贵州省典型覆膜耕地残膜赋存特征及影响因素

李亮亮，代良羽，高维常，张淑怡, ，刘涛泽*

1. 贵州民族大学生态环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 贵州省农业生态与资源保护站，贵州 贵阳 550001；3. 贵州省烟草科学研究院烟草行业山地烤烟品质与生态重点实验室，贵州 贵阳 550081

地膜覆盖技术兴起于20世纪70年代，最先在欧美、日本等国家使用，80年代后大多数发展中国家引入此技术用于作物生产，该技术具有增温保墒、防病抗虫和抑制杂草的作用，能使粮食作物增产20%—35%，已成为当前国内广泛使用的农业生产技术，对中国农业生产有重要意义（严昌荣等，2014；严昌荣等，20152-12）。截至2020年，全国地膜使用总量达到1.35×106t，占农用塑料薄膜总使用量的56.8%；地膜覆盖种植面积达到1.74×107hm2，约占耕地总面积的 12.0%（国家统计局，2021）。地膜是由人工合成的高分子化合物，其分子结构稳定，在自然条件下很难被光解和热解，其长期存在于土壤中，破坏了土壤结构，降低了土壤养分含量；随着土壤中地膜的老化，其含有的大量增塑剂会缓慢释放到土壤中，成为重要的有机污染物之一（He et al.，2015；张丹等，2017；Wang et al.，2021）。此外，地膜在土壤中存留时间过长还会进一步破碎为微塑料，其与土壤中重金属和多氯联苯、多环芳烃等有机物结合形成复合污染物，给农田生态环境造成污染（Wang et al.，2020；李珍等，2022；刘锐涵等，2022）。因此，地膜残留污染给农田土壤环境和农作物生长带来严重危害，制约了中国农业高质量发展（邹小阳等，2017；杜利等，2018）。

目前已有学者对农田地膜残留影响因素做了大量研究，结果表明，土壤中残膜的分布和存在形态受覆膜年限、覆膜方式、作物种类、土壤类型等因素影响（严昌荣等，201585-93；张丹等，2016；杜泽玉等，2020；向午燕等，2021）。已有研究表明，覆膜年限是地膜残留的主要影响因子，贺怀杰等（2019）对典型绿洲区长期膜下滴灌棉田残膜分布的研究，以及马彦等（2015）对甘肃省农田地膜污染的研究表明，随着覆膜年限增加，土壤中残膜的含量呈逐年上升趋势。另外，覆膜作物种类也是影响残膜量的因素之一，杜泽玉等（2020）对张掖绿洲不同类型作物农田地膜残留量的研究表明，玉米种植区地膜残留量最大，其次为蔬菜和马铃薯，中药材残留量最小。胡会军等（2013）对吉林省主要覆膜作物地膜残留的研究表明，瓜菜种植区地膜残留量最大，其次为玉米种植区，花生种植区地膜残留量最小。此外，土壤类型也是地膜残留的影响因素之一，王学霞等（2021）对山东省花生种植区土壤残膜的研究表明，在覆膜量和覆膜年限相同条件下砂土残膜量少于壤土和黏土；曾招兵等（2014）对广东省典型地区地膜残留的研究表明，粘质土壤中地膜与土壤的亲和力较强，从而导致粘质土壤中地膜容易因为撕碎而残留，而砂质土壤中地膜很容易被大块捡拾。

2018—2020年贵州省地膜覆盖面积呈逐年上升趋势；截止2020年，覆膜面积增加到了3.71×105hm2，约占贵州省耕地面积8.2%；地膜使用量趋于稳定，2019年和2020年地膜使用量均约为2.3×104t，占农用塑料薄膜总使用量50%以上（国家统计局，2021；贵州统计局，2021）。贵州省地膜覆盖方式主要有平畦覆盖、高垄覆盖和高畦覆盖，铺设时间集中在1—4月，回收时间集中在5—12月，主要采用人工覆膜和揭膜。贵州地处长江和珠江上游，是中国重要的生态屏障之一，地膜残留增加将可能导致流域内塑料污染的加剧，目前尚缺乏关于贵州省地膜残留量分布和赋存特征方面的相关研究工作。本文通过问卷调查与取样检测相结合的方法，对贵州省主要覆膜作物（烤烟、蔬菜和辣椒）的地膜使用情况、残留情况和环境因素等进行调查和采样分析，研究地膜残留量的分布赋存特征及影响因素，以期为区域内地膜污染防治提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究地基本情况

贵州省位于中国西南地区东部，东毗湖南、南邻广西、西连云南、北接四川和重庆；属亚热带湿润季风气候区，境内气候温暖湿润，年平均气温15 ℃左右，年降雨量在1000—1400 mm之间；年无霜期在250—300 d之间。冬无严寒，夏无酷暑，最冷的1月平均气温4—6 ℃，最热的7月平均气温 15—23 ℃，阴天多，日照少。主要经济覆膜作物为烤烟、蔬菜和辣椒。本研究以贵州省9个市（州）典型覆膜耕地为研究对象，考虑覆膜年限、种植区域、覆膜作物和土壤类型等综合因素，采用PPS抽样原则，即与覆膜规模成比例的概率抽样原则进行设置采样点，在每个监测区域选择 2—4个样地作为调查对象，共选择29个调查样地（图1和表1）。

表1 地膜使用及回收情况（2021年）Table 1 Input and recovery of plastic film (2021)

图1 地膜采样点分布Figure 1 Location of the sampling sites

1.2 残留地膜样品采集

在作物翻耕播种前进行采样，采样时揭除当季地表覆盖地膜，每个样地随机选择5个样方，采样面积为1 m2（100 cm×100 cm），采样深度为0—30 cm，将土壤样品放在帆布上，用10目的筛子筛去土壤，将肉眼可见的残膜捡出，放入布袋，残膜收集完后，恢复土壤原貌。

1.3 残膜样品的处理

将采集完后的地膜带回实验室，先用清水浸泡20 min，去除附着在地膜上的大量泥土和树枝残叶等杂物，再用超声波清洗仪（JT1027HT）进行清洗30 min，清洗完后用滤纸将地膜上的水分吸干，小心展开卷曲的地膜，放在干燥处自然晾干，然后用电子天平称量质量，统计地膜残留量；用毫米尺子测量地膜最长边长度，按照＜5、5—10、10—15 和＞15 mm标准进行分级，分类统计残膜个数。

1.4 问卷调查

在取样时，对选取的样地进行问卷调查。主要包括覆膜年限、覆膜量、地膜厚度和宽度、土壤类型、作物种类、回收方式等。由表1可知，调查区覆膜作物包括烤烟、蔬菜、辣椒，覆膜年限在 1—20 a，地膜年均使用量为73—78 kg·hm-2，地膜使用厚度为0.01 mm，土壤类型有壤土、砂土和黏土，其中壤土占比最大，为68.97%。

1.5 数据处理与分析

1.5.1 地膜残留量计算

将每个样地所有样方的地膜残留量相加求平均值，即为该样地的地膜残留量（残膜数量计算方法相同）：

式中：

A——该样地地膜残留量，kg·hm-2；

N1、N2、N3、N4、N5——1#、2#、3#、4#、5#样方残膜的质量，g；

5——样方总数。

1.5.2 地膜残留污染评价方法

参照2011年实施的《农田地膜残留量限值及测定》（GB/T 25413—2010）标准，待播农田耕作层内地膜残留量限值应不大于 75.0 kg·hm-2。并根据2017年发布的《农田地膜残留调查与评价技术规程》（DB23/T 2033—2017）地方标准，按GB/T 25413标准中农田地膜残留量限值为阈值，确定地膜残留污染程度，划分为5个级别：地膜残留量0—25 kg·hm-2属于低污染；25—50 kg·hm-2属于中污染；50—75 kg·hm-2属于高污染；＞75 kg·hm-2属于重污染。

1.5.3 残膜破碎度（F）计算

式中：

F——破碎度值，mg·piece-1；

m——样方内残膜总质量，g；

n——样方内残膜总数量，piece。

1.5.4 数据分析方法

基于 SPSS 26.0，运用单因素方差分析（One-way ANOVA）对各指标进行差异性分析。文中数据为平均数±标准误，用GraphPad Prism进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤中残膜空间分布特征

土壤中的残膜主要分布在耕作层，根据调查，样地土壤耕作层均在0—30 cm范围，大于30 cm几乎没有地膜残留，所以在0—30 cm的耕作层对残膜进行采样。本研究共调查29个样地，从表2可知，土壤中残膜含量分布在8.18—235.39 kg·hm-2，平均值为 70.84 kg·hm-2，地膜残留量变异系数为84.53%，各样地残膜含量存在较大差异。根据地膜残留污染评价方法对样地污染程度进行划分，由图2可知，残膜含量为＜25 kg·hm-2的低污染样地有7个，占比为24.14%；25—50 kg·hm-2的中污染样地有6个，占比为20.69%；50—75 kg·hm-2的高污染样地有7个，占比为24.14%；而＞75 kg·hm-2的重污染样地有9个，占比达到31.03%。

图2 不同残膜含量的样地个数Figure 2 Number of plots with different residual film amount

表2 土壤中地膜残留分布情况Table 2 Distribution of plastic film residue in soil

由表 2可知，29个样地残膜数量分布在10.00×104— 582.00×104piece·hm-2， 平 均 值 为164.52×104piece·hm-2， 残 膜 数 量 变 异 系 数 为101.93%，表明各样地残膜数量差异非常大。由图3可知，残膜数量＜100×104piece·hm-2的样地有14个，占比为 48.28%；100—200×104piece·hm-2的样地有7 个，占比为 24.14%；＞200×104piece·hm-2的样地有8个，占比为27.58%。

图3 不同残膜数量的样地个数Figure 3 Number of plots with different residual film quantity

由表 2可知，29个样地残膜破碎度值分布在16.22 — 165.24 mg·piece-1， 平 均 值 为 66.84 mg·piece-1，变异系数为 59.90%，表明各样地残膜破碎度差异较大。由图 4可知，残膜破碎度＜50 mg·piece-1的样地有 14个，占比为 48.28%；50—100 mg·piece-1的样地有 8个，占比为 27.59%；＞100 mg·piece-1的样地有7个，占比为24.13%。

图4 不同残膜破碎度的样地个数Figure 4 Number of plots with different residual film fragmentation index

2.2 土壤中残膜赋存特征分析

2.2.1 覆膜年限对残膜赋存特征的影响

地膜污染的主要特点是长期使用造成的累积污染，由于使用后回收不完全，导致覆膜时间越久，污染越严重（郭战玲等，2106）。29个样地覆膜年限范围为 1—20 a，根据调查数据，将覆膜年限划分为：1—5、6—10、11—15 和 16—20 a。覆膜年限对土壤残膜含量的影响如图5所示，随着覆膜年限增加，残膜含量呈现增加趋势。覆膜1—5 a，平均残膜量为40.20 kg·hm-2，处于中污染水平；与覆膜1—5 a相比，6—10 a和11—15 a平均残膜量显著增加了约87.69%和146.59%（P＜0.05），平均残膜量分别为 75.45 kg·hm-2和 99.13 kg·hm-2，处于重污染水平；16—20 a残膜量增加了69.60%，平均残膜量为68.18 kg·hm-2，处于高污染水平。表明覆膜年限越长，地膜残留量越大，地膜污染越严重。

图5 不同覆膜年限地膜残留量Figure 5 The residual film amount of different mulching years

覆膜年限对样地残膜数量的影响如图6所示。覆膜 1—5 a，平均残膜数量约为 79.25×104piece·hm-2；与覆膜 1—5 a相比，6—10 a和 11—15 a平均残膜数量增加了69.30%和235.10%，残膜数量分别为 134.17×104piece·hm-2和 265.57×104piece·hm-2；当覆膜16—20 a，残膜数量有所减少，与11—15 a相比，残膜数量下降了4.66%。方差分析表明覆膜11—15 a和16—20 a残膜数量显著高于1—5 a和6—10 a（P＜0.05）。表明残膜数量随覆膜年限的增加呈增加趋势。

图6 不同覆膜年限地膜残留数量Figure 6 The residual film quantity of different mulching years

覆膜年限对不同长度地膜残片数量和比例的影响如表3所示。土壤中长度＜5 cm和5—10 cm的残膜数量和比例均高于10—15 cm和＞15 cm，当覆膜时间超过5 a时，这种差异更加显著（P＜0.05）。随着覆膜年限增加，长度＜5 cm和5—10 cm残膜数量和比例呈逐年增长趋势，长度10—15 cm和＞15 cm的残片数量呈现为先增加后减少趋势，而其所占比例为逐渐减少趋势。

表3 不同覆膜年限残膜大小分布特征Table 3 The distribution characteristics of residual film size in different mulching years

残膜的破碎度值（F）是表示残膜破碎程度大小的指标，残膜破碎度值越小，即单位数量残膜的质量越小，表明残膜破碎程度越大（严昌荣等，2015）89-90。覆膜年限对残膜破碎度的影响如图 7所示，随着覆膜年限增加，平均残膜破碎度值呈逐渐减小趋势。覆膜1—5 a，平均残膜破碎度值88.56 mg·piece-1；与覆膜 1—5 a相比，6—10 a残膜破碎度值减少了14.53%，11—15 a和16—20 a显著减少了 49.12%和 60.55%（P＜0.05）。说明覆膜年限越久，残膜破碎度值越小，残膜破碎程度越大。

图7 不同覆膜年限残膜破碎度Figure 7 The residual film fragmentation index of different mulching years

2.2.2 作物种类对残膜赋存特征的影响

调查中发现，不同作物因用膜量和地膜回收难易程度不同，造成地膜残留量不同。调查的 29个样地中辣椒的覆膜年限为 1—10 a，蔬菜和烤烟的覆膜年限为1—20 a，因此，统计覆膜年限1—10 a内3种作物的残膜含量，其中种植烤烟的样地有10个，种植蔬菜的样地有4个，种植辣椒的样地有5个。3种作物平均残膜含量如图8所示，蔬菜平均残膜量为81.43 kg·hm-2，处于重污染；烤烟平均残膜量为 61.17 kg·hm-2，辣椒平均残膜含量为 52.22 kg·hm-2，烤烟和辣椒处于高污染。

图8 不同作物类型覆膜残留量Figure 8 The residual film amount of different crops

2.2.3 土壤类型对残膜赋存特征的影响

研究区域土壤类型以壤土分布最多（68.97%），其次为黏土（20.69%），砂土分布最少（10.34%）。如图9所示，不同土壤类型地膜残留量不同，3种土壤类型平均残膜含量关系为壤土 (87.27 kg·hm-2)＞黏土 (47.22 kg·hm-2)＞砂土 (40.62 kg·hm-2)，壤土残膜量约为黏土和砂土的1.85倍和2.15倍。方差分析壤土与黏土和砂土存在显著差异（P＜0.05），黏土和砂土差异不显著（P＞0.05）。

图9 不同土壤类型中残膜的含量Figure 9 The film residual amount of different soil type

3 讨论

3.1 不同地区土壤地膜残留量的对比

本研究对地膜残留调查表明，29个样地地膜残留空间分布差异较大，残膜含量分布在 8.18—235.39 kg·hm-2，平均值为 70.84 kg·hm-2。根据全国不同地区地膜平均残留量（表 4）的比较，本研究调查样地的平均值要高于南方平原、四川攀西、河南省、山东省和青岛市等地区地膜残留量，其主要原因是贵州省属于典型的喀斯特地貌特征，多为山地和丘陵，主要采用人工覆膜和揭膜，地膜回收效率较低，从而导致地膜残留量相对较高；但明显低于内蒙古和新疆等地区，这是因为内蒙古和新疆地区土壤干旱，气候寒冷，覆膜时间长，又是中国地膜使用量和覆膜面积最多的地方，因而地膜残留量比贵州高。

表4 不同地区地膜残留量Table 4 Film residue in different regions

3.2 残膜赋存特征及影响因素分析

农田地膜残留量受覆膜年限、覆膜方式、回收方式、土壤类型、地膜厚度等因素影响。其中覆膜年限是影响地膜残留量的关键因素。对山东（王学霞等，2021）、内蒙古（王永宁等，2022）、新疆（董合干等，2013）、广东（曾招兵等，2014）、河南（郭战玲等，2016）、华北地区（马辉等，2008），以及中国棉花主产区（丁凡等，2021）等地区地膜残留赋存特征的研究均表明，地膜残留量随着覆膜年限增加而增加，本研究也得到相似结果。本研究表明，在覆膜1—15 a内地膜平均残留量和数量值呈逐年增长趋势。当覆膜年限达到16—20 a时，地膜平均残留量和数量有所减少，与覆膜11—15 a相比，地膜平均残留量和数量分别减少了 31.22%和4.66%。这可能是因为地膜长期残留在农田里，受氧化和耕作机械共同作用，地膜破碎程度加大，破碎为肉眼不可见形态，不能被捡拾；此外，残膜受到地表径流和风等外力导致的冲刷或吹失。

本研究表明，随着覆膜年限增加，长度＜5 cm和5—10 cm残膜数量和比例呈逐年增长趋势，长度10—15 cm和＞15 cm的残片数量呈现为先增加后减少趋势，而其所占比例为逐渐减少趋势，说明随着覆膜年限增加，土壤中残膜破碎化程度增大。这与马辉等（2008）在华北棉田种植区的研究，以及尹少媛等（2022）在内蒙古农田耕层土壤地膜残留现状研究一致。残膜破碎度值随覆膜年限增加而减小，覆膜16—20 a破碎度值显著小于1—5 a和6—10 a（P＜0.05），表明覆膜年限越久，残膜破碎程度越大，残膜的捡拾难度也随之加大。

国内相关研究表明，土壤质地和作物种类也是影响地膜残留量的重要原因（黄晶晶等，2012；包明哲等，2022）。徐钰等（2018）和王学霞等（2021）对山东省地膜残留的研究均表明，壤土残膜含量大于砂土，本研究得到相同结果，这主要是因为地膜在黏土和壤土里的亲和力较强，回收过程容易破碎，回收不完全，从而造成残留量较大，而砂土容易与地膜分离，利于残膜捡拾，残膜回收率高，地膜残留量较低。作物种类也是影响地膜残留量的关键因素，本研究调查的3种作物中，在覆膜1—10 a内，蔬菜平均残膜含量最高，为81.43 kg·hm-2；其次是烤烟，平均残膜量为61.17 kg·hm-2；辣椒的平均残膜含量最低，为残留量为52.22 kg·hm-2。这主要是受到不同作物种植过程中栽培方式，地膜使用时间和覆膜方式等因素的综合影响。

4 结论

（1）本研究 29个样地的调查研究表明，土壤中残膜含量分布在8.18—235.39 kg·hm-2，平均值为70.84 kg·hm-2。各样地残膜含量差异较大，29个样地中处于低污染的样地有7个，处于中污染的样地有6个，处于高污染的样地有7个，处于重污染的样地有9个。

（2）随着覆膜年限增加，长度＜5 cm和5—10 cm残膜数量和比例为增加趋势，长度10—15 cm和＞15 cm残膜数量先增加后减少，其所占比例为逐年降低趋势；另外，随着覆膜年限增加，残膜破碎度值逐渐减小，残膜破碎程度变大，残膜捡拾难度增加；最后，3种土壤类型平均残膜含量关系为壤土＞黏土＞砂土。在相同覆膜年限下，不同覆膜作物地膜残留量变化趋势为：蔬菜＞烤烟＞辣椒。