甘肃农田耕层土壤地膜残留分布特征及影响因素*

赵记军,唐继荣,李崇霄,何红琴,黄 浩

(甘肃省农业生态与资源保护技术推广总站 兰州 730000)

农田覆盖是一种历史悠久的作物栽培技术。地膜作为重要的生产资料,在农业生产中的广泛应用对农业产生了巨大影响,带动农业生产方式和区域种植结构发生了革命性变化[1]。地膜覆盖种植可以改善土壤水热效应、抑盐控草、防虫抗病和增加经济效益,使粮食作物增产20%～35%,经济作物增产20%～60%,极大地促进了农业产量和效益的提高,已成为干旱半干旱地区、低温缺水地区和气温降水变化幅度较大地区的重大栽培技术之一,在我国现代农业生产中具有重要意义[2]。自1979 年引入后,我国农用地膜使用量呈现显著持续增长趋势,统计数据显示,2021 年我国地膜使用量为1.32×106t,约占全世界地膜使用总量90%。由于以往环保意识滞后、地膜标准宽松、回收体系缺失等原因,大量地膜的使用导致农田土壤中地膜残留量不断增加,这给农业生态环境带来诸多负面影响,如破环土壤结构、阻碍水肥运移、影响作物发育、降低作物产量等[3]。地膜覆盖技术是一把双刃剑,传统常用覆盖地膜(PE地膜)是以聚乙烯为主要原料,通过添加抗氧化剂、紫外线吸收剂等人工合成的一种高分子聚合物,其分子结构极其稳定,在自然条件下短期内很难降解,在环境中的自净能力非常有限,如果长期“重使用、轻回收”,随着农膜使用量的持续增加和使用年数的不断增长,残留地膜将破坏土壤-作物生态系统平衡,在一定年份内增产的前提下,需要承担农业生态环境恶化与未来多年连续减产的双风险[4]。

甘肃属于干旱和半干旱气候区,水资源严重缺乏是农业生产的关键限制性因子。由于覆膜种植在破解干旱这一制约农业发展瓶颈的问题中具有突出效益,地膜覆盖技术已逐步由最初经济价值较高的蔬菜、花卉等经济作物推广到玉米(Zea mays)、马铃薯(Solanum tuberosum)、小麦(Triticum aestivum)等大田作物种植上,并成为甘肃农业生产中应用最广、增效最明显的农艺措施[5],甘肃也成为我国地膜用量、覆盖面积较大和覆盖时间较长的省份之一。与此同时,伴随产生的废旧地膜对农村生活环境带来的“视觉污染”,对农业生产环境构成的“潜在威胁”也成为影响农田生态环境和农业绿色可持续发展的突出问题[6]。

全省农业环保行业业务数据显示,2011 年以来,甘肃农田地膜覆盖面积和使用量总体呈上升趋势,并大致可分为两个阶段: 2016 年前,地膜覆盖面积从9.33×105hm2增加到1.91×106hm2,地膜使 用量从8.0×104t 增加到1.8×105t,两者均约增加了1 倍。这一阶段,甘肃推广以全膜双垄沟播技术为核心的旱作农业技术,地膜覆盖成为农业生产领域最普遍、最有效的抗旱节水措施,地膜覆盖面积和使用量大幅增加,可视为快速增加期。2017 年后,地膜覆盖面积有增有减,基本保持在1.87×106hm2左右,使用量趋于平稳后略有降低,基本处于1.6×105t 左右。这一阶段,可覆膜耕地面积基本达到饱和,同时在农业生产中大力推广应用加厚地膜,倡导地膜减量替代措施,地膜覆盖面积和使用量趋于缓慢,可视为平缓稳定期。2011 年以来,甘肃通过实施省级财政农业环保专项、中央财政农业清洁生产项目、农膜回收行动、地膜科学使用等政策措施,颁布《甘肃省废旧农膜回收利用条例》地方性法规,制定《废旧地膜回收技术规范》(DB62/T 2622—2015)、《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》(DB62/T 2443—2019)等地方标准,建立完善废旧地膜回收利用体系,地膜回收利用率稳步提高,农田地膜残留现象明显改善[7-8]。与地膜使用量相对应,2011 年后,地膜回收量呈快速增加、平稳后先降低后略增加的特点,由2011 年的4.57×104t 提高到2022 年的1.45×105t。地膜回收利用率自2011 年以来呈现持续上升趋势,2011 年仅为57.1%,2017 年提高至80.0%,此后连续6 年稳定在80%以上,2022 年达到84.72%,其原因是2011 年以来甘肃综合运用法制、行政、市场和技术手段,大力防控治理废旧地膜残留,废旧地膜回收与资源化利用水平得到快速发展。

地膜残留量是衡量农田残膜污染的最主要指标,是长期覆膜种植土壤中的残膜量化值[9]。据监测调查[10],2013 年甘肃地膜年残留总量4.46×104t,田间地膜综合残留系数为4.64 kg·hm-2·a-1。目前,虽然有一些文献对甘肃地膜残留状况开展了调查研究,但主要集中在某一特定区域,样本数量相对较少,且未深入开展地膜残留影响因素研究和地膜残留等级划分评价,尤其是全省范围内的地膜残留状况调查尚少见报道[11-13]。为此,本研究通过在甘肃全省主要覆膜地区布设样地,调查地膜残留状况,分析地膜残留分布,揭示主要影响因素,为进一步做好地膜残留污染防控治理提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区农业条件概况

甘肃位于32°31′～42°57′N 和92°13′～108°46′E,地处黄土高原、内蒙古高原和青藏高原交汇处,西秦岭山地边缘,地貌以高原和山地、戈壁等为主,地势自西南向东北倾斜,海拔1000～3000 m。年日照2487.5 h,年平均气温6～19 ℃,寒区旱区占总面积的95%以上;年均降水量仅300 mm,且时空分布严重不均,70%的降水集中在7—9 月。高寒和干旱是长期制约甘肃农业生产和农村经济发展的最大瓶颈[14-15]。

1.2 残膜样品采集处理

残膜样品采集涉及14 个市(州)的81 个县(市、区)及兰州新区,共布设960 个样地(图1),基本涵盖了全省所有覆膜县(市、区)的农田地块。样品采集于2021 年9 月覆膜作物收获后、整地前进行,采样时揭除当季地表覆盖地膜。通过GPS 定位仪确定样地地理位置,记载采样地块归属镇村地点。根据地块面积大小和形状,选用“对角线” “梅花点”或“蛇形线”采样法,每个样地选取5 个样方,样方为1 m×1 m,采样深度30 cm。用铁锹将表层土壤取放在帆布上,根据农业农村部生态总站《全国农田地膜残留监测方案》建议,用网孔规格为10 目的筛子人工过筛,拣出肉眼可见的残留地膜,放入已编号的塑料自封袋,回填土壤恢复农田原貌。将收集到的残膜样品带回实验室,放入水中浸泡1 h 后去除附着在残膜上的泥土和杂物,再用微波清洗仪清洗30 min,取出后用滤纸吸去残膜上的水分,在阴凉干燥处自然晾干后用万分之一天平称量至恒重,记录残膜质量。

图1 甘肃省农田地膜残留调查样地分布Fig.1 Distribution of survey sampling sites for residual plastic film in farmland of Gansu Province

1.3 样地基本信息调查

在残膜样品采集的同时,对样地基本信息进行调查,主要包括覆膜年限、覆膜作物、农户类型、距村庄距离等信息。由调查数据可知,960 个样地覆膜年限在1～44 a,覆膜作物以玉米、马铃薯、蔬菜为主,覆膜比例在40%～100%,地膜使用厚度≥0.01 mm,回收利用率基本都在80%以上。农户类型包括一般农户、种植大户、合作社,以一般农户最多,合作社次之,种植大户最少。样地距村庄距离基本在1～3 km,其中≤1 km、1～2 km、≥2 km 点位占比分别为62.9%、25.7%、11.3%,土壤类型有黏土、砂土和壤土,点位占比以壤土分布最多(72.8%),黏土次之(17.2%),砂土分布最少(10%)。

1.4 地膜残留量计算和污染评价

将每个样地所有样方的地膜残留量相加求平均值为该调查样地的地膜残留量。运用Kruskal-Wallis方差统计分析数据,其检验统计量(H)为:

式中:Ri为样本i的秩和,k为总体个数,N为所有样本个体总数,ni为样本i的个体数。

采用地理探测器计算地膜残留影响因素的影响力统计值(q值,表示解释100×q%的因变量,值域为[0,1]),分析地膜残留量空间变异的主导因素及其交互作用[16]。其表达式为:

式 中:h=1,···,L是变量Y或因子 的分层;Nh和N分别是层h和全区的单元数;和 σ2分别是分层h和全区Y值的方差;SSW 和SST 分别是层内方差之和和全区总方差。

依据《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≤75.0 kg·hm-2)评估研究区地膜残留水平。参照《农田地膜残留监测与评价技术规范》(DB37/T 4176—2020)对研究区地膜残留进行等级划分,依次为: 清洁阈值为＜75 kg·hm-2,轻度污染阈值为75～120 kg·hm-2,中度污染阈值为120～270 kg·hm-2,重度污染阈值为＞270 kg·hm-2。

1.5 数据处理

采 用Excel 2010、SPSS27.0、GeoDetector软件对数据进行统计分析,ArcGIS 10.2.2、GraphPad 9.5软件进行图形绘制。文中数据为中位数、上下四分位数表达形式。

2 结果与分析

2.1 地膜残留空间分布情况

参照《农田地膜残留监测与评价技术规范》(DB37/T 4176—2020),研究区地膜残留量等级划分情况如图2 所示,其中: 地膜残留量＜75 kg·hm-2的清洁阈值样地有937 个,占比达97.6%,各县(市、区)均有分布;地膜残留量为75～120 kg·hm-2的轻度污染阈值样地有17 个,占比为1.8%,其中玉门市1 个、金塔县5 个、肃州区4 个、高台县2 个、临泽县2 个、永靖县1 个、泾川县1 个、华池县1个;地膜残留量为120～270 kg·hm-2的中度污染阈值样地6 个,占比仅0.6%,其中嘉峪关市1 个、肃州区3 个、金塔县1 个、永登县1个;地膜残留量大于270 kg·hm-2的重度污染阈值样地为零。达到轻度、中度污染阈值的23 个样地中有19 个位于酒泉、嘉峪关、张掖3 市。

图2 甘肃省农田地膜残留污染等级空间分布Fig.2 Spatial distribution of residual pollution levels of plastic film in farmland of Gansu Province

受种植模式、耕作方式等因素的影响,农田耕层土壤地膜残留量空间差异有所不同。调查结果表明,从样地看,960 个样地地膜残留量分布在0.02 (康县碾坝镇安家坝村一社)～204.75 (肃州区三墩镇中渠村4 组) kg·hm-2之间。各样地都有不同程度的地膜残留,且样地之间差异很大,调查样地中地膜残留量中位数 为12.96 kg·hm-2。从县域 看,81个县(市、区)地膜残留量较大的5 个县(区)分别是金塔县[68.54 (21.26～81.04) kg·hm-2]、文县[67.88 (65.60～69.25)kg·hm-2]、东乡县[61.56 (14.47～68.97) kg·hm-2]、肃州区[55.52 (25.00～101.89) kg·hm-2]和瓜州县[50.60(48.30～54.59) kg·hm-2],较小的5 个县(区)分别是徽县[2.64 (1.79～10.97) kg·hm-2]、凉州区[2.88 (2.31～3.50) kg·hm-2]、皋兰县[2.07 (1.75～2.77) kg·hm-2]、白银 区[1.18 (0.92～1.32) kg·hm-2]和康县[0.02 (0.02～0.02) kg·hm-2]。从市域看,14 个市(州)及兰州新区地膜残留量较大的3 个市(州)分别是嘉峪关市[61.32 (22.38～95.60) kg·hm-2]、酒泉市[48.24 (23.06～57.24) kg·hm-2]和临夏州[31.84 (15.26～44.44) kg·hm-2],较小的3 个市分 别是武威市[9.92 (3.30～11.44)kg·hm-2]、陇南市[8.25 (4.61～14.20) kg·hm-2]和兰州市[5.62 (2.78～22.51) kg·hm-2]。由于数据量较大,其他样点、县(市、区)、市(州)地膜残留量不再一一罗列。根据农业种植自然、地理和气候等条件,将甘肃大致划分为高寒阴湿区(甘南藏族自治州、临夏回族自治州)、灌溉农业区(酒泉市、嘉峪关市、张掖市、金昌市、武威市)、雨养农业区(平凉市、庆阳市)、旱作农业区(兰州市、兰州新区、白银市、定西市)和山地农业区(天水市、陇南市) 5 个农业区域。从图3 可知,地膜残留量分别为高寒阴湿区23.93 (13.17～40.89) kg·hm-2、灌溉农业区20.88 (10.67～47.38) kg·hm-2、雨养农业区15.98 (6.83～28.22) kg·hm-2、旱作农业区9.48 (4.82～15.90) kg·hm-2、山地农业区8.56 (5.18～14.37) kg·hm-2。高寒阴湿区地膜残留量中位数较高,灌溉农业区次之但上四分位数最高,雨养农业区地膜残留量居中,旱作农业区、山地农业区地膜残留量比较接近且无论是中位数还是上下四分位数都最低。不同农业区域之间地膜残留量大致表现出自西向东递减的趋势。以上结果表明,从县域、市域、区域3 个层面来看,甘肃农田耕层土壤地膜残留量全部低于国家标准《农田地膜残留量限值及测定》(GB/T 25413—2010)规定的农田耕作层内地膜残留量限值(75 kg·hm-2),均在清洁阈值范围之内。

图3 甘肃省不同农业区域的农田地膜残留量Fig.3 Amount of plastic film residues in farmland of different agricultural regions in Gansu Province

2.2 地膜残留主要影响因素

2.2.1 覆膜年限

地膜残留的主要特点是因田间地膜大量投入且长期使用后回收不完全或不及时造成的累积结果。根据调查情况,960 个样地覆膜年份最早始于1979 年,覆膜累积年限多为10～20 a。将覆膜年限划分为≤5 a、6～10 a、11～20 a、＞20 a 4 个区间,对应的样地数分别为135、190、365、270,地膜残留量分别为11.75 (6.38～26.74) kg·hm-2、11.79 (5.13～22.16)kg·hm-2、14.52 (7.61～28.47) kg·hm-2、13.60 (7.37～30.63)kg·hm-2,表现出随着覆膜年限延长地膜残留量增加的趋势(图4)。尽管当覆膜年限达到20 a 以上时,地膜残留量有轻微降低,但地膜残留量上四分位数依然最高。Kruskal-Wallis 分析结果表明,覆膜年限6～10 a 与11～20 a、＞20 a 之间地膜残留量差异显著,其中11～20 a 极显著高于6～10 a (P＜0.01),＞20 a 显著高于6～10 a (P＜0.05),其余覆膜年限之间地膜残留量差异不显著。

图4 甘肃省农田不同覆膜年限对地膜残留量的影响Fig.4 Effect of different mulching years on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.2.2 种植作物类型

不同作物因栽培方式、覆膜比例不同,残膜回收难易度不同,地膜残留量也不同。调查结果显示,960 个样地种植作物类型包括玉米、马铃薯、小麦、胡萝卜(Daucus carotavar.sativa)、甘蓝(Brassica oleraceavar.capitata)、当归(Angelica sinensis)、黄芪(Astragalus membranaceus)、胡麻(Sesamum indicum)、百合(Lilium browniivar.viridulum)、制种类等作物。不同作物的覆膜比例差别也较大,介于40%～100%。依据覆膜的种植作物类型差异,大致将其归类为玉米、马铃薯、小麦、露地蔬菜、设施蔬菜、经济作物、中药材、制种作物等8 个类别,对应的样地数分别为519、101、37、138、10、88、55、12,地膜残留量分别为13.61 (7.18～29.92) kg·hm-2、12.62 (7.46～23.26) kg·hm-2、14.65 (5.99～18.68) kg·hm-2、12.55(6.41～25.16) kg·hm-2、3.26 (1.39～4.56) kg·hm-2、13.75(7.15～35.88) kg·hm-2、11.27 (7.00～19.40) kg·hm-2、23.22 (12.42～53.73) kg·hm-2(图5)。其中制种作物残留量中位数和上四分位数均最大,设施蔬菜残留量中位数和下四分位数最小,前者残留量中位数达到后者的7 倍,其余类别相互之间残留量相差不大。Kruskal-Wallis 分析结果表明,除小麦与设施蔬菜地膜残留量无显著差异外,制种作物、经济作物、玉米、马铃薯、露地蔬菜、中药材与设施蔬菜地膜残留量之间差异显著,均高于设施蔬菜(P＜0.05)。

图5 甘肃省农田不同作物类型对地膜残留量的影响Fig.5 Effect of different types of planting crops on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.2.3 种植户类型

不同种植户类型因对耕地管理精细度不同,地膜残留量有所不同。根据调查情况,960 个样地种植户类型可分为一般农户、种植大户、合作社3 类,样地占比分别为86.9%、5.6%、7.5%,其地膜残留量分别为12.78 (6.67～26.51) kg·hm-2、11.40 (9.50～18.78)kg·hm-2、18.62 (9.07～32.92) kg·hm-2。合作社样地残留量最大,是一般农户的1.5 倍,是种植大户的1.6 倍,其残留量上四分位数也最高(图6)。Kruskal-Wallis 分析结果表明,一般农户与种植大户、种植大户与合作社之间地膜残留量无差异,合作社地膜残留量显著高于一般农户(P＜0.05)。

图6 甘肃省农田不同种植户类型对地膜残留量的影响Fig.6 Effect of different planter types on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.2.4 回收方式

前茬作物收获后、后茬作物播种前种植户地膜回收方式也是影响地膜残留量的一个重要因素。调查结果表明,农田残膜主要通过人工捡拾、人工捡拾+机械回收、机械回收3 种方式进行离田回收,样地个数分别为681、232、38,占比分别为71.6%、24.4%、4.0%,残膜主要还是以人工捡拾回收方式为主。3 种回收方式地膜残留量分别为11.87 (6.40～24.24) kg·hm-2、16.12 (10.17～36.51) kg·hm-2、18.11(11.19～38.30) kg·hm-2,机械回收方式下地膜残留量最高,人工捡拾回收地膜残留量最低(图7)。Kruskal-Wallis 分析结果表明,机械回收与人工捡拾、人工+机械回收之间地膜残留量无差异,人工+机械回收地膜残留量显著高于人工回收(P＜0.0001)。

图7 甘肃省农田不同回收方式对地膜残留量的影响Fig.7 Effect of different recovery ways on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.3 地膜残留量空间差异驱动因子分析

根据地理探测器因子探测分析结果可知(表1),不同影响因子的决定力(q值)存在差异。q值从大到小依次为种植作物类型＞回收方式＞覆膜年限＞种植户类型。种植作物类型是影响地膜残留量空间分布的第1 因素,贡献率为2.21%;回收方式是第2 因素,贡献率为2.15%;其次是覆膜年限和种植户类型,贡献率分别为1.60%和0.69%。分析结果表明,就上述影响地膜残留量的因素而言,种植作物类型是造成研究区地膜残留量空间变化的主导因素。交互因子分析结果表明,覆膜年限与种植户类型、回收方式、种植作物类型,种植户类型与回收方式、种植作物类型,回收方式与种植作物类型两因子叠加q值均大于两因子q值之和,表现出非线性增强交互作用,且以种植作物类型、回收方式交互作用最大。

表1 地膜残留量空间差异影响因子及交互作用探测结果Table 1 Factor and interaction detection results of spatial difference of plastic film residues amount

2.4 残膜处理去向

残膜回收后的去向决定了其是否作为资源得到再生利用。调查结果(图8)表明,残膜由农户清除整理后主要通过商贩到田现场收购、网点组织统一回收和农户自行以旧换新3 种方式离田,其中商贩到田现场收购样地60 个、占比6.3%,网点组织统一回收样地508 个、占比53.4%,农户自行以旧换新样地383 个、占比40.3%。调查中没有发现随意弃置、掩埋或焚烧残留地膜等现象,通过收购、回收、以旧换新的残膜最终转运到回收加工企业经过处理后通过再生造粒或磨成地膜粉后得到再生加工利用。

图8 甘肃省农田残膜处理去向Fig.8 Treatment directions of farmland residual film in Gansu Province

3 结论和讨论

3.1 残留地膜分布特征

绿色循环可持续是农业发展的首要前提,农田地膜残留污染若得不到有效的控制,将会对耕地的生态圈埋下巨大隐患[1-4]。开展农田地膜残留监测,是做好地膜残留污染防控的基础性工作[6-7]。本调查结果显示,甘肃960 个样地农田0～30 cm 耕层土壤都有不同程度的地膜残留,且地膜残留量空间变化幅度很大,地膜残留量变幅为0.02～204.75 kg·hm-2,这可能是由于种植作物类型、地膜使用量、种植模式等有区域特征,造成地膜残留量空间差异大。地膜残留量中位数为12.96 kg·hm-2,远未达到国家地膜残留量限值,且与2013 年调查[8]地膜残留量(27.62～42.26 kg·hm-2)相比,地膜残留量有所降低,农田地膜残留水平总体较轻。与国内部分主要覆膜地区相比,甘肃地膜残留量低于新疆(134.09 kg·hm-2)、内蒙古(127.09 kg·hm-2)、贵 州(70.84 kg·hm-2)、河北(36.80 kg·hm-2)等地区[17-20],与山东(16.51～19.84 kg·hm-2)、河南(20.4 kg·hm-2)、四川(16.27 kg·hm-2)、江西(＜15 kg·hm-2)等地区接近[21-24],这主要是2011 年以来,甘肃协同推进源头防控、过程管控和末端治理,在地膜回收利用方面探索构建了“强化源头防控、政府扶持引导、企业市场运作、行政监管推动、技术支撑保障、法制引领规范”的工作格局,地膜残留防控治理工作取得显著成效[9-10],地膜回收率持续提高且近6 年连续稳定在80%以上。甘肃有97.6%的样地地膜残留量处于清洁阈值范围,仅有2.4%的样地达到轻、中度污染阈值,且这些样地大多位于河西灌溉农业区,这可能是由于该区域以往长期使用的地膜均为自行购买的厚度低于0.008 mm 的超薄地膜,且玉米、瓜类制种基地较多,规模化经营土地普遍机械化作业程度较高,因而地膜残留量较大,今后在地膜残留防控中应给予重点关注,以消除样地由轻度、中度污染转为重度污染的风险。

3.2 残留地膜影响因素

综合众多研究文献[17-25],覆膜年限、种植作物类型、地膜厚度是影响地膜残留量的主要因素,土壤质地、距村庄距离、地膜回收状况等与地膜残留量也密切相关。本次调查显示,960 个样地在农业生产中普遍使用厚度为0.01 mm 及以上、幅宽为1200 mm 左右的高标准地膜,薄地膜几乎没有,因此地膜厚度对地膜残留的影响不再分析。数据分析还表明，不同土壤类型样地地膜残留量为黏土[15.35(6.02～32.33) kg·hm-2]＞壤土[13.26 (7.00～25.64)kg·hm-2]＞砂土[11.47 (8.17～23.65) kg·hm-2],3 类土壤类型相互之间地膜残留量无显著差异(P＞0.05),这与在张掖绿洲地区[11]、内蒙古河套地区[25]的研究结果相同。距村庄距离≤1 km、1～2 km、＞2 km 样地残留量分别为13.75 (7.15～30.06) kg·hm-2、12.28 (7.38～22.18) kg·hm-2、11.86 (4.51～24.53) kg·hm-2,地膜残留量非常接近,这与甘肃2013 年调查[8]发现农田距离村庄越远,平均地膜残留量越大的结论不同,其原因在于近年来甘肃健全回收网络体系,在覆膜面积较大的乡镇基本都建有回收网点,大部分县区还实现了村级堆储点全覆盖,残膜捡拾后能够方便就近交售变现,农户捡拾回收地膜的积极性和主动性大幅提高。基于以上分析结果并结合实际调查情况,主要考量覆膜年限、种植作物类型、种植户类型、回收方式4 个因素对地膜残留量的影响。调查发现,地膜残留量基本呈年限越长、残留量越大的趋势,这与已有研究结果基本一致[1-2]。但当覆膜年限达到20 a 以上时,地膜残留量反而有所降低,这可能因为地膜残留在农田里达到一定年限后,受光照氧化和机械扰动等外力作用,地膜碎片化为肉眼不可见形态,难以捡拾离田。农田地膜残留污染具有隐蔽性、长期性、复杂性,地膜是土壤中微塑料的重要来源之一,今后应重视农田土壤微塑料检测研究[26]。覆膜年限≤5 a 与其余较长覆膜年限间地膜残留量差异不显著,这可能是近年来地膜质量标准逐步提高后地膜易于捡拾,加之回收力度不断加大,因而地膜残留量较小。不同作物地膜残留量为制种作物最大、设施蔬菜最小,制种作物、经济作物、玉米、马铃薯、露地蔬菜、中药材与设施蔬菜地膜残留量差异显著(P＜0.05),这可能是由于农户更加注重对高效益保护菜地的土壤环境精细化管理,因此设施菜地的地膜回收力度更大,这与甘肃[10]、内蒙古[25]调查结果一致。制种作物地块多处于区位优势突出的河西灌溉农业区,样地多为制种基地,基本属于流转土地,经营管理者往往对流转土地耕地质量管理相对较差,对残膜回收重视程度不够,因而地膜残留量相对较大。不同种植户类型地膜残留量为种植大户＜一般农户＜合作社,合作社残留量显著高于一般农户(P＜0.05),其原因主要是随规模化经营发展,流转地块多以短期合同为主,开展地膜回收将增加成本,合作社经营者对土壤管理比较粗放,因而导致地膜残留较多,而一般种植户对农田管理精细程度则较高[27]。不同回收方式下地膜残留量以人工捡拾最低,机械回收最高,人工+机械回收方式下地膜残留量显著高于人工回收(P＜0.0001),这可能是因为人工回收方式不仅能将大块地膜揭起,还可以通过捡拾或耙地更加彻底地清理小块地膜,但机械方式往往由于机具翻耕扰动使作物根系残渣与地膜缠绕,加大残膜破碎程度,致使农田残膜量反而增多。通过分析影响地膜残留量空间差异的因子贡献率,种植作物类型、回收方式、覆膜年限、种植户类型合计仅能解释地膜残留量空间变异的6.65%,但前三者q值均显著(P＜0.05)。地膜残留量与自然地理环境、气候水文条件、农业种植模式等密不可分,甘肃由于各农业区域之间差异较大,因此地膜残留量空间差异解释力较为分散,这也提示在今后地膜残留监测中需要继续探寻更多且具有较强解释力的影响地膜残留量的因素。

3.3 残留地膜离田去向

废旧地膜是可再生利用的资源,回收则利,弃置则害。地膜回收加工企业是开展废旧地膜回收利用,实现变废为宝和资源化利用的关键主体[9-10]。此外,规范农户回收行为并增强回收意识可降低地膜残留量[28]。2011 年以来,甘肃按照“政府扶持、市场运作、循环利用”的工作思路,实行“以奖代补” “以旧换新” “以物易物” “谁生产、谁回收”等工作机制[29],将“农民—商贩—网点—企业”等各利益体通过市场化机制连接起来,构建网点回收-企业加工型、商贩收购-企业加工型、农民交售-商贩和企业混合收购加工型等回收模式,基于不同区域形成了“废旧地膜—再生颗粒—深加工产品(滴灌带,等)” “废旧地膜—地膜粉—深加工产品(市政井盖,等)”等资源化模式[30],实现了经济利益最大化,有效防控了废旧地膜残留。全省农业环保行业业务数据显示,至2022 年底甘肃正常运行的农膜回收利用企业共有132 家,重点覆膜区域每县(市、区)至少拥有一家地膜加工利用企业,共设有专业化回收网点1827 个,基本已形成“县有加工企业、乡有回收站点、村有堆放场所”的回收利用体系。本次调查结果表明,农田残膜采取人工为主+机械为辅回收方式离田后,基本上全部通过商贩到场收购、网点组织回收和农户以旧换新转交到回收加工企业,进行再生加工得到资源化利用,这说明现今农户、商贩、网点自发捡拾回收地膜的环保意识较强,市场化回收再利用机制构建较好。但回收环节农机具应用程度还不高,绝大部分样地主要依靠人工捡拾回收,费时费工、效率低下,而当前应用的农机具效率较低,应增强残膜回收农机具的种类和功能研发应用,提高多元性覆膜作物、种植模式等条件下地膜机械回收效率。

4 防控建议

资源节约与环境友好型农业是农业绿色可持续发展的必然趋势。覆膜种植对土壤水分和温度兼具正效应特点,是农业生产中广泛应用的关键农艺措施,对保障农产品供给和提高农户收益意义重大。甘肃寒旱交织的农情特点决定了地膜覆盖栽培技术将是农业生产中长期应用的一项农业技术,伴随产生的废旧地膜势必是今后相当长一段时期内农业生产发展中需要致力解决的现实问题[31-32]。1990 年以来,我国地膜污染防控政策经历了生产供应保障、环保意识形成、污染综合防治、残膜资源化利用4个阶段的演变后,逐步形成了科学推广加厚高标准地膜、有序推广全生物降解膜的地膜科学使用回收防控政策[33-34]。经过10 多年的发展,甘肃农田耕层土壤地膜残留总体上已处于清洁水平,但也有少数点位达到残留污染等级。鉴于地膜覆盖技术应用的广泛性和模式的多样性,基于本次调查结果,建议以源头减量、高效回收、产品替代、机制完善为导向,统筹做好地膜残留防控工作,进一步减轻农田耕地地膜残留,达到农业生态效益和经济效益双赢目标[35-41]。1)源头减量方面,根据地域、气候条件、作物及种植制度,开展传统PE 地膜科学合理使用区划研究,通过旧膜重复利用、秸秆覆盖种植、栽培方式优化等措施解决长时间应用地膜覆盖技术问题,从源头减少地膜田间投入量。2)高效回收方面,加快加厚高标准地膜推广力度,强化农机农艺融合技术攻关,研发具有膜杂分离好、仿地性能强、捡净率高的地膜回收机具,加大地膜回收机具补贴力度,提高地膜机械化回收技术应用水平。3)产品替代方面,研发兼具覆盖功能性与环境包容性的全生物专用降解膜产品,突破在生产工艺、力学性能和生产成本等方面的关键技术瓶颈,基于成熟的试验示范在特定区域、特定作物上稳步推广应用,发挥替代传统PE 地膜的生产潜力。4)机制完善方面,创新监督管理制度,通过收取地膜回收保证金,将惠农补助资金、农业用水、村集体经济分红与地膜回收挂钩等,规范土地流转和制种地块种植经营主体大户在农业生产中的地膜回收行为,有效遏制其对耕地“只用不管”的现象。