華北地區地膜殘留及典型覆膜作物殘膜系數

張　丹，胡萬里，劉宏斌，杜連鳳，徐　鈺，成振華，孫世友，王洪媛※（.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業部面源污染控制重點實驗室，北京 0008；.云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明 00；　.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 00097；.山東省農業科學院農業資源與環境研究所，濟南 000；　.天津市農業環境保護管理監測站，天津 000；.河北省農林科學院農業資源環境研究所，石家莊 000）

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華北地區地膜殘留及典型覆膜作物殘膜系數

張丹1，胡萬里2，劉宏斌1，杜連鳳3，徐鈺4，成振華5，孫世友6，王洪媛1※
（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業部面源污染控制重點實驗室，北京 100081；
2.云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明 650205；3.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097；
4.山東省農業科學院農業資源與環境研究所，濟南 250100；5.天津市農業環境保護管理監測站，天津 300061；6.河北省農林科學院農業資源環境研究所，石家莊 050051）

摘要：為闡明華北地區殘膜污染現狀及當年地膜殘留系數，2008－2011年采用問卷調查及樣方檢測方法對華北地區主要作物的地膜殘留狀況進行系統調查，在此基礎上2011－2014年通過定點試驗監測方法研究典型覆膜作物（花生、棉花）的地膜殘留系數。結果表明：華北地區土壤耕層地膜殘留強度分布范圍為0.2～82.2 kg/hm2，其平均值為26.8 kg/hm2。區域內不同作物和不同省份間地膜殘留強度存在顯著差異（P＜0.05），花生和棉花地膜殘留強度較高，分別為32.0和31.8 kg/hm2；華北地區所有省份中，河北省農田地膜殘留強度最高，為36.8 kg/hm2。2011年，華北地區農田地膜殘留總量為14.8萬t，其中地膜殘留總量居前3位的作物是蔬菜（5.5萬t）、棉花（3.9萬t）、花生（3.0萬t），占殘膜總量的83.8%。3 a的地膜殘留系數定點監測試驗結果表明，花生和棉花的地膜殘留系數分別為9.7%和14.3%，如果一直沿用目前的地膜使用模式，預計到2021年，花生地和棉田的地膜殘留強度將會達到69.1和70.4 kg/hm2，超過國家農田殘膜限值標準，成為殘膜污染區域。研究可為華北地區殘膜防治提供參考。

關鍵詞：地膜；土壤；作物；華北地區；地膜殘留系數

張丹，胡萬里，劉宏斌，杜連鳳，徐鈺，成振華，孫世友，王洪媛. 華北地區地膜殘留及典型覆膜作物殘膜系數[J].農業工程學報，2016，32（3）：1－5.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.001http://www.tcsae.org

Zhang Dan, Hu Wanli, Liu Hongbin, Du Lianfeng, Xu Yu, Cheng Zhenhua, Sun Shiyou, Wang Hongyuan. Characteristics of residual mulching film and residual coefficient of typical crops in North China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 1－5. (in Chinese with English abstract)

0　引　言

地膜是現代農業重要的生產資料，其集水、蓄水、保溫、保墑作用顯著，覆膜技術的推廣應用為作物產量和經濟效益的提高做出了重要貢獻[1]。

2013年中國地膜使用量已達136.2萬t，農作物地膜覆蓋面積達17 657.0萬hm2 [2]。覆膜技術的廣泛應用已使中國糧食作物增產20%～35%，經濟作物增產20%～60%，對保障糧食安全有重要意義[3]。

華北地區是中國重要的糧蔬生產基地，耕地面積約占全國的17%[4]，小麥產量占全國小麥總產量的60%左右，玉米占40%左右[2]，該地區糧食產量的穩定對于保障國家糧食安全發揮著巨大的作用。

干旱缺水是華北地區農業生產的主要限制性因子[5]，地膜覆蓋可增加土壤貯水量30%，降低蒸散量50%，減少水分虧缺15%以上[6]，對于華北地區農業抗旱保水具有重要意義。因此，華北地區是中國主要的覆膜地區之一[7]。2013年華北地區地膜用量和地膜覆蓋面積分別為38.1萬t和640.8 萬hm2，占全國地膜用量和地膜覆蓋面積的28.0%和36.3%[2]。

由于地膜降解期較長[8]，其不合理利用容易造成土壤中殘膜積累[3]。隨著土壤中地膜殘留強度的增加，殘膜帶來的負面效應日益凸顯，土壤水分入滲受阻[9]、土地質量惡化、作物產量下降、環境污染等[10-12]。殘膜污染問題逐漸得到國家相關部門的重視，2015年農業部《關于打好農業面源污染防治攻堅戰實施意見》中明確指出，力爭到2020年實現殘膜回收率達到80%以上，農膜基本資源化利用。目前，殘膜污染問題的研究主要集中在新疆等地膜殘留較嚴重的區域，對于華北地區殘膜研究僅限于邯鄲、天津等小區域，而對于整體殘膜水平研究較少，缺乏可靠數據。本研究擬通過取樣檢測、問卷調查以及定位試驗，闡明華北地區殘膜污染現狀以及典型作物的地膜殘留系數，并對未來幾年地膜殘留發展趨勢進行預測，為殘膜防治工作提供理論指導。

1　材料與方法

1.1研究區概況

華北地區包括北京、天津、河北、山東、山西、河南及內蒙古等7個省份，該地區屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，多年平均氣溫為5～20 ℃，平均降雨量為400～800 mm。2008－2011年期間，區域內的主要覆膜作物為蔬菜、玉米、馬鈴薯、棉花、花生及向日葵等作物。雖然區域內氣候相似，但各省覆膜作物、面積及生產管理措施有所差異，所以調查點布置以作物覆蓋面積為主，考慮覆膜作物種類，覆膜方式及其他生產管理措施等因素的原則，同時兼顧區域的空間分布，研究點盡可能覆蓋區域內所有的覆膜農田。本研究共設置具有區域代表性的調查點124個（圖1），其中內蒙古、河北、河南、山東、山西、天津、北京取樣點分別為28、25、25、21、14、6、5個；覆膜作物包括玉米、馬鈴薯、棉花、花生、向日葵及蔬菜，相應取樣點分別為22、9、29、31、1、32個。

圖1　中國華北地區調查點分布Fig.1　Map of survey sites in North China

1.2研究方法

1.2.1取樣檢測和問卷調查

為系統了解該地區殘膜污染狀況，2008－2011年，對124個地膜殘留調查點進行取樣檢測，并通過問卷調查的方式了解調查點地塊信息和地膜應用狀況。具體方法如下：

1）在充分考慮覆膜年限、作物類型等地膜殘留主要影響因素的基礎上，隨機選取地塊，對該試驗點土壤取樣分析（具體取樣時間為當季作物收獲后），統計土壤中殘膜質量。各地塊隨機選取5個樣方，每個樣方大小為100 cm×200 cm，深度為20 cm，人工收集殘膜。將采集到的殘膜帶回實驗室用超聲波清洗儀進行洗滌（＞20 min），洗凈后小心展開卷曲的殘膜，放在干燥陰涼處自然風干后稱取殘留地膜的質量，即地膜殘留量。

2）取樣檢測的同時針對擁有地塊的農戶進行問卷調查。調查內容包括地塊面積、地塊距離村莊的距離、土壤質地等地塊基本信息以及種植制度、覆膜作物、覆膜方式、揭膜時間、地膜厚度、地膜覆蓋度、地膜用量、覆膜年限、回收方式、回收量等地膜應用狀況。地膜覆蓋度61.2%、平均地塊面積6.1 hm2、平均地膜用量43.0 kg/hm2。其他調查點地塊信息及部分地膜應用現狀見表1。

表1　華北地區調查點地塊信息及部分地膜應用現狀Table 1　Basic information on survey sites and mulching application in North China

1.2.2定點試驗

為確定華北地區典型覆膜作物的地膜殘留系數，選取覆膜面積廣、地膜殘留嚴重的作物（花生、棉花），分別選擇其對應的3個試驗點，進行連續3 a的定點監測，試驗時間為2011－2014年。試驗地基本狀況如表2所示。在2011年開始覆膜時和2014年作物收獲后，測定地膜殘留量，用于計算地膜殘留系數。

表2　2011－2014年華北地區典型覆膜作物地膜殘留試驗代表性地塊信息Table 2　Basic information on residue coefficient monitoring sites in typical crops of North China in 2011-2014

1.3指標計算

地膜殘留總量為

式中Q為地膜殘留總量，t；i為作物類型；S為第i種作物地膜覆蓋面積，hm2；K為第i種作物土壤地膜殘留強度，即單位面積由于多年覆膜累積產生的殘膜量，kg/hm2；1000為單位轉化系數。

地膜殘留系數為

式中F為地膜殘留系數，%；C1為地膜鋪設3 a后的殘留量，kg/hm2；C0為初始年份地膜殘留量，kg/hm2；3為試驗周期，a；A為年均地膜用量，kg/hm2。

1.4數據分析

利用Origin 8.0軟件作圖，數據相關性和顯著性分析分別應用SPSS 19.0雙變量相關性分析、單因素方差分析（one-way analysis of variance，one-way ANOVA）進行。

2　結果與分析

2.1華北地區地膜殘留現狀調查結果

華北地區農田土壤耕層（0～20 cm）的地膜殘留強度平均為26.8 kg/hm2，其分布范圍在0.2～82.2 kg/hm2之間，其中79%的區域地膜殘留強度≤40 kg/hm2。中國2010年制定《農田地膜殘留量限值及測定》標準[13]，明確規定待播農田耕作層內（0～25或30 cm）地膜殘留量限值應不大于75.0 kg/hm2。由于本研究中測定的是0～20 cm土壤層次中的地膜殘留量，按照0～20 cm土壤層次中的地膜殘留量占0～30 cm地膜殘留量的82.4%～87.4%進行折合計算[14]，該層土壤中的地膜殘留強度應小于或等于61.8～65.5 kg/hm2，為了方便統計，本文中采用65.0 kg/hm2作為0～20 cm土層的地膜殘留量限值。根據這一限值，華北地區124個調查點中有6個調查點地膜殘留量超標，占總量的4.8%（圖2），由此可看出，華北地區殘膜污染狀況較輕。但也有16.1%的區域地膜殘留強度介于40.0～65.0 kg/hm2之間，這些地區地膜殘留強度接近國家殘膜限值標準，如果不注重殘膜回收工作，將有可能超過國家標準，成為殘膜污染區域。

圖2　華北地區地膜殘留強度及其在不同作物和區域的分布Fig.2　Residual mulching film and its distribution in different crops and areas of North China

華北地區作物間地膜殘留強度存在顯著差異（P=0.045），花生和棉花的地膜殘留強度最高，分別為32.0和31.8 kg/hm2，而向日葵的地膜殘留強度最低，為12.3 kg/hm2?；ㄉ啬埩魪姸容^高的原因主要是地膜厚度較薄，80.6%的厚度集中在≤0.005 mm范圍內。厚度是影響地膜殘留強度的重要因素之一，厚度越薄，地膜越容易破碎，回收就越困難[15]。由于增加地膜厚度將影響花生果針下扎，造成花生減產，因此應用可降解地膜或者加強殘膜的回收是減少花生殘膜污染直接有效的方法。棉花地膜殘留強度較高主要是棉花本身的形態特征決定了其在棉花生長期間不易回收，導致覆膜時間較長，增加了地膜的破碎程度，給回收工作造成難度。

各省份間地膜殘留強度也存在顯著差異（P=0.012），河北地膜殘留強度最高，為36.8 kg/hm2，是平均地膜殘留強度（26.8 kg/hm2）的1.4倍。河南地膜殘留強度最?。?9.2 kg/hm2），僅為平均地膜殘留強度的0.7倍。造成河北和河南地膜殘留強度存在顯著差異的主要原因是覆膜作物所占比例的不同，河北花生和棉花（地膜殘留強度居前2位）的覆膜面積占到全省覆膜面積的58.9%，河南花生和棉花覆膜面積僅占22.1%。同時，2個省份的覆膜寬度和地膜用量也不同，河北地區地膜寬度范圍為80～90 cm，平均地膜用量為40.8 kg/hm2，而河南地區地膜寬度范圍多為60～70 cm，平均地膜用量的為33.7 kg/hm2。有研究結果表明，如果殘膜不能得到有效回收，地膜用量越大，則地膜殘留強度就越大[16]。

本研究中地膜殘留強度明顯低于其他相關研究，例如本次調查河北棉田地膜殘留強度為50.1 kg/hm2，而何文清等[16]通過典型樣點采集方法，得出河北邯鄲地區平均覆膜10 a的棉田平均地膜殘留強度為80.5 kg/hm2，馬輝等[17]采用相同方法對該地區不同覆膜年限的棉田殘膜量進行研究，發現覆膜年限分別為2、5、10 a棉田地膜殘留強度分別為59.1、75.3、103.4 kg/hm2（地膜用量為22.5～30 kg/hm2）。研究結果存在差異的主要原因是何文清等針對河北邯鄲地區覆膜10 a左右的典型棉田地膜殘留狀況進行研究，而本文調查對象覆膜年限涉及較廣，涵蓋≤5 a的棉田，馬輝等調查結果偏高的原因為調查棉田殘膜不回收，例如地膜用量為22.5～30 kg/hm2，覆膜2 a 為59.1 kg/hm2，在不進行回收的情況下，殘膜量和地膜投入量相近，而本文中84.3%調查點的殘膜得到回收，這將有效減少土壤中的殘膜量。其次，取樣的深度不同，本研究取樣深度為0～20 cm，何文清和馬輝等取樣深度為0～30 cm。

根據覆膜作物的地膜殘留強度和覆膜面積計算可知（表3），中國華北地區土壤耕作層地膜殘留總量為14.8萬t，其中地膜殘留總量居前3位的作物是蔬菜（5.5 萬t）、棉花（3.9萬t）、花生（3.0萬t），占殘膜總量的83.8%，這主要與該3種作物地膜殘留強度高、覆膜面積大有關?？傮w而言，華北地區仍需加強地膜殘留防治工作，重點應放在蔬菜、棉花、花生等殘膜量高的作物上，以預防為主，注重防治結合，具體措施包括增加地膜厚度，推廣使用可降解膜，加強殘膜回收等。

表3　華北地區地膜殘留總量Table 3　Total residual amount of mulching film in North China

2.2典型覆膜作物的地膜殘留系數

地膜殘留系數監測點數據顯示（表4），隨著覆膜年限的增加，花生和棉花的地膜殘留量不斷增加。2011－2014年間，花生的地膜殘留強度平均值從42.3 kg/hm2增加到53.2 kg/hm2，平均每年地膜殘留強度增加量為3.6 kg/hm2；棉花地膜殘留強度從56.4 kg/hm2增加到70.1 kg/hm2，平均每年地膜殘留強度增加量為4.6 kg/hm2，增加速度高于花生。定點監測試驗中，花生和棉花的年平均地膜用量為37.5和32.0 kg/hm2，其地膜殘留系數分別為9.7%和14.3%。根據地膜殘留現狀調查結果可知，2011年華北地區花生和棉花的地膜殘留強度平均值為32.0、31.8 kg/hm2，地膜用量為38.2、27.0 kg/hm2。同時，考慮到土壤中普通聚乙烯殘膜降解期一般為200～400 a，在自然條件下，短時間內很難降解[18]。在此基礎上，如果一直沿用當前的地膜應用模式，根據地膜殘留系數計算可得，此后連續覆膜10 a（2021年），花生和棉花地膜殘留強度將分別達到69.1和70.4 kg/hm2，均高于國家制定的殘膜限值標準。雖然目前華北地區殘膜污染較輕，如果維持殘膜回收現狀不變的話，華北地區將很快成為地膜污染區域。

表4　華北地區典型覆膜作物地膜殘留系數Table 4　Residual coefficient of typical mulching crop in North China

3　結論與討論

華北地區土壤耕層地膜殘留強度分布范圍為0.2～82.2 kg/hm2，其平均值為26.8 kg/hm2。區域內不同作物和不同省份間地膜殘留強度存在顯著差異（P＜0.05），花生和棉花地膜殘留強度較高，分別為32.0和31.8 kg/hm2；華北地區所有省份中，河北省農田地膜殘留強度最高，為36.8 kg/hm2。2011年，華北地區農田地膜殘留總量為14.8 萬t，其中地膜殘留總量居前3位的作物是蔬菜（5.5萬t）、棉花（3.9萬t）、花生（3.0萬t），占殘膜總量的83.8%。3年的地膜殘留系數定點監測試驗結果表明，花生和棉花的地膜殘留系數分別為9.7%和14.3%，如果一直沿用目前的地膜使用模式，預計到2021年，花生地和棉田的地膜殘留強度將會達到69.1和70.4 kg/hm2，超過國家農田殘膜限值標準，成為殘膜污染區域。

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·農業裝備工程與機械化·

Characteristics of residual mulching film and residual coefficient of typical crops in North China

Zhang Dan1, Hu Wanli2, Liu Hongbin1, Du Lianfeng3, Xu Yu4, Cheng Zhenhua5, Sun Shiyou6, Wang Hongyuan1※
(1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Yunnan 650205, China;3. Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China;4.Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Ji′nan 250100, China;5.Tianjin Agro-Environment Monitoring Station, Tianjin 300061, China;6.Institute of Agricultural
Resources and Environment, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051, China)

Abstract:Plastic films have been used extensively as mulching for crops in modern agriculture, and remarkably improved crop yields in the past decades. However, the vast amount of residual plastic films results in serious pollution in the arable land. In order to expound the status of residual films and the residual coefficient of mulch in typical croplands in North China, the amounts of the residual films were studied by using the methods of farm survey with questionnaires and quadrat sampling in 124 study sites from 2008 to 2011 in Beijing, Tianjin, Hebei, Shandong, Shanxi, Henan, Inner Mongolia. During questionnaire survey, the relevant status of mulching application including soil characteristics, crop type, mulching time and recovery method etc. was investigated. Based upon this, the residual coefficient of typical crops (peanut and cotton) was calculated through the methods of field monitoring from 2011 to 2014, by determining the amount of residual film before and after test. The results showed that the amount of film mulch residue in North China fields ranged from 0.2 to 82.2 kg/hm2, with an average value of 26.8 kg/hm2. Among the surveyed sites, 4.8% of fields presented a greater mulch residual volume than the national film residue standard (65 kg/hm2), and 16.1% of fields showed a residual film amount approaching this threshold. The residual amount was significantly different (P＜0.05) between different crops and provinces. The residual amount of mulch film in peanut and cotton field was highest, reaching 32.0 and 31.8 kg/hm2, respectively. The high residue film in peanut and cotton field was caused by different reasons. For peanut, it was attributed to the small mulching thickness which was mostly less than 0.005 mm, while for cotton the reason was the long mulching time. Meanwhile, Hebei was the one with the most residual mulching film (36.8 kg/hm2), because of the large proportion of peanut and cotton fields. In the year of 2011, the total amount of residual film in North China was 1.5×105t. Vegetables, cotton and peanut field had great contributions to the total amount of residual film in this region, and the amount of residual film was 5.5×104, 3.9×104and 3.0×104t, respectively. Three years of residual coefficient test showed that the residual coefficient of peanut and cotton were 9.7% and 14.3%. If the present mulching pattern was carried on, the quantity of residual film in peanut and cotton fields would reach up to 69.1 and 70.4 kg/hm2in 2021, becoming polluted areas that exceed the national standard of film residue. Although the pollution of residual film was not serious at present, it will become a significant issue if no measure was taken to solve it. It is in urgent need to elevate mulch film standards, develop biodegradable mulch film and enhance mulch film recycling. This study will eventually contribute to promoting effective control and management of residual mulch pollution in North China.

Keywords:films; soils; crops; North China; residual coefficient

作者簡介：張丹，女，山東鄒平人，從事農田養分循環與環境研究。北京中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，100081。Email：zhangdan0630@126.com※通信作者：王洪媛，山東萊州人，副研究員，從事農田土壤碳氮循環、農業面源污染防控技術、農業廢棄物資源化利用等研究。北京中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，100081。Email：wanghongyuan@caas.cn

基金項目：國家公益性行業（農業）科研專項（201003014）

收稿日期：2015-09-10

修訂日期：2015-11-10

中圖分類號：[S19]

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0001-05

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.001 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.001http://www.tcsae.org