地膜殘留危害與防控分析范文
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自20世紀70年代后期以來，地膜覆蓋技術在我國農作物生產中的應用已逾三十年之久。該項技術的推廣應用，極大地提高了玉米、小麥、棉花、馬鈴薯等大宗作物和多種園藝作物的單產，并在多數地區實現了作物生產由一年一季到兩季甚至多季的變化，已成為保障我國糧棉生產安全和農業現代化發展的重要措施之一。但現行的地膜為理化性質相對穩定的石化產品，其殘留于土壤環境中的碎片在幾十年乃至上百年的時間內也很難徹底降解。殘膜在農田中的長期積累會導致土壤耕層理化性質和生物學性質的劣變，影響農作物的生長發育，進而導致作物減產、品質變差［1］。因此，伴隨著作物地膜覆蓋栽培技術的廣泛推廣，農田殘膜污染問題已成為我國農學界和環境學界關注的一大焦點，學者們對殘膜在農田中的分布規律及其導致的土壤性質惡化、作物生長發育受阻乃至減產的原因、防治措施等方面進行了大量的研究。對這些研究成果進行分析綜述，將有利于了解和把握我國該研究領域的基本情況，抑或能啟迪新的研究思路和方法。本文僅以從“中國知識資源總庫”（CNKI）檢索到的相關中文文獻（1979—2010年）為基礎資料，就我國30年來在這一領域的研究做一綜述，供相關科技工作者參考。
1影響農田地膜殘留量的因素
覆膜農田的地膜殘留量主要決定于連作（覆膜）年限和間隔年限，隨著連續覆膜年限的增加而增多，隨著間隔年限的增加而減少。土地耕翻與整地的時間與方式也是影響地膜殘留量的重要因素，秋季整地田塊的殘膜量明顯低于春季整地的地塊，人工翻地的地膜殘留量低于機械耙地。所用地膜的幅寬也影響殘膜量，地膜越寬，殘留越少［2］。李秋洪在湖北調查，當玉米田地膜投入量為45kg•hm－2時，連續使用1～8年的殘膜量由26．55kg•hm－2增加至81．6kg•hm－2，平均每年增加殘留量達10．76kg•hm－2，殘膜量為地膜投入量的1／4；花生田地膜使用量為105kg•hm－2時，連續使用5年的平均年殘留量為28．02kg•hm－2，殘留率為26．7％，且殘膜量與連續覆膜年限呈正相關［3］。劉建國等在新疆棉田的研究［1］、馬輝等在華北棉田的研究［4］，以及楊彥明等在內蒙古15個試點的研究［5］也得出了相似的結果。農田殘膜量的演變趨勢與所使用地膜厚度的變化有關，并呈現明顯的階段性。劉祥雷等報道，1991—1999年，山東營南縣農田殘膜量前3年呈微幅增長態勢，2年累計增長6％；中間3年為縮減期，2年降幅達25．94％；后3年為相對穩定期。分析認為，出現這種階段性的主要原因是9年間使用的地膜由較厚（0．006～0．007mm）到超薄（0．003～0．004mm）的變化［6］。作物的種植模式對殘膜量演變的影響更重要，單作栽培時殘膜量明顯少于輪作栽培。另外，覆膜農田土壤的殘膜量與作物品種特性也有關聯。嚴昌榮等比較了石河子棉區不同種植方式和覆膜年限的地膜殘留狀況，結果連續覆膜單作棉花20年和10年的殘膜量分別為307．9kg•hm－2和259．7kg•hm－2，而棉花—番茄輪作10年的殘膜量高達334．4kg•hm－2［7］。李江蘇等觀察，稻田殘膜量的多少有常規水稻大于雜交水稻的趨勢［8］，這可能與雜交水稻根系對殘膜的肢解能力強于常規水稻有關。
2農田殘膜的形態及其在土壤中的分布
農田殘膜主要以碎片的形式分布于土壤淺層，并隨著覆膜年限的延長逐年下移。陳晶等調查發現，殘膜主要分布在0～10cm耕層（71．8％），10～20cm土層占22％，20～30cm土層僅占6．3％；并隨著覆膜年限的增加，下層土壤中的殘膜逐漸增多。殘膜大小以100cm2左右的最多（73．7％），20～100cm2的占20．2％，2～20cm2的占6％，小于2cm2的僅占0．1％；且隨著覆膜時間和間隔時間的延長，大塊殘膜的比例逐漸減少［2］。武崇信等發現，由于受耕作和覆膜作業等因素的影響，覆膜棉田中的殘膜碎片呈水平、垂直、傾斜、球狀、棒狀等多種形態存在，但不論何種形態，都以10～20cm2的碎片所占比例最大（73．9％）［9］。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。馬輝觀察，在棉田0～20cm土壤中，殘膜碎片的數量淺層顯著多于深層，并以小膜（＜4cm2）最多，中膜（4～25cm2）次之，大膜（＞25cm2）最少［4］；在棉田0～10cm土層中，覆膜10年的碎片數明顯低于覆膜2年和5年；而在10～30cm土層中，則是覆膜10年的殘片數量最多［4］。覆膜作物的種植制度也影響到殘膜碎片的大小，輪作時不利殘膜的進一步裂解。嚴昌榮等報道，單作棉花的土壤中小塊殘膜所占比例大，而番茄—棉花輪作時大塊殘膜比例大［7］。與殘膜數量在土壤中的垂直規律分布一樣，殘膜質量的分布也有淺層大于深層的趨勢。武崇信等報道，華北棉田0～10cm土層的殘膜片數占58．5％～76．4％，10～20cm土層占22．3％～35．1％，20～30cm土層占1．3％～6．4％。殘膜質量也以0～10cm土層最大，10～20cm次之，20～30cm最小。殘膜碎片在土壤中的垂直分布深度與覆膜年限也有關聯，連續覆膜時間越長，殘膜進入深層土壤的機會就越大［9］。殘膜碎片面積的差異也與連作年限有關，表現為連作年限越長，地膜的破碎度越高，即面積較大的殘片數量越來越少。劉建國等調查，棉田土壤中大于100cm2的地膜殘片數連作5，10，15，20年分別比種植1年下降40％，66．19％，66．67％，77．14％；而小于10cm2的殘片數量分別是種植1年的1．9倍、2．37倍、2．94倍、3．6倍，這與作物根系的長期穿插分割及地膜的自然裂解有關［1］。
3殘膜對農田土壤理化性質的影響
3．1對土壤物理性質的影響
殘膜滯留于農田產生的物理阻隔作用導致土壤孔隙度和容重的變化，隨著殘膜量的增加，土壤孔隙度呈現逐漸下降的態勢，而土壤容重則逐漸上升［10－14］。由于地膜殘片使水分和空氣的運行受阻，還會導致土壤含水量降低。李青軍等報道，棉田殘膜量分別為225kg•hm－2，450kg•hm－2，900kg•hm－2時，土壤含水量分別比對照（無殘膜）減少1．29百分點、4．39百分點、11．22百分點。殘膜還顯著影響土壤水分的上移和下移滲透，且對下移的影響大于上移。武崇信等研究表明，殘膜量為1440kg•hm－2的棉田，土壤水分的上移滲透系數減慢46．7％，下移滲透系數減慢84．1％，殘膜量（x）與水分下滲速度（y）呈冪函數曲線（y＝57．6x－0．5641）關系，并達到F檢驗極顯著水準［9］。長期實施秸稈還田等良好的農田培肥制度有助于減輕殘膜對土壤結構的破壞效應。劉建國等報道，不同覆膜年限間新疆棉田土壤容重的變化差異不顯著，而孔隙度則隨覆膜年限和殘膜量的增加呈上升趨勢；田間持水量隨著覆膜年限的延長而逐漸上升，連作5年、10年、15年、20年分別比種植1年的提高13．14％，6．29％，22．85％，26．86％［1］。這個結果之所以與其他人的研究不同，其原因與新疆棉區長期堅持的秸稈還田對土壤結構的改善作用大于殘膜對土壤結構的破壞作用有關。
3．2對土壤生物及化學性質的影響
殘膜在導致耕層土壤物理結構破壞的同時，還影響土壤養分的釋放，導致肥力下降。由于大量殘膜在土壤耕作層內構成的薄膜隔離層會影響微生物的活性，從而不利于土壤養分的礦化釋放和肥力的提高［15］。同時，由于分布于淺層土壤的殘膜對水分的下滲具有物理阻隔作用，在蒸發量較大的灌區會導致農田土壤次生鹽漬化，烏甫爾江•托乎提等在新疆棉田上的調查證實了這一點［14］。受土壤培肥制度的制約，不同覆膜年限對土壤養分含量的影響程度相同，總的表現為對土壤堿解氮的含量影響小，隨著覆膜年限的延長有效磷的含量明顯下降。據劉建國等測定，新疆覆膜棉田堿解氮的含量連作5年、10年、15年、20年分別為種植1年的1．48倍、1．58倍、1．78倍、2．52倍；有效磷的含量則呈相反的趨勢，連作10年、15年、20年分別相當于種植1年的70．86％，77．91％，61．66％；土壤有效鉀的含量則呈現先增加后減少的趨勢［1］。
4殘膜對作物生長發育及產量和品質的影響
4．1影響作物出苗和幼苗的成活
農田殘膜的機械阻隔作用及其帶來的土壤物理性質的惡化會導致作物出苗困難和幼苗成活率降低。武崇信等調查，殘膜量為720kg•hm－2和960kg•hm－2時，棉花出苗率分別比對照降低10．5％和17．3％；死苗率也隨著殘膜量的增加而增加，較對照高1．0～6．4百分點。分析出苗困難和死苗率升高的原因，一是播種到殘膜片上的種子難以吸收足夠的水分供膨脹發芽出土，或幼根不能穿透膜片導致不能出苗；二是播種到殘膜片下的種子發芽后不能將膜片一同頂出，或因膜下高溫導致死苗［9］。覆膜農田作物出苗率降低和幼苗死亡增多的另一個原因是殘膜導致的爛種和爛芽。王序儉等報道，新疆兵團棉田殘膜污染區的爛種率平均比對照高出1．7百分點，爛芽率平均高出1．58百分點；出苗率平均降低5．1百分點，最高降低11．3百分點［15］。對棉田進行翻耕、播種時，大量殘膜會纏繞機具而不利耕作，容易堵塞播種機和點播機的播種孔，影響播種質量，也會造成缺苗斷壟［16－17］。為了減輕殘膜導致的出苗困難帶來的產量損失，人們不得不增加播量或進行補苗。楊素梅等調查，在寧夏賀蘭縣四十里店鄉，為了使覆蓋過地膜的麥田達到全苗，必須增加播量75kg•hm－2以上，瓜菜作物必須補苗才能保產［18］。盡管殘膜導致作物難以出苗和幼苗死亡率高的因素很多，但主要原因是其引起的土壤孔隙度下降和容重的上升［19－21］。
4．2對作物根系的影響
殘膜對作物根系的影響首先表現為生長受阻，殘膜量的大小影響這一作用的強弱。據李洪秋分析，殘膜量與玉米地下部分鮮重的相關系數為－0．99，呈極顯著負相關［3］。趙素榮等報道，作物的根長和根重都隨著地膜殘留量的增加而減少［22］。在蔬菜作物上，陳晶等的分析表明，殘膜量與茄子的主根長呈顯著負相關，與根重相關不顯著；與白菜的根重與主根長都呈顯著負相關［2］。在不同深度的土層，殘膜對作物根系生長的影響不同。李青軍等報道，在新疆棉田的淺層土層（0～40cm）中，殘膜具有刺激棉花根系生長的作用，根表面積、根長、密度均隨著殘膜量的增加而增加；在深層土壤（40～100cm）中，殘膜則阻礙根系的生長，根表面積、根長、密度均隨著殘膜量的增加而大幅下降，這可能是由于上層根系過度消耗水分和養分的緣故［12］。還有研究指出，作物實行寬窄行栽培時，殘膜對根系的影響與殘膜數量有關。在覆膜灌溉條件下，一般窄行的根系量高于寬行；而當土壤中的殘膜量較大時，這一規律則發生變化，窄行的根系量小于寬行［23］。殘膜的機械阻礙作用還會刺激作物根系發生畸變，連作年限較短、大片殘膜較多時畸形根的比例較大。劉建國等在新疆棉田發現，覆膜連作棉花的根系有直根型（正常根）、叢生型（苗期受下部團聚體殘膜或平展殘膜的阻礙而使根基部膨大，刺激側根發達而致）、雞爪型（根系受斜向殘膜的影響斜向生長導致）3種類型。隨著連作年限的增加，正常根的比例提升，連作5年、10年、15年、20年分別是種植1年的65．8％，69．4％、75．75％，78．5％；在不同年限連作的棉田中，直根型平均占60．9％，叢生型占16．5％，雞爪型占22．6％，畸形根比例共39．1％。其中連作5年和10年的棉田中畸形根比例最高，分別為45．8％和45．7％［1］，這與作物連作年限較短時土壤中的大片殘膜的比例較高有關。
4．3對作物地上部分生長的影響
殘膜對作物幼苗的生長不利，減少作物優質苗的比例。向振今等的模擬研究表明，殘膜量為37．5kg•hm－2時玉米的一類苗比例減少16．9％；75．0kg•hm－2時一類苗比例減少34．2％；112．5kg•hm－2時一類苗比例減少40．6％［11］。李洪秋等經相關分析認為，殘膜量對玉米一類苗的比例具有顯著的不良影響［3］。殘膜對作物地上部分的影響程度在不同的器官上表現不同。武崇信等試驗結果，殘膜對棉花的株高、地上部分的總生殖量無顯著影響，但對單株結鈴數、落鈴率等產量性狀有一定的影響，單株成鈴數比對照減少0．4～12個，落鈴率增加3．9％～5．5％［9］；烏甫爾江•托乎提的研究也指出，殘膜可導致棉花現蕾期推遲和株高降低［14］。殘留量是影響殘膜對作物地上部分生長發育抑制程度大小的重要因素。安志信等調查，在720kg•hm－2殘膜處理區，茄子植株地上部的莖、葉、果實對氮、鉀的攝取能力沒有顯著變化，而磷的含量均低于對照［24］；蔣麗萍等發現，番茄的株高、莖粗、葉片數、植株干重在土壤殘膜量360kg•hm－2以下時受到的影響不大［25］。在作物的不同生育期，殘膜對地上部分生長發育的影響不同，前期所受的影響大于后期。在我國典型農區（河北邯鄲、新疆石河子），玉米苗期受殘膜影響較大，后期逐漸減弱，各生育期的株高的變化無明顯的規律性；莖粗在苗期、拔節期、成熟期隨著殘膜量的增加呈遞減趨勢，抽雄期無明顯規律；葉面積也呈遞減趨勢，而且差異顯著，成熟期則差異不顯著；生長前期玉米的生物量為遞減趨勢，后期則差異不顯著［10］。
4．4對作物產量與品質的影響
相關研究表明，殘膜的危害會導致作物的減產，減產程度和作物種類有關。研究顯示，殘膜量與茄子的產量呈極顯著負相關［2］；不同殘膜量（90～1440kg•hm－2）的番茄早期產量和總產量、采收果實數量均低于對照，但未達到差異顯著水準［25］。向振今等試驗分析，殘膜對玉米產量有顯著的影響，其中殘膜量187．5kg•hm－2與37．5kg•hm－2間達極顯著水平，殘膜量與玉米產量呈極顯著負相關關系［11］，這與李洪秋等的分析一致［3］。殘膜的存在還會降低作物籽粒的品質。據尉元明等調查，玉米產量曾覆膜區比新覆膜區減產11．3％，籽粒粗蛋白、粗脂肪、總淀粉含量均有降低［26］。殘膜對作物產量影響的大小與覆膜年限的長短及殘膜量有關。畢繼業等的研究表明，覆膜36年后小麥的減產率大于覆膜的增產率，即使不再使用地膜，殘膜16年造成的負效應相當于覆膜36年引起的正效應，并認為在目前地膜使用與回收條件下，從長遠看，在小麥上使用地膜是不經濟的［27］；張寶明等發現，在2m2的耕層土壤內埋入總面積分別為2，4，8m2殘膜時，小麥比對照分別減產15．3％，30．8％，46．2％［28］；武崇信等分析，當殘膜超過360kg•hm－2時，棉花減產幅度為0．2％～9．2％，但未達到顯著水平［9］。李青軍等、米歲芳等在棉花上的調查也有類似的結果［29－30］。
5殘膜危害的防治措施
5．1耕作與農藝措施
采取寬壟覆膜或使用寬幅地膜，實施壟側種植，選用優質地膜，實行一膜多茬種植可減少土壤中的殘膜留量。袁俊霞的研究表明，60cm的窄膜較140cm的寬膜殘留在土壤中的幾率大2．17～2．57倍［31］。范秀蓮發現，采用膜側栽培時地膜不易被作物根系扎破，有利減少殘膜［21］。趙紅萍認為，選用厚度適中、韌性好、抗老化的地膜，實行一膜多茬栽培也能有效減少地膜殘留［32］。另外，強調秋季整地，推行寬壟覆蓋也是減少地膜殘留簡單易行的措施［2］。
5．2提前揭膜
在作物適當的生育期，選擇土壤濕潤或疏松、膜上無淤泥的時間，在地膜老化易損前及時揭膜，對作物的后期生長發育基本不影響或影響較小，還可提高殘膜回收率，不失為一條解決殘膜問題的有效途徑。李洪秋等認為，在山西海拔1000m以上的地區，全膜和半膜覆蓋的玉米可在大喇叭口期揭膜；海拔1000m以下的地區可在拔節期揭膜。地膜花生以封行期揭膜為宜。揭膜時間以雨后初晴為好，此時土壤濕潤，殘膜容易拉出，可提高回收率20～30百分點［3］。米歲芳等在新疆棉區研究后指出，在棉花第一次灌水前適時揭膜，90％以上的地膜可有效回收，同時對棉田溫、濕度和棉花生長幾乎沒有影響［30］；張江華等在新疆調研后也提出了相同的建議［16］。
5．3機械回收
地面覆膜栽培技術在我國作物生產中的應用規模很大，靠單純的人工撿拾回收農田殘膜已經越來越困難，機械回收將成為必然趨勢［25］。目前我國研制的地膜回收機械可分別用于苗期、秋后和播前的農田殘膜回收［33］，以苗期和秋后的回收率為高［34－36］。薛文瑾等報道的卷膜式棉花苗期殘膜回收機對棉田殘膜的回收率達85％～94％［37］。崔桂英等研制的棉花拔稈清膜旋耕機，除了具有一般旋耕機的功能外，可通過換裝傳動鏈條、拔稈刀及摟把等部件，將棉花連根拔起并回收殘膜，還可將回收的殘膜集堆鋪放［38］。還有學著認為，由于殘膜具有分布深、碎片小、殘留多等特點，性能單一的機械尚不能完全解決問題，需要一個完整的機械化回收技術體系，應主推秋后殘膜回收機械，重視播前殘膜清除機械的推廣，并研發推廣可有效回收耕層20cm深度殘膜的機械［15］。
5．4應用可降解膜
現行的各種地膜在大氣、水域、土壤環境下都不易分解，尋求能自動降解的新型降解塑料用于農田地面覆蓋，就成為解決農田殘膜危害問題的出路之一［39］。20世紀90年代以來，我國相繼開發研制出了多種可降解薄膜，這些降解膜具有裂解快、裂解率高、碎片小等優點，但隨著裂解的進行，其保溫保墑效果會有所減弱［40］，對作物生育后期的生長發育有影響。賈登三等在棉花上試驗了“星火”牌光—生物降解膜，結果該膜比對照普通聚乙烯膜提早27d進入初裂期，提前34d進入大裂期，提前58d進入崩解期；但隨著裂解的加快，增溫保墑效果明顯減弱［41］。聶王焰等研制的可除草、可降解地膜應用于黃瓜栽培時，脆裂降解后的碎片很小，強度很低，對土壤毛細管和植物根系的發育不構成威脅，且碎片易被微生物侵蝕［42］。蕈程榮等報道的一種以甘蔗渣為原料制造的全降解地膜，在土壤中6周后質量損失率達67．84％，7周后可與土壤顆粒粘結在一起分散在土壤中，完全降解［43］。根據降解原理，一般將降解膜分為光降解膜、生———光雙降膜、生物降解膜3類，影響它們降解速度的因素各不相同，三者降解速率的排序為生物降解膜＞生———光雙降膜＞光降解膜［44］。光敏劑的應用是光降解地膜加快降解的主要內在因素，光照（特別是紫外線）是其降解的主要外部因素，地下水的活動可延緩其降解速度［45］。由于與普通膜相比具有良好的降解性能，光降解膜的使用可顯著減少殘膜量。陳明周報道，光降解膜有利于甘蔗苗期的生長與產量的提高，當年殘膜量可減少7．85％～16．77％，連續多年使用的殘膜顯著低于普通地膜。該類膜在湛江地區冬春季節露光一個月開始光解，兩個月后基本破碎［46］。張開敏等試驗用光降解膜覆膜栽培的玉米，其農藝性狀與普通膜差異不明顯，產量與普通膜相比有所增加，但由于降解過早（拔節期）而除草效果不好［47］。雙降膜和生物降解膜的自然降解效果一般好于光降解膜。沈宏等報道的4種雙降解地膜在遼南、遼北、遼東不同氣候與栽培制度下均可完成降解過程，不影響下茬作物生長，與露地相比作物增產顯著，與普通地膜相比有減產，但差異不顯著［48］；趙愛琴報道，在35℃和水分0．25g•kg－1下，生物降解膜的降解最快，其降解過程大致為小洞、邊緣破裂、變薄、降解。生物降解膜可提早作物的生育期，但增產效果不顯著［49］。劉陶對麻／絲非織造布農用地膜的紅外分析顯示，該地膜可完全自然降解，并具有較好的保墑保溫性能，土壤含氮量也隨著地膜的降解而提高［50］。
6結束語
從對文獻的分析看，我國學者對農田殘膜危害的研究高度關注，在農田土壤殘膜的存在和分布的規律、殘膜對土壤理化性狀和作物生長發育與產量的影響等方面取得了大量可貴的研究成果，并積極探索了機械回收、應用降解膜等行之有效的農田殘膜治理措施。但筆者認為文獻研究所涉及的作物代表性不夠強，對我國北方地區已大規模實施覆膜栽培的馬鈴薯、小麥、果樹、蔬菜等大宗作物涉及較少；研究的地理區域很少涉及甘肅、寧夏、青海、內蒙、陜西、山西等水利資源匱乏、作物生育期熱量不足、地膜用量較大、覆膜栽培作物種類較多的干旱、半干旱農區。文獻研究尚未涉及近年在甘肅等西北地區累計推廣規模巨大、地膜用量很大的玉米等稀植作物的全膜雙壟溝播栽培模式、小麥等密植作物的全膜覆蓋栽培模式等重大旱作農業措施。文獻提出的一些殘膜防治措施也有不足，如提前揭膜不宜于在作物生長后期水分和溫度不足的地區應用［51］，機械回收措施在欠發達的山地農區難以適用，一些通過耕作和農藝技術的改變來減少殘膜的措施缺乏較好的操作性，難以大規模推廣。我國是一個土地和水利資源相對貧乏的國家，大部分農區的熱量也明顯不足，借助塑料薄膜的保墑和蓄熱性能，提高單位土地面積上的產出成為我國北方多數地區農作物生產的必然選擇。這種選擇帶來的最大負面效應就是農田的殘膜污染。顯然，作物覆膜栽培的高產出與殘膜帶來的負效應相比要大得多，覆膜栽培模式在現階段和今后一個時期內仍不可替代。雖然人們在努力尋求現行塑料地膜的替代產品，但限于降水和熱量條件，我國北方大多數農區的作物栽培仍需要全程覆膜。降解地膜在作物生長后期往往失去保墑保溫性能，且降解后的脆片由于含有淀粉、植物纖維等有機質，容易與土壤顆粒膠合，回收難度比普通膜更大，還可能帶來隱蔽性更強的污染問題。因此，現階段和今后一個時期內，我國仍應提倡使用強度高、韌性好的優質地膜，以延緩地膜破碎的時間，減少小片殘膜的密度，便于回收。在防治上應采取科學的農藝措施、耕作種植模式和加強機械清除，并需要建立和推行一套可同時制約塑料地膜生產商和農民、基于法律基礎的殘膜回收治理機制。