2021, Vol. 40
2. 青岛农业大学资源与环境学院, 山东 青岛 266109;
3. 农业农村部农业生态与资源保护总站, 北京 100125;
4. 禹城市农业农村局, 山东 禹城 251200
2. School of Resources and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;
3. Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125, China;
4. Yucheng Agricultural and Rural Bureau, Yucheng 251200, China
地膜覆盖栽培在提高农田水分利用率、增加作物产量和提升农业生产力等方面效果显著，同时在改善农业种植格局、扩大农作物种植区域等方面亦起到积极作用，已成为当前国内外广泛使用的农业技术，在我国现代农业生产中发挥了重大作用[1-3]。截至2019年全国农膜使用总量达到240.8万t，其中地膜137.9万t，地膜覆盖种植面积达到1 762.8万hm2，约占耕地总面积的12.1%[4]。地膜作为一种高分子聚合物在自然条件下短期内很难降解，其不合理的应用导致我国农田生态环境出现严重的“白色污染”问题[5]。随着土壤中地膜残留量日益增加，土壤团聚体稳定性降低[5-6]，土壤水分与养分的正常运移受阻[7]，作物产量下降[2, 8]；地膜和残膜中增塑剂、抗氧化剂等添加剂直接释放到土壤中成为有机污染物造成二次污染[7, 9-10]；残膜在土壤中进一步破碎形成微塑料，与土壤中的重金属、有机污染物形成复合污染物对生态环境造成不良影响[11-12]。地膜在土壤中长期残留对农田产地环境健康造成严重负面影响，不利于我国农业可持续发展。
当前，我国农田的残膜污染比较严重，大部分农田耕层土壤均存在不同程度的地膜残留污染，一般农田残留量可达60~300 kg·hm-2，少数地块甚至超过450 kg·hm-2 [3, 13]。由于农膜使用总量和种植模式存在明确的区域特征，导致残膜地域分布差异很大[11, 13-14]。新疆、甘肃、内蒙古等地区由于气候干旱、水资源紧缺，地膜用量大、覆盖面积广，导致这些地区残膜污染较严重[1, 3, 14]，已经成为这些区域农业面源污染防控中不可回避的问题；山东、河南、四川等地区为保墒、防虫草害亦大量使用地膜，导致这些区域也出现残膜污染问题[15]；上海、天津、北京等地区耕地少、设施农业比重高，地膜使用强度大，导致这些区域也出现不同程度的残膜污染[11, 13]。随着我国地膜覆盖面积逐年增加，农田残膜造成的“白色污染”已经成为农业产地环境的重大威胁之一[1, 16]。
相关学者已对农田地膜残留特征做了大量研究，显示残膜在土壤耕作层中的分布和形态状况受覆膜年限、耕作方式、覆膜方式等的影响[13, 16-19]。覆膜年限是影响土壤中地膜残留量的主要因素，农田残膜量与覆膜年限之间一般呈现正相关关系[15-20]。何文清等[21]和严昌荣等[16]对国内农田残膜数据综合分析发现，随覆膜时间的增长，残膜量和残片数逐渐增多。杜泽玉等[14]对河西走廊张掖绿洲105个农田样地调查分析表明，覆膜年限是地膜残留量空间变异的主要因素，连续覆膜10 a以上，农田地膜残留量显著增加。此外，覆膜方式也是影响残膜含量的重要因素之一。董合干等[17]通过调查新疆棉田土壤残膜污染情况，发现连续覆膜25 a后，残膜密度和残片数分别达405 kg·hm-2和1 376万片·hm-2，农田残膜的总质量和数量均随覆膜年限的增长而直线增加，残膜密度和残片数以每年13.66 kg·hm-2和40.02万片·hm-2的速度递增。胡灿等[19]发现残膜在农田耕层土壤中总的趋势是上层和中层残膜量高于下层残膜量，受深耕、旋耕等耕作方式的影响，随覆膜年限的增加而逐年下移。贺怀杰等[22]研究发现，新疆棉田土壤残膜主要集中分布在0~15 cm土层内，面积大于30 cm2，随着覆膜年限和旋耕次数的增加，逐渐下移到15 cm以下土层内，且面积和质量较小的残膜在35~ 40 cm深层土壤中明显增多。
花生是一种重要的油料作物和经济作物，2018年全国花生播植面积为461.97万hm2，在我国种植业结构中占有重要地位。山东省是我国花生传统种植区域，2018年种植面积达到91.33万hm2，占全国种植面积的19.77%[4]。花生是山东地膜覆盖技术应用较早的作物，覆膜面积达到70%以上[23]。长期和大面积覆膜种植，导致该区域花生耕地土壤农膜不断积累，残膜含量达到23.98 kg·hm-2 [20, 23]，可能会对该地区花生种植土壤生态环境造成影响。当前关于山东农田残膜赋存情况研究大多集中在农膜残留分布特性调查及影响因素分析方面[13, 20, 23]，但这些研究大多样本量较少且没有针对花生种植体系。因此，亟待增加调查区域与样本量，对山东花生典型种植区地膜使用、地膜残留空间分布及污染状况进一步翔实了解。因此，本次研究采用问卷与实地调查相结合的方法，分别对山东省四大花生主产区（胶东半岛、鲁中南山区、鲁西平原和鲁北平原）地膜使用、回收与残膜污染现状进行了调研，并对相关样地土壤样品取样，分析地膜残留量、残片数量及在土壤中的空间分布特征，旨在为该地区花生田地膜的科学使用及残膜回收提供相应的数据支持，同时为全国花生种植耕地土壤残膜污染评价提供依据。
1 材料与方法 1.1 实验样地选择山东省胶东半岛（青岛胶州市、烟台栖霞市）、鲁中南山区（临沂莒南县）、鲁西平原（聊城高唐县、德州宁津县）和鲁北平原（滨州惠民县、滨州沾化县）四大花生主产区作为残膜调查的代表性区域。样地选择首要标准是连续覆膜种植花生农田，此外，考虑到覆膜年限、地膜用量、土壤质地等影响因素，每个典型区域选择4~5个样地作为调查对象，共计18个样地（图 1和表 1）。
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图 1 地膜采样点分布 Figure 1 Location of the sampling sites |
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表 1 花生种植区域地膜使用及回收情况（2019年） Table 1 Input and recovery of plastic film in peanut planting area(2019) |
2019年4月，为防止影响花生种植，在花生整地播种前进行残膜样品采集，每个样地随机选取3个样方，采样面积为1 m2（100 cm×100 cm）。首先剥离表层地膜，以10 cm为一层，分别按照0~10、10~20 cm和20~30 cm 3个土层取土，分别过10目筛，拣出肉眼可见残留地膜，残膜收集后，尽量恢复土壤原貌。
1.3 残膜样品处理将收集到的残膜带回实验室，先用自来水冲洗残膜带有的大部分土壤和杂物，然后用超声清洗仪（BRANSON 5800）进一步洗涤30 min，之后用滤纸吸干残膜上水分，小心展开卷曲的残膜（防止残膜破裂），放在干燥处自然风干后，用万分之一电子天平称其质量，计算地膜残留量；再将展开的残膜置于带网格（1 cm×1 cm）的A4纸张上，分别以残膜面积 < 4、4~25 cm2和 > 25 cm2为标准，分类统计所收集残膜的数量。
1.4 问卷调查取样检测的同时，对拥有地块的农户进行问卷调查。调查内容包括覆膜年限、覆膜量、地膜厚度、回收量、回收方式、土壤类型。由表 1可知，调查样地花生种植覆膜年限在1~15 a，地膜每年使用量为60~75 kg·hm-2，地膜厚度0.008~0.010 mm，其中0.010 mm的膜占50%以上，每年地膜回收率77%以上，鲁北平原回收率达到84.38%。
1.5 数据分析基于SPSS 22.0，运用单因素方差分析（One-way ANOVA）进行各项指标之间的差异性分析。文中数据均为平均数±标准误，用Origin 2020作图。
2 结果与分析 2.1 典型花生种植区残膜分布特征4个典型区域残膜分布情况如图 2所示。花生耕层土壤中残膜平均含量在16.51~19.84 kg·hm-2，4个区域差异不明显。胶东半岛农田土壤残膜量为2.48~46.01 kg·hm-2，鲁中南山区残膜量为4.11~38.50 kg· hm-2，鲁西平原残膜量为4.05~40.61 kg·hm-2，鲁北平原残膜量为3.07~29.65 kg·hm-2。对比《农田地膜残留量限值及测定》（GB/T 25413—2010），农田地膜残留量限值为75 kg·hm-2，山东典型花生种植区域土壤残膜均低于残留量限值。
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不同字母表示不同区域之间差异显著（P < 0.05） Different letters indicate significant differences among regions(P < 0.05) 图 2 不同区域土壤残膜含量 Figure 2 The film residual amount of different regions |
不同覆膜年限土壤残膜含量和数量如图 3所示。随着覆膜年限增加，土壤残膜含量和数量有逐渐增加趋势。与1~5 a相比，6~10、11~15 a样地残膜含量显著增加了171.57% 和376.98%（P < 0.001）（图 3A）。与1~5 a相比，6~10、11~15 a样地残膜数量显著增加了99.05%和190.77%（P < 0.001）（图 3B）。
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不同字母表示不同覆膜年限之间差异显著（P < 0.05） Different letters indicate significant differences among different mulching years (P < 0.05) 图 3 不同覆膜年限土壤残膜含量和数量 Figure 3 The residual film amount and quantity of different mulching years |
不同土层残膜含量随覆膜年限增加而增加（图 4A）。0~10、10~20 cm和20~30 cm土壤残膜含量均表现为1~5 a < 6~10 a < 11~15 a，不同覆膜年限间差异显著（P < 0.01）。1~5 a样地，与0~10 cm土层相比，10~ 20 cm和20~30 cm层残膜含量分别显著降低了82.7% 和95.4%（P < 0.001）。6~10 a样地，与0~10 cm土层相比，10~20 cm和20~30 cm层残膜含量分别显著降低了79.6% 和92.5%（P < 0.001）。11~15 a样地，与0~10 cm层相比，10~20 cm和20~30 cm层残膜含量分别显著降低了75.4%和86.1%（P < 0.001）。
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不同大写字母表示相同覆膜年限不同土层之间差异显著；不同小写字母表示相同土层不同覆膜年限之间差异显著（P < 0.05）。下同 Different capital letters indicate significant differences among different soil layers in the same mulching years; different lowercase letters indicate significant differences among different mulching years in the same soil layer (P < 0.05). The same below 图 4 不同覆膜年限土壤残膜空间分布特征 Figure 4 Spatial distribution characteristics of residual film amount in different mulching years |
土壤残膜主要分布在浅层土壤（0~10 cm），其含量总体呈现随深度增加而逐渐降低，且随着覆膜年限增加，残膜表现出向深层土壤下移趋势（图 4B）。0~ 10 cm残膜含量所占比例为74.95%~84.08%，表现为11~15 a < 6~10 a < 1~5 a，其中与1~5 a相比，11~15 a含量所占比例显著降低（P < 0.05）。10~20 cm所占比例为12.32%~16.25%，表现为1~5 a < 6~10 a < 11~15 a，与1~5 a相比，11~15 a所占比例显著增加（P < 0.05）。20~30 cm所占比例为3.5%~7.8%，与1~5 a相比，11~ 15 a所占比例显著增加（P < 0.01）。
不同土层残膜数量也呈现随覆膜年限增加而增加趋势（图 5A）。调查样地残膜数量范围在16~82万片·hm-2，0~10、10~20 cm和20~30 cm残膜数量变化均表现为1~5 a < 6~10 a < 11~15 a，不同覆膜年限间差异显著（P < 0.01）。1~5 a样地，与0~10 cm层相比，10~20 cm和20~30 cm层残片数分别显著降低了75.2% 和90.8%（P < 0.001）。6~10 a样地，与0~10 cm层相比，10~20 cm和20~30 cm层残片数分别显著降低了70.6% 和86.8%（P < 0.001）。11~15 a，与0~10 cm层相比，10~20 cm和20~30 cm层残膜含量分别显著降低了69.9%和82.7%（P < 0.01）。
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图 5 不同覆膜年限土壤残膜数量空间分布特征 Figure 5 Spatial distribution characteristics of soil residual film quantity in different mulching years |
土壤残片主要分布在0~10 cm层，残片数随深度增加而逐渐降低，随种植年限增加，残片呈现向深层土壤下移趋势（图 5B）。0~10 cm残膜所占比例为67.82%~74.66%，表现为11~15 a < 6~10 a < 1~5 a，其中与1~5 a相比，11~15 a所占比例显著降低（P < 0.05）。10~20 cm所占比例为18.48%~20.62%，不同覆膜年限之间差异不显著。20~30 cm所占比例为6.86%~ 11.72%，与1~5 a相比，11~15 a残片数所占比例显著增加（P < 0.01）。
随覆膜年限增加耕层土壤中小面积残片数量和比例有增加趋势，随深度增加小面积残片比例有增加趋势（表 2和表 3）。1~5、6~10、11~15 a样地 > 25 cm2残片数量和比例均显著低于4~25 cm2和 < 4 cm2（P < 0.01）（表 2）。> 25、4~25 cm2和4 cm2残片数均呈现随覆膜年限增加而增加，而其所占比例分别表现为随覆膜年限增加而降低、变化不明显和增加趋势。不同大小残片主要集中在土壤浅层（0~10 cm），且均随土壤深度的增加而降低，3个土壤深度均表现为 > 25 cm2残片数显著低于4~25 cm2和 < 4 cm2残片（P < 0.01）（表 3）。0~10 cm层 > 25 cm2残片比例显著高于4~25 cm2和 < 4 cm2（P < 0.01），而10~20、20~30 cm层 > 25 cm2残片比例显著低于 < 4 cm2（P < 0.01）。
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表 2 不同覆膜年限不同面积残膜分布特征 Table 2 The residual film quantity of different sizes in different mulching years |
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表 3 不同深度残片分布特征 Table 3 Spatial distribution characteristics of residual film quantity in different layers |
由图 6可知，花生耕层地膜残留量与覆膜年限、种植过程中覆膜总量呈现显著正相关性（R2=0.865和R2=0.844，P < 0.001），而与残膜回收率之间关系不显著，与地膜厚度呈现显著负相关关系（R2=0.606，P < 0.001）。可见，覆膜量、覆膜年限及地膜厚度是影响花生耕层土壤残膜含量的关键因子。因此，适当控制覆膜量、使用厚度较高的地膜对减少花生种植土壤残膜积累起到积极作用。
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图 6 残膜含量与覆膜年限、覆膜量、回收率和地膜厚度关系 Figure 6 Relationship between residual film amount and mulching years, mulching amount, recovery rate and film thickness |
本研究对山东典型花生种植地区18个样地土壤耕层（0~30 cm）的残膜调查发现，残膜含量介于2.48~ 46.01 kg·hm-2，远低于新疆和甘肃覆膜农田残膜含量[14-15, 19, 24]，与徐钰等[23]和郝西等[25]对华北花生田残膜研究结果一致，低于张丹等[20]调查的华北农田土壤耕层地膜残留分布范围（0.2~82.2 kg·hm-2）。主要原因是该区域花生种植中使用的地膜厚度在0.008 mm以上，有利于地膜回收，地膜年回收率在77% 以上，有效减少农田中土壤残膜累积。地膜残留量是农田残膜污染的最主要衡量指标，反映了长期覆膜种植下土壤中的残膜量化值[15, 17]。对比《农田地膜残留量限值及测定》（GB/T 25413—2010），农田地膜残留量限值为75 kg·hm-2，山东典型花生种植地区所有调查样地土壤残膜未超过国家农田残膜限值标准。由此，山东花生种植区残膜污染状况较轻。
国内外众多研究表明农田地膜残留量与地膜质量、覆膜年限、回收方式、耕作、土壤质地等因素密切相关[13, 16, 26]，本研究区域地膜残留量与地膜质量、覆膜年限密切相关（图 6）。地膜厚度作为地膜质量的重要标志，是影响大田农膜残留的主要因素。张丹等[27]和徐钰等[23]研究均证实，农田土壤地膜残留量与地膜厚度成反比，这与本文研究结果一致。究其原因是地膜越薄，其强度越低，地膜越容易破碎，不易捡拾，回收率就越低，导致土壤中地膜残留量增加。覆膜年限和覆膜量是决定农田地膜残留的最关键因素，对新疆[19, 24]、甘肃[14]及华北[20, 26]等地区的残膜调查研究均表明随着覆膜年限的增长，地膜残留量也逐渐增加，本研究区也得出相同结论（图 3和图 6），随着覆膜年限增加，花生耕层土壤中残膜数量及残膜含量逐渐上升。前人研究表明，地膜回收率对减少残膜累积有积极作用[16, 23, 25-26]，但本研究没有直接得出残膜积累量与地膜回收之间的关系，这是由于地膜调查回收率仅代表该区域2019年地膜回收情况，而调查区域每年的残膜回收率有差异，因此残留量与回收量之间关系不明显。土壤质地也是造成残膜含量差异的重要因素之一[23, 25]。本研究中胶东半岛最高地膜残留为46.01 kg·hm-2，高于鲁北平原的29.65 kg·hm-2，这可能是两个地区耕地土壤质地差异造成的。本调查中所选鲁北平原的样地均是砂土（表 1），利于残膜捡拾，残膜回收率高，而胶东半岛调查样地以黏土和壤土为主，不利于残膜捡拾，残膜回收率稍低[23]。在覆膜量和覆膜年限相同条件下，砂土的地膜残留量少，残留风险低。因此，山东典型花生种植区地膜残留受地膜厚度、覆膜年限、覆膜量和土壤质地的综合影响。
3.2 耕层土壤残膜分布规律及影响因素本研究发现，花生田残膜在土壤中呈现典型层状空间分布特点，主要集中在0~10 cm浅层土壤中，随着土层深度的增加，其残膜含量和残片数量有减小的趋势，且随着覆膜年限增加，土壤深层残膜含量、残片数量尤其是 < 4 cm2的小残片逐渐增加。这与贺怀杰等[22]在新疆、王志超等[28]在内蒙古、马辉等[26]在河北和VINOTH等[5]在印度农田中的研究结果一致，随着覆膜年限的增加残膜逐渐向深层移动，虽然土壤上层的残膜量高于下层，但其比例在下降，且小面积残片数和残膜比例也逐渐增加。这种现象主要原因可能是随覆膜年限增加，在物理、化学、生物等自然因素及旋耕等人为因素综合作用下，残膜破碎化程度显著加大[26]；当地农民缺乏足够的残膜污染意识，同时受农膜回收时间、成本等问题制约及缺乏相应政策的支持[29-30]，致使大量小面积残膜存留于土壤中；在耕作（深耕、旋耕）和风化等作用下，耕层小面积残膜含量和数量不断增高，且逐渐向深层移动[22, 28]。这将加大长期覆膜农田的残膜回收难度。
3.3 地膜残留防治策略虽然山东典型花生种植区土壤农膜残留没有超过国家标准，但也不能忽视地膜残留的防治。通过借鉴国内外地膜使用和回收政策、标准[30-31]，可从下列三方面积极探索，为该地区花生种植系统的地膜污染防治提供支撑：一是增加地膜厚度，研究适时揭膜回收技术和装备，加强地膜回收，提高残膜回收率，从根本上减少地膜残留量；二是研发和推广性价比优良的可降解地膜替代传统的聚乙烯地膜，减少土壤环境中地膜残留；三是建立完整的废旧地膜回收、处理制度和体系，进一步遏制可能出现的地膜污染。
4 结论（1）山东花生典型种植区耕层（0~30 cm）土壤地膜残留量在2.48~46.01 kg·hm-2，低于我国农田残留量限值。覆膜年限越长耕层残膜含量和残片数量就越多，且残膜量受覆膜年限、地膜厚度、土壤质地的综合影响。
（2）土壤残膜主要集中在0~10 cm，其残膜含量和残片数分别占总量的74.95%~84.08% 和67.82%~ 74.66%；残膜含量和残片数均随深度增加而逐渐降低，随种植年限增加，残膜呈现向深层土壤下移的趋势。> 25、4~25 cm2和 < 4 cm2残片数均随土壤深度的增加而降低，随覆膜年限增加，深层土壤（20~30 cm）面积较小的残膜呈增加趋势。
（3）建议采取适当措施增加地膜回收及可降解地膜的研发和使用，防止该地区花生种植体系中可能出现的地膜污染。
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