捡拾方式对绿洲棉田地膜残留和棉花产量的影响

2020-11-11马兴旺赵靓李磐杨涛冶军闵伟侯振安

农业环境科学学报 2020年10期

马兴旺，赵靓，李磐，杨涛，冶军，闵伟，侯振安*

（1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室，乌鲁木齐830091；2.石河子大学农学院，新疆石河子832003）

随着覆膜种植技术的广泛应用，土壤地膜残留日渐增多，其对作物生长和环境的危害引起了大家的广泛关注。西北地区是我国地膜用量最大的区域，农田土壤地膜残留量也最多。研究表明新疆覆膜20 a 棉田的地膜残留量达到300～340 kg·hm-2[1-2]，甘肃覆膜20～30 a玉米农田的地膜残留量为30.78 kg·hm-2[3]，且地膜残留量随着覆膜种植年限的增加而增加。华北平原[4]、南方平原[5]，甚至水热条件相对较好的云南[6]、海南[7]农田土壤也存在不同程度的地膜残留。总之，地膜残留已经成为全国性的农田土壤污染问题[8]。

防治地膜污染的途径包括源头管控和残膜回收。源头管控的措施有：使用标准厚度地膜，使用可降解地膜[9]，在水热条件好的地方减少或不再使用地膜[10]，在水热条件差的地方探索通过改进农艺措施减少甚至不使用地膜[11]。在当前土壤残留地膜持续增加的情况下，残膜回收是减少地膜残留、防治地膜污染的关键途径。近年来，国内外学者针对残膜回收开展了大量研究，研发了多种原理不同类型的残膜回收机具[12-13]，并且制定了地膜残留量限值及测定的国家标准[14]、残膜回收机具的国家标准[15]等。

新疆是我国棉花的主产区，2019 年的棉花种植面积占全国60% 以上，产量占全国总产量80% 以上。覆膜种植是新疆棉花高产稳产的关键措施，但这也导致了严重的地膜残留问题。地膜污染已成为新疆农田生态环境改善和棉花产业绿色发展的关键障碍因子。2019 年以来，我国农业农村部也将“棉花采摘及残膜回收机械化技术”作为引领性农业技术进行示范推广。有研究发现，不同捡拾方式对玉米农田地膜残留系数影响较大[16]。但是，目前关于残膜回收方式对膜下滴灌棉田土壤地膜残留影响的研究还很缺乏。本文以新疆绿洲棉田残留地膜为对象，定位研究不同捡拾方式下土壤地膜残留情况以及对棉花产量的影响，以便为确定适宜的地膜回收方式提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验位于天山北坡扇缘带下游的新疆生产建设兵团某连。该区域光热资源较丰富，全年日照时数2 526～2 874 h，生长季日照时数为1 900～2 000 h，≥0 ℃的活动积温3 900～4 100 ℃，无霜期160 d 左右。试验地已连续覆膜种植棉花13 a，土壤0～20 cm和20～30 cm 地膜残留量分别为163.6 kg·hm-2和60.1 kg·hm-2。土壤为灌耕灰漠土，壤土，土壤耕层有机质含量14.84 g·kg-1、全氮1.12 g·kg-1、速效磷22.83 mg·kg-1、速效钾236 mg·kg-1、pH 7.88、容重1.23 g·cm-3。

1.2 试验设计

设3个地膜捡拾方式处理：（1）不捡拾地膜（CK）；（2）部分捡拾地膜（Cp，Partial picking），即只在秋翻地前进行一次人工捡拾残留地表可见的地膜；（3）彻底捡拾地膜（Cf，Thorough picking），即结合每次土壤翻耕，人工捡拾地表可见的残膜，直到春季播种前停止捡拾。每个处理重复3次，共9个试验小区，随机区组设计，小区面积为667 m2。于2016—2018年进行连续3 a定位试验监测，每年进行同样的捡拾地膜作业。

供试作物为棉花（新陆早36 号），聚乙烯农用地膜覆盖栽培，一膜4 行，行距为（30 cm+50 cm+30 cm）+50 cm，株距10 cm，播种密度2.5×105株·hm-2。地膜宽度为1.45 m，厚度为0.008 mm。灌溉方式为膜下滴灌，一膜两管，滴灌带间距80 cm。每年4月中旬播种，采用“干播湿出”方式，即播种后滴出苗水。全生育期灌水9 次，总灌溉量450 mm。试验中氮肥全部作追肥，施用量为N 360 kg·hm-2，按照棉花生长发育规律在棉花生育期间分5 次随水滴施。磷肥和钾肥作基肥，在播种前一次性施入，施用量为P2O5105 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2。其他栽培管理措施参照当地大田生产。

1.3 土壤地膜残留量调查

分别在2016—2018 年春季播种前，在监测地块内用蛇形取样法选择6 个不在同一播幅上、规格为200 cm×100 cm（即面积为2 m2）的样方，采集0～20、20～30 cm 两个土层的残留地膜。每次采样时做好样方标记，避免前后几次的采样位置重复。

土壤残膜量测定：划定采样样方后，边挖土边清捡残留地膜。首先去除附着在残膜上的杂物，然后带回实验室用超声波清洗仪进行洗涤，洗净后用吸水纸吸干残膜上的水分，小心展开卷曲的残膜，防止残膜破裂，放在干燥处自然阴干，万分之一的电子天平称质量。

1.4 棉花产量测定

分别于每季棉花成熟时，对各小区棉花进行实收记产。

2 结果与分析

2.1 不同捡拾方式下0～20 cm 和20～30 cm 土壤地膜残留量变化

70% 的残留地膜在表层0～20 cm 土壤中（表1）。试验开始前，0～20 cm 土层地膜残留量占0～30 cm 残留量的73.1%，20～30 cm 占26.9%。3 个处理连续3 a监测，0～20 cm 土层地膜残留量约占总残留量的72.6%～73.4%，20～30 cm 土层约占26.5%～27.4%。经过3 a 的连续捡拾，不同处理各土层残膜量占总残留量的比例没有明显变化。

与不捡拾处理（CK）相比，捡拾处理（Cp、Cf）土壤0～20 cm 和20～30 cm 的残膜量明显减少（表1）。第一年，Cp 处理0～20 cm 和20～30 cm 残膜量较CK 分别减少12.2% 和12.5%；Cf 较CK 分别减少26.7% 和27.1%。第二年和第三年也均类似减少。Cf 捡拾程度比Cp 高，0～20 cm 和20～30 cm 残膜量减少比例也相应大于Cp，且每个处理上下两层以相近的比例减少。

捡拾后0～20 cm 土壤残膜减少量多于20～30 cm减少量（表1）。第一年捡拾后，CK、Cp、Cf 的0～20 cm残膜量分别增加11.1、-10.2、-35.6 kg·hm-2，分别占0～30 cm 增减量的73.9%、71.4%、72.6%；而20～30 cm残膜量分别增加3.9、-4.1、-13.4 kg·hm-2，分别占26.1%、28.5%、27.4%。第二年和第三年也有类似变化。捡拾后，0～20 cm 残膜增减量占0～30 cm 残膜增减量的57.1%～80.0%，20～30 cm 残膜增减量仅占20.0%～42.9%。

2.2 不同捡拾方式下0～30 cm土壤地膜残留量变化

捡拾后0～30 cm 土壤地膜残留量明显减少（图1）。第一年，Cp 和Cf 土壤地膜残留量较CK 低12.3%和26.8%，第二年和第三年有类似比例的降低（表2）。相对于CK，Cf 地膜残留量降低较Cp 更多，说明只要简单捡拾一次地表可见残膜，地膜残留量就会减少，多次捡拾则残膜减少得更多。

不同捡拾方式处理0～30 cm 土壤地膜残留量随年限的增加均呈增加趋势（表2）。第一年，CK、Cp、Cf处理0～30 cm 地膜残留量分别为238.7、209.4、174.7 kg·hm-2，较捡拾前分别增加15.0、-14.3、-49.0 kg·hm-2，增加了6.7%、-6.4%、-21.9%。第二年，CK、Cp、Cf 地膜残留量较前一年分别增加12.0、9.3、4.0 kg·hm-2，增加了5.0%、4.4%、2.3%。第三年各处理土壤地膜残留量继续增加。第一年是在之前没有进行过捡拾的棉田开展捡拾，捡拾处理Cp 和Cf 的地膜残留量有所减少，但之后连续2 a不同捡拾方式下土壤地膜残留量均有所增加，只是增加量有差异。

表1 不同捡拾方式下0～20 cm和20～30 cm的地膜残留量Table 1 Plastic film residues of different picking methods in 0～20 cm and 20～30 cm level

表2 不同捡拾方式下0～30 cm土壤地膜残留量Table 2 Plastic film residues of different picking methods in 0～30 cm level

图1 不同地膜捡拾方式下的地膜残留量和棉花产量Figure 1 Cotton yield and film residues with different picking methods of plastic film

土壤地膜残留量随覆膜种植年限增加呈显著的线性增长关系。回归分析表明（表3），CK在年际间地膜残留量增加幅度最大，平均年增加量为12.6 kg·hm-2，Cp为10.8 kg·hm-2，Cf增幅最小，为7.9 kg·hm-2。

2.3 不同捡拾方式下的棉花产量

不同地膜捡拾方式处理下，棉花产量差异明显（图1）。第一年棉花产量表现为Cf＞Cp＞CK，且随着试验年限的延长，不同捡拾方式处理间棉花产量的差异逐渐增大。与第一年相比，CK棉花产量第二年和第三年分别降低2.9%和5.4%，Cp降低3.0%和3.6%，Cf降低1.1%和3.1%。可见，地膜捡拾程度越低，棉花减产幅度也越大。

2.4 棉花产量与土壤地膜残留量的关系

棉花产量与土壤地膜残留量有显著线性相关性。棉花产量与土壤地膜残留量的线性回归方程表明（表4），棉花产量随地膜残留量增加呈降低趋势（图1）。地膜不同捡拾方式导致地膜残留量在年际间的增加量决定了棉花产量降低的幅度，CK 棉花产量降低幅度最大，Cp 次之，Cf 最小。由此可见，地膜残留量显著影响棉花产量，随地膜残留量增加，棉花产量显著降低。合理控制土壤地膜残留量，对棉花增产具有重要作用。

3 讨论

3.1 棉田地膜使用量与残留量

按照试验区当时情况，本试验用厚度为0.008 mm 地膜，使用量80 kg·hm-2，如果完全不捡拾地膜，全部残留于土壤，当年新增残膜量理论上也应当是80 kg·hm-2左右。本研究显示，完全不捡拾处理0～30 cm 年新增残膜12.0～15.0 kg·hm-2，远低于理论残留量，但与前人调查的新疆棉田耕层残膜量每年增加11.2[17]、13.66[18]、16.47 kg·hm-2[19]的结果相似。在20世纪90 年代推广棉花覆膜种植后，地膜残留污染问题即引起关注，并开始研制残膜回收机械，但多处于研究示范阶段[20]。自2012 年国家在新疆实施农业清洁生产示范项目、大面积开展地膜回收行动前，甚至之后一段时间内地膜回收率只有10%～30%[21]。所以分别于2005、2011、2016 年多点调查得出新疆棉田耕层残膜量每年增加11.2[17]、13.66[18]、16.47 kg·hm-2[19]的结果就是没有回收地膜时的残膜增加量。

表3 土壤地膜残留量Y与覆膜种植年限X的关系Table 3 Relationship between plastic film residues Y and film mulching years X

表4 地膜不同捡拾方式下棉花产量Y与土壤地膜残留量X的关系Table 4 Relationship between cotton yield Y and film residues X with different plastic film picking methods

没有回收地膜但残膜量低于理论预期的主要原因可能有：碎裂的地膜在收获时会被人随手或随秸秆带出田间，收获后、犁地后会被风吹出田间，耕地时被翻入30 cm 以下土壤等。所以在农村能见到飘落在树木、道路、渠沟、庭院的废旧塑料，有混入棉花中形成的“三丝”，有碎膜夹杂在饲草料中被牲畜误食等。因此，当年使用地膜的残留量受多种因素影响，并不完全决定于回收强度。本试验中，不同捡拾方式处理土壤地膜残留量的变化在年度间存在一定差异，可能也与此有关。

3.2 残膜回收与地膜残留量

本研究发现，即使彻底捡拾处理，3 a后土壤地膜残留量仍然明显增加。一方面是因为表层土壤中残膜会向深层转移。土壤中残留的地膜可以按照进入土壤的先后，分为当年新残留和以往残留两部分。当年地膜残留于地表和表层，随着覆膜种植年限的增加，不断的耕作使表层土壤残膜逐渐向下层土壤转移；下层的残膜也会被翻到表层。最终，残膜会在整个耕层分布[19]；另一方面，以机械为主（或与人工捡拾结合）回收的主要是表层土壤中残膜。近年来，我国相继研制了多种类型的地膜回收机具[12-13]，依据GB/T 25412—2010规定，耕前和播前残地膜回收机表层0～10 cm 拾净率≥80%、10～15 cm 深层拾净率≥80%即为合格产品[15]。所以，如果每年只进行一次机械残膜回收，必然会有一定量的地膜残留在土壤中。

因此，每年应开展多次机械残膜回收（或与人工捡拾结合）才能在绝对量上减少地膜残留量，遏制土壤地膜污染。

3.3 土壤地膜残留量与棉花产量

本研究中地膜残留量与棉花产量的关系采用直线回归方程描述，地膜残留量是原位测定值，棉花产量源于残膜以实际状况分布的土壤上的3 a 定位试验。也有研究报道了地膜残留量与棉花产量呈直线回归关系，但研究多采用模拟试验的方法，将薄膜剪碎均匀混入土壤来模拟地膜残留[18，22]，这与农田土壤残膜的实际分布状况存在很大差异。土壤中残膜有长条状、片状、团状，以垂直、水平或倾斜分布，面积有很大差别，上下层含量也不同。人为在土壤中掺混碎膜以模拟残留地膜，与以自然过程混入土壤的残留地膜对作物影响必然有一定差别。

分析3 个处理3 a 的平均地膜残留量与对应的棉花产量数据发现，二次函数比线性函数能更好地描述地膜残留量与棉花产量间的关系（图2）。由二次函数曲线可以看出，地膜残留量在某一阈值范围内，随地膜残留量增加棉花产量降幅较小；当地膜残留量超过阈值后，棉花产量随地膜残留量增加大幅降低，该阈值即为地膜残留的“危害阈值”，这种趋势有一定的理论依据。有研究表明，随地膜残留量的增加，土壤养分和微生物特征[23]、土壤体积质量、孔隙度、土壤透气性、土壤酶[24]、土壤水分运动[8]等受到的影响逐步增大，进而影响作物生长。