山东滨州地膜残留现状、危害及防治对策

2022-06-01李红梅曹志红

中国农学通报 2022年14期

宋芸，樊平，王敏，李红梅，曹志红，韩伟

（1滨州市农业农村局，山东滨州 256200；2滨城区农业农村局，山东滨州 256200；3山东世耀农业发展集团有限公司，山东滨州 256200；4山东省农业技术推广中心，济南 250100）

0 引言

农用地膜具有显著增加地温、抑制农田水分蒸发、抑草灭草、抑盐保苗、增加作物冠层光照均匀程度和增加散射光等多方面功能，已成为继种子、化肥、农药之后第四大农业生产的重要物质资料[1-4]，地膜用量从1991年30.0万t增长到2018年140.4万t，覆盖面积从530万hm2增加到1800万hm2，中国成为全球地膜消耗量最多、覆盖面积最大、覆盖作物种类最多的国家[5-7]。地膜覆盖技术带动了中国农业生产力的显著提高和生产方式的改变，使作物大面积增产20%～50%，对保障中国农产品安全、促进农民增收、消除贫困和加快农村经济发展做出了重大贡献[1-2,8]。然而，地膜不科学使用以及有效回收利用环节的缺失，特别是作物收获后地膜破碎严重、机械强度差，回收率较低，导致地膜残留污染日益严重[9-10]。

地膜覆盖技术作为重要的农业种植技术，被广泛应用于粮食、蔬菜和棉花等农作物生产，对促进农作物生长及提高产量起到积极效应。在低温且干旱的滨州市，花生覆膜栽培比露地栽培增产20%以上，在棉花、蔬菜、瓜果等作物上都得到显著的应用效果。随着地膜被推广使用以来，地膜覆盖技术对滨州市农业增产增收做出了重大贡献，但是由于生产者的长期使用和不规范滥用，残留的地膜在农田土壤和周边环境中逐渐累积，成为农业生产及农村环境的重要威胁[11-12]。本研究采用资料统计和实地定点监测相结合，对滨州市地膜使用情况、残留污染情况、残留危害及防治措施等进行分析，以期摸清地膜污染现状，为滨州市地膜残留污染防治提供技术和理论支撑。

1 滨州市地膜残留现状

1.1 区域概况

滨州市位于山东省北部、鲁北平原、黄河三角洲腹地，地处117°15′—118°30′E，36°41′—38°16′N，总面积为9453 km2；该地区属暖温带干燥季风气候，四季分明，年平均气温为11～14℃，年平均无霜期为180～190天，年平均降雨量为583.6 mm，且年内降雨分布不均，主要集中在7、8月[13]。由于地理条件限制，地下淡水及地表水的储存量低于全省人均水平，全市可利用的水资源短缺乏，而地膜覆盖技术具有保温保墒、抗旱节水等特点，所以自20世纪90年代以来，地膜覆盖技术作为滨州市农业重点推广项目，在全市进行了大面积的推广。

1.2 研究数据及定点调查

本研究中滨州市数十年农用薄膜及地膜的使用数据、地膜覆盖面积均来源于国家统计局（1999—2020年）。同时为检测不同年份地膜残留量的污染情况，选取了全国地膜残留监测网国控监测点中具有代表性样点的无棣县佘家镇北石村和柳堡镇付王家村。每个监测点以S型方式随机选取7个取样点，各取样点面积为100 cm×200 cm=2 m2，分别收集深度为0～20 cm和20～30 cm 2种土层的残膜，对收集完成的残膜样品进行清洗、凉干、称重，并从2013年起进行了连续6年的数据监测。

1.3 滨州市农用薄膜及地膜使用现状

统计部门对滨州市农用薄膜及地膜历年（1999—2020年）使用量的数据如图1所示。总体上，农用薄膜及地膜的使用量均呈先增后降的趋势，其中2006年农用薄膜使用量最大，高达13487 t，地膜于2004年使用量最大，高达8226 t。与此同时，地膜覆盖面积也呈先增后降的趋势，但与农用薄膜及地膜的使用变化趋势稍有不同，其于2011年覆盖面积最大，已高达163640 hm2（图1）。自2006年以来，农用薄膜及地膜的使用量均逐年降低，地膜的使用已在一定程度上引起相关部门重视，并逐步得到控制，其可能归因于生态环保意识的加强及地膜残留防治措施的实施。

图1 滨州市不同年度农用薄膜、地膜使用量和地膜覆盖面积（1999—2020年）

如图2所示，滨州市历年单位公顷地膜使用量趋于先增后降再增加的趋势，平均使用量为47.90 kg/hm2，其中2006年单位面积地膜使用量最大，为58.81 kg/hm2。研究发现，自2014年后单位面积地膜的使用量并未明显减少，地膜的覆盖使用技术受到限制，因此，后期仍需加强地膜替代、一膜两用及多用等技术的研发与推广。花生和棉花作为山东省地膜覆盖技术主要应用的农作物，地膜覆盖种植面积分别达到70%和80%[14]。根据滨州市当地农作物种植情况，地膜覆盖技术主要使用在棉花和蔬菜，其中棉花覆膜面积最大。先前的研究多集中于地膜覆盖技术对作物长发育、产量和土壤温湿环境等方面的影响，而本研究中将主要关注地膜残留污染特征和残膜作物危害。

图2 滨州市不同年度单位公顷地膜使用量（1999—2020年）

1.4 滨州市地膜残留污染现状

滨州市监测样点的单位公顷面积地膜残留量如图3所示。有研究表明，受机械翻耕深度的影响，农田残膜主要分布在0～20 cm的表层土壤中，20～30 cm土层中的残膜仅占5%左右[15]。与先前研究相同，本研究中地膜均主要残留于表层土壤，20～30 cm土层中均未检出地膜残留。由图3可知，滨州市连续6年（2013—2018年）无棣县佘家镇北石村和柳堡镇付王家村土壤耕层(0～20 cm)的地膜残留量分别为19.98～64.33 kg/hm2和18.84～49.74kg/hm2，年平均残留量为44.10、38.67kg/hm2，其中除2013年外其余年份取样点的地膜残留量均高于30 kg/hm2，表明随着地膜的广泛使用，地膜残留量已具有较高的含量水平，由于地膜不易分解的特性，后期将可能产生一系列不利影响。柳堡镇付王家村于2015年具有最高的地膜残留量，为49.74 kg/hm2，其次为2018年的48.78 kg/hm2，佘家镇北石村于2018年具有最高的地膜残留量，为64.33 kg/hm2。2011年实施的《农田地膜残留量限值及测定》标准中，已明确规定待播农田耕层内（0～25 cm或30 cm）地膜残留量限值应不大于75 kg/hm2。本监测样点中的地膜残留量均小于该限值，均无超标现象，但地膜残留量于2018年具有最高值，虽暂且低于限定值，仍需得到关注。在长期的覆膜种植模式下，未清除地膜在土壤中残留累积，破坏土壤结构，影响作物生长[16]。除此之外，土壤中残留的地膜片数是另一个影响农田土壤质量的重要因素。大小不同的残膜碎片在不同层次土壤中的分布不同，土壤浅层的残膜以小面积的碎片为多，且年度越久，地膜的破碎度越高，即面积较大的残片数量越来越少，其机械回收或人工捡拾的难度也逐年增大。

图3 滨州市不同年度0～20 cm地膜残留量分布情况（2013—2018年）

2 地膜残留的影响及危害

地膜的主要成分为聚乙烯，是一种人工合成的高分子化合物，其分子结构非常稳定，很难降解，一般情况下，残膜可在土壤中存留200～400年[17]，即使残膜会在漫长的时间内缓慢降解，降解过程中也会溶出有毒物质。残膜严重破坏土壤结构，危害农作物生长造成，如不及时清理会对农业生产及农村环境产生较大的负面影响。

2.1 地膜残留破坏土壤理化性质

由于地膜不易降解，如得不到及时有效地清理，造成地膜长期残留在耕作土壤中，并不断积累形成阻隔层，阻隔水分和养分进入土壤，不利于土壤团粒结构的形成，对土壤容重、孔隙度和通透性产生不良影响。土壤含水量和透气性的下降，致使土壤胶体的吸附能力降低，从而加剧速效性养分的挥发和流失，造成土壤板结、地力下降[17,19]。由于残膜导致地下水难以下渗，还会使土壤pH升高，导致土壤产生盐碱化[20]。残膜也可阻碍土壤中空气的循环和交换作用，致使土壤中CO2含量过高，同时残膜的分解会挥发出许多有害物质，使土壤中的微生物和其他有益昆虫的生存受到严重威胁[4,21-22]。由于土壤中的微生物活性受到残留地膜抑制，还会使迟效性养分转化、分解和释放受到影响，造成肥料的浪费，不利于化肥减量。

2.2 地膜残留影响农作物生长

地膜残留破坏土壤理化性状，影响农作物的生长发育。残膜主要是通过影响种子萌发时水分的吸收和烧苗，进而造成作物出苗率低。研究表明，残膜致使棉花烂种、烂芽比率大幅度提高，出苗率低，田间亩株数减少[20,22]。随着地膜残留量的增加，玉米的发芽率也呈下降趋势，残膜分布的深度对玉米种子的发芽的影响也较大[23-24]。残留地膜的土壤种植小麦也表现出苗慢、出苗率低[25]。残膜对根系生长发育也具有一定的影响。研究表明，一定量的残膜会对小麦、玉米、棉花、茄子、白菜和花生等根系发育有明显影响[26-27]。小麦基本苗减少，冬前分蘖数减少，根系扎得浅，有些根系由于无法穿透残膜碎片而呈现弯曲横向发展[25]，玉米单株根条数、根鲜重、根干重和根冠比均呈下降趋势[24]，棉苗侧根减少，棉苗死亡率提高，现蕾期推迟和株高降低[23]。最终残膜的污染造成农作物的减产。由于残膜造成的根系发育不良及残膜的隔离作用，影响作物水分和养分的正常吸收，进而影响作物地上部分生长发育，致使产量下降。研究表明随着地膜残留量的增加，小麦、玉米、花生、棉花等产量呈降低趋势[24,28-33]。有些地膜残留飘落或缠绕到农作物植株上，一定程度上也会影响光合作用和生长发育。

2.3 地膜残留影响机械化操作

地膜残留80%主要滞留在田间土壤层0～20 cm范围内，是耕作机械的主要作业区。耕整机械、播种机、施肥机、中耕机等机具作业时，容易缠绕在机器的犁头、轮盘等部件，造成机械故障，还会堵塞输种管和输肥管，造成漏耕、漏播，漏肥现象，严重影响了机械化作业效率和质量。同时由于地膜残留导致的植株发育不良，成熟度不一，尤其是根系发育不良引起的植株倒伏，影响植保化控和收获机械的作业。由此可见，地膜残留对农业机械化的各个环节都有一定的影响，不利于机械化的实现。

2.4 地膜残留影响农村环境

由于地膜回收体系的局限性，造成回收残膜处理不彻底，处理方法欠妥，使很多残膜弃于田边地头，家前屋后，有的甚至随风乱飘、四处散落，还有些农民会将收集的残膜进行违法焚烧，严重影响了环境卫生和村容村貌，影响新农村建设和生态文明建设。

2.5 地膜残留影响人畜身体健康

一些停留在地表的残膜与牧草收储在一起后，牛羊误吃，阻隔食道消化，影响胃肠吸收，产生一系列并发症。畜禽因误食残留地膜造成死亡的案例也时有发生。同时，地膜残留经过漫长的分解过程或违法禁烧行为，会挥发出许多有毒有害物质，直接或间接影响人畜身体健康。

3 地膜残留防治措施

3.1 大力推广标准加厚地膜

地膜厚度直接关系到回收率，地膜厚度增加，拉伸能力增强，残膜完整度提高，回收率也随之上升。在日本，聚乙烯地膜厚度一般在0.020～0.030 mm，使用后无破裂，可以保持很高的完整度，人工就很容易将其收集至地头田边。2018年5月1日新修订的《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》新标准正式实施，新标准将地膜最低厚度由原来的0.008 mm提高为0.010 mm。但地膜厚度增加，相应的会带来成本上升，影响农民使用积极性。作为政府部门为积极贯彻落实新的地膜使用国家标准，要从生产领域和流通流域，遏制非标准地膜的生产、流通，推广标准地膜使用的配套技术，利用“差价补贴”手段，鼓励农户、种植大户和专业合作社使用0.01 mm厚度以上新型地膜，促进农户使用标准地膜的浓厚氛围，为标准化地膜标准的实施奠定基础。

3.2 建立健全地膜监管及回收机制

地膜回收是解决残膜污染的有效措施。在日本，地膜回收处理在农业生产上是一种常态，回收率高，从上世纪50年代开始几十年来用量一直稳定在4万多t，覆盖面积达13万～14万hm2，没有出现明显的地膜残留污染问题。2015年滨州市滨城区在滨北办事处、三河湖镇、梁才办事处、杨柳雪镇和梁才办事处等5个乡镇办，6个行政村建设6个地膜回收点，废旧地膜统一回收集中到加工点，年回收地膜为28 t，回收面积906.6 hm2，周边地膜回收率达到85%。根据滨城区农耕实际情况，选择棉花覆膜开始时间在4月底，在秦皇台乡东石村、西石村、高家村、袁家村和朱家村等，推广应用全生物降解生态地膜533.3 hm2，按照37.5 kg/hm2计算，533.3 hm2总用量20 t。通过地膜回收，对该区域及周边地区的地膜污染防治产生显著效果，显著提升耕地质量，农产品产量质量得到有效提高，经济效益、社会效益和生态效益得到同步提高。残膜的回收利用需要相应的产业链参与，设置相应的回收机构，建立回收站点，收回的残膜要生产利用，用于制造再生农膜或其他塑料制品，并建立健全地膜回收机制，同时建议建立完善的监管和处罚机制，明确地膜回收处理各方责任和义务，确定谁使用谁负责的源头主体责任。

3.3 发展全生物降解地膜替代技术

全生物降解地膜和传统地膜相比，虽然在价格上高出普通地膜，但是系统成本较低，经农艺措施配合，不但同样起到保温、保墒、增产效果，还可在特定地区、特定气候条件下根据特定作物的生长需要设计控制降解速度，从而使日趋严重的“白色污染”得到有效遏制，实现农业可持续发展。但是不同地区、不同作物种类对地膜安全覆盖期的要求有较大差异，为确定降解地膜在滨州市棉花作物上的安全覆盖期、使用性能及降解效果（图4），2016年依托惠民县开展了可降解地膜在棉花上的应用效果试验，选择在土壤肥力中等偏上、地势平坦、地力均匀、排灌方便、沟系配套、前茬一致、无遮蔽、无人畜危害、病虫草害相对较轻的地块，采用山东清田塑工有限公司生产的普通地膜和全生物降解地膜进行初步试验，为降解地膜的推广使用奠定了基础。