不同種植模式下玉米農田地膜殘留污染特征與防控技術建議

馮丹妮,楊虎德,馬興旺,馬 彥,吳湘琳,姜萬禮

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室 新疆,烏魯木齊 830091;2.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所 甘肅,蘭州 730070;3.甘肅省農業科學院 甘肅,蘭州 730070)

地膜已經成為我國現代農業尤其是旱地農業的重要生產資料之一,地膜覆蓋技術增溫保墑效應有效促進冷涼干旱地區農業高產及水分高效利用[1]。但隨著地膜覆蓋技術推廣,地膜使用量不斷增加,農田地膜殘留量越來越大,不僅破壞土壤結構,同時影響作物生長發育。研究顯示,長期殘膜作用使土壤容重增加,降低土壤通透性,同時降低土壤有機質、全氮、礦質氮及Olsen-P含量,引起土壤質量退化,高殘膜強度還會顯著降低土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、微生物群落豐度及土壤酶活性[2-4]。也有研究表明,地膜殘留抑制棉花、玉米、番茄、煙草、胡麻等作物根系生長發育,降低作物產量[5-9]。由此可見,地膜覆蓋技術在推進農作物高產的同時帶來了不可忽視的環境問題,阻礙了農業可持續發展。

本研究以玉米種植區為研究對象,采用實地調研與統計分析方法相結合,對比分析不同種植條件下玉米農田地膜殘留量與殘膜碎片化程度,針對不同地膜殘留特征,結合農機農藝一體化提出綜合防控措施建議,為各級政府制定地膜污染防治方案提供依據。

1 材料與方法

1.1 調查區域選擇

全省玉米主產區監測點12個,于2014年建立,至2018年開展連續定位監測,其中,有灌溉條件的玉米監測點7個,沒有灌溉條件的監測點5個,樣地選擇連續覆膜種植作物的農田,考慮到覆膜年限、地膜使用量、土壤質地等影響因素,每個典型區域選擇1個樣地作為調查對象,涵蓋了全膜平作、全膜雙壟溝播、半膜壟作等主要種植模式,監測點基本情況詳見表 1。

表1 地膜監測點基本情況

1.2 地膜殘留樣品采集

2017年3月在12個玉米覆膜監測點開展殘膜樣品采集工作,每個監測點采用對角線采樣法隨機選7個樣方,樣方大小為200 cm×200 cm,GPS定位記錄樣方經緯度避免年度間重復,采樣深度為30 cm,按照0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm三個層次,邊挖土邊清撿殘留地膜,通過網格篩篩除石塊、秸稈等大顆粒雜質,再由人工撿拾殘膜樣品,按層次分裝并做好標記,樣品采集結束后按層次回填土壤。

1.3 殘膜樣品處理

帶回實驗室以3個耕層深度和殘膜面積(<1、1～<25和25～<100和≥100cm2) 為標準進行分類統計,裝入塑料網袋,先用自來水清洗,再用超聲波清洗儀進一步清洗30 min,取出后放陰涼干燥處晾干,展開卷曲的殘膜(切勿將殘膜撕碎),用萬分之一天平稱量,分類統計收集殘膜的數量和質量。

1.4 數據處理

采用EXCEL2010和SPSS23.0 進行數據統計分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植條件下玉米農田地膜殘留量分析

統計12個監測點0～30cm耕層土壤地膜殘留量,參照《農田地膜殘留量限制及測定》(GB/T 25413-2010)標準,耕層土壤地膜殘留量限值≤75kg/hm2,如圖可見,超過該限定值的有甘州區、涼州區、景泰縣、會寧縣和西峰區。從種植模式來看,超過標準限定值的5個監測點玉米種植方式均為平作。從種植區域即灌溉條件來看,玉米農田地膜殘留量高的區域主要集中在甘州區、涼州區、景泰縣和會寧縣等灌溉區,其中甘州區、涼州區監測點農田耕層殘膜量最高,分別達到185.064kg/hm2和131.583 kg/hm2。由此可見,灌區平作玉米地膜難回收、殘留量大,與馬彥等[5]調查研究結果一致。旱作區玉米農田地膜殘留量普遍較低,西峰區受種植面積、地膜撿拾方式、覆膜年限等影響,地膜殘留量較高,超過國家標準限定值。

圖1 不同監測點0～30 cm耕層土壤地膜殘留量

2.2 不同種植條件下玉米農田殘膜碎片化程度分析

各監測點農田地膜殘留碎片主要以1～25cm2為主,均超過總碎片數50%。甘州區、涼州區、臨夏縣、景泰縣、永靖縣、臨洮縣、會寧縣等灌區玉米農田殘膜碎片化程度嚴重,<1 cm2的碎片占總碎片數0～24%,1～25 cm2碎片占66%～93%。武山縣、莊浪縣、鎮原縣、安定區、西峰區等旱作玉米農田殘膜碎片化程度低,其中,<1 cm2的碎片僅占總碎片數0～5%,1～25 cm2碎片占56%～88%。在相同灌溉條件下,臨夏縣、永靖縣和臨洮縣監測點玉米均采用壟作種植方式,與灌區平作玉米種植相比,農田殘膜碎片化程度處于較高水平,而在旱作農業區,種植方式不是農田殘膜碎片化程度的主要影響因素。

圖2 不同監測點殘膜碎片化程度

2.3 不同種植條件下玉米農田地膜殘留污染防控技術建議

目前農田殘膜污染治理途徑主要有三種:一是生物降解地膜替代傳統地膜,二是地膜覆蓋栽培技術的適宜性研究,三是殘膜回收利用技術[6]。本研究針對不同玉米種植區域地膜殘留污染特征,結合灌溉、栽培等條件進行分類防控,提出多種技術方法相結合的綜合防控技術建議。

2.3.1 灌區玉米殘膜污染綜合防控技術建議

本研究得出甘肅省灌區玉米農田地膜殘留量高、碎片化嚴重,總體防控思路是“全生物降解地膜替代/地膜減量投入+殘膜回收機械化”。由于甘肅省灌區玉米涉及區域廣、種植模式多樣、灌溉條件和機械化程度差異大,在技術選擇與組合方面,需要充分考慮作物對地膜的功能性需求以及區域農業氣候資源特點,因地制宜集成灌區玉米殘膜污染綜合防控技術模式。

(1)應用生物可降解地膜。近年來,針對灌區玉米生物降解膜產品選型、水肥調控配套技術、經濟生態效益等相關研究表明,生物降解膜可代替普通地膜投入到農業生產中[7]。不同可降解地膜材料的特性存在差異[8],迪麗拜爾·迪力買買提[9]和包烏日娜[10]分別在新疆烏魯木齊和內蒙古錫林郭勒盟驗證適宜當地玉米生長發育的可降解地膜,推薦玉米生產中使用主成分為PLA和PBAT可降解膜。此外,在甘肅臨夏州、榆中縣進行的 6 種可降解地膜的降解能力測試結果顯示,即使是相同材料的降解膜,在不同地區的降解效果也存在較大差異[11],因此生物降解膜推廣應用中應充分考慮地膜降解誘導期、氣候、土壤水熱、農藝措施等因素對地膜性能的要求。

(2)優化地膜覆蓋方式,源頭減少地膜投入使用。優化地膜覆蓋方式,是推進地膜科學使用、減少農田殘膜污染的重要環節。一是降低地膜覆蓋率,大量研究表明,半膜寬窄行種植可減少25%的地膜使用量,玉米產量及水分利用效率與全膜覆蓋等效,因此,在綠洲灌區可以探索半膜覆蓋栽培技術,減少地膜投入使用量[12]。二是推廣一膜兩年用技術,減少地膜用量,高臺縣等地開展一膜兩年用免耕玉米栽培技術也取得了較好的試驗效果,但要求地膜使用厚度必須大于0.010mm,以滿足機械耕作與回收的強度要求[13]。三是研究玉米適期揭膜技術,在確保糧食產量的前提下,提前揭膜可保持膜面完整性,提高地膜回收效率,郝云風等[14]在內蒙古河套灌區開展春玉米膜側種植配套提早揭膜技術,不影響玉米產量同時提高地膜回收率。

(3)機械化撿拾地膜,提高農田地膜回收效率。灌區玉米種植土地連片,面積較大,開發推廣殘膜回收機械是實現農田殘膜高效回收的重要途徑。灌區玉米以平作種植模式為主,主要選用耙齒式殘膜回收機,重點研發起膜壓茬碎土技術、膜面雜質清潔技術,解決地膜淤土覆蓋問題,降低膜雜分離負荷和地膜含雜率[15]。地膜機械回收在秋收后開展,便于春季耕前農事作業,同時提高地膜回收率。

2.3.2 旱作區玉米殘膜污染綜合防控技術建議

全膜雙壟溝播是甘肅旱作玉米的主要栽培模式,總體防控思路“地膜減量投入+殘膜回收機械化”。推廣厚度大于0.010 mm高強度地膜,采用一膜兩年用技術,可有效減少地膜使用量。在大面積種植地塊,推薦選用滾筒式殘膜回收機,針對根茬與地膜難分離等問題,如通過自適應仿形設計解決起膜過程中根茬易被挑起問題,改進升運鏈最佳工作參數解決膜雜分離問題等[16]。在山區零散地塊,種植面積小,主要采用人工撿拾的方式回收農田地膜,研發小型土壤殘膜清理機具,如振動篩等,在人工撿拾后篩撿出較小的地膜殘片,進一步減少地膜殘留量。旱作玉米地膜回收工作在春耕前開展,有利于土壤保墑。

3 結論

(1)通過實地調研甘肅省12個玉米主產區地膜殘留監測點種植、覆膜及回收情況,結合農田地膜殘留量分析得出,灌區玉米農田地膜殘留量高于旱作區,且區域內地膜殘留污染程度差異大。

(2)在灌區玉米種植過程中,結合地膜殘留特征、種植模式、經濟產量等,建議以“全生物降解地膜替代+地膜減量投入+加強殘膜回收”為總體防控思路,通過實地驗證篩選適宜的全生物降解地膜替代傳統地膜,或半膜覆蓋栽培技術配套地膜回收機械,推薦選用耙齒式殘膜回收機在秋收后開展地膜回收作業。

(3)旱作區玉米農田地膜殘留差異較小,均采用全膜雙壟溝播栽培技術,推廣加厚高強度地膜配套“一膜兩年用”技術,從源頭減少地膜使用量,在大面積種植地塊,推薦選用滾筒式殘膜回收機;在小面積種植地塊,采用人工撿拾+機械回收的方式,研發應用振動篩等小型土壤殘膜清理機具,在春耕前完成地膜清理與回收。