地膜的应用为作物生长发育、产量和农业效益的提高做出了重要贡献^[1]。中国是世界上地膜消费大国，2013年我国地膜使用量达到1.4 Mt，农作物地膜覆盖面积为1.766亿hm²，新疆、甘肃、内蒙古、山东等省份是我国主要的覆膜地区，地膜覆盖面积占全国40%以上^[2]，其中棉花、玉米、马铃薯、花生地膜应用面积较大^[3]。

地膜是人工合成的高分子聚合物，自然条件下难以降解^[1]，其不合理的应用给我国生态环境造成较大的“白色污染”问题^[4]。农田中残膜强度逐年增加，例如，新疆地区的农田残膜强度每年以11.2~18.0 kg·hm^-2的速率增加^[5-7]，残膜强度最高达到500 kg·hm^-2以上^[8]。残膜大量存在将破坏土壤结构，降低土壤肥力，影响作物的生长发育，造成农作物减产^{[6, 9]}，同时，“白色污染”会影响环境景观，导致牲畜误食，危害牲畜安全^[10-11]。

为了避免残膜污染问题，美国和日本等发达国家生产的地膜厚度要求不低于0.020 mm，且使用后进行强制回收^[12]。我国1992年制定的《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜标准》（GB 13735-1992）^[13]，规定聚乙烯地膜最小厚度为0.008 mm，但在实际应用过程中，地膜厚度主要集中在0.004~0.008 mm之间^[14]。研究表明，地膜厚度与地膜残留强度密切相关，同等条件下，地膜越薄，越易老化破碎，回收越困难，导致残留强度越大^[15]。我国现用地膜厚度低是造成残膜污染严重的重要原因之一。陈发^[16]提出地膜厚度若从0.008 mm增加到0.010 mm，其抗拉强度将增加25%。可见，增加地膜厚度可有效提高残膜的回收率，实现从源头控制残膜污染。新疆、甘肃等省份已率先将地方标准中地膜生产的最低厚度标准提高到0.010 mm^[17-18]；但其他省份如山东、内蒙古等地膜使用大省，仍使用0.008 mm限值标准。因此，修改地膜国家标准，提高地膜厚度变得势在必行。

我国在地膜应用过程中，存在地膜厚度应用现状不清，对作物产量和土壤环境影响的研究较少，缺乏相应的理论基础等问题。为了探讨我国北方主要覆膜作物的适宜地膜厚度，本研究于2011年在全国范围内针对棉花、玉米、马铃薯、花生等主要覆膜作物分别布置172、99、30、58个调查点，采用问卷调查的方法对我国地膜厚度应用现状进行系统调查。根据调查结果，2011-2013年，在新疆、甘肃、内蒙古、山东4省分别针对以上4种作物，通过设置不同的地膜厚度处理，分析地膜厚度对土壤温度和含水量、作物产量和经济效益以及地膜残留强度等因素的影响，最终确定主要覆膜作物的适宜地膜厚度。为我国修订地膜厚度标准，科学规范地使用地膜提供了理论支撑。

1 材料与方法 1.1 地膜厚度调查

为系统了解我国主要覆膜作物地膜厚度应用现状，2011年在全国范围内针对棉花、玉米、马铃薯、花生等主要覆膜作物分别布置172、99、30、58个调查点，采用问卷调查的方法对调查点所在地块农户进行调查，了解地膜厚度相关信息。调查点布置以作物覆盖面积为主，兼顾区域的空间分布，尽可能覆盖主要种植区。

1.2 试验地概况

2011-2013年，在新疆、甘肃、内蒙古以及山东分别开展为期3年的棉花、玉米、马铃薯和花生适宜地膜厚度研究试验：（1）棉花试验点位于新疆尉犁县（41.3°N，86.3°E），属于西北内陆地区，干旱缺水是新疆棉花生长的限制性因素，棉田的覆膜率接近100%；（2）玉米试验点位于甘肃省农业科学院张掖节水农业试验站（39.4°N，99.0°E），该点位于甘肃省河西走廊中部，干旱指数达15.96，属于典型干旱灌溉地区；（3）马铃薯试验点位于内蒙古农牧业科学院武川旱农中心（41.1°N，111.5°E），该区域属于中温带半干旱大陆性季风气候，早春温度较低；（4）花生试验点位于山东省泰安市（36.0°N，117.0°E），属于暖温带半湿润季风气候。各试验点气候特征及其基础土壤理化性质见表 1。

1.3 试验设计与方法

试验均采用大田随机区组设计，棉花、玉米、马铃薯以及花生分别设置4个不同地膜厚度处理，各作物的最低地膜厚度处理为对照（CK）。具体试验设计、地膜处理方式及施肥情况见表 2。

1.4 测定项目与方法

自玉米、马铃薯、花生覆膜开始，利用电子地温计（玉米、花生测定间隔为7 d）或自动温度探头（HIOK3912，日本）（马铃薯测定间隔为1 h或30 min，计算覆膜后各周的平均值，其中2011、2012年测定间隔为1 h，2013年测定间隔为30 min）测定膜下5 cm深度土壤温度，玉米至少连续观测30 d，直到玉米完全遮盖地膜，其余作物连续观测2个月。同时，采用烘干法测定0~20 cm土层土壤含水量。马铃薯和花生土壤含水量测定自覆膜后开始，间隔为7 d，连续测定2个月左右，玉米土壤含水量测定时间为第一次灌水后第5、9、17、25 d。

作物收获后，测定各作物经济产量。2011年试验开始前以及2013年作物收获后测定土壤中地膜残留强度，其中花生农田地膜残留强度测定时间为2011年作物种植前和2012年作物收获后，具体测定方法为：每个处理地块随机选取5个样方，每个样方大小为100 cm×200 cm，深度为20 cm，人工收集残膜。将采集到的残膜带回实验室用超声波清洗仪进行洗涤（>20 min），洗净后小心展开卷曲的残膜，放在干燥阴凉处自然风干，最后称取残留地膜的质量，即地膜残留强度。

相关计算公式如下：

地膜成本（元·hm^-2）=地膜用量×地膜单价

产值（元·hm^-2）=作物产量×作物单价

净收益（元·hm^-2）=产值-地膜成本-其他投入（化肥、农药、劳动力等）

新增纯收益率（%）=[（各处理净收益-CK净收益）/ CK净收益] ×100%

3年（或2年）累计残膜强度（kg·hm^-2）=试验后残膜强度-试验前残膜强度

残留系数（%）=3年（或2年）累计残膜强度/3年（或2年）累计地膜用量

1.5 数据处理

采用SPSS 19.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA），统计分析处理间作物产量、经济效益、地膜残留强度、残膜系数等显著性差异，多重比较采用Duncan法（P=0.05），平均值在P < 0.05水平下的任何差异具有统计学意义。利用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析 2.1 我国现用地膜厚度

我国现用地膜厚度范围较大，为0.004~0.025 mm，其中96.7%的地膜厚度集中在0.004~0.008 mm之间（图 1）。不同覆膜作物的地膜厚度分布特征略有差异，棉花、玉米以及马铃薯应用最广的地膜厚度为0.008 mm，分别占应用总量的43.6%、63.6%和63.3%；花生地膜用量最大的厚度为0.004 mm，占总用量的48.3%。

2.2 土壤温度和含水量

连续3年监测结果显示，地膜厚度对土壤温度影响较大（图 2），在玉米和花生监测期内，土壤温度基本呈现随着地膜厚度增加而增加的趋势，0.012 mm处理下玉米和花生的土壤平均温度达到最高，分别为29.8 ℃和32.7 ℃，比CK提高1.2~1.8 ℃。而对于马铃薯而言，其覆膜前期（1~40 d）土壤温度随着地膜厚度增加而增加，各处理增温效果大小顺序为0.012 mm>0.011 mm>0.008 mm>0.006 mm，覆膜40 d后，0.008 mm以上地膜比0.008 mm以下（包含0.008 mm）地膜增温效果差。

玉米灌水后土壤含水量监测结果显示（图 3），随灌溉天数增加，各处理土壤含水量均不断降低，与薄地膜（ < 0.008 mm）相比，厚地膜（≥0.008 mm）土壤水分减少速率相对缓慢，例如在灌水后第25 d，0.008、0.010、0.012 mm覆膜处理的土壤含水量为40.6~45.8 mm，高于0.006 mm处理土壤含水量（29.1 mm），即厚地膜的保墒作用强于薄地膜。对马铃薯和花生土壤含水量监测是从覆膜后开始，相同作物不同处理间土壤（0~20 cm）含水量随时间的变化趋势基本相同，且监测期内土壤水分含量受降雨及灌溉的影响变化幅度较大。马铃薯覆膜前40 d，土壤含水量基本表现为地膜越厚，含水量越大，40 d后随着地膜厚度增加，土壤含水量反而降低，与该作物土壤温度变化趋势基本一致。对于花生，各处理表现为随地膜厚度增加土壤含水量增加，各处理3年土壤含水量平均值范围为11.9~13.1 mm，其中0.008 mm地膜覆盖处理土壤含水量最高，为13.1 mm，比0.004 mm处理增加10.1%。

2.3 产量和成本效益

不同处理作物产量和经济效益结果显示（表 3），增加地膜厚度对不同作物的产量和经济效益影响不同。随着地膜厚度增加，棉花和玉米产量不断增加，0.012 mm处理下的棉花籽棉产量和玉米产量达到最大，分别是6 352.5、10 414.4 kg·hm^-2，比0.006 mm处理下产量提高4.0%和15.4%，其中玉米增产达到显著水平（P < 0.05）。对于马铃薯和花生而言，随着地膜厚度的增加，作物产量先增加后减少，两者产量均在0.008 mm处理时达到最大，分别为33 916.0、4 780.3 kg·hm^-2，但两者最低产量所对应的处理不同，在0.006 mm处理下，马铃薯产量最低（29 575.5 kg·hm^-2），而花生在0.010 mm处理下产量最低（4 620.4 kg·hm^-2）。

随着地膜厚度的增加，地膜用量显著增加（P < 0.05），地膜投入成本也随之增加。按照我国地膜市场售价12元·kg^-1计算，地膜厚度每增加0.002 mm，单位成本将增加163.2~270.0元·hm^-2。2011-2013年，籽棉、玉米、马铃薯以及花生的平均收购价分别为8.5、2.1、1.5、5.2元·kg^-1。从作物生产的净收益来看，棉花和玉米在0.012 mm处理下达到净收益最大，而马铃薯和花生在0.008 mm处理下净收益达到最大，其规律与作物产量规律基本相似。各作物最大净收益分别比最小净收益提高3.0%~14.5%。虽然地膜厚度对作物净收益水平有一定影响，但处理间净收益无显著性差异（P>0.05），同时增加地膜厚度对于不同作物的新增纯收益率影响不同，主要受到净收益水平的影响。

2.4 地膜残留强度与残留系数

从表 4可以看出，地膜厚度显著影响地膜残留强度（P < 0.05），除了马铃薯外，其余作物地膜残留强度和地膜厚度均呈显著负相关关系（P < 0.05），即随着地膜厚度的增加，地膜残留强度显著降低。棉花和玉米在0.012 mm处理下，3年累计地膜残留强度最低，分别为27.6、39.6 kg·hm^-2，在0.006 mm处理下地膜残留强度最大（60.6 kg·hm^-2和81.3 kg·hm^-2），是0.012 mm处理的2.1~2.2倍。花生在0.010 mm处理下，累计地膜残留强度最低（3.5 kg·hm^-2），比0.004 mm处理（10.7 kg·hm^-2）减少67.3%。对于马铃薯而言，土壤残膜强度则随着地膜厚度的增加而显著增加（P < 0.05），0.012 mm处理下3年累计残膜强度最高，达57.2 kg·hm^-2，是0.006 mm处理下残膜强度（15.3 kg·hm^-2）的3.7倍。

处理间地膜残留系数变化规律基本与地膜残留强度一致。棉花、玉米和花生地膜残留系数随着地膜厚度增加而降低。花生的地膜残留系数较低，各处理残膜系数范围为2.1%~16.2%，0.010 mm和0.004 mm处理土壤相差7.7倍。棉花和玉米0.012 mm处理下残留系数分别为9.1%和9.8%，与0.006处理相比，分别减少77.3%和75.6%。马铃薯残膜系数呈现随地膜厚度增加而增加的趋势，0.012 mm处理下其值为23.4%，是0.006 mm处理（12.5%）的1.9倍。

3 讨论 3.1 地膜厚度对产量的影响

增加地膜厚度有利于提高土壤保温保墒性能，但对不同作物土壤温度、含水量影响不同。随着地膜厚度的增加，玉米和花生监测期内土壤温度增加，与张富林等研究结果一致，认为增加地膜厚度可提高湖北省南瓜膜下0~5 cm土壤温度^[19]。其原因主要有以下两方面：一是厚地膜在铺设和应用过程中不容易破裂，其完整性有利于发挥地膜保温作用；二是地膜与地面存在一个稳定气层，相对于薄地膜容易贴服到土壤表面，厚地膜较好的延展性，有利于增加该气层的厚度，因而具有更好的保温效果。对于马铃薯而言，其覆膜前期（1~40 d）土壤温度随着地膜厚度增加而增加，覆膜40 d后，地膜较厚的处理增温效果比地膜较薄处理效果差。这是因为覆膜前期厚地膜处理增温效果显著，促进其苗期的生长发育，马铃薯长势优于薄地膜处理，其作物郁闭度提高，冠层的遮蔽导致辐射到地面的热量减少，所以土壤温度较低。王秀康等对玉米生育期覆膜与不覆膜土壤温度进行比较发现，玉米生长前期，覆膜处理土壤增温显著，玉米长势良好，而生长后期，覆膜处理玉米叶面积较大影响太阳光线的直接照射，造成该处理增温效果变差^[20]。地膜厚度对土壤含水量影响与温度变化趋势相同，增加地膜厚度可有效减少玉米灌溉后土壤水分蒸发，提高马铃薯苗期和花生整个生育期内土壤含水量，有利于作物产量和土壤水分利用率的提高^[21]。厚地膜增温保墒作用优于薄地膜，主要原因为，相同条件下厚地膜抗拉伸能力强，铺设及使用过程中不易破碎，其完整性对于发挥地膜保温保水作用至关重要^[22]。

所有覆膜作物中，玉米厚地膜处理（0.008~0.012 mm）籽粒产量显著高于薄地膜处理（0.006 mm）（P < 0.05），与该作物厚地膜处理下增温保墒作用显著密切相关。对于其他作物，各处理产量虽有差异，但达不到显著水平（P>0.05）。棉花籽棉产量随着地膜厚度增加而增加，0.012 mm处理下其籽棉产量比0.006 mm处理下增产4.0%。马铃薯和花生产量则随着地膜厚度增加表现出先增加后降低的趋势，0.012 mm处理马铃薯产量有所降低，可能因为覆膜后期该处理土壤增温保墒效果降低有关，而对于花生，应用厚地膜影响花生开花期果针下扎，从而造成减产^[23]。对于大多数作物使用厚地膜有一定的增产作用，但增产幅度有限，并且地膜越厚地膜投入量越大，成本越高，导致最终增产不一定增效。例如，新疆棉花0.006 mm和0.008 mm处理间以及甘肃玉米0.008 mm和0.010 mm处理间，均表现为后者的产量高于前者，但前者的净收益高于后者。可见，覆膜作物不同，地膜厚度对作物产量和经济收益的影响也不同，从效益最大化的角度来看，棉花和玉米0.012 mm处理下效益最高，而马铃薯和花生0.008 mm处理下效益最高。

3.2 地膜厚度对土壤环境的影响

由于种植区气候特征、土壤特性以及管理方式等方面差异，造成不同作物残膜强度随地膜厚度变化趋势不同，且作物间残膜强度差异较大。对于棉花、玉米以及花生等残膜进行回收的种植区，增加地膜厚度可显著降低土壤残膜强度，减少残膜污染。主要因为随地膜厚度增加，其抗拉伸强度和耐候性将有所增加，在应用和回收时不易破碎，有利于回收工作的进行，从而提高残膜回收率^[15]。但对于马铃薯而言，由于该地区马铃薯地膜回收力度较小，只是在作物收获时人工捡拾地表的大片残膜，造成土壤残膜强度随着地膜厚度的增加而显著增加（P < 0.05）。虽然厚地膜应用过程中，碎片化程度降低，但地膜厚度增加，造成单位面积残片质量增加，在不回收或回收力度较小的情况下，必然造成土壤残膜强度增加。

处理间地膜残留系数变化规律基本与地膜残留强度一致，棉花、玉米和花生随着地膜厚度增加其残留系数降低，马铃薯的残留系数则表现出随地膜厚度增加而增加。花生试验点位于华北地区，该地区人均土地面积小，劳动力充足，有利于精耕细作^[5]，导致各处理该地区地膜残留系数较低，地膜回收率均高于80%，达到《关于打好农业面源污染防治攻坚战实施意见》中实现残膜回收率达到80%以上的目标，与山东花生残膜系数定点监测试验中研究结果基本相同^[23]。棉花、玉米试验点位于西北地区，该地区人均土地面积大，覆膜历史悠久，地膜覆盖度高，机械回收不彻底，导致土壤中残膜率较高^[24]。地膜厚度分别达到0.008 mm和0.010 mm以上时，棉花和玉米残膜回收率才能满足80%以上的目标。对于马铃薯，由于回收力度较低，随着地膜厚度增加，地膜残留系数明显增加。由此看出，应用厚地膜的同时，应注重回收工作，才能达到有效降低土壤残膜强度，减少残膜污染的目的。

3.3 厚地膜应用前景

目前，我国地膜标准对强度和厚度要求偏低，导致现用地膜厚度较薄，96.7%的地膜厚度集中在0.004~0.008 mm之间。薄地膜在应用过程中强度低，易老化破碎，不利于地膜回收工作^[15]，是造成残膜污染问题重要原因之一；厚地膜具有强度高、耐老化和易回收特点，可为地膜回收创造有利条件^[16]。与其他减少残膜污染措施相比，例如应用降解膜，普通厚地膜具有成本低，机械强度高，增温保墒效果显著等优点，更适合大面积推广应用^{[11, 25-26]}。近年来，部分地区推广应用厚地膜后，农民为减少投入成本，出现厚地膜一膜两年用甚至一膜三年用现象^[27]。为了避免厚地膜一膜两年用后残膜污染加重，厚地膜生产过程中应适当增加延伸剂和抗老化剂的用量，使其使用两年后，不易碎片化，容易从田间清除，以满足部分地区一膜两年用需求。

综上所述，推广应用厚地膜是当前解决残膜污染众多措施（加大机械回收力度、推广应用可降解地膜等）中最经济有效的方法之一，国家相关部门应尽快修订完善相关标准，并在修订标准时综合考虑资源成本，增加地膜厚度，提高拉伸负荷、耐老化性能。本研究建议地膜厚度在0.010~0.012 mm之间较为适宜。

4 结论

从增产增效的角度，增加地膜厚度对于大多数作物有一定的增产作用，但增产幅度有限，而地膜越厚成本越高，最终导致增产不一定增效。从减少地膜污染的角度，地膜越厚回收效果就会越好，对于保护环境，缓解白色污染具有重要意义。综合考虑，虽然增加地膜厚度会在一定程度上增加农业生产成本，但为了解决地膜残留问题，提高我国地膜厚度标准势在必行。本研究建议地膜厚度为0.010~0.012 mm较为适宜。