山東濱州地膜殘留現(xiàn)狀、危害及防治對策

宋 蕓，樊 平，王 敏，李紅梅，曹志紅，韓 偉

（1濱州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東濱州 256200；2濱城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東濱州 256200；3山東世耀農(nóng)業(yè)發(fā)展集團有限公司，山東濱州 256200；4山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，濟南 250100）

0 引言

農(nóng)用地膜具有顯著增加地溫、抑制農(nóng)田水分蒸發(fā)、抑草滅草、抑鹽保苗、增加作物冠層光照均勻程度和增加散射光等多方面功能，已成為繼種子、化肥、農(nóng)藥之后第四大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)資料[1-4]，地膜用量從1991年30.0萬t增長到2018年140.4萬t，覆蓋面積從530萬hm2增加到1800萬hm2，中國成為全球地膜消耗量最多、覆蓋面積最大、覆蓋作物種類最多的國家[5-7]。地膜覆蓋技術(shù)帶動了中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的顯著提高和生產(chǎn)方式的改變，使作物大面積增產(chǎn)20%～50%，對保障中國農(nóng)產(chǎn)品安全、促進農(nóng)民增收、消除貧困和加快農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展做出了重大貢獻[1-2,8]。然而，地膜不科學(xué)使用以及有效回收利用環(huán)節(jié)的缺失，特別是作物收獲后地膜破碎嚴(yán)重、機械強度差，回收率較低，導(dǎo)致地膜殘留污染日益嚴(yán)重[9-10]。

地膜覆蓋技術(shù)作為重要的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于糧食、蔬菜和棉花等農(nóng)作物生產(chǎn)，對促進農(nóng)作物生長及提高產(chǎn)量起到積極效應(yīng)。在低溫且干旱的濱州市，花生覆膜栽培比露地栽培增產(chǎn)20%以上，在棉花、蔬菜、瓜果等作物上都得到顯著的應(yīng)用效果。隨著地膜被推廣使用以來，地膜覆蓋技術(shù)對濱州市農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收做出了重大貢獻，但是由于生產(chǎn)者的長期使用和不規(guī)范濫用，殘留的地膜在農(nóng)田土壤和周邊環(huán)境中逐漸累積，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)村環(huán)境的重要威脅[11-12]。本研究采用資料統(tǒng)計和實地定點監(jiān)測相結(jié)合，對濱州市地膜使用情況、殘留污染情況、殘留危害及防治措施等進行分析，以期摸清地膜污染現(xiàn)狀，為濱州市地膜殘留污染防治提供技術(shù)和理論支撐。

1 濱州市地膜殘留現(xiàn)狀

1.1 區(qū)域概況

濱州市位于山東省北部、魯北平原、黃河三角洲腹地，地處117°15′—118°30′E，36°41′—38°16′N，總面積為9453 km2；該地區(qū)屬暖溫帶干燥季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫為11～14℃，年平均無霜期為180～190天，年平均降雨量為583.6 mm，且年內(nèi)降雨分布不均，主要集中在7、8月[13]。由于地理條件限制，地下淡水及地表水的儲存量低于全省人均水平，全市可利用的水資源短缺乏，而地膜覆蓋技術(shù)具有保溫保墑、抗旱節(jié)水等特點，所以自20世紀(jì)90年代以來，地膜覆蓋技術(shù)作為濱州市農(nóng)業(yè)重點推廣項目，在全市進行了大面積的推廣。

1.2 研究數(shù)據(jù)及定點調(diào)查

本研究中濱州市數(shù)十年農(nóng)用薄膜及地膜的使用數(shù)據(jù)、地膜覆蓋面積均來源于國家統(tǒng)計局（1999—2020年）。同時為檢測不同年份地膜殘留量的污染情況，選取了全國地膜殘留監(jiān)測網(wǎng)國控監(jiān)測點中具有代表性樣點的無棣縣佘家鎮(zhèn)北石村和柳堡鎮(zhèn)付王家村。每個監(jiān)測點以S型方式隨機選取7個取樣點，各取樣點面積為100 cm×200 cm=2 m2，分別收集深度為0～20 cm和20～30 cm 2種土層的殘膜，對收集完成的殘膜樣品進行清洗、涼干、稱重，并從2013年起進行了連續(xù)6年的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1.3 濱州市農(nóng)用薄膜及地膜使用現(xiàn)狀

統(tǒng)計部門對濱州市農(nóng)用薄膜及地膜歷年（1999—2020年）使用量的數(shù)據(jù)如圖1所示。總體上，農(nóng)用薄膜及地膜的使用量均呈先增后降的趨勢，其中2006年農(nóng)用薄膜使用量最大，高達13487 t，地膜于2004年使用量最大，高達8226 t。與此同時，地膜覆蓋面積也呈先增后降的趨勢，但與農(nóng)用薄膜及地膜的使用變化趨勢稍有不同，其于2011年覆蓋面積最大，已高達163640 hm2（圖1）。自2006年以來，農(nóng)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關(guān)部門重視，并逐步得到控制，其可能歸因于生態(tài)環(huán)保意識的加強及地膜殘留防治措施的實施。

圖1 濱州市不同年度農(nóng)用薄膜、地膜使用量和地膜覆蓋面積（1999—2020年）

如圖2所示，濱州市歷年單位公頃地膜使用量趨于先增后降再增加的趨勢，平均使用量為47.90 kg/hm2，其中2006年單位面積地膜使用量最大，為58.81 kg/hm2。研究發(fā)現(xiàn)，自2014年后單位面積地膜的使用量并未明顯減少，地膜的覆蓋使用技術(shù)受到限制，因此，后期仍需加強地膜替代、一膜兩用及多用等技術(shù)的研發(fā)與推廣?；ㄉ兔藁ㄗ鳛樯綎|省地膜覆蓋技術(shù)主要應(yīng)用的農(nóng)作物，地膜覆蓋種植面積分別達到70%和80%[14]。根據(jù)濱州市當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物種植情況，地膜覆蓋技術(shù)主要使用在棉花和蔬菜，其中棉花覆膜面積最大。先前的研究多集中于地膜覆蓋技術(shù)對作物長發(fā)育、產(chǎn)量和土壤溫濕環(huán)境等方面的影響，而本研究中將主要關(guān)注地膜殘留污染特征和殘膜作物危害。

圖2 濱州市不同年度單位公頃地膜使用量（1999—2020年）

1.4 濱州市地膜殘留污染現(xiàn)狀

濱州市監(jiān)測樣點的單位公頃面積地膜殘留量如圖3所示。有研究表明，受機械翻耕深度的影響，農(nóng)田殘膜主要分布在0～20 cm的表層土壤中，20～30 cm土層中的殘膜僅占5%左右[15]。與先前研究相同，本研究中地膜均主要殘留于表層土壤，20～30 cm土層中均未檢出地膜殘留。由圖3可知，濱州市連續(xù)6年（2013—2018年）無棣縣佘家鎮(zhèn)北石村和柳堡鎮(zhèn)付王家村土壤耕層(0～20 cm)的地膜殘留量分別為19.98～64.33 kg/hm2和18.84～49.74kg/hm2，年平均殘留量為44.10、38.67kg/hm2，其中除2013年外其余年份取樣點的地膜殘留量均高于30 kg/hm2，表明隨著地膜的廣泛使用，地膜殘留量已具有較高的含量水平，由于地膜不易分解的特性，后期將可能產(chǎn)生一系列不利影響。柳堡鎮(zhèn)付王家村于2015年具有最高的地膜殘留量，為49.74 kg/hm2，其次為2018年的48.78 kg/hm2，佘家鎮(zhèn)北石村于2018年具有最高的地膜殘留量，為64.33 kg/hm2。2011年實施的《農(nóng)田地膜殘留量限值及測定》標(biāo)準(zhǔn)中，已明確規(guī)定待播農(nóng)田耕層內(nèi)（0～25 cm或30 cm）地膜殘留量限值應(yīng)不大于75 kg/hm2。本監(jiān)測樣點中的地膜殘留量均小于該限值，均無超標(biāo)現(xiàn)象，但地膜殘留量于2018年具有最高值，雖暫且低于限定值，仍需得到關(guān)注。在長期的覆膜種植模式下，未清除地膜在土壤中殘留累積，破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響作物生長[16]。除此之外，土壤中殘留的地膜片數(shù)是另一個影響農(nóng)田土壤質(zhì)量的重要因素。大小不同的殘膜碎片在不同層次土壤中的分布不同，土壤淺層的殘膜以小面積的碎片為多，且年度越久，地膜的破碎度越高，即面積較大的殘片數(shù)量越來越少，其機械回收或人工撿拾的難度也逐年增大。

圖3 濱州市不同年度0～20 cm地膜殘留量分布情況（2013—2018年）

2 地膜殘留的影響及危害

地膜的主要成分為聚乙烯，是一種人工合成的高分子化合物，其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很難降解，一般情況下，殘膜可在土壤中存留200～400年[17]，即使殘膜會在漫長的時間內(nèi)緩慢降解，降解過程中也會溶出有毒物質(zhì)。殘膜嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)，危害農(nóng)作物生長造成，如不及時清理會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)村環(huán)境產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

2.1 地膜殘留破壞土壤理化性質(zhì)

由于地膜不易降解，如得不到及時有效地清理，造成地膜長期殘留在耕作土壤中，并不斷積累形成阻隔層，阻隔水分和養(yǎng)分進入土壤，不利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，對土壤容重、孔隙度和通透性產(chǎn)生不良影響。土壤含水量和透氣性的下降，致使土壤膠體的吸附能力降低，從而加劇速效性養(yǎng)分的揮發(fā)和流失，造成土壤板結(jié)、地力下降[17,19]。由于殘膜導(dǎo)致地下水難以下滲，還會使土壤pH升高，導(dǎo)致土壤產(chǎn)生鹽堿化[20]。殘膜也可阻礙土壤中空氣的循環(huán)和交換作用，致使土壤中CO2含量過高，同時殘膜的分解會揮發(fā)出許多有害物質(zhì)，使土壤中的微生物和其他有益昆蟲的生存受到嚴(yán)重威脅[4,21-22]。由于土壤中的微生物活性受到殘留地膜抑制，還會使遲效性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、分解和釋放受到影響，造成肥料的浪費，不利于化肥減量。

2.2 地膜殘留影響農(nóng)作物生長

地膜殘留破壞土壤理化性狀，影響農(nóng)作物的生長發(fā)育。殘膜主要是通過影響種子萌發(fā)時水分的吸收和燒苗，進而造成作物出苗率低。研究表明，殘膜致使棉花爛種、爛芽比率大幅度提高，出苗率低，田間畝株數(shù)減少[20,22]。隨著地膜殘留量的增加，玉米的發(fā)芽率也呈下降趨勢，殘膜分布的深度對玉米種子的發(fā)芽的影響也較大[23-24]。殘留地膜的土壤種植小麥也表現(xiàn)出苗慢、出苗率低[25]。殘膜對根系生長發(fā)育也具有一定的影響。研究表明，一定量的殘膜會對小麥、玉米、棉花、茄子、白菜和花生等根系發(fā)育有明顯影響[26-27]。小麥基本苗減少，冬前分蘗數(shù)減少，根系扎得淺，有些根系由于無法穿透殘膜碎片而呈現(xiàn)彎曲橫向發(fā)展[25]，玉米單株根條數(shù)、根鮮重、根干重和根冠比均呈下降趨勢[24]，棉苗側(cè)根減少，棉苗死亡率提高，現(xiàn)蕾期推遲和株高降低[23]。最終殘膜的污染造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。由于殘膜造成的根系發(fā)育不良及殘膜的隔離作用，影響作物水分和養(yǎng)分的正常吸收，進而影響作物地上部分生長發(fā)育，致使產(chǎn)量下降。研究表明隨著地膜殘留量的增加，小麥、玉米、花生、棉花等產(chǎn)量呈降低趨勢[24,28-33]。有些地膜殘留飄落或纏繞到農(nóng)作物植株上，一定程度上也會影響光合作用和生長發(fā)育。

2.3 地膜殘留影響機械化操作

地膜殘留80%主要滯留在田間土壤層0～20 cm范圍內(nèi)，是耕作機械的主要作業(yè)區(qū)。耕整機械、播種機、施肥機、中耕機等機具作業(yè)時，容易纏繞在機器的犁頭、輪盤等部件，造成機械故障，還會堵塞輸種管和輸肥管，造成漏耕、漏播，漏肥現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機械化作業(yè)效率和質(zhì)量。同時由于地膜殘留導(dǎo)致的植株發(fā)育不良，成熟度不一，尤其是根系發(fā)育不良引起的植株倒伏，影響植?；睾褪斋@機械的作業(yè)。由此可見，地膜殘留對農(nóng)業(yè)機械化的各個環(huán)節(jié)都有一定的影響，不利于機械化的實現(xiàn)。

2.4 地膜殘留影響農(nóng)村環(huán)境

由于地膜回收體系的局限性，造成回收殘膜處理不徹底，處理方法欠妥，使很多殘膜棄于田邊地頭，家前屋后，有的甚至隨風(fēng)亂飄、四處散落，還有些農(nóng)民會將收集的殘膜進行違法焚燒，嚴(yán)重影響了環(huán)境衛(wèi)生和村容村貌，影響新農(nóng)村建設(shè)和生態(tài)文明建設(shè)。

2.5 地膜殘留影響人畜身體健康

一些停留在地表的殘膜與牧草收儲在一起后，牛羊誤吃，阻隔食道消化，影響胃腸吸收，產(chǎn)生一系列并發(fā)癥。畜禽因誤食殘留地膜造成死亡的案例也時有發(fā)生。同時，地膜殘留經(jīng)過漫長的分解過程或違法禁燒行為，會揮發(fā)出許多有毒有害物質(zhì)，直接或間接影響人畜身體健康。

3 地膜殘留防治措施

3.1 大力推廣標(biāo)準(zhǔn)加厚地膜

地膜厚度直接關(guān)系到回收率，地膜厚度增加，拉伸能力增強，殘膜完整度提高，回收率也隨之上升。在日本，聚乙烯地膜厚度一般在0.020～0.030 mm，使用后無破裂，可以保持很高的完整度，人工就很容易將其收集至地頭田邊。2018年5月1日新修訂的《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》新標(biāo)準(zhǔn)正式實施，新標(biāo)準(zhǔn)將地膜最低厚度由原來的0.008 mm提高為0.010 mm。但地膜厚度增加，相應(yīng)的會帶來成本上升，影響農(nóng)民使用積極性。作為政府部門為積極貫徹落實新的地膜使用國家標(biāo)準(zhǔn)，要從生產(chǎn)領(lǐng)域和流通流域，遏制非標(biāo)準(zhǔn)地膜的生產(chǎn)、流通，推廣標(biāo)準(zhǔn)地膜使用的配套技術(shù)，利用“差價補貼”手段，鼓勵農(nóng)戶、種植大戶和專業(yè)合作社使用0.01 mm厚度以上新型地膜，促進農(nóng)戶使用標(biāo)準(zhǔn)地膜的濃厚氛圍，為標(biāo)準(zhǔn)化地膜標(biāo)準(zhǔn)的實施奠定基礎(chǔ)。

3.2 建立健全地膜監(jiān)管及回收機制

地膜回收是解決殘膜污染的有效措施。在日本，地膜回收處理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上是一種常態(tài)，回收率高，從上世紀(jì)50年代開始幾十年來用量一直穩(wěn)定在4萬多t，覆蓋面積達13萬～14萬hm2，沒有出現(xiàn)明顯的地膜殘留污染問題。2015年濱州市濱城區(qū)在濱北辦事處、三河湖鎮(zhèn)、梁才辦事處、楊柳雪鎮(zhèn)和梁才辦事處等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦，6個行政村建設(shè)6個地膜回收點，廢舊地膜統(tǒng)一回收集中到加工點，年回收地膜為28 t，回收面積906.6 hm2，周邊地膜回收率達到85%。根據(jù)濱城區(qū)農(nóng)耕實際情況，選擇棉花覆膜開始時間在4月底，在秦皇臺鄉(xiāng)東石村、西石村、高家村、袁家村和朱家村等，推廣應(yīng)用全生物降解生態(tài)地膜533.3 hm2，按照37.5 kg/hm2計算，533.3 hm2總用量20 t。通過地膜回收，對該區(qū)域及周邊地區(qū)的地膜污染防治產(chǎn)生顯著效果，顯著提升耕地質(zhì)量，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量得到有效提高，經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益得到同步提高。殘膜的回收利用需要相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈參與，設(shè)置相應(yīng)的回收機構(gòu)，建立回收站點，收回的殘膜要生產(chǎn)利用，用于制造再生農(nóng)膜或其他塑料制品，并建立健全地膜回收機制，同時建議建立完善的監(jiān)管和處罰機制，明確地膜回收處理各方責(zé)任和義務(wù)，確定誰使用誰負(fù)責(zé)的源頭主體責(zé)任。

3.3 發(fā)展全生物降解地膜替代技術(shù)

全生物降解地膜和傳統(tǒng)地膜相比，雖然在價格上高出普通地膜，但是系統(tǒng)成本較低，經(jīng)農(nóng)藝措施配合，不但同樣起到保溫、保墑、增產(chǎn)效果，還可在特定地區(qū)、特定氣候條件下根據(jù)特定作物的生長需要設(shè)計控制降解速度，從而使日趨嚴(yán)重的“白色污染”得到有效遏制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。但是不同地區(qū)、不同作物種類對地膜安全覆蓋期的要求有較大差異，為確定降解地膜在濱州市棉花作物上的安全覆蓋期、使用性能及降解效果（圖4），2016年依托惠民縣開展了可降解地膜在棉花上的應(yīng)用效果試驗，選擇在土壤肥力中等偏上、地勢平坦、地力均勻、排灌方便、溝系配套、前茬一致、無遮蔽、無人畜危害、病蟲草害相對較輕的地塊，采用山東清田塑工有限公司生產(chǎn)的普通地膜和全生物降解地膜進行初步試驗，為降解地膜的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 普通地膜與降解地膜對照圖

3.4 宣傳示范適期揭膜種植技術(shù)

適期揭膜技術(shù)是改變過去農(nóng)作物收獲才揭膜的生產(chǎn)方式，在作物合適的生長期施行揭膜，不僅能夠充分發(fā)揮地膜覆蓋功能，還能夠保證地膜不易破碎，提高地膜回收率，減少殘膜對土壤環(huán)境帶來的危害。