山東省花生種植區耕層土壤殘膜賦存特征

王學霞，宋寧寧，薛穎昊，王甲辰，梁麗娜，李夢佳，劉淑麗，劉東生*

（1.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097；2.青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266109；3.農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125；4.禹城市農業農村局，山東 禹城 251200）

地膜覆蓋栽培在提高農田水分利用率、增加作物產量和提升農業生產力等方面效果顯著，同時在改善農業種植格局、擴大農作物種植區域等方面亦起到積極作用，已成為當前國內外廣泛使用的農業技術，在我國現代農業生產中發揮了重大作用[1-3]。截至2019年全國農膜使用總量達到240.8 萬t，其中地膜137.9萬t，地膜覆蓋種植面積達到1 762.8 萬hm2，約占耕地總面積的12.1%[4]。地膜作為一種高分子聚合物在自然條件下短期內很難降解，其不合理的應用導致我國農田生態環境出現嚴重的“白色污染”問題[5]。隨著土壤中地膜殘留量日益增加，土壤團聚體穩定性降低[5-6]，土壤水分與養分的正常運移受阻[7]，作物產量下降[2，8]；地膜和殘膜中增塑劑、抗氧化劑等添加劑直接釋放到土壤中成為有機污染物造成二次污染[7，9-10]；殘膜在土壤中進一步破碎形成微塑料，與土壤中的重金屬、有機污染物形成復合污染物對生態環境造成不良影響[11-12]。地膜在土壤中長期殘留對農田產地環境健康造成嚴重負面影響，不利于我國農業可持續發展。

當前，我國農田的殘膜污染比較嚴重，大部分農田耕層土壤均存在不同程度的地膜殘留污染，一般農田殘留量可達60～300 kg·hm-2，少數地塊甚至超過450 kg·hm-2[3，13]。由于農膜使用總量和種植模式存在明確的區域特征，導致殘膜地域分布差異很大[11，13-14]。新疆、甘肅、內蒙古等地區由于氣候干旱、水資源緊缺，地膜用量大、覆蓋面積廣，導致這些地區殘膜污染較嚴重[1，3，14]，已經成為這些區域農業面源污染防控中不可回避的問題；山東、河南、四川等地區為保墑、防蟲草害亦大量使用地膜，導致這些區域也出現殘膜污染問題[15]；上海、天津、北京等地區耕地少、設施農業比重高，地膜使用強度大，導致這些區域也出現不同程度的殘膜污染[11，13]。隨著我國地膜覆蓋面積逐年增加，農田殘膜造成的“白色污染”已經成為農業產地環境的重大威脅之一[1，16]。

相關學者已對農田地膜殘留特征做了大量研究，顯示殘膜在土壤耕作層中的分布和形態狀況受覆膜年限、耕作方式、覆膜方式等的影響[13，16-19]。覆膜年限是影響土壤中地膜殘留量的主要因素，農田殘膜量與覆膜年限之間一般呈現正相關關系[15-20]。何文清等[21]和嚴昌榮等[16]對國內農田殘膜數據綜合分析發現，隨覆膜時間的增長，殘膜量和殘片數逐漸增多。杜澤玉等[14]對河西走廊張掖綠洲105個農田樣地調查分析表明，覆膜年限是地膜殘留量空間變異的主要因素，連續覆膜10 a以上，農田地膜殘留量顯著增加。此外，覆膜方式也是影響殘膜含量的重要因素之一。董合干等[17]通過調查新疆棉田土壤殘膜污染情況，發現連續覆膜25 a后，殘膜密度和殘片數分別達405 kg·hm-2和1 376萬片·hm-2，農田殘膜的總質量和數量均隨覆膜年限的增長而直線增加，殘膜密度和殘片數以每年13.66 kg·hm-2和40.02萬片·hm-2的速度遞增。胡燦等[19]發現殘膜在農田耕層土壤中總的趨勢是上層和中層殘膜量高于下層殘膜量，受深耕、旋耕等耕作方式的影響，隨覆膜年限的增加而逐年下移。賀懷杰等[22]研究發現，新疆棉田土壤殘膜主要集中分布在0～15 cm 土層內，面積大于30 cm2，隨著覆膜年限和旋耕次數的增加，逐漸下移到15 cm以下土層內，且面積和質量較小的殘膜在35～40 cm深層土壤中明顯增多。

花生是一種重要的油料作物和經濟作物，2018年全國花生播植面積為461.97 萬hm2，在我國種植業結構中占有重要地位。山東省是我國花生傳統種植區域，2018 年種植面積達到91.33 萬hm2，占全國種植面積的19.77%[4]。花生是山東地膜覆蓋技術應用較早的作物，覆膜面積達到70%以上[23]。長期和大面積覆膜種植，導致該區域花生耕地土壤農膜不斷積累，殘膜含量達到23.98 kg·hm-2[20，23]，可能會對該地區花生種植土壤生態環境造成影響。當前關于山東農田殘膜賦存情況研究大多集中在農膜殘留分布特性調查及影響因素分析方面[13，20，23]，但這些研究大多樣本量較少且沒有針對花生種植體系。因此，亟待增加調查區域與樣本量，對山東花生典型種植區地膜使用、地膜殘留空間分布及污染狀況進一步翔實了解。因此，本次研究采用問卷與實地調查相結合的方法，分別對山東省四大花生主產區（膠東半島、魯中南山區、魯西平原和魯北平原）地膜使用、回收與殘膜污染現狀進行了調研，并對相關樣地土壤樣品取樣，分析地膜殘留量、殘片數量及在土壤中的空間分布特征，旨在為該地區花生田地膜的科學使用及殘膜回收提供相應的數據支持，同時為全國花生種植耕地土壤殘膜污染評價提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗樣地

選擇山東省膠東半島（青島膠州市、煙臺棲霞市）、魯中南山區（臨沂莒南縣）、魯西平原（聊城高唐縣、德州寧津縣）和魯北平原（濱州惠民縣、濱州沾化縣）四大花生主產區作為殘膜調查的代表性區域。樣地選擇首要標準是連續覆膜種植花生農田，此外，考慮到覆膜年限、地膜用量、土壤質地等影響因素，每個典型區域選擇4～5 個樣地作為調查對象，共計18 個樣地（圖1和表1）。

表1 花生種植區域地膜使用及回收情況（2019年）Table1 Input and recovery of plastic film in peanut planting area（2019）

1.2 殘留地膜樣品采集

2019 年4 月，為防止影響花生種植，在花生整地播種前進行殘膜樣品采集，每個樣地隨機選取3 個樣方，采樣面積為1 m2（100 cm×100 cm）。首先剝離表層地膜，以10 cm 為一層，分別按照0～10、10～20 cm 和20～30 cm 3 個土層取土，分別過10 目篩，揀出肉眼可見殘留地膜，殘膜收集后，盡量恢復土壤原貌。

1.3 殘膜樣品處理

將收集到的殘膜帶回實驗室，先用自來水沖洗殘膜帶有的大部分土壤和雜物，然后用超聲清洗儀（BRANSON 5800）進一步洗滌30 min，之后用濾紙吸干殘膜上水分，小心展開卷曲的殘膜（防止殘膜破裂），放在干燥處自然風干后，用萬分之一電子天平稱其質量，計算地膜殘留量；再將展開的殘膜置于帶網格（1 cm×1 cm）的A4紙張上，分別以殘膜面積＜4、4～25 cm2和＞25 cm2為標準，分類統計所收集殘膜的數量。

1.4 問卷調查

取樣檢測的同時，對擁有地塊的農戶進行問卷調查。調查內容包括覆膜年限、覆膜量、地膜厚度、回收量、回收方式、土壤類型。由表1 可知，調查樣地花生種植覆膜年限在1～15 a，地膜每年使用量為60～75 kg·hm-2，地膜厚度0.008～0.010 mm，其中0.010 mm 的膜占50%以上，每年地膜回收率77%以上，魯北平原回收率達到84.38%。

1.5 數據分析

基于SPSS 22.0，運用單因素方差分析（One-way ANOVA）進行各項指標之間的差異性分析。文中數據均為平均數±標準誤，用Origin 2020作圖。

2 結果與分析

2.1 典型花生種植區殘膜分布特征

4個典型區域殘膜分布情況如圖2所示。花生耕層土壤中殘膜平均含量在16.51～19.84 kg·hm-2，4 個區域差異不明顯。膠東半島農田土壤殘膜量為2.48～46.01 kg·hm-2，魯中南山區殘膜量為4.11～38.50 kg·hm-2，魯西平原殘膜量為4.05～40.61 kg·hm-2，魯北平原殘膜量為3.07～29.65 kg·hm-2。對比《農田地膜殘留量限值及測定》（GB/T 25413—2010），農田地膜殘留量限值為75 kg·hm-2，山東典型花生種植區域土壤殘膜均低于殘留量限值。

不同覆膜年限土壤殘膜含量和數量如圖3 所示。隨著覆膜年限增加，土壤殘膜含量和數量有逐漸增加趨勢。與1～5 a 相比，6～10、11～15 a 樣地殘膜含量顯著增加了171.57%和376.98%（P＜0.001）（圖3A）。與1～5 a 相比，6～10、11～15 a 樣地殘膜數量顯著增加了99.05%和190.77%（P＜0.001）（圖3B）。

2.2 耕層土壤殘膜分布特征

不同土層殘膜含量隨覆膜年限增加而增加（圖4A）。0～10、10～20 cm和20～30 cm土壤殘膜含量均表現為1～5 a＜6～10 a＜11～15 a，不同覆膜年限間差異顯著（P＜0.01）。1～5 a 樣地，與0～10 cm 土層相比，10～20 cm和20～30 cm層殘膜含量分別顯著降低了82.7%和95.4%（P＜0.001）。6～10 a 樣地，與0～10 cm 土層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘膜含量分別顯著降低了79.6%和92.5%（P＜0.001）。11～15 a 樣地，與0～10 cm 層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘膜含量分別顯著降低了75.4%和86.1%（P＜0.001）。

土壤殘膜主要分布在淺層土壤（0～10 cm），其含量總體呈現隨深度增加而逐漸降低，且隨著覆膜年限增加，殘膜表現出向深層土壤下移趨勢（圖4B）。0～10 cm 殘膜含量所占比例為74.95%～84.08%，表現為11～15 a＜6～10 a＜1～5 a，其中與1～5 a 相比，11～15 a 含量所占比例顯著降低（P＜0.05）。10～20 cm 所占比例為12.32%～16.25%，表現為1～5 a＜6～10 a＜11～15 a，與1～5 a 相比，11～15 a 所占比例顯著增加（P＜0.05）。20～30 cm 所占比例為3.5%～7.8%，與1～5 a相比，11～15 a所占比例顯著增加（P＜0.01）。

不同土層殘膜數量也呈現隨覆膜年限增加而增加趨勢（圖5A）。調查樣地殘膜數量范圍在16～82 萬片·hm-2，0～10、10～20 cm 和20～30 cm 殘膜數量變化均表現為1～5 a＜6～10 a＜11～15 a，不同覆膜年限間差異顯著（P＜0.01）。1～5 a 樣地，與0～10 cm 層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘片數分別顯著降低了75.2%和90.8%（P＜0.001）。6～10 a 樣地，與0～10 cm層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘片數分別顯著降低了70.6%和86.8%（P＜0.001）。11～15 a，與0～10 cm層相比，10～20 cm 和20～30 cm 層殘膜含量分別顯著降低了69.9%和82.7%（P＜0.01）。

土壤殘片主要分布在0～10 cm 層，殘片數隨深度增加而逐漸降低，隨種植年限增加，殘片呈現向深層土壤下移趨勢（圖5B）。0～10 cm 殘膜所占比例為67.82%～74.66%，表現為11～15 a＜6～10 a＜1～5 a，其中與1～5 a 相比，11～15 a 所占比例顯著降低（P＜0.05）。10～20 cm 所占比例為18.48%～20.62%，不同覆膜年限之間差異不顯著。20～30 cm 所占比例為6.86%～11.72%，與1～5 a 相比，11～15 a 殘片數所占比例顯著增加（P＜0.01）。

隨覆膜年限增加耕層土壤中小面積殘片數量和比例有增加趨勢，隨深度增加小面積殘片比例有增加趨勢（表2 和表3）。1～5、6～10、11～15 a 樣地＞25 cm2殘片數量和比例均顯著低于4～25 cm2和＜4 cm2（P＜0.01）（表2）。＞25、4～25 cm2和4 cm2殘片數均呈現隨覆膜年限增加而增加，而其所占比例分別表現為隨覆膜年限增加而降低、變化不明顯和增加趨勢。不同大小殘片主要集中在土壤淺層（0～10 cm），且均隨土壤深度的增加而降低，3 個土壤深度均表現為＞25 cm2殘片數顯著低于4～25 cm2和＜4 cm2殘片（P＜0.01）（表3）。0～10 cm 層＞25 cm2殘片比例顯著高于4～25 cm2和＜4 cm2（P＜0.01），而10～20、20～30 cm 層＞25 cm2殘片比例顯著低于＜4 cm2（P＜0.01）。

表2 不同覆膜年限不同面積殘膜分布特征Table2 The residual film quantity of different sizes in different mulching years

表3 不同深度殘片分布特征Table3 Spatial distribution characteristics of residual film quantity in different layers

2.3 土壤農膜殘留含量影響因素分析

由圖6 可知，花生耕層地膜殘留量與覆膜年限、種植過程中覆膜總量呈現顯著正相關性（R2=0.865 和R2=0.844，P＜0.001），而與殘膜回收率之間關系不顯著，與地膜厚度呈現顯著負相關關系（R2=0.606，P＜0.001）。可見，覆膜量、覆膜年限及地膜厚度是影響花生耕層土壤殘膜含量的關鍵因子。因此，適當控制覆膜量、使用厚度較高的地膜對減少花生種植土壤殘膜積累起到積極作用。

3 討論

3.1 典型花生種植區殘膜分布特征及影響因素

本研究對山東典型花生種植地區18 個樣地土壤耕層（0～30 cm）的殘膜調查發現，殘膜含量介于2.48～46.01 kg·hm-2，遠低于新疆和甘肅覆膜農田殘膜含量[14-15，19，24]，與徐鈺等[23]和郝西等[25]對華北花生田殘膜研究結果一致，低于張丹等[20]調查的華北農田土壤耕層地膜殘留分布范圍（0.2～82.2 kg·hm-2）。主要原因是該區域花生種植中使用的地膜厚度在0.008 mm 以上，有利于地膜回收，地膜年回收率在77%以上，有效減少農田中土壤殘膜累積。地膜殘留量是農田殘膜污染的最主要衡量指標，反映了長期覆膜種植下土壤中的殘膜量化值[15，17]。對比《農田地膜殘留量限值及測定》（GB/T 25413—2010），農田地膜殘留量限值為75 kg·hm-2，山東典型花生種植地區所有調查樣地土壤殘膜未超過國家農田殘膜限值標準。由此，山東花生種植區殘膜污染狀況較輕。

國內外眾多研究表明農田地膜殘留量與地膜質量、覆膜年限、回收方式、耕作、土壤質地等因素密切相關[13，16，26]，本研究區域地膜殘留量與地膜質量、覆膜年限密切相關（圖6）。地膜厚度作為地膜質量的重要標志，是影響大田農膜殘留的主要因素。張丹等[27]和徐鈺等[23]研究均證實，農田土壤地膜殘留量與地膜厚度成反比，這與本文研究結果一致。究其原因是地膜越薄，其強度越低，地膜越容易破碎，不易撿拾，回收率就越低，導致土壤中地膜殘留量增加。覆膜年限和覆膜量是決定農田地膜殘留的最關鍵因素，對新疆[19，24]、甘肅[14]及華北[20，26]等地區的殘膜調查研究均表明隨著覆膜年限的增長，地膜殘留量也逐漸增加，本研究區也得出相同結論（圖3 和圖6），隨著覆膜年限增加，花生耕層土壤中殘膜數量及殘膜含量逐漸上升。前人研究表明，地膜回收率對減少殘膜累積有積極作用[16，23，25-26]，但本研究沒有直接得出殘膜積累量與地膜回收之間的關系，這是由于地膜調查回收率僅代表該區域2019 年地膜回收情況，而調查區域每年的殘膜回收率有差異，因此殘留量與回收量之間關系不明顯。土壤質地也是造成殘膜含量差異的重要因素之一[23，25]。本研究中膠東半島最高地膜殘留為46.01 kg·hm-2，高于魯北平原的29.65 kg·hm-2，這可能是兩個地區耕地土壤質地差異造成的。本調查中所選魯北平原的樣地均是砂土（表1），利于殘膜撿拾，殘膜回收率高，而膠東半島調查樣地以黏土和壤土為主，不利于殘膜撿拾，殘膜回收率稍低[23]。在覆膜量和覆膜年限相同條件下，砂土的地膜殘留量少，殘留風險低。因此，山東典型花生種植區地膜殘留受地膜厚度、覆膜年限、覆膜量和土壤質地的綜合影響。

3.2 耕層土壤殘膜分布規律及影響因素

本研究發現，花生田殘膜在土壤中呈現典型層狀空間分布特點，主要集中在0～10 cm 淺層土壤中，隨著土層深度的增加，其殘膜含量和殘片數量有減小的趨勢，且隨著覆膜年限增加，土壤深層殘膜含量、殘片數量尤其是＜4 cm2的小殘片逐漸增加。這與賀懷杰等[22]在新疆、王志超等[28]在內蒙古、馬輝等[26]在河北和VINOTH 等[5]在印度農田中的研究結果一致，隨著覆膜年限的增加殘膜逐漸向深層移動，雖然土壤上層的殘膜量高于下層，但其比例在下降，且小面積殘片數和殘膜比例也逐漸增加。這種現象主要原因可能是隨覆膜年限增加，在物理、化學、生物等自然因素及旋耕等人為因素綜合作用下，殘膜破碎化程度顯著加大[26]；當地農民缺乏足夠的殘膜污染意識，同時受農膜回收時間、成本等問題制約及缺乏相應政策的支持[29-30]，致使大量小面積殘膜存留于土壤中；在耕作（深耕、旋耕）和風化等作用下，耕層小面積殘膜含量和數量不斷增高，且逐漸向深層移動[22，28]。這將加大長期覆膜農田的殘膜回收難度。

3.3 地膜殘留防治策略

雖然山東典型花生種植區土壤農膜殘留沒有超過國家標準，但也不能忽視地膜殘留的防治。通過借鑒國內外地膜使用和回收政策、標準[30-31]，可從下列三方面積極探索，為該地區花生種植系統的地膜污染防治提供支撐：一是增加地膜厚度，研究適時揭膜回收技術和裝備，加強地膜回收，提高殘膜回收率，從根本上減少地膜殘留量；二是研發和推廣性價比優良的可降解地膜替代傳統的聚乙烯地膜，減少土壤環境中地膜殘留；三是建立完整的廢舊地膜回收、處理制度和體系，進一步遏制可能出現的地膜污染。

4 結論

（1）山東花生典型種植區耕層（0～30 cm）土壤地膜殘留量在2.48～46.01 kg·hm-2，低于我國農田殘留量限值。覆膜年限越長耕層殘膜含量和殘片數量就越多，且殘膜量受覆膜年限、地膜厚度、土壤質地的綜合影響。

（2）土壤殘膜主要集中在0～10 cm，其殘膜含量和殘片數分別占總量的74.95%～84.08%和67.82%～74.66%；殘膜含量和殘片數均隨深度增加而逐漸降低，隨種植年限增加，殘膜呈現向深層土壤下移的趨勢。＞25、4～25 cm2和＜4 cm2殘片數均隨土壤深度的增加而降低，隨覆膜年限增加，深層土壤（20～30 cm）面積較小的殘膜呈增加趨勢。

（3）建議采取適當措施增加地膜回收及可降解地膜的研發和使用，防止該地區花生種植體系中可能出現的地膜污染。