ(xi),xj為采樣點xi，xj之間的變異函數；E為數學期望；λi為第i個樣本的數值[27]。

采用SPSS對按地區、作物、土壤質地、覆膜年限、覆膜方式等不同因素分組的地膜殘留量進行描述統計分析。并按照殘膜污染評級標準，統計每個地區及各影響因素下不同污染等級的地膜殘留量樣本分布頻率。計算不同因素、不同水平下的地膜殘留量變異系數（CV），揭示地膜殘留量的離散程度和差異大小，其公式如下：

式中：SD為樣本標準差；MN為樣本平均值。

變異系數越大，表示數據間離散程度越高，數據差異越大。

通過單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）研究各因素對地膜殘留量的影響。在地理探測器軟件中計算不同影響因素的地理探測q統計值（q值表示自變量解釋了100×q%的因變量），分析地膜殘留量空間變異的主要因素。采用GS+Version 9.0、SPSS 20.0、ArcGis 10.2和Origin 2017進行數據處理和畫圖。

2 結果與分析

2.1 殘膜污染空間變異特征

張掖綠洲農田地膜殘留量的變異函數理論模型及參數如表1所示。根據決定系數和殘差，選擇最優擬合模型為高斯模型，在此模型下，塊金值為0.242，表示該地區地膜殘留量空間變異性受試驗誤差或小于試驗取樣尺度等隨機因素影響較小；基臺值為1.166，表明地膜殘留量的空間變異程度大，空間異質性特征明顯；基底效應為20.8%，表明張掖綠洲農田地膜殘留量具有強烈的空間自相關性，造成地膜殘留量空間變異的隨機因素占20.8%，但隨機因素影響不可忽視；變程為1 714.7 m，表明張掖地區地膜殘留量的空間自相關范圍在1 714.7 m內，變程大于采樣間距1 000 m，符合內插條件。

表1 空間異質性的特征參數Table 1 Characteristic parameters of the spatial heterogeneity

圖2 殘膜污染等級的空間分布Figure 2 Spatial distribution of residual film pollution level

表2 不同覆膜方式下的地膜殘留量及頻率分布Table 2 Residual plastic film amount and their frequency distribution for different film-covering modes

調查區存在不同程度殘膜污染（圖2），高、重殘膜污染主要分布在張掖綠洲西北部，約占總調查樣地面積的7.71%。中度殘膜污染主要分布在西北部高、重殘膜污染區外緣且向四周擴展，其面積占到26.36%。其余65.93%的地區為低殘膜污染，主要分布在張掖綠洲東南大部分地區。調查區地膜殘留量均值為25.63 kg·hm-2，整體處于中污染水平，變異系數83.74%，表明各區域之間地膜殘留量差異顯著。縣區之間殘膜污染特征不盡相同，地膜殘留量均值表現為：臨澤縣＞高臺縣＞甘州區＞山丹縣＞民樂縣。臨澤縣內殘膜污染程度變異性較高，均值為49.07 kg·hm-2，污染程度以中、高污染為主，其中鴨暖鎮古寨村地膜殘留量最大（114.72 kg·hm-2）。高臺縣中污染區分布最多，各村鎮中駱駝城鎮前進村地膜殘留量最小（11.57 kg·hm-2），羅城鎮花墻子村地膜殘留量最大（75.83 kg·hm-2）。甘州區以低殘膜污染為主，最小值為5.26 kg·hm-2（新墩鎮隋家寺村），最大值為49.87 kg·hm-2（安陽鄉五一村）。山丹縣和民樂縣殘膜污染均為輕度污染，山丹縣陳戶鎮岸頭村三社地膜殘留量最小（9.15 kg·hm-2），李橋鄉河灣村四社地膜殘留量最大（22.17 kg·hm-2），民樂縣地膜殘留量最小值為0.79 kg·hm-2，出現在南豐鎮陳圈村，最大值為19.80 kg·hm-2，出現在新天鎮韓營村。

2.2 殘膜污染的影響因素

2.2.1 覆膜方式、年限對殘膜污染的影響

從表2可以看出，采用全覆膜和機械覆膜的地區較多，其樣本量分別占38.5%和44.2%，人工覆膜的地區較少（17.3%）。各覆膜方式的殘膜污染分布情況具體表現為全覆膜農田中度殘膜污染分布頻率最高，而人工覆膜和機械覆膜方式下低殘膜污染分布頻率最高。全覆膜農田地膜殘留量均值為37.35 kg·hm-2，殘膜污染程度最高，比人工覆膜和機械覆膜分別高出9.89 kg·hm-2和 22.09 kg·hm-2。全覆膜污染最嚴重的地區為臨澤縣鴨暖鎮古寨村。殘膜污染各水平下覆膜方式頻率分布具體表現為低殘膜污染分布中，機械覆膜方式比人工覆膜和全覆膜高出41.3%、61.3%；中、高、重殘膜污染樣地覆膜方式均以全覆膜為主。從LSD比較結果來看，全覆膜、人工覆膜與采用機械覆膜方式造成的殘膜污染存在顯著差異（P＜0.05）。

根據調查數據可將覆膜年限分為4組：≤5 a、5～10 a、10～20 a、＞20 a。從單因素方差分析結果來看，地膜殘留量受地膜覆蓋年限的影響顯著（P＜0.05）。LSD比較結果顯示（表3），覆膜年限4個水平之間，10～20 a與≤5 a、5～10 a，＞20 a與≤5 a、5～10 a覆膜年限下的地膜殘留量都存在極顯著差異（P＜0.01），即覆膜年限10 a以上和10 a以下的地膜殘留量差異極顯著。具體殘膜污染分布特征（圖3）表現為，10 a以下殘膜污染均為低污染，10 a以上殘膜污染以中度污染為主。10～20 a覆膜年限下，低、中、重污染分布頻率比20 a以上的地膜覆蓋殘膜污染分別高出8.4%、0.6%、2.7%，而20 a以上，地膜高污染分布頻率比10～20 a高出11.8%，可以看出隨著覆膜年限增加，土壤殘膜污染程度加劇。在覆膜年限影響下，殘膜污染最嚴重的區域分布在臨澤縣鴨暖鎮古寨村。

表3 不同覆膜年限下地膜殘留量LSD比較結果Table 3 LSD multi-comparison results of residual plastic film amount in different mulched years

圖3 不同覆膜年限下的地膜殘留量頻率分布Figure 3 Frequency distribution of residual plastic film amount in different mulched years

2.2.2 作物類型對殘膜污染的影響

張掖綠洲農田主要種植馬鈴薯、蔬菜、玉米、中藥材等，其中玉米樣地最多，馬鈴薯、蔬菜次之，中藥材最少。蔬菜和玉米樣地地膜殘留量均值較高，分別比種植馬鈴薯高出 20.88 kg·hm-2和 22.95 kg·hm-2。殘膜污染嚴重程度整體表現為玉米（35.39 kg·hm-2）＞蔬菜（32.37 kg·hm-2）＞馬鈴薯（11.49 kg·hm-2）＞中藥材（9.42 kg·hm-2）。種植馬鈴薯和中藥材的樣地均處于殘膜低污染水平，種植蔬菜的樣地殘膜中、高及重污染頻率合計已超50%，而種植玉米的樣地殘膜中、重污染分布頻率要比種植蔬菜分別高出9.71%和2.63%（圖4）。對4種作物下的地膜殘留量進行LSD比較分析，結果顯示種植玉米、蔬菜和種植馬鈴薯、中藥材對地膜殘留量的影響差異顯著（P＜0.05）。種植玉米殘膜污染最嚴重的地區為臨澤縣鴨暖鎮古寨村。

圖4 不同種植作物的地膜殘留量頻率分布Figure 4 Frequency diagrams of residual plastic film amount in different farm crops

2.2.3 土壤質地對殘膜污染的影響

調查區土壤質地以壤土分布最多（51%），黏土、砂壤土次之（27%、19%），砂土分布最少（3%）。不同土壤質地下，殘膜污染嚴重程度為砂壤土（35.27 kg·hm-2）＞壤土（30.09 kg·hm-2）＞砂土（13.15 kg·hm-2）＞黏土（11.48 kg·hm-2）。壤土和砂壤土的殘膜污染較嚴重，地膜殘留量最高值（臨澤縣鴨暖鎮古寨村，114.72 kg·hm-2）的樣地土壤質地為壤土。壤土的低殘膜污染分布頻率比砂壤土高13.1%，砂壤土的中、高、重污染分布頻率分別比壤土高出6.1%、0.7%、6.3%。砂土和黏土質地的樣地均為低殘膜污染。LSD分析結果顯示，砂壤土、壤土與黏土之間的地膜殘留量差異極顯著（P＜0.01）。

2.3 地膜殘留量空間差異驅動因子分析

根據因子探測的結果可知（表4），不同因子的決定力q值存在差異。q值從大到小依次為覆膜年限＞作物＞覆膜方式＞土壤質地，覆膜年限是影響地膜殘留量空間變化分布的第一主導因素，貢獻率達33.24%，作物類型是第二主導因素，其貢獻率為31.73%，其次是覆膜方式、土壤質地，貢獻率分別為21.79%、18.79%。由此可知，覆膜年限是造成研究區地膜殘留量空間變化的重要因素。

3 討論

近20年來，各地區地膜使用強度的持續增加和低地膜回收率使農田殘膜污染呈現出日趨嚴重的態勢[2]。2010年全國農田地膜殘留量均值為59.79 kg·hm-2[28]，地膜殘留總量近2 106 t，但回收率不足66.7%[1]。目前，針對東北[29]、華北[12，30]、內蒙古[28]、西南[31]等典型殘膜污染區域的研究較多，總體來說，北方干旱、半干旱地區比西南冷涼地區地膜使用強度大，地膜覆蓋面積廣，且北方殘膜污染較嚴重，南北方地膜殘留量差異顯著。本研究結果表明，張掖綠洲農田地膜殘留量空間分布差異性大且空間異質性呈高斯模型分布特征，變幅在0.79～114.72 kg·hm-2之間，均值為25.63 kg·hm-2，整體上低于全國平均水平（60～165 kg·hm-2）[32]，處于中偏低殘膜污染狀態，這可能與本次調查采樣深度（0～20 cm）有關，其研究結果可能比實際耕層土壤的地膜殘留量要低。研究區與東北、華北地區污染水平接近，但比西南地區殘膜污染嚴重。其主要原因可能為：南方地區地形以山地丘陵為主，覆膜耕地面積小且實施人工結合小型機械作業的精耕細作，耕作層普遍較淺，連續覆膜年限短，殘膜回收率在70%左右[33]。相對而言，北方地區尤其是地廣人稀的西北地區氣候干旱、水資源緊缺，地膜用量大、覆蓋面積廣且實施大型機械翻地作業，耕地深度大，連續覆膜時間長且殘膜回收率較低。研究區內殘膜污染程度分布不均勻，高臺縣羅城鎮花墻子村、臨澤縣南華鎮勝利村、平川鎮五里墩村、鴨暖鎮古寨村4個樣地的農田地膜殘留量超過國家地膜殘留量限定標準（GB∕T 25413—2010，75 kg·hm-2），96.19%的調查樣地存在殘膜重污染隱患。

表4 地膜殘留量空間變化的因子探測結果Table 4 Factor detection results of spatial changes in residual plastic film amount

綜合多個對殘膜污染影響因素的研究發現，覆膜比例（用量）、覆膜年限、作物種類是制約地膜殘留量的主要因素，但土壤質地、農膜本身特性、覆膜方式、距離村莊遠近、地膜回收狀況等對地膜殘留量變化的影響也較突出[31，34]。根據以上分析結果并結合本研究區實地調查狀況，試驗主要考慮覆膜方式、覆膜年限、種植作物、土壤質地4個影響殘膜污染的因素。不同覆膜方式導致殘膜污染狀況存在顯著差異[17]。這與本研究結果一致，張掖綠洲農田全覆膜、人工覆膜方式下殘膜污染較嚴重，機械覆膜方式下殘膜污染相對較輕。具體表現為機械覆膜使用率要比全覆膜、人工覆膜分別高5.75%、26.75%，但其地膜殘留量卻比全覆膜、人工覆膜分別低59.1%、44.4%，并且與全覆膜、人工覆膜方式下的殘膜污染各等級頻率分布狀況差異顯著。這可能是由于機械覆膜要求地膜緊實、整齊，無殘破、斷頭、扭曲等現象，大型機械作業要求地膜厚度標準高且地膜寬幅要大于壟寬，相比其他兩種覆膜方式，機械覆膜使地膜更易機械回收，地膜殘留量相對較少[35]。隨著覆膜年限的增長，地膜殘留量也增加，連續覆膜10 a將使農田殘膜污染顯著惡化，馬輝等[12]研究發現，覆膜2、5、10 a的農田土壤地膜殘留量依次遞增了59.1、75.3、103.4 kg·hm-2，且主要分布在表層土壤中，連續覆膜10 a與連續覆膜5 a的地膜殘留量之間有顯著差異。本研究結果與多數研究結論一致，張掖綠洲農田10～20 a與5～10 a覆膜年限下地膜殘留量存在極顯著差異（P＜0.01），覆膜10 a以下只存在輕度殘膜污染，而覆膜10 a以上出現了重度殘膜污染，這表明10 a的覆膜年限可能是殘膜污染的突變點。其主要原因是張掖地區干旱少雨，大風、沙塵暴等氣候災害時有發生，惡劣的自然條件使地膜易破碎殘積在土壤中，隨著覆膜時間的延長，農田大型機械作業耕翻、整地次數增多，使殘膜埋深程度加深，殘膜碎片面積變小，加大了殘膜回收的難度，同時也會降低殘膜回收率，最終導致殘膜污染加劇。作物類型是殘膜污染的主要影響因素，諸多學者對殘膜污染典型地區的研究肯定了這一結論[12，14，28-29，31]。本調查區玉米作物的殘膜污染程度最高，這與河西走廊是我國面積最大的玉米制種基地有一定的關系，張掖市位于河西走廊中段，2019年張掖玉米制種面積達6萬hm2[36]，占到農作物播種面積的42.17%。玉米是研究區主要的種植作物，并且玉米地為提高玉米產量和種子品質高強度使用地膜，因此相較于其他種植作物，種植玉米的地膜殘留量最多、污染最嚴重[2，23]。本研究中不同土壤質地對地膜殘留量的影響表現為砂壤土與黏土，壤土與黏土之間的地膜殘留量差異極顯著。這與其他學者有關壤土與砂土地膜殘留量差異顯著[37]的研究結論有明顯差別，究其原因可能是在本研究中土壤質地不是影響殘膜污染的直接因素。分析張掖綠洲地膜殘留量空間分布差異的主控因素發現，覆膜年限能夠獨立解釋地膜殘留量空間變異的33.24%，作物類型與覆膜年限兩者合計可以解釋64.97%，從本質來說，覆膜年限和作物類型對地膜殘留量空間分布的影響都與研究區氣候水文條件密不可分。

4 結論

（1）張掖綠洲農田整體上存在中度殘膜污染，地膜殘留量均值為25.63 kg·hm-2，低于全國平均水平，但比西南地區嚴重，研究區內殘膜污染空間差異大、空間異質性高，其中臨澤縣殘膜污染最為嚴重。

（2）不同覆膜方式下，機械覆膜方式造成的地膜殘留量相對較少。耕地連續覆膜10 a及以上殘膜污染狀況顯著惡化。研究區種植玉米的農田普遍存在較嚴重的殘膜污染。

（3）張掖綠洲農田存在殘膜重污染風險，覆膜年限是地膜殘留量區域變化的主控因素，因地制宜地規范地膜使用是減緩、減輕地膜污染的關鍵措施。