Pollution Status and Control Countermeasures of Polyethylene Mulch Film Residue in Farmland Soils of Qingdao City, China

Abstract

地膜覆盖技术应用带动了我国农业生产力的显著提高和生产方式的改变，对保障我国农产品安全供给做出了重大贡献，但随着地膜应用量和使用年限的不断增加，大量残留地膜造成的“白色污染”严重影响了农业生产的进行，对农业环境的安全与健康也构成了巨大的威胁。本文在青岛市 5 个农业主产区选择了 27 个代表性作物种植片区，对常年覆膜农田土壤地膜残留现状进行了调查。结果表明：青岛市农田土壤中地膜残留量在 10.7~69.3 kg·hm^-2 之间，平均残留量为 32.3±15.7 kg·hm^-2，中位值 27.3 kg·hm^-2，其中有 7 个作物种植片区的残膜量均值超过 40 kg·hm^-2，最高残留量均值达到 69.3 kg·hm^-2，具有一定的残膜污染作物损害风险。青岛市农田土壤中地膜残留量与种植模式、覆膜年限之间没有明显相关性，而与当季残膜回收率有关。农田土壤中残膜大小以大于100 cm² 的最多，且 90%以上残膜分布在 0~20 cm 耕作层。为控制农田土壤地膜残留污染，提出 3 点建议：一是建立和完善地膜残留污染综合治理机制；二是强化超薄型聚乙烯（PE）地膜的质量提升与达标地膜的应用；三是积极研发推广生物可降解地膜，从源头解决 PE 地膜残留污染问题。

The benefits of using polyethylene(PE) mulch films in agriculture are well established in China. However, residues of PE films contaminate soils. Disposing of used films may lead to off -site environmental pollution, especially contributing to white pollution. We conducted a study to measure the amount of PE film residue in a number of farmland soils(27 sites) previously subjected to long-term film mulching across five main agriculture production regions of Qingdao, China. The amount of film residue in soils was highly variable with the mean being 32.3±15.7 kg·hm^-2. Seven sites exceeded 40 kg·hm^-2 with the highest being 69.3 kg·hm^-2. There was no evident correlation between the amount of film residue in soil and the type of cropping system or the number of years of surface mulching, but was related to the recovery rate of the film in the current season. About 1.6% of the recovered PE films was in pieces less than 2 cm², 7.3% was between 2 cm² and 20 cm², 19.2% was between 20 cm² and 100 cm², and the remainder (71.9%) was in pieces greater than 100 cm². More than 90% of the residue PE films was in the 0~20 cm ploughing soil layer, while 5% was in the 20~30 cm layer. A number of key steps are suggested to control the ongoing pollution of PE film residue in farmland:(1) Establish and implement a comprehensive program for controlling soil PE film residue pollution in agriculture involving both government and industry initiatives

(2) Upgrade the quality of PE film to increase the proportion that can be recovered after harvest and recycled

(3) Develop and promote new biodegradable films to as cost-effective alternatives PE residual pollution.

塑料地膜通过改变土壤能量平衡从而改善作物生长小气候^[1]。田间小气候的改变引起土壤温度和湿度变化，进而影响作物生长与产量^[2]。大量研究和实践证明，地膜覆盖栽培能较好地缓解季风气候区环境要素剧烈波动对农作物生长的干扰，提高作物对环境需求的满足度^[3]。与常规种植相比，地膜覆盖栽培技术具有显著的增温保墒效果，能够克服低温干旱等不利条件，促进作物稳产高产。同时，覆膜还可以使部分作物的栽培范围扩大，提高农田复种指数^[4]。地膜覆盖栽培已成为我国干旱、半干旱、低洼和盐碱、寒冷地区农作物增产、节水与保温的重要措施^[5]。我国是世界上塑料地膜使用最多的国家，蔬菜、棉花、玉米和花生覆膜种植最为广泛^[6]。然而，长期使用超薄型聚乙烯（PE）地膜覆盖也带来了一系列环境问题，主要是残膜在土壤中的积累，导致土壤结构破坏，影响土壤水分和养分的运移，阻碍作物根系生长，最终导致作物减产^[7-8]。20世纪90年代初，农业部组织开展了全国17个省（市）典型农区农膜残留调查，发现凡采样地膜覆盖栽培的农田均有不同程度的土壤农膜残留问题，残留量为71.9~231.0 kg·hm^-2，其中新疆绿洲棉区地膜残留量最大^[4]。科研人员对新疆棉田地膜残留污染问题进行了深入的调查研究，并提出了相应的处理对策^[9-12]。20世纪80年代，青岛市引进地膜覆盖栽培技术，90年代中期开始在农业主产区大面积推广应用。目前，全市地膜年覆盖面积达18.0×10⁴ hm²，覆膜栽培作物主要有冬春播蔬菜、花生、马铃薯等。迄今为止，尚未针对农田土壤地膜残留污染情况进行过系统调查。本文依托农业部农业生态环境保护项目，对青岛地区长期覆膜种植农田耕层土壤地膜残留现状进行实地调研，探明青岛市不同种植模式农田地膜残留水平，旨在为华北集约农区农膜污染防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域概况

青岛市地处山东半岛东南部沿海、胶东半岛东部，东经119°30′~121°00′、北纬35°35′~37°09′，为北温带季风气候区。年平均气温12.7 ℃，极端高气温38.9 ℃，极端低气温-16.9 ℃，年均降水量688.2 mm。全市土地总面积11 282 km²，其中耕地面积41.87×10⁴ hm²，约占土地总面积的37.1%。农业生产主要分布在莱西市、平度市、胶州市、即墨市和黄岛区等5个区域，主要农作物为玉米、小麦、花生、马铃薯、蔬菜和果树等。从20世纪90年代开始，地膜覆盖栽培技术先后在这些区域的花生和冬（春）菜生产上推广应用。

在青岛市的5个农业主产区，即莱西、平度、即墨、胶州和黄岛5个县级区市，选择长期覆膜种植的27个代表性作物种植区（片区）进行调查，包括莱西市沽河街道、日庄镇和河头店镇，平度市古蚬镇、南村镇、蓼兰镇、李园镇和旧店镇，即墨市金口镇、移风店镇、大信镇、段泊岚镇、北安街道、刘家庄中心社区，胶州市铺集镇和胶西镇，黄岛区宝山镇、六汪镇和藏南镇等19个行政镇（街道）。在每个片区选择一块代表性田块（样地）进行调查，样地总面积14.31 hm²。调查区作物种植模式包括小麦-玉米-花生两年三熟、蔬菜-蔬菜-蔬菜两年三熟、蔬菜-马铃薯-玉米两年三熟、蔬菜-马铃薯一年两熟、玉米-蔬菜一年两熟、小麦-玉米-花生一年一熟等。调查样点分布见图 1，样地基本信息见表 1。

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图 1 青岛市农田土壤地膜残留调查样点分布 Figure 1 Distribution of sampling plots for film residue survey in farmland soils in Qingdao City

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表 1 青岛市农田土壤地膜残留量调查样地基本信息 Table 1 Basic information of sampling plots for film residue survey in farmland soils in Qingdao City

1.2 调查方法

1.2.1 历年农膜残留量

依据农业部《农田土壤中地膜残留普查标准》和《青岛市农田土壤中地膜残留普查方案》，于2014—2015年，在全市范围内选择27个代表性作物种植区（片区），每个片区选择1块有代表性的地块（样地），每个样地再按梅花形设5个面积为1 m×2 m的调查样点，调查0~30 cm土层地膜残留总量。

1.2.2 当季农膜残留量

在上述代表性种植区内，抽样调查农户当季作物覆膜量、作物收获时和作物收获后旋耕机械带出的地膜量，计算地膜回收率。

1.2.3 不同土层农膜残留量

在上述代表性种植区的各调查样地中，随机选取一个0.5 m×0.5 m的采样调查点，用筛分法调查0~10、10~20 cm和20~30 cm等3个土壤层次的地膜残留量。

1.2.4 不同尺寸农膜残留量

按照尺寸＞100 cm²、100~20 cm²、20~2 cm²和＜2 cm²进行分类并称重。

1.3 数据分析

应用DPS、Excel软件对调查数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同种植区农田土壤地膜残留量

表 2为青岛市各农业区常年覆膜栽培农田土壤地膜残留量调查结果。全市农田土壤中地膜平均残留量为32.3±15.7 kg·hm^-2（中位值27.3 kg·hm^-2），其中莱西平均30.9±15.3 kg·hm^-2，平度平均40.2±9.9 kg·hm^-2，即墨平均22.9±9.0 kg·hm^-2，胶州平均21.9±9.1 kg·hm^-2，黄岛平均58.6±10.2 kg·hm^-2。不同覆膜作物残留量从高到低依次为：马铃薯、花生、大蒜、生姜、西红柿，残膜量依次为：38.0±16.4、33.8±9.6、27.3±4.8、26.4±4.3、23.1±1.1 kg·hm^-2。各农业区地膜残留量不存在显著的差异性（P=0.99，r=0.05）。土壤地膜残留量≤20 kg·hm^-2的片区占25.9%（7个）。地膜残留量≥50 kg·hm^-2的片区占20.0%（5个）。由于青岛市各农区的作物种植制度具有高度的不连续性，农户多根据市场行情和劳动力情况安排种植，一般2~3年有一次较大的种植模式变更。因此作物种植模式和地膜使用年限并不是农区土壤中地膜残留量的决定性因素。但是，通过表 3可以得出：青岛市农田土壤中地膜残留量与农户对残膜回收的重视程度有一定的相关性。青岛市当季地膜的平均回收率为72.3%，在土壤残膜量低的胶州市几个片区，当季地膜回收率平均达到88.5%，而土壤残膜量高的黄岛区，当季地膜的回收率仅为59.6%。

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表 2 青岛市不同种植区农田土壤地膜残留量（kg·hm-2） Table 2 Amount of PE films residue in farmland soils in different planting areas in Qingdao City (kg·hm-2)

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表 3 青岛市部分种植区地膜回收率调查 Table 3 Investigation on recovery rate of PE films in Qingdao City

青岛市农田土壤中地膜残留的形状主要有片状、线状和团粒状。残膜大小以大于100 cm²的最多，平均占71.9%；20~100 cm²大小的占19.2%；2~20 cm²的占7.3%； <2 cm²的碎片仅占1.6%（表 2）。

通过对青岛部分种植区的地膜回收率调查发现，地膜残留量与回收率之间呈负相关（r=-0.64），当季地膜回收率越高，残留量越少。

2.2 不同土层残膜分布特征

从表 4结果可知，青岛市农田土壤中残留地膜90%以上分布在耕作层，其中0~10 cm土层平均残留量为26.1 kg·hm^-2，占77.7%；10~20 cm土层平均残留量为5.92 kg·hm^-2，占17.3%；20~30 cm土层平均残留量为1.73 kg·hm^-2，仅占5.0%。通过对不同覆膜作物不同土层残留量比较发现：覆膜马铃薯0~10 cm和10~20 cm残留最高分别为28.4±11.8、6.4±5.0 kg·hm^-2，覆膜生姜20~30 cm残留量最低，为2.0 kg·hm^-2。各土层内的地膜残留量达到显著性差异（P＜0.01）。

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表 4 青岛市农田土壤残膜分层分布特征（kg·hm-2） Table 4 Layer distribution characteristics of residual films in farmland soils in Qingdao City (kg·hm-2)

3 讨论

青岛市的地膜覆盖栽培技术最早在夏直播花生上推广应用，之后扩展到冬春播蔬菜和马铃薯等作物上。地膜覆盖对促进冬春播蔬菜发芽和早期生长^[13]、花生花芽分化和产量提升具有显著作用^[14]，尤其是黑白配色地膜覆盖栽培对花生的增产效果更是显著大于普通白色地膜^[15-16]。地膜与秸秆覆盖相结合，对提高夏季茶园水分利用效率，改善茶园生态环境，促进茶苗生长也都有显著的正面效应^[17]。但是，连续多年的地膜覆盖栽培也带来了农田土壤地膜残留污染问题。对青岛市主要农业区的调查结果表明，青岛市耕层土壤中地膜总残留量为10.7~69.3 kg·hm^-2，平均32.3 kg·hm^-2（表 2）。据已有调查数据统计^{[11, 18-19]}，我国新疆绿洲农业区土壤中地膜残留量变幅为20.1~263.3 kg·hm^-2，平均达231.0 kg·hm^-2；西北黄土旱塬区和东北风沙旱作区地膜平均残留量在100 kg·hm^-2左右；华北棉花蔬菜区、西南烟草区、华中花生玉米区地膜平均残留量均在50 kg·hm^-2以下。青岛市农田土壤地膜平均残留量与华北棉花蔬菜区、西南烟草区和华中花生玉米区处于基本相同的水平。青岛市各农业主产区的种植制度虽然较为丰富，但地膜覆盖栽培比例和面积较大的只有花生和冬春播蔬菜，马铃薯采用地膜覆盖栽培的比例和面积较小，小麦和玉米很少采用地膜覆盖，这应是青岛市农田土壤地膜残留量相对较少的原因之一。此外，青岛市土壤残膜的回收率相对较高，最低回收率为53.7%，最高达到了90.0%（表 3），而新疆地区农田土壤残膜的回收率平均不到60%^[11]。青岛市农田土壤中地膜残留量与地膜覆盖栽培年限之间没有明显的相关性，这与我国新疆等其他许多地区的调查结果不同，可能也与青岛地区覆膜作物（花生、蔬菜等）换地栽培较频繁、以及地膜当季回收率较高有一定关系。

青岛市各农业主产区土壤中残膜大小以大于100 cm²的最多，平均占71.9%；20~100 cm²大小的占19.2%；2~20 cm²的占7.3%；小于2 cm²的碎片仅占1.6%。而在我国新疆地区，棉田土壤中残膜大小以面积 <4 cm²的小碎片居多，占了70%左右；面积4~25 cm²的中型碎片占20%；面积>25 cm²的大碎片所占比例仅为10%左右^[12]。河北棉田土壤中也是以面积 <4 cm²的小块膜最多，面积4~25 cm²的中块膜次之，面积>25 cm²的大块膜最少^[20]。而山西棉田土壤中74%的残膜为面积10~15 cm²的中型碎片^[21]。土壤残膜面积大小显然与土地耕种方式有关。我国植棉区，尤其是新疆棉区，多采用机械铧式犁和圆盘犁翻耕和破碎土壤，对土壤中残留地膜的破碎性较大。而在青岛市花生、蔬菜和马铃薯种植地，多采用小型耘田机械对土壤进行平整，对土壤中残膜的破碎性相对较小。青岛地区地膜多以大碎片状滞留于土壤表层，这种面积较大的残膜利于回收，但是由于缺乏回收工具和农民较低的回收意识导致地膜大量残留。因此在这种情况下，一要积极研发或引进残膜回收工具；二要鼓励农民进行地膜回收，防止连年耕作使大片地膜破碎。

青岛市各农区不同土层的地膜残留量存在显著的梯度分布特征。0~10 cm土层地膜残留量最高，平均达到26.1 kg·hm^-2，占土壤中地膜总残留量的77.7%；10~20 cm土层残留量次之，平均5.92 kg·hm^-2，占17.3%；20~30 cm土层最少，平均只有1.73 kg·hm^-2，仅占总残留量的5.0%左右。这种分布特征与马辉等^[20]报道的华北棉区土壤中残膜的分布特征非常一致，但与新疆棉区土壤中残膜的分布特征有很大的差异性。据严昌荣等^[9]报道，新疆石河子地区棉田0~10、10~20 cm和20~30 cm土层中残膜量占比分别为38.7%、31.2%和30.2%，各土层之间的地膜残留量差异不显著。这可能与新疆棉区长期使用大型机械翻耕土地，导致0~30 cm土层性质逐渐均一化有关。

青岛市农田土壤地膜残留量的整体水平不高，但在27个调查片区中，有7个片区的残膜量均值超过40 kg·hm^-2，其中最高残留量均值达到69.27 kg·hm^-2（表 2）。这些地区的土壤残膜量可能已对作物生产造成不利影响。据报道，在河南弱碱性砂质壤土上，当地膜残留量达到37.5 kg·hm^-2时，将显著影响小麦发芽和冬前分蘖^[22]。在黄河三角洲地区^[23]，当土壤中农膜残留量达到40.0 kg·hm^-2时，可造成小麦和玉米减产10.3%~12.5%，棉花减产7.5%~9.4%，大豆减产6.8%~8.4%。在新疆灰漠灌溉土上^[24]，土壤中残膜量达到58.5 kg·hm^-2时，可使玉米减产11%~23%，小麦减产9%~16%，大豆减产5.5%~9.0%，蔬菜减产14.6%~59.2%。赵素荣等^[25]通过添加农膜碎片模拟残膜污染实验发现，当土壤添加农膜碎片量为37.5 kg·hm^-2时，小麦和玉米分别比不添加农膜碎片的对照减产9.5%和10.5%；当土壤中农膜碎片添加量达到75 kg·hm^-2时，小麦和玉米的减产率分别达到23.8%和13.9%。我们在青岛莱西市的田间模拟试验中发现，当地膜残留量由37.5 kg·hm^-2提高到75.0 kg·hm^-2时，花生产量由8 904.5 kg·hm^-2降低到8 054.1 kg·hm^-2，减产率达到9.6%（数据未发表）。不过，也有试验报道，在黑龙江齐齐哈尔地区，当土壤残膜量低于360 kg·hm^-2情况下，对西红柿的生长和产量影响都不显著^[26]。

地膜残留污染对农作物生长和产量影响的一个重要机制是，残留在土壤耕层的地膜破坏土壤的团聚结构，影响土壤水肥运移过程，阻碍作物根系对水分和养分的吸收利用。据尉海东等^[27]在山东临沂花生种植地的调查，土壤残膜量在0~12.1 kg·hm^-2范围内，耕层土壤水稳性团聚体占比和土壤抗蚀指数均随地膜残留量增加而降低。赵素荣等^[25]通过模拟残膜污染实验发现，土壤容重与土壤残膜量之间存在显著正相关，而土壤孔隙度和含水率则随土壤残膜量增加而显著降低。当土壤中施加的残膜量为37.5 kg·hm^-2时，土壤容重比无残膜对照提高6.6%，含水率和孔隙率分别降低4.3%和4.7%。当土壤残膜量达到150 kg·hm^-2时，土壤容重增加12.4%，含水量和孔隙度分别降低9.3%和8.3%。综上所述，当农田土壤中地膜残留量积累到一定阈值时，将会导致土壤环境和肥力质量显著退化，影响作物生长，并导致减产，但是不同类型土壤地膜残留污染危害阈值，以及不同作物间对残膜污染危害的敏感性会有一定的差异性。因此青岛市农田土壤地膜残留污染对土壤质量和农作物生产的现实危害性仍需进一步研究确定。

4 结论与建议

（1）青岛地区大田土壤中地膜残留量较少，在10.7~69.3 kg·hm^-2之间，平均残膜量为32.3 kg·hm^-2，残留量大小与种植方式和覆膜年限之间没有明显相关，与当季地膜回收率呈负相关（r=-0.64）。因此建立地膜有偿回收机制，提高农民回收的积极性，并且积极引进地膜回收机械，是治理残膜污染的重要途径之一。

（2）残膜主要分布在0~30 cm耕层内，而且0~10、10~20、20~30 cm耕层残留量差异显著（P <0.01），各个耕层内残膜所占的比例依次为：0~10 cm为77.7%（26.1 kg·hm^-2）、10~20 cm为17.3%（5.92 kg·hm^-2）、20~30 cm为5.0%（1.73 kg·hm^-2）。

（3）残膜大小以大于100 cm²大碎片居最多，占71.9%；20~100 cm²大小的占19.2%；2~20 cm²的占7.3%； <2 cm²的碎片仅占1.6%。残膜碎片的大小直接影响到地膜的回收，随着耕作年限的增加残留地膜的破碎化程度加大，更多细小地膜残留在土壤中无法去除。因此在人工去除的同时，推广可生物降解地膜也是一个重要途径。

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