我国棉花主产区变化与地膜残留污染研究

丁凡，吕军，刘勤，郭莹，何文清，王林，严昌荣

1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 2.沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866；3.石河子农业科学研究院，石河子 832000； 4.新疆生产建设兵团农业技术推广总站，乌鲁木齐 830011

地膜作为我国四大农资产品之一，深刻改变了我国农业生产方式，扩大了作物种植区域[1-2]。据中国农业统计年鉴，2014-2019年全国地膜用量基本稳定在143万t左右，地膜覆盖面积近0.2亿hm2(3亿亩)。地膜覆盖技术可以增温保墒、抑制杂草，使我国蔬菜、玉米、花生、棉花等农作物大幅度增产增收[3]。普通地膜是以聚乙烯为原料的化工产品，在自然条件下很难降解[4-6]。随着地膜投入量的不断增加、地膜覆盖面积的增大以及大量不符合国家标准的超薄地膜的使用(回收困难)和覆膜年限的增加，我国农田土壤中地膜残留量越来越多。尤其在我国西北、华北的棉花种植区，大量残膜给当地棉田土壤环境及农业生产带来了严重的影响，造成土壤结构变差、农事操作受阻、作物发芽率低、农村景观变差、河流污染等一系列农艺和环境问题[7-10]。笔者在分析地膜覆盖技术对我国棉花生产的影响以及我国三大棉区土壤地膜残留污染特点的基础上，结合棉花地膜覆盖应用与残留污染的发展趋势，提出我国棉田地膜残留污染的应对策略，以期为地膜覆盖技术在我国棉花生产上合理利用提供科学依据。

1 我国棉花生产格局变化特点

我国是全球第一大棉花生产国和消费国。在过去50年来，棉花播种面积呈现先增加后降低的变化趋势：20世纪70年代，种植面积接近400万hm2；80年代以后，除了1996-2000年下降到400万hm2以下，种植面积一直稳定在500万hm2左右；近10 a受到经济结构调整等因素影响，种植面积呈现下滑的态势，2016-2020年种植面积只有323万hm2(表1)。

棉花种植区域也发生了天翻地覆的变化。20世纪90年代以前，西北内陆地区棉花播种面积占比很低，90%以上棉花种植集中在长江流域和黄河流域两大棉区，主要分布在长江流域的湖北、湖南、江西、安徽和江苏，以及黄河流域的河北、山东和河南等省。20世纪90年代以后，西北内陆棉区(特别是新疆)迅速扩大，新疆棉花播种面积的占比迅速增加，由1986-1990年的年均7.7%迅速攀升到1991-1995年的12.4%，1996-2005年又进一步提高到23%以上，目前棉花播种面积占比已经超过了70%，而黄河和长江流域的棉花种植面积和占比均迅速下降，黄河流域在1986-1990年种植面积占比62.5%，而近5 a占比仅为16.6%；长江流域在1976-1980年占比47.9%，而近5 a仅占13.4%(表1)。

表1 我国三大棉花主产区(主要省)棉花播种面积和比例 Table 1 Cotton planting areas and proportion for the three main planting regions of China

棉花单产受到农业生产条件、品种和植棉技术等多种要素的综合有利影响，持续增加。从20世纪70年代以来，我国棉花平均单产一直处于稳定增长状态，分别从20世纪70年代的375 kg/hm2、80年代的750 kg/hm2、90年代的975 kg/hm2，增加到现在的1 500 kg/hm2左右，其中新疆棉区棉花单产为2 000 kg/hm2，长江和黄河流域棉区棉花单产1 100 kg/hm2左右(图1)。1985年以前，西北内陆棉区的棉花单产只有黄河流域棉区的81.5%，长江流域棉区的83.7%；1986-1995年西北内陆棉区的棉花单产分别增加到黄河流域棉区和长江流域棉区的151.2%和116.6%；1996年以后，西北内陆棉区棉花单产水平与后二者的差异进一步拉大，分别达到了157.8%和128.0%。

数据通过对国家统计局多年统计年鉴数据整理获得。 Data was obtained from State Statistics Bureau in China.图1 1971-2020年我国三大棉花主产区棉花单产变化情况Fig.1 Cotton yield per hectare in three cotton main planting region during 1971-2020

20世纪70年代我国棉花总产量保持在178万t左右，80年代迅速增加，随后稳定在400万t左右，2000年之后，持续增加到600万t，2010-2020年有所减少，但保持在550万t以上(图2)。黄河流域棉花总产量在20世纪80年代初迅速增加到228.3万t，之后持续减少到1996-2000年的140.7万t，2000-2010年有所增加，2010后又迅速减少到2016-2020年的每年60万 t。长江流域的棉花总产量与黄河流域变化趋势基本一样(图2)。过去几十年来，西北内陆棉区的棉花产量则持续提高，棉花总产量从1991-1995年的77.3万 t提高到2016-2020年的459.0万t(图2)，占全国棉花总产量的81.1%(图3)。

数据来自国家统计局网站。 Data was obtained from State Statistics Bureau in China.图2 1971-2020年全国三大棉区皮棉总产量Fig.2 Total cotton yield in the three main cotton planting region during 1971-2020

数据来自国家统计局网站。Data was obtained from State Statistics Bureau in China.

2 我国棉花生产格局变化驱动力分析

在20世纪80年代后期，长江流域和黄河流域棉区的长期连作使棉花病虫害越来越严重，棉花种植的经济效益逐渐降低，导致农民种植棉花的积极性下降[11-14]；同时也与地膜覆盖在西北内陆尤其是新疆广泛应用有很大关系，在新疆，棉花播种期是影响棉花生长发育和产量的一个重要因素，若播种过早，土壤温度较低会阻碍种子发芽，导致出苗稀疏、出现病害，且易遭晚霜危害；若播种过晚，虽然棉苗出土迅速，但吐絮延迟，产量降低。地膜覆盖解决了新疆棉花生产中早期地温低和积温不够的问题，再加上新疆光照条件好、气候干燥和棉花种植时病虫害较少等有利因素，使新疆棉花的种植面积迅速扩大，占全国棉花播种面积比例逐年攀升(表1)。

黄河流域棉区从1981-1990年播种面积占全国比例的56.5%逐渐下降到现在的31.5%，长江流域棉区种植面积也从1970-1981年播种面积占比44.4%下降到现在的25.1%，两大棉区的绝对种植面积也在下降(表1)；三大主要棉区在棉花品种、施肥技术等基本处于同步发展，而西北内陆棉区最大特点是1986年后开始规模化应用地膜覆盖栽培技术，尤其从2000年开始，膜下滴灌技术在棉花生产开始了规模化应用，棉花单产快速上升，并大幅度超过其他棉区。棉花新品种和种植技术的突破，尤其是育苗移栽与地膜覆盖的结合，极大提高了这2个棉区棉花单产水平，从而实现区域棉花总产量的基本稳定。而在新疆棉区，地膜覆盖技术则是该区棉花生产产生巨变的关键，其有效解决了该区域棉花播种期地温低和前期积温不够的问题，改善了棉花生产条件。新疆棉区地膜覆盖对棉花生产贡献分析结果显示，该技术应用使棉花每年增产150万～200万 t，相当于全国棉花产量的20%～30%，充分表明地膜覆盖在棉花生产中起到了至关重要的作用。

为了研究地膜覆盖对棉花单产和水分利用效率的影响，笔者收集了近20年来西北内陆棉区和黄河流域棉区的相关文献，其中西北内陆棉区地膜覆盖对棉花单产影响的数据有45对，黄河流域棉区113对；涉及地膜覆盖影响棉花水分利用效率的数据西北内陆棉区有4对，黄河流域棉区有24对。通过对数据进行Meta统计分析发现，地膜覆盖对棉花单产影响巨大，增产幅度都超过20%，在西北内陆和黄河流域棉区应用使棉花单产分别提高了32.0%和22.9%，水分利用效率分别提高了78.5%和29.7%(图4)。这一方面说明地膜覆盖对棉花单产和水分利用效率影响极大，另一方面也表明地膜覆盖对棉花单产和水分利用效率的影响存在区域差异，在西北内陆降水稀缺和前期低温的区域，地膜覆盖的作用更大。总体而言，地膜覆盖栽培对棉花单产水平贡献巨大。

n为样本量，数据来自孙东宝整理未发表数据库。n is sample number. Data was obtained from a unpublished database owned by SUN Dongbao.

分析地膜在棉花生产上的应用历史可以发现，新疆地区最早开展了棉花地膜覆盖栽培试验[15]，1980年全国棉花地膜覆盖面积为0.4万hm2，1982年棉花覆膜面积达到5.3万hm2[16]，1985年更是达到83.3万hm2[17]。1992年棉花地膜覆盖面积达到了140万hm2，占全国农作物地膜覆盖面积29.6%[18]。20世纪90年代后期及21世纪，在黄河流域棉区研发出育苗移栽技术，具有显著的经济和社会效益。在西北内陆棉区，棉花膜下滴灌新技术应用大幅度提高了棉花单产，改善了棉花品质。2015年，全国植棉面积379.9万hm2，其中新疆190.5万hm2，几乎是100%应用了地膜覆盖，黄河和长江流域棉区植棉面积189.5万hm2，其中132.6万hm2约占70%的面积进行了地膜覆盖。比较西北内陆棉区新疆和黄河流域棉区河北、山东和河南等省的地膜使用强度发现，1986年以来，西北内陆棉区的地膜使用强度增长速率都远远高于黄河流域，也说明西北内陆棉区棉花种植对地膜覆盖技术的高度依赖[9]。

3 我国棉区地膜残留污染特点和趋势

在自然、社会等多重因素的作用下形成了我国三大棉花主产区，即西北内陆(主要是新疆)棉区、黄河流域棉区和长江流域棉区。新疆棉区日照充足，前期低温，干旱少雨，属灌溉棉区，膜下滴灌是该区域棉花种植的关键技术。经过近30 a连续的地膜覆盖应用，地膜残留已经成为该区域一个重大的农业环境污染问题。黄淮流域棉区日照充足，光热资源适中，但也存在前期地温低、墒情差和杂草等问题，因此，在棉花种植时进行地膜覆盖情况也较为普遍。由于该区域人均耕地面积有限，地膜回收做得相对较好，存在一定程度的地膜残留污染，但与新疆棉区相比，残留污染相对较轻。长江流域棉区光热资源丰富，以移栽棉为主，地膜覆盖在该区域棉花种植上仅存零星应用，基本没有或不存在地膜残留污染问题。

通过对严昌荣等[19]、何文清等[20]和王旭峰等[21]在新疆不同区域地膜残留调查结果的综合分析，可以发现该区域棉田地膜残留量很大，长期覆膜棉田地膜残留量在42～540 kg/hm2，平均残留量在200 kg/hm2以上。调查结果也显示，棉田中地膜残留呈斑块状分布。南疆地区棉田的地膜残留要比北疆棉田低，对新疆建设兵团南疆团场18个点的调查结果显示，棉田地膜残留量平均为184.5 kg/hm2(41.9～414.8 kg/hm2，而北疆地区团场64个点的地膜残留量平均为282.4 kg/hm2(123.2～655.0 kg/hm2)。

在北疆连续10 a和20 a覆膜单作棉花的农田土壤地膜残留量平均分别为259.70±36.78 kg/hm2和307.90±35.84 kg/hm2。这说明不同种植模式与覆膜年限对地膜残留量影响很大，覆膜年限越长，土壤中地膜残留量越高。调查结果还显示，棉田土壤中残留地膜基本上分布在耕作层，且主要集中于0～20 cm表层土壤中，由于翻耕等导致残膜向深层土壤转移。棉田土壤中地膜都呈现出不同形状和大小的碎片，数量在1 000万～2 000万片/ hm2。残膜片面积大小差异很大，从1 cm2到2 500 cm2不等。棉田土壤中单块残膜面积>25 cm2的片数比率在16%～25%，4～25 cm2的片数比率在44%～54%，<4 cm2的片数比率在21%～40%。在棉田耕层土壤中，面积较小的残留农膜一般呈片状，而大块残膜一般以棒状、球状和圆筒状等不规则形态存在[19]。

黄河流域棉田地膜残留的研究结果显示，覆膜2、5和10 a的农田地膜残留量分别为59.1、75.3和103.4 kg/hm2。不同覆膜年限棉田中残膜随着土层加深越来越少，大部分残膜分布在0～20 cm的表层土壤中，20 cm以下的土壤中残膜较少，同一土层中残膜量随着覆膜年限增加而增加[22]。0～10 cm土层中残膜片数占总量58.5%～76.4%，10～20 cm土层占比22.3%～35.1%，20～30 cm土层中占比1.3～6.4%[20]。棉田土壤中面积<4、4～25、>25 cm2的残膜数量之间的比值约为7∶2∶1，大部分为面积<4 cm2的残膜[23]。

由于普通聚乙烯(PE)地膜具有不易分解的特性，长期使用地膜的棉田土壤中必然会产生残膜聚集。大量残膜在棉田土壤中的累积会带来一系列的危害，主要是破坏土壤结构，阻碍土壤中水肥运移，降低水肥利用效率；降低土壤通透性，影响土壤微生物活动和土壤肥力水平；还可能导致地下水下渗困难，造成土壤次生盐碱化，影响棉花正常生长和发育，增加了棉花中异性纤维丝的含量，导致棉花产量和品质降低[24-26]。根据不同区域棉花生产对地膜覆盖的依赖程度，未来不同棉花主产区的地膜残留污染将会随着种植结构、残膜污染治理政策的变化而分化。

在西北内陆棉区，尤其是新疆，棉花生产中对地膜覆盖依赖性大，地膜已经成为棉花生产中必备的生产资料。覆盖方式也从最早的半膜覆盖逐渐发展到目前的全膜覆盖，棉田中地膜覆盖比率已经超过85%，导致地膜投入量保持一种稳定上升态势。随着地膜覆盖与滴灌结合形成的膜下滴灌技术的大范围应用，南疆地膜棉花生产中过去广泛应用的头水揭膜措施由于劳动力缺乏和保墒需要被弃用。

因此，在地膜覆盖面积增加、高密度种植模式应用、农村劳动力减少和地膜回收机具缺乏的现状下，该区域棉田地膜残留污染存在进一步加剧的风险。

在黄河流域棉区，虽然地膜覆盖也是一个重要的农艺技术，但相对而言，地膜应用范围和投入强度远低于西北内陆棉区。单位面积地膜投入量一般只有西北内陆棉区的50%左右。基本上属于短时期覆盖，在6月中下旬进行破膜(揭膜)培土，这时候地膜完整并且强度较高，易于回收。同时，随着棉花新品种抗逆性和丰产性不断提高，种植过程中施肥技术、杂草防除技术的不断完善，该区域棉花生产对地膜覆盖的依赖程度将逐渐减弱，种植面积也从1981-1990年的29.31万hm2下降到2011-2015年的14.52万hm2，下降幅度达到50.5%，可以预见，在未来随着农业生产结构调整，棉花播种面积和比例有可能进一步下降，与前面预测棉花地膜覆盖面积相反的是地膜投入量进一步减少，因此，黄河流域棉区的棉田地膜残留将出现减缓的趋势。

4 主要结论与建议

4.1 我国棉花生产格局在过去50 a发生了巨大变化

过去50 a，我国棉花播种总面积呈先增加后降低的变化趋势，20世纪70年代，种植面积接近400万 hm2，80年代以后，除了1996-2000年种植面积一直稳定在500万hm2左右，近10年来，种植面积呈现下滑的态势，2016-2020年，种植面积只有323万hm2。棉花主产区也发生了北移，由20世纪90年代以前90%以上棉花种植集中在长江流域和黄河流域两大棉区逐渐转移到新疆棉区。西北内陆棉区(主要是新疆)种植面积扩大，单产提高，而长江和黄河流域棉区种植面积萎缩、单产相比新疆棉区低将成为一个常态。

4.2 地膜覆盖是我国棉花生产格局变化主要驱动力之一

新疆等西北内陆地区棉花生产受到早期地温低和积温不够两大限制因素，因此该地区在过去并不适合种植棉花。地膜覆盖恰好可以解决早期地温低和积温不够的问题，再加上新疆光照条件好、气候干燥和棉花种植时病虫害较少等有利因素，以及膜下滴灌技术的应用，使新疆棉花单产远超长江和黄河流域。地膜覆盖在西北内陆应用可以使棉花单产提高32.0%，水分利用效率提高78.5%。因此，地膜覆盖技术是我国棉花种植区域北移的主要驱动力之一。

4.3 我国棉花主产区是地膜残留污染的重灾区

由于地膜的使用强度和回收程度不同，我国三大棉花主产区地膜污染情况不尽相同。新疆棉区棉花生产地膜覆盖使用强度大，地膜回收率低，地膜残留已经成为该区域一个重大的农业环境污染问题。黄河流域在棉花种植时对地膜覆盖依赖性相对较低。且由于人均耕地面积有限，地膜回收做得相对较好，存在一定程度地膜残留污染，但与新疆棉区相比，残留污染相对较轻。长江流域棉区光热资源丰富，以移栽棉为主，地膜覆盖在该区域棉花种植上仅存零星应用，基本不存在地膜残留污染问题。

4.4 棉田地膜残留污染的防控建议

①加强政策和标准规范制定。目前我国地膜标准对强度和厚度要求偏低，应尽快修订完善相关标准；②开展地膜应用适宜性研究。推广一膜多用、延期利用技术，以及膜侧种植、半膜覆盖等地膜用量少、增产效果好的技术模式，加强适期揭膜回收技术研究和推广；③加快西北内陆棉区地膜回收机械研制。回收机械与作物农艺相结合，棉花品种、种植模式与农机相配套，提高回收机械化水平；④重视生物降解地膜产品研发和示范。重点研究生物降解地膜的降解可控性与产品配方，缩小其与普通PE地膜在增温保墒功能方面的差异，通过技术改造和规模化生产，实现原材料和地膜产品的成本大幅度下降，提高市场竞争能力，促进规模化应用。