我國農(nóng)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(nóng)業(yè)國家重點實驗室，山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)經(jīng)濟管理學院，山西太原 030006)

地膜覆蓋栽培技術(shù)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(nóng)業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化。據(jù)統(tǒng)計，1982年我國農(nóng)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(qū)向南方高山、冷涼地區(qū)擴展，現(xiàn)已覆蓋全國所有省(區(qū)、市)(圖1)。2019年，我國農(nóng)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(jīng)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(qū)，地膜覆蓋已成為玉米生產(chǎn)應用最廣的農(nóng)藝技術(shù)之一。新疆棉花地膜覆蓋技術(shù)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(chǎn)的局面。Sun等通過整合分析1979年以來我國田間試驗大數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，覆膜栽培可使51種作物產(chǎn)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(chǎn)量的同時，卻給環(huán)境帶來了惡劣影響。傳統(tǒng)農(nóng)用地膜的主要成分是聚乙烯，這種物質(zhì)相對分子質(zhì)量大，理化性能穩(wěn)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(jié)構(gòu)，降低地力水平，影響作物生長發(fā)育，危害生態(tài)環(huán)境，造成“白色污染”。2020年生態(tài)環(huán)境部、國家統(tǒng)計局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部共同發(fā)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(nóng)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(yè)等通過構(gòu)建地膜覆蓋技術(shù)對農(nóng)作物產(chǎn)量影響的評價模型后研究發(fā)現(xiàn)，湖北省在使用地膜覆蓋技術(shù)36年后，殘膜造成的農(nóng)作物減產(chǎn)率將大于由覆膜技術(shù)引起的農(nóng)作物增產(chǎn)率，殘膜對農(nóng)作物產(chǎn)量的負效應再持續(xù)16年將抵消由覆膜技術(shù)增加的全部農(nóng)作物產(chǎn)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(nóng)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(nèi)農(nóng)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(shù)的適宜性研究、殘膜回收利用技術(shù)以及傳統(tǒng)地膜替代產(chǎn)品研發(fā)三方面進行了總結(jié)歸納，對其中存在的問題和未來發(fā)展方向進行了分析和展望，以期為加快我國農(nóng)田“白色污染”治理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 地膜覆蓋栽培技術(shù)的適宜性研究

農(nóng)用地膜是繼種子、農(nóng)藥、化肥之后的第四大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。農(nóng)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(yǎng)分的流失，促進作物的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，增加農(nóng)民收益。然而有研究者發(fā)現(xiàn)，在我國北方，特別是半干旱地區(qū)，年度降水量變率大，土壤墑情變化莫測，地膜覆蓋的增產(chǎn)作用受到了一定限制，有些情況下甚至會出現(xiàn)嚴重減產(chǎn)。韓思明等研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋穴播小麥產(chǎn)量高低與土壤底墑關(guān)系密切。夏閑期降水多底墑好的年份小麥增產(chǎn)，夏閑期降水少底墑差的年份會出現(xiàn)增產(chǎn)不增收。李鳳民等研究覆膜春小麥產(chǎn)量變化時發(fā)現(xiàn)，覆膜增產(chǎn)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(chǎn)量形成，導致減產(chǎn)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(chǎn)量下降，使玉米減產(chǎn)。張冬梅等研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)。筆者2019年在陜西榆林進行雜糧栽培試驗時也發(fā)現(xiàn)，由于當年該地出現(xiàn)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(chǎn)量仍然受到了嚴重影響。

圖1 2019年我國各地區(qū)農(nóng)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(qū)對作物的影響也有較大差異。栗錫齡研究發(fā)現(xiàn)，山西晉中平川區(qū)中熟型春播玉米不易應用地膜覆蓋，否則會導致減產(chǎn)。韓小英等基于GIS對山西省谷子種植氣候進行區(qū)劃分析后發(fā)現(xiàn)，山西省五臺山、蘆芽山、恒山等地區(qū)由于氣候高寒，年均溫低，積溫小，蒸發(fā)量大，不適宜種植谷子。翟治芬研究發(fā)現(xiàn)，西藏、青海的大部分地區(qū)和東北的大興安嶺、長白山地區(qū)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(qū)相比，覆膜措施在西北地區(qū)增產(chǎn)效果更好。楊建設等發(fā)現(xiàn)在不同生態(tài)類型區(qū)地膜覆蓋小麥必須配套相應的栽培技術(shù)才能保證增產(chǎn)。由此可見，覆膜栽培技術(shù)并不適合我國所有的地區(qū)及作物，只有科學應用才能達到較好的增產(chǎn)效果。

從經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，農(nóng)民若想通過覆膜栽培技術(shù)增收，覆膜增產(chǎn)帶來的經(jīng)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(tài)效益，農(nóng)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(shù)的適宜性還缺乏系統(tǒng)深入的了解，還沒有一個統(tǒng)一明確的標準能對該技術(shù)在不同條件下的使用提供參考或指導，農(nóng)民在生產(chǎn)時往往出現(xiàn)地膜濫用的現(xiàn)象，既不利于增產(chǎn)增收，也給環(huán)境帶來極大污染，對資源造成了浪費。因此，如何系統(tǒng)深入的了解覆膜對土壤環(huán)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(shù)，是我國地膜產(chǎn)業(yè)減量增效發(fā)展急需考慮的問題。

2 殘膜回收利用技術(shù)的研究

日本、韓國、歐洲、美國和南美洲等地區(qū)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(chǎn)流通的普通聚乙烯地膜不同產(chǎn)品間質(zhì)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(guī)定，地膜標稱厚度為(0.008±0.003) mm。但在實際生產(chǎn)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(guī)范生產(chǎn)、引導使用、提高質(zhì)量和促進回收，參考國際相關(guān)標準，2017年發(fā)布的GB 13735—2017《聚乙烯吹塑農(nóng)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(guān)機構(gòu)通過電商平臺和農(nóng)資銷售市場購買了104個地膜樣品進行檢測，發(fā)現(xiàn)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(nóng)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(tǒng)普查結(jié)果表明，國內(nèi)90%殘膜回收是通過人工撿拾完成。但從全國范圍看，大多數(shù)農(nóng)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(shù)農(nóng)民對殘膜污染危害的認識不足，缺乏環(huán)境保護意識，很少有農(nóng)民愿意主動去清理農(nóng)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(jiān)督、管理和激勵機制還不夠完善，現(xiàn)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(nóng)民進行廢舊地膜回收，也不利于相關(guān)政策和工作的規(guī)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(guān)鍵部件以及膜土分離部件和膜雜分離機構(gòu)等進行。根據(jù)地域和農(nóng)業(yè)技術(shù)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(nóng)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(guān)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(nóng)業(yè)區(qū)1FM-110型地膜回收機等。截止到目前，關(guān)于殘膜回收機具的研究已經(jīng)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(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作容易，但工作時只能收集地表和淺層農(nóng)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(nóng)田進行了整地和翻土，作業(yè)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(huán)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(qū)，特別是新疆、甘肅和內(nèi)蒙古等地區(qū)，地膜回收的機械化程度相對較高。因此，如何研發(fā)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(jié)構(gòu)簡單的回收機具是提高我國殘膜回收效率的關(guān)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(yè)再利用。根據(jù)抽樣調(diào)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(yè)將回收的地膜清洗粉碎后，通過熱熔等過程加工生產(chǎn)再生塑料顆粒，用再生顆粒生產(chǎn)鋁塑板、聚乙烯管材、塑料制品或土工材料等深加工產(chǎn)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(yè)原料供應不足，無法滿足實際生產(chǎn)能力，從而影響加工企業(yè)的生存。再加上企業(yè)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(chǎn)生新污染帶來的環(huán)保壓力也對企業(yè)造成了一定的困擾，這些都影響到了企業(yè)的回收積極性，進而影響回收地膜的再利用效率。

3 傳統(tǒng)地膜替代產(chǎn)品的研究

農(nóng)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(fā)易降解、無污染的地膜替代產(chǎn)品就成為防治“白色污染”的關(guān)鍵。我國現(xiàn)在研發(fā)的地膜替代產(chǎn)品有秸稈、紙地膜、液態(tài)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(zhì)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(huán)境造成危害。全國有多家企業(yè)和研究機構(gòu)一直在開展相關(guān)工作，已研發(fā)生產(chǎn)出多種生物降解地膜產(chǎn)品，如根據(jù)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(jù)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(tǒng)聚乙烯地膜，生物降解地膜既可以基本滿足農(nóng)作物生長發(fā)育的需求，又可以解決地膜殘留的環(huán)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(nóng)藝技術(shù)。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(nèi)蒙古、黑龍江、吉林和遼寧等地區(qū)。

然而，生物降解地膜的使用雖緩解了對生態(tài)環(huán)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(nóng)民的種植成本，農(nóng)民購買意愿并不強烈；其次在性能上，多數(shù)生物降解地膜產(chǎn)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(wěn)定，可控性差，破裂時間過早，不能完全滿足作物生長關(guān)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(tǒng)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(guān)標準，生物降解地膜產(chǎn)品缺少相應的市場監(jiān)督和管理，技術(shù)市場和產(chǎn)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(chǎn)品研發(fā)急需解決的問題。

4 建議

覆膜栽培是重要的農(nóng)藝技術(shù)，為保障我國糧食安全和主要農(nóng)產(chǎn)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(tài)文明建設和農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展，治理刻不容緩。通過對我國農(nóng)用地膜污染現(xiàn)狀和主要治理方式研究進展的總結(jié)分析，為加快我國農(nóng)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(shù)適宜性的研究。系統(tǒng)深入的了解覆膜對土壤環(huán)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(shù)，對地膜的推廣應用給予指導和規(guī)范，避免地膜的不科學使用。

其次，應加強技術(shù)規(guī)范和市場監(jiān)管，從生產(chǎn)和銷售源頭上把控好地膜的質(zhì)量，以便于回收。要嚴格按照國家《聚乙烯吹塑農(nóng)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?shù)貙嶋H情況的新國標地膜落實機制，打擊不合格地膜的生產(chǎn)和銷售，讓農(nóng)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(tǒng)地膜替代產(chǎn)品的研發(fā)。要鼓勵各地區(qū)各研究單位加強對殘膜回收機具的研究，在規(guī)模經(jīng)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(chǎn)品的研發(fā)，尤其是生物降解地膜在原材料、配方、工藝和技術(shù)等方面的研究，提高生物降解地膜的質(zhì)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(guī)模、高價值的經(jīng)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(nóng)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(nóng)民撿拾積極性。另一方面，可以重點培育地膜回收加工企業(yè)，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(jié)合的辦法，加大對企業(yè)的支持力度，鼓勵企業(yè)開展技術(shù)創(chuàng)新，擴大生產(chǎn)規(guī)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(yè)和廣大農(nóng)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(xiàn)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。