我國農用地膜污染治理方式研究進展

李文婷，楊三維，韓小英

(省部共建有機旱作農業國家重點實驗室，山西農業大學農業經濟管理學院，山西太原 030006)

地膜覆蓋栽培技術自1978年從日本引進，40多年來已在我國得到迅速推廣應用，對農業產生了巨大影響，使農業生產方式和區域種植結構發生了革命性的變化。據統計，1982年我國農用地膜使用量為0.6萬t，覆蓋面積11.7萬hm，2018年達到140.9萬t，1 776.47萬hm，應用地域從北方干旱、半干旱地區向南方高山、冷涼地區擴展，現已覆蓋全國所有省(區、市)(圖1)。2019年，我國農用地膜使用量為137.9萬t，覆蓋面積1 762.81萬hm，占全國總耕地面積的13.0%。西瓜、煙草、棉花等多種經濟作物以及玉米、小麥、水稻等大宗糧食作物都已使用上地膜。在西北、東北和華北部分地區，地膜覆蓋已成為玉米生產應用最廣的農藝技術之一。新疆棉花地膜覆蓋技術應用面積已達到播種面積90%以上，形成了不覆膜就無法進行棉花生產的局面。Sun等通過整合分析1979年以來我國田間試驗大數據后發現，覆膜栽培可使51種作物產量平均提高45.5%，水分利用效率平均提高58.0%。

然而，覆膜栽培在增加作物產量的同時，卻給環境帶來了惡劣影響。傳統農用地膜的主要成分是聚乙烯，這種物質相對分子質量大，理化性能穩定，自然條件下極難完全降解。隨著覆蓋年限、面積和用量的增加，殘膜在土壤中逐漸累積，破壞土壤結構，降低地力水平，影響作物生長發育，危害生態環境，造成“白色污染”。2020年生態環境部、國家統計局、農業農村部共同發布的《第二次全國污染源普查公報》顯示，截止到2017年，我國覆膜農田土壤中地膜多年累積殘留量高達118.48萬t。全國大部分耕作土壤均有不同程度的地膜殘留污染。畢繼業等通過構建地膜覆蓋技術對農作物產量影響的評價模型后研究發現，湖北省在使用地膜覆蓋技術36年后，殘膜造成的農作物減產率將大于由覆膜技術引起的農作物增產率，殘膜對農作物產量的負效應再持續16年將抵消由覆膜技術增加的全部農作物產量。由此可見，地膜污染治理迫在眉睫。

近年來，我國各級政府越來越重視農用地膜的污染治理工作，積極推動殘膜污染治理，取得了一定成效，但任務依然艱巨。該研究梳理了國內農用地膜污染主要治理方式的研究進展，從地膜覆蓋栽培技術的適宜性研究、殘膜回收利用技術以及傳統地膜替代產品研發三方面進行了總結歸納，對其中存在的問題和未來發展方向進行了分析和展望，以期為加快我國農田“白色污染”治理和農業可持續發展提供參考。

1 地膜覆蓋栽培技術的適宜性研究

農用地膜是繼種子、農藥、化肥之后的第四大農業生產資料。農用地膜的使用，能有效控制膜下土壤的溫度和濕度，減少水分和養分的流失，促進作物的高產和穩產，增加農民收益。然而有研究者發現，在我國北方，特別是半干旱地區，年度降水量變率大，土壤墑情變化莫測，地膜覆蓋的增產作用受到了一定限制，有些情況下甚至會出現嚴重減產。韓思明等研究發現，地膜覆蓋穴播小麥產量高低與土壤底墑關系密切。夏閑期降水多底墑好的年份小麥增產，夏閑期降水少底墑差的年份會出現增產不增收。李鳳民等研究覆膜春小麥產量變化時發現，覆膜增產不僅取決于播前土壤水分，后期降水不足同樣會嚴重影響產量形成，導致減產和水分利用效率下降。張振華等研究表明，覆膜春玉米抽雄開花期和灌漿期水分虧缺會造成產量下降，使玉米減產。張冬梅等研究發現，覆膜處理提高了土壤溫度，使玉米生育期明顯提前，但在玉米抽雄前后遭受重伏旱的情況下，最終導致玉米嚴重減產。筆者2019年在陜西榆林進行雜糧栽培試驗時也發現，由于當年該地出現嚴重春夏連旱，覆膜播種后種子出苗極其困難，人工補水才順利出苗，但最終產量仍然受到了嚴重影響。

圖1 2019年我國各地區農用地膜使用量占比(A)和覆蓋面積占比(B)Fig.1 The proportion of agricultural plastic film usage(A)and coverage area(B)in various regions in China in 2019

覆膜栽培在我國不同地區對作物的影響也有較大差異。栗錫齡研究發現，山西晉中平川區中熟型春播玉米不易應用地膜覆蓋，否則會導致減產。韓小英等基于GIS對山西省谷子種植氣候進行區劃分析后發現，山西省五臺山、蘆芽山、恒山等地區由于氣候高寒，年均溫低，積溫小，蒸發量大，不適宜種植谷子。翟治芬研究發現，西藏、青海的大部分地區和東北的大興安嶺、長白山地區由于熱量不足等原因，不適宜覆膜栽培玉米。劉健峰等研究表明，與東北、華北和南方地區相比，覆膜措施在西北地區增產效果更好。楊建設等發現在不同生態類型區地膜覆蓋小麥必須配套相應的栽培技術才能保證增產。由此可見，覆膜栽培技術并不適合我國所有的地區及作物，只有科學應用才能達到較好的增產效果。

從經濟效益的角度出發，農民若想通過覆膜栽培技術增收，覆膜增產帶來的經濟效益必然要大于地膜的購買、鋪設和回收成本。也就意味著，若是二者持平或是前者更低，再考慮到生態效益，農民是不需要也不應該進行覆膜栽培的。然而，雖然上述學者對覆膜栽培的適用條件進行了一些研究，但就整體而言，我國對地膜覆蓋栽培技術的適宜性還缺乏系統深入的了解，還沒有一個統一明確的標準能對該技術在不同條件下的使用提供參考或指導，農民在生產時往往出現地膜濫用的現象，既不利于增產增收，也給環境帶來極大污染，對資源造成了浪費。因此，如何系統深入的了解覆膜對土壤環境和作物生長的影響，探討覆膜栽培的適宜條件，完善不同條件、不同作物地膜覆蓋技術，是我國地膜產業減量增效發展急需考慮的問題。

2 殘膜回收利用技術的研究

日本、韓國、歐洲、美國和南美洲等地區使用的地膜主要以高厚度(≥0.02 mm)、高強度為主，使用后不宜破碎，回收效率高。我國市場上生產流通的普通聚乙烯地膜不同產品間質量差異很大。20世紀90年代制定的地膜國家標準(GB 13735—92)中規定，地膜標稱厚度為(0.008±0.003) mm。但在實際生產中，為了降低成本，大部分地膜的厚度都沒有達到標準，0.005 mm以下的超薄地膜隨處可見。為規范生產、引導使用、提高質量和促進回收，參考國際相關標準，2017年發布的GB 13735—2017《聚乙烯吹塑農用地膜覆蓋薄膜》強制性國家標準將地膜最低厚度提高到0.010 mm(負極限偏差為0.002 mm)。但2019年初，相關機構通過電商平臺和農資銷售市場購買了104個地膜樣品進行檢測，發現其中符合國標強制性指標要求的只有2個，不合格率達98.1%，低于0.010 mm的樣品占95.2%，低于0.008 mm的樣品占85.6%，低于0.006 mm的樣品占62.5%。這些超薄地膜強度低，使用過程中非常容易破碎，與土壤、秸稈混雜在一起，給回收工作帶來了極大困難。

農田殘膜的回收分人工撿拾和機械回收兩種，目前我國主要以人工撿拾為主。系統普查結果表明，國內90%殘膜回收是通過人工撿拾完成。但從全國范圍看，大多數農民對廢棄地膜的撿拾積極性不高，總體效率低。2017年，我國地膜使用總量為143.7萬t，實際回收量卻只有20萬t左右，回收率不到14%。主要原因為：首先，大多數農民對殘膜污染危害的認識不足，缺乏環境保護意識，很少有農民愿意主動去清理農田里的廢棄地膜；其次，超薄地膜成本低，老化后殘膜過于破碎，回收需要付出更多的人力和時間成本，費時費力效益低；再次，相應的監督、管理和激勵機制還不夠完善，現有政策扶持與資金支撐的范圍相對較小，不能很好地激勵農民進行廢舊地膜回收，也不利于相關政策和工作的規范化實施。

我國殘膜回收機具的研究始于20世紀80年代，重點圍繞起膜、收膜、脫膜、集膜等關鍵部件以及膜土分離部件和膜雜分離機構等進行。根據地域和農業技術措施等的不同，開展研究的機具也多種多樣，有基于種植作物類型研究的機具，如玉米田地膜回收機、馬鈴薯田地膜回收機、棉田地膜回收機等；有基于農藝作用時間研究的機具，如苗期地膜回收機、秋后殘膜回收機、播前殘膜回收機等；有基于關鍵收膜部件研究的機具，如摟耙式地膜回收機、滾筒式地膜回收機等；有基于地域特點研究的機具，如山地地膜回收機、西北旱作農業區1FM-110型地膜回收機等。截止到目前，關于殘膜回收機具的研究已經有了很大進展，但由于受造價、操作和功率損耗的限制，市場上出售的殘膜回收機主要有2種，一種是摟耙式(圖2A)，一種是篩鏟式(圖2B)。前者結構簡單、造價低、操作容易，但工作時只能收集地表和淺層農田的大塊地膜，拾凈率低，膜雜分離難度大；后者在收集殘膜的同時對農田進行了整地和翻土，作業功能集成度高，但由于要對土壤進行篩分，工作效率低、功率大，工作過程中塵土大、工作環境惡劣。就全國范圍而言，殘膜機械回收整體效率比較低。只有西北地區，特別是新疆、甘肅和內蒙古等地區，地膜回收的機械化程度相對較高。因此，如何研發改進殘膜回收機具，研制出撿拾率高、功率損耗低、價格便宜且結構簡單的回收機具是提高我國殘膜回收效率的關鍵。

注：A.摟耙式殘膜回收機；B.篩鏟式殘膜回收機 Note：A.Rake type residual film recovery machine；B.Screen shovel type residual film recovery machine圖2 我國市場上常見的2種殘膜回收機類型 Fig.2 Two common types of residual film recycling machines in Chinese market

回收地膜的處理方式一般是丟棄、焚燒、填埋或交給回收加工企業再利用。根據抽樣調查，我國80%左右的回收地膜被丟棄、焚燒或填埋，只有20%左右能得到再利用。再利用方式一般是廢舊地膜回收加工企業將回收的地膜清洗粉碎后，通過熱熔等過程加工生產再生塑料顆粒，用再生顆粒生產鋁塑板、聚乙烯管材、塑料制品或土工材料等深加工產品。但由于人工撿拾和機械化回收工作效率不高，常常導致回收加工企業原料供應不足，無法滿足實際生產能力，從而影響加工企業的生存。再加上企業回收地膜再利用過程中雖有國家補貼，但整體效益不高，凈化回收地膜的過程中產生新污染帶來的環保壓力也對企業造成了一定的困擾，這些都影響到了企業的回收積極性，進而影響回收地膜的再利用效率。

3 傳統地膜替代產品的研究

農用地膜因為難降解而成為“白色污染”，那么解決地膜的降解問題，研發易降解、無污染的地膜替代產品就成為防治“白色污染”的關鍵。我國現在研發的地膜替代產品有秸稈、紙地膜、液態地膜、保水劑、生物降解地膜等。在這些種類中，生物降解地膜無疑是一個熱點。生物降解地膜是指一類在自然條件下可為微生物作用而引起降解的塑料地膜。微生物侵蝕這類地膜后，由于細胞的增長會使聚合物組分水解、電離或質子化，從而分裂成低聚物碎片，然后被分解或氧化降解成水溶性碎片，再生成新的小分子化合物，最終分解成CO和HO，因而不會對環境造成危害。全國有多家企業和研究機構一直在開展相關工作，已研發生產出多種生物降解地膜產品，如根據降解原理和破壞形式不同，有完全生物降解地膜和添加型可生物降解地膜；根據原材料不同，有淀粉基、纖維素基、聚乳酸(PLA)基和聚(己二酸丁二酯-co-對苯二甲酸丁二酯)(PBAT)基可生物降解地膜等。相比傳統聚乙烯地膜，生物降解地膜既可以基本滿足農作物生長發育的需求，又可以解決地膜殘留的環境危害，目前在棉花、玉米、馬鈴薯、小麥等作物上都有了較好的應用效果，并基本形成了與之相匹配的農藝技術。2019年，我國生物降解地膜應用面積近0.67萬hm，主要分布在新疆、云南、甘肅、河北、內蒙古、黑龍江、吉林和遼寧等地區。

然而，生物降解地膜的使用雖緩解了對生態環境的危害，但在推廣應用中還存在諸多問題。首先在價格上，生物降解地膜由于制備原材料價格較高，售價也比普通地膜高出好幾倍，增加了農民的種植成本，農民購買意愿并不強烈；其次在性能上，多數生物降解地膜產品還存在拉伸強度不夠、韌性不足等缺點，鋪膜時容易斷裂，機械化操作比較困難；再次在應用上，生物降解地膜的降解性能還不夠穩定，可控性差，破裂時間過早，不能完全滿足作物生長關鍵時期對地膜增溫保墑的需求，應用效果較差。另外，生物降解地膜的降解性目前世界上還沒有統一、完整的評價方法和指標，沒有針對生物降解地膜制定的相關標準，生物降解地膜產品缺少相應的市場監督和管理，技術市場和產品市場都較為混亂。因此，如何提高生物降解地膜的性能，保證生物降解地膜的降解可控，同時又能降低成本，是當前生物降解地膜產品研發急需解決的問題。

4 建議

覆膜栽培是重要的農藝技術，為保障我國糧食安全和主要農產品有效供給做出了重大貢獻，不可或缺，但地膜污染也愈加明顯，已嚴重制約到我國生態文明建設和農業綠色高質量發展，治理刻不容緩。通過對我國農用地膜污染現狀和主要治理方式研究進展的總結分析，為加快我國農田“白色污染”治理，提出以下幾點建議：

首先，應做好覆膜栽培技術適宜性的研究。系統深入的了解覆膜對土壤環境和作物生長的影響，從作物種類、品種、光照、積溫、降雨量、土壤墑情、栽培模式、地膜購買、鋪設、回收成本等方面探討覆膜栽培的適宜條件，完善不同條件不同作物地膜覆蓋栽培技術，對地膜的推廣應用給予指導和規范，避免地膜的不科學使用。

其次，應加強技術規范和市場監管，從生產和銷售源頭上把控好地膜的質量，以便于回收。要嚴格按照國家《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》(GB 13735—2017)標準，積極推廣0.01 mm以上的標準地膜，探索以舊換新、政府引導等各類適合當地實際情況的新國標地膜落實機制，打擊不合格地膜的生產和銷售，讓農民真正認識到使用超薄地膜的危害和使用標準地膜的好處，主動使用標準地膜。

再次，應加強對殘膜回收機具和傳統地膜替代產品的研發。要鼓勵各地區各研究單位加強對殘膜回收機具的研究，在規模經營主體中加大適宜性殘膜回收機械的推廣，提高殘膜回收率。要加強對地膜替代產品的研發，尤其是生物降解地膜在原材料、配方、工藝和技術等方面的研究，提高生物降解地膜的質量并降低成本，普及新型地膜知識以及提升實際應用效果，在小規模、高價值的經營主體中加大適宜性生物降解地膜的使用。

同時，還應做好宣傳教育，制定相應的激勵政策鼓勵回收和再利用。一方面，要讓農民認識到地膜污染的危害性，實行撿拾交售獎勵政策，提高農民撿拾積極性。另一方面，可以重點培育地膜回收加工企業，提高廢舊地膜再利用能力。可以通過政策支持與資金扶持相結合的辦法，加大對企業的支持力度，鼓勵企業開展技術創新，擴大生產規模，提高回收地膜的再利用效率，反過來促進對地膜的回收效率。此外，還應加強對各種配套栽培措施以及耕作制度的研究，通過合理的栽培措施和耕作制度，比如適期揭膜、倒茬輪作等，增加地膜的重復使用率，相對減少地膜的用量，從而減輕地膜污染。

地膜污染的防治是一個長期的工作，需要各部門、各行業和廣大農民群眾的共同努力、配合和參與。既要立足當下，更要著眼未來。只有實現多措并舉的綜合治理，才能保證我國地膜污染治理工作取得成效。