馬興旺，趙靚，李磐，楊濤，冶軍，閔偉，侯振安*

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830091；2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子832003）

隨著覆膜種植技術(shù)的廣泛應(yīng)用，土壤地膜殘留日漸增多，其對(duì)作物生長(zhǎng)和環(huán)境的危害引起了大家的廣泛關(guān)注。西北地區(qū)是我國(guó)地膜用量最大的區(qū)域，農(nóng)田土壤地膜殘留量也最多。研究表明新疆覆膜20 a 棉田的地膜殘留量達(dá)到300～340 kg·hm-2[1-2]，甘肅覆膜20～30 a玉米農(nóng)田的地膜殘留量為30.78 kg·hm-2[3]，且地膜殘留量隨著覆膜種植年限的增加而增加。華北平原[4]、南方平原[5]，甚至水熱條件相對(duì)較好的云南[6]、海南[7]農(nóng)田土壤也存在不同程度的地膜殘留。總之，地膜殘留已經(jīng)成為全國(guó)性的農(nóng)田土壤污染問(wèn)題[8]。

防治地膜污染的途徑包括源頭管控和殘膜回收。源頭管控的措施有：使用標(biāo)準(zhǔn)厚度地膜，使用可降解地膜[9]，在水熱條件好的地方減少或不再使用地膜[10]，在水熱條件差的地方探索通過(guò)改進(jìn)農(nóng)藝措施減少甚至不使用地膜[11]。在當(dāng)前土壤殘留地膜持續(xù)增加的情況下，殘膜回收是減少地膜殘留、防治地膜污染的關(guān)鍵途徑。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)殘膜回收開(kāi)展了大量研究，研發(fā)了多種原理不同類(lèi)型的殘膜回收機(jī)具[12-13]，并且制定了地膜殘留量限值及測(cè)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]、殘膜回收機(jī)具的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]等。

新疆是我國(guó)棉花的主產(chǎn)區(qū)，2019 年的棉花種植面積占全國(guó)60% 以上，產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量80% 以上。覆膜種植是新疆棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵措施，但這也導(dǎo)致了嚴(yán)重的地膜殘留問(wèn)題。地膜污染已成為新疆農(nóng)田生態(tài)環(huán)境改善和棉花產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵障礙因子。2019 年以來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也將“棉花采摘及殘膜回收機(jī)械化技術(shù)”作為引領(lǐng)性農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行示范推廣。有研究發(fā)現(xiàn)，不同撿拾方式對(duì)玉米農(nóng)田地膜殘留系數(shù)影響較大[16]。但是，目前關(guān)于殘膜回收方式對(duì)膜下滴灌棉田土壤地膜殘留影響的研究還很缺乏。本文以新疆綠洲棉田殘留地膜為對(duì)象，定位研究不同撿拾方式下土壤地膜殘留情況以及對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，以便為確定適宜的地膜回收方式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)位于天山北坡扇緣帶下游的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)某連。該區(qū)域光熱資源較豐富，全年日照時(shí)數(shù)2 526～2 874 h，生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)為1 900～2 000 h，≥0 ℃的活動(dòng)積溫3 900～4 100 ℃，無(wú)霜期160 d 左右。試驗(yàn)地已連續(xù)覆膜種植棉花13 a，土壤0～20 cm和20～30 cm 地膜殘留量分別為163.6 kg·hm-2和60.1 kg·hm-2。土壤為灌耕灰漠土，壤土，土壤耕層有機(jī)質(zhì)含量14.84 g·kg-1、全氮1.12 g·kg-1、速效磷22.83 mg·kg-1、速效鉀236 mg·kg-1、pH 7.88、容重1.23 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)3個(gè)地膜撿拾方式處理：（1）不撿拾地膜（CK）；（2）部分撿拾地膜（Cp，Partial picking），即只在秋翻地前進(jìn)行一次人工撿拾殘留地表可見(jiàn)的地膜；（3）徹底撿拾地膜（Cf，Thorough picking），即結(jié)合每次土壤翻耕，人工撿拾地表可見(jiàn)的殘膜，直到春季播種前停止撿拾。每個(gè)處理重復(fù)3次，共9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為667 m2。于2016—2018年進(jìn)行連續(xù)3 a定位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，每年進(jìn)行同樣的撿拾地膜作業(yè)。

供試作物為棉花（新陸早36 號(hào)），聚乙烯農(nóng)用地膜覆蓋栽培，一膜4 行，行距為（30 cm+50 cm+30 cm）+50 cm，株距10 cm，播種密度2.5×105株·hm-2。地膜寬度為1.45 m，厚度為0.008 mm。灌溉方式為膜下滴灌，一膜兩管，滴灌帶間距80 cm。每年4月中旬播種，采用“干播濕出”方式，即播種后滴出苗水。全生育期灌水9 次，總灌溉量450 mm。試驗(yàn)中氮肥全部作追肥，施用量為N 360 kg·hm-2，按照棉花生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律在棉花生育期間分5 次隨水滴施。磷肥和鉀肥作基肥，在播種前一次性施入，施用量為P2O5105 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2。其他栽培管理措施參照當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.3 土壤地膜殘留量調(diào)查

分別在2016—2018 年春季播種前，在監(jiān)測(cè)地塊內(nèi)用蛇形取樣法選擇6 個(gè)不在同一播幅上、規(guī)格為200 cm×100 cm（即面積為2 m2）的樣方，采集0～20、20～30 cm 兩個(gè)土層的殘留地膜。每次采樣時(shí)做好樣方標(biāo)記，避免前后幾次的采樣位置重復(fù)。

土壤殘膜量測(cè)定：劃定采樣樣方后，邊挖土邊清撿殘留地膜。首先去除附著在殘膜上的雜物，然后帶回實(shí)驗(yàn)室用超聲波清洗儀進(jìn)行洗滌，洗凈后用吸水紙吸干殘膜上的水分，小心展開(kāi)卷曲的殘膜，防止殘膜破裂，放在干燥處自然陰干，萬(wàn)分之一的電子天平稱(chēng)質(zhì)量。

1.4 棉花產(chǎn)量測(cè)定

分別于每季棉花成熟時(shí)，對(duì)各小區(qū)棉花進(jìn)行實(shí)收記產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同撿拾方式下0～20 cm 和20～30 cm 土壤地膜殘留量變化

70% 的殘留地膜在表層0～20 cm 土壤中（表1）。試驗(yàn)開(kāi)始前，0～20 cm 土層地膜殘留量占0～30 cm 殘留量的73.1%，20～30 cm 占26.9%。3 個(gè)處理連續(xù)3 a監(jiān)測(cè)，0～20 cm 土層地膜殘留量約占總殘留量的72.6%～73.4%，20～30 cm 土層約占26.5%～27.4%。經(jīng)過(guò)3 a 的連續(xù)撿拾，不同處理各土層殘膜量占總殘留量的比例沒(méi)有明顯變化。

與不撿拾處理（CK）相比，撿拾處理（Cp、Cf）土壤0～20 cm 和20～30 cm 的殘膜量明顯減少（表1）。第一年，Cp 處理0～20 cm 和20～30 cm 殘膜量較CK 分別減少12.2% 和12.5%；Cf 較CK 分 別 減 少26.7% 和27.1%。第二年和第三年也均類(lèi)似減少。Cf 撿拾程度比Cp 高，0～20 cm 和20～30 cm 殘膜量減少比例也相應(yīng)大于Cp，且每個(gè)處理上下兩層以相近的比例減少。

撿拾后0～20 cm 土壤殘膜減少量多于20～30 cm減少量（表1）。第一年撿拾后，CK、Cp、Cf 的0～20 cm殘膜量分別增加11.1、-10.2、-35.6 kg·hm-2，分別占0～30 cm 增減量的73.9%、71.4%、72.6%；而20～30 cm殘膜量分別增加3.9、-4.1、-13.4 kg·hm-2，分別占26.1%、28.5%、27.4%。第二年和第三年也有類(lèi)似變化。撿拾后，0～20 cm 殘膜增減量占0～30 cm 殘膜增減量的57.1%～80.0%，20～30 cm 殘膜增減量?jī)H占20.0%～42.9%。

2.2 不同撿拾方式下0～30 cm土壤地膜殘留量變化

撿拾后0～30 cm 土壤地膜殘留量明顯減少（圖1）。第一年，Cp 和Cf 土壤地膜殘留量較CK 低12.3%和26.8%，第二年和第三年有類(lèi)似比例的降低（表2）。相對(duì)于CK，Cf 地膜殘留量降低較Cp 更多，說(shuō)明只要簡(jiǎn)單撿拾一次地表可見(jiàn)殘膜，地膜殘留量就會(huì)減少，多次撿拾則殘膜減少得更多。

不同撿拾方式處理0～30 cm 土壤地膜殘留量隨年限的增加均呈增加趨勢(shì)（表2）。第一年，CK、Cp、Cf處理0～30 cm 地膜殘留量分別為238.7、209.4、174.7 kg·hm-2，較撿拾前分別增加15.0、-14.3、-49.0 kg·hm-2，增加了6.7%、-6.4%、-21.9%。第二年，CK、Cp、Cf 地膜殘留量較前一年分別增加12.0、9.3、4.0 kg·hm-2，增加了5.0%、4.4%、2.3%。第三年各處理土壤地膜殘留量繼續(xù)增加。第一年是在之前沒(méi)有進(jìn)行過(guò)撿拾的棉田開(kāi)展撿拾，撿拾處理Cp 和Cf 的地膜殘留量有所減少，但之后連續(xù)2 a不同撿拾方式下土壤地膜殘留量均有所增加，只是增加量有差異。

表1 不同撿拾方式下0～20 cm和20～30 cm的地膜殘留量Table 1 Plastic film residues of different picking methods in 0～20 cm and 20～30 cm level

表2 不同撿拾方式下0～30 cm土壤地膜殘留量Table 2 Plastic film residues of different picking methods in 0～30 cm level

圖1 不同地膜撿拾方式下的地膜殘留量和棉花產(chǎn)量Figure 1 Cotton yield and film residues with different picking methods of plastic film

土壤地膜殘留量隨覆膜種植年限增加呈顯著的線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系?；貧w分析表明（表3），CK在年際間地膜殘留量增加幅度最大，平均年增加量為12.6 kg·hm-2，Cp為10.8 kg·hm-2，Cf增幅最小，為7.9 kg·hm-2。

2.3 不同撿拾方式下的棉花產(chǎn)量

不同地膜撿拾方式處理下，棉花產(chǎn)量差異明顯（圖1）。第一年棉花產(chǎn)量表現(xiàn)為Cf＞Cp＞CK，且隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，不同撿拾方式處理間棉花產(chǎn)量的差異逐漸增大。與第一年相比，CK棉花產(chǎn)量第二年和第三年分別降低2.9%和5.4%，Cp降低3.0%和3.6%，Cf降低1.1%和3.1%。可見(jiàn)，地膜撿拾程度越低，棉花減產(chǎn)幅度也越大。

2.4 棉花產(chǎn)量與土壤地膜殘留量的關(guān)系

棉花產(chǎn)量與土壤地膜殘留量有顯著線(xiàn)性相關(guān)性。棉花產(chǎn)量與土壤地膜殘留量的線(xiàn)性回歸方程表明（表4），棉花產(chǎn)量隨地膜殘留量增加呈降低趨勢(shì)（圖1）。地膜不同撿拾方式導(dǎo)致地膜殘留量在年際間的增加量決定了棉花產(chǎn)量降低的幅度，CK 棉花產(chǎn)量降低幅度最大，Cp 次之，Cf 最小。由此可見(jiàn)，地膜殘留量顯著影響棉花產(chǎn)量，隨地膜殘留量增加，棉花產(chǎn)量顯著降低。合理控制土壤地膜殘留量，對(duì)棉花增產(chǎn)具有重要作用。

3 討論

3.1 棉田地膜使用量與殘留量

按照試驗(yàn)區(qū)當(dāng)時(shí)情況，本試驗(yàn)用厚度為0.008 mm 地膜，使用量80 kg·hm-2，如果完全不撿拾地膜，全部殘留于土壤，當(dāng)年新增殘膜量理論上也應(yīng)當(dāng)是80 kg·hm-2左右。本研究顯示，完全不撿拾處理0～30 cm 年新增殘膜12.0～15.0 kg·hm-2，遠(yuǎn)低于理論殘留量，但與前人調(diào)查的新疆棉田耕層殘膜量每年增加11.2[17]、13.66[18]、16.47 kg·hm-2[19]的結(jié)果相似。在20世紀(jì)90 年代推廣棉花覆膜種植后，地膜殘留污染問(wèn)題即引起關(guān)注，并開(kāi)始研制殘膜回收機(jī)械，但多處于研究示范階段[20]。自2012 年國(guó)家在新疆實(shí)施農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)示范項(xiàng)目、大面積開(kāi)展地膜回收行動(dòng)前，甚至之后一段時(shí)間內(nèi)地膜回收率只有10%～30%[21]。所以分別于2005、2011、2016 年多點(diǎn)調(diào)查得出新疆棉田耕層殘膜量每年增加11.2[17]、13.66[18]、16.47 kg·hm-2[19]的結(jié)果就是沒(méi)有回收地膜時(shí)的殘膜增加量。

表3 土壤地膜殘留量Y與覆膜種植年限X的關(guān)系Table 3 Relationship between plastic film residues Y and film mulching years X

表4 地膜不同撿拾方式下棉花產(chǎn)量Y與土壤地膜殘留量X的關(guān)系Table 4 Relationship between cotton yield Y and film residues X with different plastic film picking methods

沒(méi)有回收地膜但殘膜量低于理論預(yù)期的主要原因可能有：碎裂的地膜在收獲時(shí)會(huì)被人隨手或隨秸稈帶出田間，收獲后、犁地后會(huì)被風(fēng)吹出田間，耕地時(shí)被翻入30 cm 以下土壤等。所以在農(nóng)村能見(jiàn)到飄落在樹(shù)木、道路、渠溝、庭院的廢舊塑料，有混入棉花中形成的“三絲”，有碎膜夾雜在飼草料中被牲畜誤食等。因此，當(dāng)年使用地膜的殘留量受多種因素影響，并不完全決定于回收強(qiáng)度。本試驗(yàn)中，不同撿拾方式處理土壤地膜殘留量的變化在年度間存在一定差異，可能也與此有關(guān)。

3.2 殘膜回收與地膜殘留量

本研究發(fā)現(xiàn)，即使徹底撿拾處理，3 a后土壤地膜殘留量仍然明顯增加。一方面是因?yàn)楸韺油寥乐袣埬?huì)向深層轉(zhuǎn)移。土壤中殘留的地膜可以按照進(jìn)入土壤的先后，分為當(dāng)年新殘留和以往殘留兩部分。當(dāng)年地膜殘留于地表和表層，隨著覆膜種植年限的增加，不斷的耕作使表層土壤殘膜逐漸向下層土壤轉(zhuǎn)移；下層的殘膜也會(huì)被翻到表層。最終，殘膜會(huì)在整個(gè)耕層分布[19]；另一方面，以機(jī)械為主（或與人工撿拾結(jié)合）回收的主要是表層土壤中殘膜。近年來(lái)，我國(guó)相繼研制了多種類(lèi)型的地膜回收機(jī)具[12-13]，依據(jù)GB/T 25412—2010規(guī)定，耕前和播前殘地膜回收機(jī)表層0～10 cm 拾凈率≥80%、10～15 cm 深層拾凈率≥80%即為合格產(chǎn)品[15]。所以，如果每年只進(jìn)行一次機(jī)械殘膜回收，必然會(huì)有一定量的地膜殘留在土壤中。

因此，每年應(yīng)開(kāi)展多次機(jī)械殘膜回收（或與人工撿拾結(jié)合）才能在絕對(duì)量上減少地膜殘留量，遏制土壤地膜污染。

3.3 土壤地膜殘留量與棉花產(chǎn)量

本研究中地膜殘留量與棉花產(chǎn)量的關(guān)系采用直線(xiàn)回歸方程描述，地膜殘留量是原位測(cè)定值，棉花產(chǎn)量源于殘膜以實(shí)際狀況分布的土壤上的3 a 定位試驗(yàn)。也有研究報(bào)道了地膜殘留量與棉花產(chǎn)量呈直線(xiàn)回歸關(guān)系，但研究多采用模擬試驗(yàn)的方法，將薄膜剪碎均勻混入土壤來(lái)模擬地膜殘留[18，22]，這與農(nóng)田土壤殘膜的實(shí)際分布狀況存在很大差異。土壤中殘膜有長(zhǎng)條狀、片狀、團(tuán)狀，以垂直、水平或傾斜分布，面積有很大差別，上下層含量也不同。人為在土壤中摻混碎膜以模擬殘留地膜，與以自然過(guò)程混入土壤的殘留地膜對(duì)作物影響必然有一定差別。

分析3 個(gè)處理3 a 的平均地膜殘留量與對(duì)應(yīng)的棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二次函數(shù)比線(xiàn)性函數(shù)能更好地描述地膜殘留量與棉花產(chǎn)量間的關(guān)系（圖2）。由二次函數(shù)曲線(xiàn)可以看出，地膜殘留量在某一閾值范圍內(nèi)，隨地膜殘留量增加棉花產(chǎn)量降幅較?。划?dāng)?shù)啬埩袅砍^(guò)閾值后，棉花產(chǎn)量隨地膜殘留量增加大幅降低，該閾值即為地膜殘留的“危害閾值”，這種趨勢(shì)有一定的理論依據(jù)。有研究表明，隨地膜殘留量的增加，土壤養(yǎng)分和微生物特征[23]、土壤體積質(zhì)量、孔隙度、土壤透氣性、土壤酶[24]、土壤水分運(yùn)動(dòng)[8]等受到的影響逐步增大，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)。

圖2 土壤地膜殘留量與棉花產(chǎn)量間函數(shù)關(guān)系Figure 2 Simulating the relationship between plastic film residues and cotton yield with different functions

4 結(jié)論

（1）對(duì)綠洲棉田地表和土壤中的地膜進(jìn)行撿拾或回收，可有效降低土壤地膜殘留量。

（2）一年內(nèi)進(jìn)行多次殘膜回收，重點(diǎn)是回收表層0～20 cm 土壤殘留地膜，并持續(xù)若干年，能遏制棉田地膜殘留甚至根除土壤殘留地膜。

（3）棉花產(chǎn)量與土壤地膜殘留量有顯著負(fù)相關(guān)性，二次冪函數(shù)能較好描述二者關(guān)系。理論上殘留量存在一個(gè)“危害閾值”，即地膜殘留量小于該值時(shí)，棉花減產(chǎn)幅度較小；當(dāng)大于該數(shù)值時(shí)，棉花產(chǎn)量迅速大幅降低。