农用地膜污染防治战略研究

许咏梅 ,  房世杰 ,  马晓鹏 ,  朱倩倩

中国工程科学 ›› 2018, Vol. 20 ›› Issue (5) : 96 -102.

PDF (826KB)
中国工程科学 ›› 2018, Vol. 20 ›› Issue (5) : 96 -102. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2018.05.015
专题研究

农用地膜污染防治战略研究

作者信息 +

Prevention and Control Strategy for the Pollution of Agricultural Plastic Film

Author information +
文章历史 +
PDF (845K)

摘要

本文在分析我国农用地膜覆盖面积与使用量逐年加大、使用区域由西部向东部急速扩张特征的基础上，探讨了残膜污染态势、残膜造成的土壤理化性质恶化程度以及生态环境恶化风险。从普通聚乙烯地膜降解难且产品质量标准不达标、地膜回收困难再利用效率低、可降解地膜工艺不成熟、尚无可替代产品以及地膜污染缺乏监管机制四个方面梳理了地膜污染的成因。在此基础上，提出了加强地膜标准化生产控制，严格执行地膜厚度≥0.01 mm 的国家标准；优化地膜田间科学合理使用，开展作物适时揭膜技术推广；改进提高残膜回收机效能，努力实现地膜零残留；加大可降解地膜研发力度，推广可降解地膜田间应用的农用地膜防治战略，为我国农用地膜合理利用提供参考。

Abstract

Coverage and use of agricultural plastic films in China has been increasing year by year, and its use area expands rapidly from west to east. Based on these characteristics, this paper discussed the pollution condition of residual plastic films, the deterioration of soil physicochemical properties caused by residual plastic films, and the risks of ecological environment deterioration. And then four causes of plastic film pollution were summarized. Common PE plastic films are difficult to degrade and are always substandard; the plastic films are difficult to recycle and have a low reuse efficiency; the technology of degradable plastic films is immature; and there is a lack of substitute products and supervision mechanism. On these bases, some control strategies for agricultural plastic film pollution were put forward to provide references for the rational utilization of agricultural plastic films in China. For example, standardized production of the plastic films should be promoted and the national standard of plastic film thickness≥0.01 mm should be strictly enforced; the scientific and rational use of plastic films in the field should be emphasized and the timely film uncovering technology should be promoted; the efficiency of residual film recovery machines should be improved, striving to realize zero residual of plastic films; greater efforts should be devoted to the research and development of degradable plastic films and the field application of degradable plastic films should be popularized.

关键词

农用地膜 / 污染态势 / 防治战略措施

Key words

农用地膜 / 污染态势 / 防治战略措施 / mm

引用本文

引用格式 ▾
许咏梅,房世杰,马晓鹏,朱倩倩. 农用地膜污染防治战略研究[J]. 中国工程科学, 2018, 20(5): 96-102 DOI:10.15302/J-SSCAE-2018.05.015

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

一、前言

近年来，我国农作物地膜覆盖面积迅速增长， 2016 年达到 1.84×107 hm2 ，成为世界上地膜覆盖栽 培面积最大的国家。但是，农用地膜在提高作物产 量的同时，其残留在耕地土壤中的碎片已成为我国 北方地区主要的面源污染问题之一。本文在分析农 用地膜利用和污染态势及其成因的基础上，从地膜 标准化生产控制、地膜田间科学合理使用、残膜高 效回收以及推广可降解地膜等四个方面提出了我国 农用地膜污染防治的战略措施，以期为提升耕地土 壤环境质量提供科学参考。

二、我国农用地膜使用与污染态势分析

（一）农用地膜利用现状

1. 地膜覆盖面积和使用量显著增加

我国地膜覆盖面积从 1992 年的 5.934×106 hm2 增长到 2016 年的 1.84×107 hm2 ，递增了 2.11 倍，年 均增长率为 8.76%，平均每年增加 5.195×105 hm2 。 地膜使用量从 1992 年的 3.803×105 t 增长到 2016 年的 1.47×106 t，增加了 2.87 倍，年均增长率为 11.94%，平均每年增加 4.54×104 t，已占世界地膜 使用总量的 50 % 以上（见图 1）（数据来源于《中国农村统计年鉴》1992—2016 年）。

图 1 1992—2016 年全国农用地膜使用量和覆盖面积变化趋势

2. 地膜使用区域由西部向东部急速扩展

对各省覆膜面积的变化统计表明，1992 年山 东、四川、新疆、湖北是四个主要的覆膜大省（区）， 其中山东农田覆膜面积为 7.26×105 hm2 ，四川为 6.618×105 hm2 ，主要应用于蔬菜栽培；新疆覆膜 种植 6.167×105 hm2 ，湖北覆膜种植 5.125×105 hm2 ， 其余各省农田覆膜面积均在 3.5×105 hm2 以下。 川鲁地区的地膜覆盖栽培面积远超过西北地区 （见图 2）。至 2016 年，覆膜面积超过 5×105 hm2 的省（区）增加到 12 个，其中超过 1×106 hm2 省 （区）为 8 个，以山东、甘肃、内蒙古、河北、河 南为代表的中原地区覆膜栽培大省已经形成；云 南、四川成为西南地区覆膜栽培的主要种植区。超 过 1.5×106 hm2 的地膜大省（区）为新疆和山东， 分别达到了 3.405×106 hm2 和 2.092×106 hm2 。地膜 覆盖栽培技术从我国中部向西北、东北、南方地区 扩展，已覆盖全国所有省（市、区）（见图 2）。

图 2 各省（市、区）农田覆膜面积

（二）农用地膜污染态势

当前我国地膜残留总量近 2×106 t，回收率不 足 2/3，耕地土壤平均残留量为 60 kg/hm2 [1]。西北 干旱绿洲区是我国农膜使用量最大的区域，耕地农 膜残留污染也最为严重，如新疆地膜覆盖总面积已近 3.405×106 hm2 ，达到其耕地总面积的 50 % 以上。 对其 20 个县的调查数据显示，农田地膜残留量平 均为 255 kg/hm2 ，是全国平均值的 5 倍，其中地膜 残留量大于 225 kg/hm2 的农田占 80 %，农田残膜污 染严重。

我国其他地区耕地残膜污染也较严重。调查发 现 [2]，甘肃陇东地区平均地膜残留量为 139 kg/hm2 ， 陕西地区平均地膜残留量为 110 kg/hm2 ，华北平原 覆膜棉区平均地膜残留量为 80.5 kg/hm2 ，湖北恩 施烟田平均残留量为 71.9 kg/hm2 ，北京、河北、山 东等地蔬菜的地膜平均残留分别达到了 48 kg/hm2 、 58 kg/hm2 、40.5 kg/hm2 ，河南等地的花生种植区平均 地膜残留已达到 66 kg/hm2 ，残膜累积污染明显。

我国地膜回收率较低，农用地膜污染呈不断加 重和扩散趋势。以新疆石河子垦区调查数据为例， 连续覆膜 20 年和 10 年棉田中的地膜残留量分别为 326 kg/hm2 和 278 kg/hm2 ，其中连续 20 年覆膜种植棉花 – 加工番茄土壤中残留量高达 358 kg/hm2 。即 使在南方地区，如湖北省农膜覆盖玉米连续种植 5 年，残留地膜也达到 140 kg/hm2 。另外，近 20 多 年来我国大多数省（市、区）耕地地膜覆盖系数呈 增加趋势，增加量在 0.06 %~20.03 %，其中，上海、 西藏和江西增加量较大，均在 17 % 以上；吉林、 湖北、四川、青海和浙江的增加量在 4 %~10 %。单 位耕地面积上地膜覆盖程度不断加大，表明地膜残 留累积污染的风险越大。

（三）农膜污染造成土壤理化性质恶化，环境污染 风险增加

1. 残膜碎片障碍耕层形成，土壤理化性质下降， 作物减产

由于我国使用的农膜厚度 <0.008 mm，超薄膜 易破碎，碎片面积 1~25 cm2 的数量约为 1×107 ~ 2×107 片 /hm2 ，与 0~20 cm 耕层土壤混合在一起，人为形成了残膜碎片障碍层。试验表明，当农田 残膜量为 225 kg/hm2 时，容重较无残膜土壤增加 18.2 %，土壤孔隙度降低 13.8 %[3]， 0~120 cm 土层 的土壤体积含水率下降、土壤水分下渗速度缓慢、 生育期内土壤贮水量减少 [4,5]。

残膜对棉田土壤养分也有不同程度的影响， 连 作 10 年、15 年 和 20 年 后， 土 壤 速 效 磷 下 降 29.14 %、22.09 % 和 38.34 %，土壤速效钾先增加但 随后明显降低 [6]，残留地膜不利于土壤中养分的 矿化释放，导致当季供肥能力下降。另有研究表明， 农膜回收率低的农田连续覆膜 3~5 年后，小麦产量 下降 2 %~3 %，玉米产量下降 10 % 左右，棉花产量 下降 10%~23%，蔬菜产量下降14.6%~59.2% [7,8]， 作物减产显著。

2. 地膜降解物致使环境污染风险增加

残留地膜在土壤中可释放出无机污染物和有机 污染物，对土壤性质和农作物的生长造成影响。残 留地膜中含有的增塑剂、抗氧化剂和阻燃剂是导致 土壤有机物污染的主要原因，其中增塑剂多为酞酸 酯类化合物，逐渐释放到环境中，对空气、水和土 壤等造成污染，通过食物链进入人体危害健康，环 境和健康风险加剧。

三、农用地膜残留污染成因

（一）普通聚乙烯（PE）地膜材料降解难

农用地膜都是由高分子的聚乙烯化合物及其 树脂制成的，这些物质具有分子质量大、性能稳 定、耐化学侵蚀、能缓冲冷热等特性，很难在自 然条件下进行光降解和热降解，也不易通过细菌 和酶等生物方式降解，在一般情况下，残膜可在 土壤中存留 200~400 年 [9]，将导致严重的区域农 业面源污染。

（二）地膜质量标准不达标，回收困难，再利用效 率低

按照 1992 年我国轻工业部颁布实施的《聚 乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜标准》（GB 13735— 1992），规定聚乙烯地膜最小厚度为 0.008 mm，但地 膜实际厚度主要集中在 0.004~0.008 mm，考虑市场 及价格，地膜生产商更倾向于生产超薄型地膜（见 表 1）。

表 1 不同厚度地膜铺设用量及投入成本（新疆棉花）

地膜再利用效率低。以甘肃为例，2015 年，再 生颗粒的市场销售价格是 7 500 元 /t，2017 年为 4 200~4 800 元 /t，下降了约 50 %，再生颗粒的生产 成本为 4 000 元 /t，废旧农膜加工企业的市场利润 率不足 2 %。加工企业难以享受税收、电费等优惠 政策，也进一步限制了地膜回收。

（三）可降解地膜工艺不成熟，尚无合适替代产品

由于不同作物对降解地膜的宽度、延展性以 及裂解起始期、裂解速率、降解率产品特性等需 求差异较大，导致可降解地膜材料与农艺生产的 配套性差。例如：降解地膜材料本身延展性与播 种机械不能配套，地膜黏连在打孔器上被拉伸， 致使种子不能进入孔洞中而播在膜面上，造成约 30 % 的播种失败。同一降解地膜在不同气候条件 下，裂解的起始期不同，使地膜增温保墒的效应 存在地区差异。在使用过程中存在的问题，也制 约了降解地膜的大面积推广，短期内还不能全部 替代普通 PE 地膜。

（四）生产管理体系混乱，地膜污染控制缺乏严格 的监管机制

据不完全统计，我国拥有大小规模不等的地膜 生产企业约 800 家，年生产能力 3 000 t 以下的小型 企业约 600 家，由于产业政策、价格体系和供求关系等方面的原因，采用的农用树脂品牌多、乱、杂， 货源不稳定，地膜产品质量不高，严重影响了地膜 的使用和回收。国家对农田地膜污染治理也缺乏相 应的法律法规来监督和约束，农民仅将地表残膜简 单回收一下，有的则直接就翻到土壤中。地膜回收 点设置不足，农民捡拾的残膜也不能得到有效回收， 基本都是焚烧或在田间地头堆置，往往造成地膜的 二次污染。

四、农用地膜污染防治的战略措施

（一）推进地膜标准化生产，从源头遏制不合格地 膜进入农田

在推进地膜生产标准化过程中，各地应积极制 定符合本区域实际情况的地方标准。例如，2014 年 新疆颁布了《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》地方 强制标准（DB65T/ 3189—2014），标准中明确了农 田地膜的最小公称厚度为 0.01 mm，并且耐候期必 须大于 180 d，也就是保证新标准地膜在一个生产 周期内不能破碎为碎片，生产结束后便于回收再利 用。2016 年新疆又颁布了《新疆维吾尔自治区农 田地膜管理条例》，从标准到立法层面对农田地膜 科学使用给予了规定。新标准还增加了 0.012 mm、 0.014 mm、0.20 mm 三个公称厚度。同时增加了推 荐使用天数：厚度 0.010 mm、0.012 mm 为 180 天； 厚度 0.014 mm、0.020 mm 为 360 天，实现从源头 控制残膜污染。

（二）优化地膜覆盖方式，推广适时揭膜等技术

优化地膜覆盖方式，推进地膜科学使用，是减 少农田残膜污染的重要环节。开展地膜在不同作物 和不同栽培模式下的科学合理施用，一是减少无效 的超宽地膜覆盖，降低地膜覆盖率，有效减少地膜 使用量。如华南地区（广东、广西），在冬春季反季 节瓜菜种植过程中，采用 50 cm、100 cm 和 150 cm 三种不同宽度的地膜覆盖栽培，100 cm 宽度的地 膜西瓜生长和产量均优于 50 cm 和 150 cm，这主 要是由于冬季低温旱季，需要增温保墒，春夏季多 雨，肥料养分易于淋失，需要保肥。100 cm 宽度的 地膜在作物早期对土壤的增温保温、干旱保水能力 优于 50 cm 宽度地膜，促进植株根系正常生长；而 在作物生长中后期，恰是高温多雨阶段，与 150 cm宽度地膜相比，其土壤水肥调节、保肥、通气的 协调保障作用强，从而保证了作物稳健生长。因 此从促进作物高产和减少残膜污染的角度考虑， 100 cm 宽度的地膜是比较适宜的。选择适宜宽度 的地膜，可有效降低单位面积地膜使用量，减少 农田残膜积累。二是推广适时揭膜技术。在地膜 发生破碎老化前，及时将地膜清除出农田。河北、 新疆等地区开展的棉花灌头水前揭膜技术，由于 地膜尚未老化，韧性好，不易破碎，回收率可达 90% 以上。在山西地区玉米覆膜栽培中，揭膜适 宜时间为拔节期揭膜，即玉米出苗后 45 天左右， 能大幅度提高地膜的回收率；而在海拔 1 000 m 以 上的玉米种植地区，适宜的揭膜时期延迟到大喇 叭口期，能够在保证 85 % 回收率的同时促进作物 增产。

（三）加强残膜回收机械研发与推广，提高地膜机 械化回收力度

残膜回收机的研发应与种植模式相适应。目 前研发的重点是秸秆粉碎或拔出与残膜回收联合作 业机，代表机型包括新疆农垦科学院 4SJ-1.6 型和 4SJ-2.0 型，机具结构相对复杂，在机械高速运转条 件下难以保障残膜的回收率，这也是联合作业机研 发的重点和难点。甘肃和内蒙古地区残膜回收机研 发的重点是小型机械，主要应用作物为玉米和马铃 薯。如河北神耕机械有限公司研发的 1MC-70 型起 茬残膜回收机，采用铲式结构，机械前部加装土铲， 将根茬与地膜铲起，震动栅条和滚筒筛，使土与地 膜分离，将地膜收集至后部框中。在甘肃、内蒙古 和山西玉米种植中应用较为广泛。该种机械幅宽较 小，工作效率也较低，适宜于条田面积较小的区 域 [10]。总体来看，残膜回收机械尚需加大研发力度。

（四）加大降解地膜产品研发力度

研发完全降解地膜，其降解物质不会再造成 二次污染。如含氧生物降解地膜，以最终降解产物 为 CO2 和水为最优。针对区域生态气候特点，作 物生育期，在不同区域开展降解地膜的试验示范工 作，准确地确定农用地膜裂解及降解规律，为新产 品的研发提供依据。据笔者在新疆棉花、玉米、加 工番茄三种作物上开展的降解地膜裂解试验表明， 地膜裂解率达单位面积的 20 % 时，将失去增温保墒效应。通过地膜裂解动态监测和田间填埋试验结 果显示，三种地膜裂解面积达到 20 % 所需天数存 在显著差异，普通 PE 地膜需要 1 061 天，0.01 mm 厚度降解膜需要 136 天，而 0.012 mm 厚度降解地 膜需要 111 天（见表 2）。因此地膜厚度较大的降 解膜裂解时间早于较薄的地膜，地膜生产中可选择 0.01 mm 厚度。

表 2 不同类型地膜裂解变化

在关注地膜裂解的同时，地膜的腐解也是其重 要的性能指标。笔者也对上述地膜开展了为期 3 个 月的地膜土壤填埋试验，以明确降解地膜转化为无 污染物所需时长（见图 3）。结果表明，降解地膜腐 解率为 2.89 %~16.43 %，总体而言，黑色降解膜腐解率高于白色膜，腐解速率随时间增加递减，表明 目前降解地膜的腐解率并非当年能够完全腐解，存 在滞后效应。

图 3 不同类型地膜腐解率

综合地膜裂解和腐解特性，应研发起始裂解期 晚，保证地膜增温保墒，同时在地膜翻入土壤后又 能快速腐解的产品，以降低地膜残留。

（五）构建农用地膜防治的法律法规体系

建议制定和健全残膜污染防控法律法规，使残 膜防治有法可依。制定残膜残留量超标整治措施， 统一并完善地膜生产、残留量标准，规范产品质量， 将残膜污染防治工作纳入法制管理轨道。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

汪军, 杨杉, 陈刚才, 我国设施农业农膜使用的环境问题刍议 [J]. 土壤, 2016, 48(5): 863–867.
[2]

严昌荣, 刘恩科, 舒帆, 我国地膜覆盖和残留污染特点与防控技术 [J]. 农业资源与环境学报, 2014 (2): 95–102.
[3]

董合干, 王栋, 王迎涛, 新疆石河子地区棉田地膜残留的时空分布特征 [J]. 干旱区资源与环境, 2013, 27(9): 182–186.
[4]

李仙岳, 史海滨, 吕烨, 土壤中不同残膜量对滴灌入渗的影响及不确定性分析 [J]. 农业工程学报, 2013, 29(8): 84–90.
[5]

王志超, 李仙岳, 史海滨, 农膜残留对土壤水动力参数及土壤结构的影响 [J]. 农业机械学报, 2015, 46(5): 101–106.
[6]

刘建国, 李彦斌, 张伟, 绿洲棉田长期连作下残膜分布及对棉花生长的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2010, 29(2): 246–250.
[7]

李明洋, 马少辉. 我国残膜回收机研究现状及建议 [J]. 农机化研究, 2014, 36(6): 242–245.
[8]

唐仕华, 刘银环, 康发云, 永靖县废旧地膜残留对农作物产量影响的试验初报 [J]. 农业科技与信息, 2016 (28): 98, 102.
[9]

董合干, 刘彤, 李勇冠, 新疆棉田地膜残留对棉花产量及土壤理化性质的影响 [J]. 农业工程学报, 2013, 29(8): 91–99.
[10]

赵岩, 陈学庚, 温浩军, 农田残膜污染治理技术研究现状与展望 [J]. 农业机械学报, 2017, 48(6): 1–14.

基金资助

中国工程院咨询项目“中国农业资源环境若干战略问题研究”(2016-ZD-10)()

AI Summary AI Mindmap
PDF (826KB)

5885

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉