我國農田殘留地膜污染現狀及防治對策

膜是農業生產的重要物質數據之一。膜技術的應用極大地促進了農業生產的發展，促進了農業生產的發展和農業生產力的隨機發展。我國是一個地膜覆蓋栽培大國,截至2005年,我國地膜覆蓋面積已經達到1350萬hm2,地膜使用量達到95.9萬t,地膜使用已經覆蓋新疆、山東、山西、內蒙古、黑龍江、陜西、甘肅等高寒冷涼、干旱及半干旱地區的40多種農作物,并呈現持續增長的態勢。地膜是一種人工合成的高分子化合物,在自然條件下需要上百年的時間才能完全降解,隨著地膜應用量和使用年限不斷增加,大量殘留地膜造成的“白色污染”不但嚴重影響農業生產的進行,而且對農業環境的安全與健康也構成了巨大的威脅。因此,如何科學規范地使用農用地膜,同時加強殘留地膜的回收與治理,已經成為我國農業實現可持續發展的重要保障。1中國土地應用的現狀和特點1.1農作物覆蓋面積根據過去十幾年農用地膜覆蓋面積及使用量統計數據顯示,我國農作物地膜覆蓋面積一直保持持續的增長態勢。1981年農作物覆蓋面積僅為1.5萬hm2,1991年達到490.9萬hm2,2001年上升到1096萬hm2,2005年更進一步達到1350萬hm2,是1981年覆蓋面積的797.8倍(圖1)。農膜使用量也大幅度上升,統計表明,使用量從1991年31.9萬t增加到2005年的95.9萬t,增加了近3倍(圖2),增長速度非?？?。1.2覆膜的面積和面積根據2005年我國農業統計數據來看,地膜的應用區域在全國分布已經非常廣泛,從北方的干旱、半干旱區域到南方的高山、冷涼地區均有一定面積的應用,特別是東北區的黑龍江、吉林、遼寧以及內蒙古部分地區,華北區的山東、河南、河北三省,西北區的新疆、甘肅以及西南區的四川、云南冷涼山區是主要的應用和分布區域。從覆膜面積來看,山東、新疆和河北是地膜應用的大省,2005年覆膜面積均在100萬hm2以上,三省的覆膜總面積占全國總面積的38.9%(圖3)。從地膜使用總量來看,山東、新疆、河北也居全國前列,使用量山東為14.44萬t,新疆為10.22萬t,河北為6.36萬t,三省用量的總和占全國總用量的32.2%(圖4)。1.3農作物覆蓋栽培我國自1979年從日本引進地膜栽培技術,最初用于經濟價值比較高的蔬菜、花卉種植,經過幾十年的理論研究與生產實踐,地膜栽培技術取得了飛速的發展,目前已擴大到花生、西瓜、甘蔗、煙草、棉花等多種經濟作物以及玉米、小麥、水稻等大宗糧食作物的栽培種植,以糧、棉、油、糖、菜、瓜、果、煙為重點應用的地膜覆蓋栽培面積平均每年遞增46.7萬hm2。近些年來,在新疆、山東、山西、內蒙古、黑龍江、陜西、甘肅等高寒冷涼、干旱及半干旱地區,地膜覆蓋技術已逐漸推廣應用到40多種農作物的種植,尤其是在蔬菜、玉米和棉花種植方面應用廣泛,并呈現持續增長的趨勢。地膜覆膜栽培已成為促進農業增產的一項重要的技術措施。2中國膜污染現狀、特點及危害2.1農膜殘留污染建立健全,殘留農田土壤膜污染嚴重地膜原料是人工合成的高分子化合物,在自然條件下很難分解或降解。我國地膜應用已經有20多年的時間,由于人們環保意識的滯后,缺乏有力的殘膜回收措施,再加上近些年來,生產廠家為降低成本,產品越來越薄(<0.008mm),造成地膜強度低,易破碎,并且在使用后難以撿拾回收,從而導致土壤中殘膜污染越來越嚴重。據農業部20世紀90年代初對全國17個省市調查結果表明,所有農膜覆蓋過的農田土壤均有不同程度的農膜殘留,殘留量平均為60kg·hm-2,最高達135kg·hm-2。近些年來,國內一些研究人員以及農業環境監測部門也對地膜的殘留情況進行了初步的調查,在地膜廣泛應用的區域,都有不同程度的殘留污染,如河南省中牟、鄭州、開封等地花生地耕層土壤地膜殘留量年均為66kg·hm-2,最高可達135kg·hm-2,河北省邯鄲地區棉田土壤地膜殘留量達59.1~103.4kg·hm-2。而在這些地區中,尤以新疆地區棉田土壤污染最嚴重。根據最新調研結果表明,新疆地區棉田耕層中平均殘膜量為265.3kg·hm-2,是全國平均水平的4.5倍,最高達381.1kg·hm-2,而且隨著覆膜年限越長,污染越嚴重。2.2地衣污染特征2.2.1覆膜殘留量殘膜一般在土壤可以殘存200~400a,長時間內的累積污染是殘膜污染的最大特點。由于缺乏有力的回收措施,導致覆膜年限越長,污染越嚴重。馬輝等研究表明,覆膜2、5和10a農田耕層中(0~30cm)地膜總殘留量分別達到59.1、75.3和103.4kg·hm-2,殘膜總數分別為393、544、965萬塊·hm-2。根據我們在新疆的農八師147團最新調查結果顯示,覆膜5~10a的農田耕層中殘膜量為173.6kg·hm-2,10~15a為309.5kg·hm-2,15a以上的地塊達409.6kg·hm-2。2.2.2殘留地膜的分布殘留在土壤中地膜主要分布在耕作層,但由于各地農作措施的不同,殘膜在各層次中分布的數量也不一致。齊小娟等研究表明,土壤中殘膜集中分布在0~10cm,一般要占殘留地膜的2/3左右,其余則分布在20~30cm,再往下基本沒有分布。馬輝等研究結果為,0~10cm土層中殘膜的片數約占總量的58.5%~76.4%,10~20cm土層中約占總數的22.3%~35.1%,20~30cm土層中占總數的1.3%~6.4%左右,大部分殘膜集中在0~20cm層土壤中。而新疆地區由于機械化程度高,土壤耕翻尺度深,所以在30cm以下的土壤仍有分布。2.2.3地膜片的面積和面積土壤中殘留地膜大小和形態多種多樣,受農事耕作和農膜使用情況的影響,主要有片狀、卷縮圓筒狀和球狀等,它們在土壤中呈水平、垂直和傾斜狀分布。由于各地農作措施的各異,地膜殘片的面積差異較大,在山西,棉田的地膜殘片的面積一般在10~15cm2,約占地膜殘留量的73.9%,其次是小于5cm2的殘片,約占13%。在新疆長期應用地膜的棉區,土壤中有34%殘留地膜面積小于5cm2,而華北和東北地區土壤中地膜殘片較大,多在20~50cm2。2.3剩余土地污染的風險2.3.1殘留量對土壤特性的影響由于土壤中大量殘膜的存在,導致了土壤物理結構層次的改變,使得土壤水分、養分向下運移受到阻礙,土壤空隙度、通透性降低,不利于土壤空氣的循環和交換,最終造成耕地質量下降。趙素榮研究發現當農膜殘留量由0提高到225kg·hm-2時,土壤容重增加18.2%,土壤孔隙度降低13.8%、土壤含水量降低11.7%,而且這些土壤參數隨殘留農膜碎片增大而劣變。南殿杰的試驗結果,水分下滲速度與土壤中地膜殘留量呈對數相關關系,當殘留量達到360kg·hm-2時,水分下滲速度明顯減慢,只相當于對照的2/3。還有研究表明,在新疆等干旱地區由于殘膜的存在導致地下水難以下滲,造成土壤次生鹽堿化等。2.3.2殘留地膜對棉田地面生長的影響殘膜對作物生長發育的危害主要表現在兩個方面,一是由于殘膜改變了土壤正常的結構層次,造成水分、養分的運移被阻斷,從而導致作物營養不良,大幅度減產。第二就是由于土壤中殘膜存在,導致作物在生長的時候經常會使幼小的根系被殘膜纏繞,從而導致水分、養分的吸收被阻斷,造成作物死苗。已有研究表明在土壤中地膜殘留量達到37.5kg·hm-2時,小麥基本苗較對照降低了25%,冬前分蘗數較對照降低了17%,表現出苗慢,出苗率低,根系扎得淺,有些根系由于無法穿透殘膜碎片而呈現彎曲橫向發展,殘留地膜對玉米、茄子、白菜和花生根系的生長具有明顯的抑制作用。在新疆棉區的模擬試驗發現在棉田土壤中殘膜達到一定數量后,爛種和爛芽率大幅度提高,棉苗側根比正常減少4.8~7.6條,2~3片真葉期棉苗死亡提高1.19%,子葉期棉苗死亡3.08%,現蕾期推遲3~5d,株高降低6.7~12.9cm。但也有研究結果顯示有些植物受殘留地膜的影響較小,如西紅柿株高、莖粗、葉數、植株干重在土壤中殘留量低于360kg·hm-2時受到的影響都不大,這可能是由作物的特性,尤其是根系特性所決定的。2.3.3殘膜對農業生態環境景觀的影響土壤殘膜的污染,除了導致土壤質量下降以及作物減產外,還會引起其他一系列的危害,主要表現在:第一,影響農事操作,由于大量殘膜存在,在進行耕地、整地、播種等農事操作時殘膜經常會纏繞在農機具上或堵塞播種機,從而影響農事操作和播種的質量;第二,由于地膜殘留在土壤中,或者丟棄在田間地頭,經常會引起視覺污染,破壞環境景觀;第三,農膜的殘片經常會隨著作物秸稈被牛羊等家畜誤食,導致牲畜中毒死亡;第四,由于回收不力,農民經常會在地里焚燒殘膜,塑料燃燒會產生氯化氫(HCl)、二噁英等多種有害的氣體,造成大氣污染。3我國殘余膜污染防治的技術和方法3.1地膜厚度低,回收成本難度國際上要求地膜厚度為0.012mm,最薄也不能低于0.008mm,美國和西方國家農膜厚度一般在0.020mm,日本為0.015mm,我國在20世紀80年代初期為0.014mm。但為了減少成本,獲得更大的經濟利益和迎合農民的心理和需求,實際生產銷售的地膜厚度大多在0.005~0.006mm,甚至更薄,導致地膜強度低,易老化破碎,回收十分困難。因此,減少地膜污染,首先在生產上要實行嚴格的標準化,規范和調整現有企業的生產,保證農膜產品的質量,使地膜產品達到國家厚度標準和拉伸強度,這樣在田間使用的時候就不易破碎,提高了殘膜回收率,減輕殘膜對農田環境的污染。3.2減少農田覆蓋度,減少耕作措施一是推廣一膜多用技術,即選用厚度適中、韌性好、抗老化能力強的地膜產品,在第一年使用后基本沒有破損,第二年可以直接在上面打孔免耕播種,這樣既減少了地膜投入量,又減少了土壤耕作的用工,達到省時省工又環保的目的。二是在保證不影響作物生長的前提下,適當減少地膜的田間覆蓋度,如我國地膜推廣初期,田間的理論覆蓋度是80%~100%,但通過試驗,不同作物在不同地區都有50%~70%的降低空間,但增產效果不減,從而達到少用地膜,少污染的目的。三是通過作物輪作倒茬以及農作制度的改變,減少地膜總的覆蓋量。如河北邯鄲地區通過糧棉、菜棉輪作倒茬減少地膜單位面積平均覆蓋率,進而減輕殘膜污染危害,通過更換棉花品種,把春棉變為夏棉,從而實現了棉花裸地種植,大大減少了農田地膜的投入。3.3揭膜回收利用技術加強適期揭膜回收技術的研究,歐美和日本等發達國家由于使用的地膜產品比較規范,韌性好,抗老化能力強,因此一般都在作物收獲后進行回收。而對于我國的地膜產品則必須根據不同的作物種類,不同的區域條件,形成最合理的揭膜時間和揭膜方式,在地膜完成其功能后且又未老化破損前進行揭膜回收,提高地膜回收利用效率。如近些年來河北、新疆等地區開展的棉花頭水前揭膜技術,由于頭水前農膜尚未老化,韌性好,不易破碎,回收率可達90%以上。山西地區玉米覆膜栽培在拔節期揭膜,即玉米出苗后45d揭膜都能大幅度提高地膜的回收率。加快研制成熟適用的殘膜回收機具。由于地膜應用范圍的擴大,手工回收殘膜變得越來越困難,機械回收殘膜已經成為必然趨勢。目前,國內殘膜回收主要分為兩大類,苗期殘膜回收機和收獲后殘膜回收機,研制出的機型有十幾種,如苗期揭膜機械,秋后回收機械,耕層撿拾機械和播前回收機械等,其中一些機型已經比較成熟,但由于額外增加作業成本,并未得到大面積的應用,今后應重點攻關研制常規農事操作與殘膜回收能夠同時兼顧的農機具及其配套技術措施,在不增加作業成本和農民負擔的前提下,實現地膜的高效回收,如目前新疆地區研制的清膜整地聯合作業機,殘膜回收與莖稈粉碎聯合作業機等。3.4提升降解塑料地膜的應用和城市降解推行難度的研究研制出可降解、無污染的地膜新材料才是根治殘膜污染的理想途徑。20世紀70年代以來,歐美和日本等國科學家提出降解塑料的概念,并對以光降解和生物降解為代表的降解材料進行多年研究,但由于可降解地膜降解和應用的復雜性,同