农用地膜残留及其防治技术研究

蔡子睿，杨相龙，刘人杰，吴 腾，黄碧捷

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

1 引言

20世纪70年代农业用地膜覆盖技术便开始在我国广泛应用，我国地膜使用量常年稳居世界第一。当前，我国地膜覆盖技术已延伸到棉花、小麦、玉米、水稻等绝大多数大田作物。2014年，我国地膜使用量144.14万t，覆膜面积达到1814.02万hm2，并保持逐年稳步增长的趋势[1]。近年来，农田地膜残留所带来的环境问题和生态风险逐渐显现，解决农业用地膜残留问题刻不容缓。普通农用地膜一般由分子结构稳定且难以自然降解的聚乙烯材料制成，使用后的残留地膜会在土壤中长期存在，改变土壤特性，阻碍土壤水的渗透，影响土壤吸湿性，导致土壤次生盐碱化，残留地膜还会降低土壤通透性，阻碍土壤与空气间的循环交换，干扰土壤微生物活动，使土壤肥力下降[2]。

近年来，我国农膜残留量占总使用量的3成左右[3]，第二次全国污染源普查数据显示，我国覆膜农田土壤中累积残膜量约118.48万t。相对于发达国家，我国地膜厚度普遍偏薄，使用后，清理和回收都较困难，带来一系列的残膜遗留与利用的环境问题，给我国农田带来的“白色污染”问题必将限制我国农业的可持续发展。鉴于此，2020年4月24日经农业农村部、工业和信息化部、生态环境部、市场监管总局四部(局)批准，《农用薄膜管理办法》已于2020年9月1日起正式施行。该管理办法将对我国农膜的生产、销售、使用、回收、再利用及监管等环节予以规范，形成农膜回收利用的良性机制，保护农业生态环境。与此同时，农膜污染与防治相关科技问题一直都是研究的热点，众多学者对诸如残膜农田形态分布与降解、残膜量影响因素、残膜回收与治理技术等方向均产出了大量成果。

2 农用地膜残留量影响因素

农用地膜残留量的主要影响因素有：覆膜年限/覆膜间隔年限；地膜厚度；种植模式；作物种类；覆膜方式；土壤类型等。

覆膜年限的增加以及覆膜间隔年限的减少都会增加地膜残留量，累积效应明显[4]。严昌荣等[5]的研究表明，无论何种种植模式，20年覆膜种植的农田残膜量都较10年的高。康平德等[6]对不同年限(≤5年、5～10年、10～20年和>20年)连续覆膜的玉米种植区的平均残膜量(17 kg/hm2、28.21 kg/hm2、38.71 kg/hm2、44.71 kg/hm2)和残膜数量(215 万片/hm2、357万片/hm2、491 万片/hm2、567 万片/hm2)也验证了覆膜年限对地膜残留的显著影响。

浅层土壤中的地膜残留量明显多于深层土壤中的地膜残留量，并随着地膜厚度的增加，残膜量呈现逐渐减少的趋势。唐文雪等[10]研究了0～30 cm的土层范围，经4年栽培的玉米地，使用厚度为0.006 mm、0.008 mm、0.010 mm、0.012 mm的地膜后的残留量分别为79.03 kg/hm2、57.68 kg/hm2、50.32 kg/hm2、53.58 kg/hm2。

种植模式和覆膜方式对地膜残留量也有显著的影响。严昌荣等[5]比较了石河子棉区在不同覆膜年限与种植方式下的地膜残留量，得出了单作栽培的残膜量明显少于轮作栽培的结论，单作棉花连续覆膜20年和10年的残膜量为307.9 kg/hm2、259.7 kg/hm2，棉花—番茄轮作10年的残膜量为334.4 kg/hm2。周昌明等[7]的研究表明：垄沟种植方式下降解地膜的破损速率要快于平地覆盖种植10 d左右，垄沟种植在播种后40 d左右已经达到2级破损程度。蒙永军等[8]在认为覆膜方式是影响土壤中地膜累积残留量的重要因素之一，影响最大的覆膜方式是微垄平铺，其残膜量可达372.21±20.56 kg/hm2；影响最小的是全膜覆盖双垄沟播种，残膜量为86.59±7.75 kg/hm2，前者地膜累积残留量是后者的近4倍。

农田种植作物的不同、农田与农民居住地的远近、是否设施农业种植、土壤质地等也对地膜残留量具有一定影响。徐刚等[9]调查显示，在温室大棚、蔬菜地、作物大田中的地膜残留量分别为：4.1～5.6 kg/hm2、3.7～7.4 kg/hm2、2.5～2.8 kg/hm2。周明东等[10]研究发现：无论种植作物是玉米田，加工番茄田还是棉田，距离村落近处的农田残膜密度小于远处，这可能因为农民对清理难度的自我选择。同时，种植作物的不同会显著影响残膜量，覆膜0～10年的棉田残膜密度是玉米田和加工番茄田的近2倍；覆膜10～20年，3种作物的残膜密度梯度表现为玉米田>棉田>番茄田，且差异明显。马彦等[11]研究发现随着农田中土壤孔隙度的增加，地膜残留量会呈现减少趋势，砂土地、壤土地和黏土地的残膜量分别为27. 66 kg/hm2、28. 99 kg/hm2、29. 13 kg/hm2，显现出一定的差别。

3 农用残膜形态分布

土壤中的农田残膜呈现不同形状和大小的碎膜分布，农田质量与农田残膜的分布形态，数量特征具有一定相关性。马辉等[12]调查发现华北地区典型农区的棉田中，即使覆膜年限不同，但是残膜在土壤各层的分布依旧较为一致。一般0～10 cm土层的残膜量最高，10～20 cm次之，20～30 cm处最少，严昌荣等[5]的研究也得到了相似的结论，土壤下10 cm区域仍为最高，3个层次之间无显著差异，其所呈现的不同残膜分布情况，可能源于翻耕方式，机械化程度，拾捡方式的不同。

土壤残膜的形态各异，大小不一。残膜形状主要有片状、卷缩圆筒状和球状等；呈水平、垂直和倾斜状分布；且大多出现龟裂、分层现象；小块膜(<4 cm2)最多，中块膜(4～25 cm2)次之，大块膜(>25 cm2)最少。农田中残膜大小、数量与覆膜年限的长短呈正相关。覆膜年限各不相同的棉田中，残膜的破碎程度也会随着覆膜年限的增长而愈发严重[3，5，12]。

4 农用残膜污染防治及利用措施

4.1 有效的田间耕种及农艺手段

袁俊霞等[13]的研究证实了一膜多茬的种植方式能有效减少农田土壤残膜量，使用更宽的膜能降低残膜量，相比于140 cm的宽膜，60 cm的膜导致超过2倍的残膜遗留在农田中。除此之外，秋季翻耕土地也能减少农田地膜残留量[14]，在所种植作物所需的水份与温度能得到保证的地区进行提前揭膜，也能更好的提高地膜回收利用率。张江华等[15]研究表明：在棉花第一次灌水前揭膜，能有效回收90 %以上的地膜，回收的地膜上无淤泥，同时也保障了揭膜时农田土壤湿润，且对作物的后期生长基本无影响。

4.2 达标基础上合理增加地膜厚度

我国早在20世纪90年代便制定了地膜厚度的国家标准GB13735-92，规定地膜厚度应为0.008±0.003 mm。为提高农用地膜回收率，《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜(GB13735-2017)》(2017年，强制性标准)规定地膜厚度应大于0.01 mm。地膜越厚，所需水、肥等投入会减少，作物产量相应也能提高，当然也加大了地膜的成本投入，且地膜越厚越有利于回收利用，如果回收利用得当，增加的地膜厚度带来的成本能得到补偿，同时也减少了农田地膜的残留量。唐文雪等[16]经4年实地栽培试验发现随使用地膜厚度的增加，农田中的地膜残留量呈现逐渐减少的趋势，采用0.012 mm厚度的地膜较0.006 mm地膜覆盖带来的处理残膜量减少32.2 %。而在棉田采用0.010 mm和0.012 mm厚度地膜较0.006 mm厚度地膜覆盖相比，经济效益分别增加了11.7 %和15.1 %[17]。广泛推广厚膜的使用与回收是经济效益和环境效益双赢的良好方式。

4.3 逐步推进生物降解性地膜研发与使用

生物降解塑料基本用于包装材料，在农用地膜上的应用尚存在降解时间不可控及成本偏高等核心问题。同时，不同种类的作物田最佳的生物降解膜的厚度、膜片尺寸与作物生长存在一定的特异关系，与普通塑料膜不同，缺乏广泛适用性。王淑英等[18]对三菱生物降解膜进行了3年试验观测，结果显示该降解膜在土壤中具备良好的降解性。种植地膜玉米时，压入土壤的部分地膜或地膜上有土覆盖的部分同样有明显的降解效果，而垄上的地膜在玉米收获后绝大部分仍与常规膜一样保持完好，能起到良好的抑蒸保墒作用。保墒性试验数据显示生物降解膜保墒率比普通农用地膜低4.5%～9.4%，生物降解膜保墒性能达普通农用地膜的90.4%～95.4%，抑蒸保墒效果接近普通农用地膜。崔磊等[19]对氧化-生物双降解地膜的研究表明：氧化-生物双降解地膜过早降解，显著降低土壤温度、土壤水分，但对棉花产量无显著影响。降解地膜降解的彻底性和降解时间的可控性仍有较大提升空间。目前，高成本是生物降解地膜推广应用的主要障碍因素，对照普通PE地膜，德国BASF公司3种不同生物降解地膜的系统成本分别增加16.5 %、47.3 %和 75.8 %[20]。另外，普通PE地膜的操作方法、使用规范、管理措施等并不适用于生物降解地膜，生物降解地膜产品和配套农艺技术应得到进一步的研发和实践，逐步促进生物降解地膜的合理应用。

4.4 革新残膜农田回收技术及资源化利用途径

建立整体的机械化回收技术体系。2019年，农业农村部、国家发展改革委、财政部、生态环境部联合印发《关于加快推进农用地膜污染防治的意见》中指出：坚持政府引导、部门联动、公众参与、多方回收，因地制宜建立政府扶持、市场主导的地膜回收利用体系。由于长期以来大量使用超薄地膜，强度小，覆盖期长，清除时易碎，我国农田残膜较难回收，现有国际上广泛使用的收卷式地膜回收机并不匹配我国的实际。应加大适合我国的残膜回收机具的研发与应用，在一定的时期内可以采用人工和机械回收相结合的方式，主推秋后残膜回收机械，重视播前残膜清除机械的推广，并研发推广可有效回收耕层20 cm深度残膜的机械[19]。同时，还应探讨残膜回收后的利用方式，目前残膜回收后主要是制PE再生料，利用途径单一，一旦石油工业PE新料价格降低到与再生料无显著价格差，再生料便没有了市场，探讨残膜回收后资源多种利用途径也是未来必须要面对的问题。