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地膜残留危害与防控分析

2012/06/27 阅读:

自20世纪70年代后期以来,地膜覆盖技术在我国农作物生产中的应用已逾三十年之久。该项技术的推广应用,极大地提高了玉米、小麦、棉花、马铃薯等大宗作物和多种园艺作物的单产,并在多数地区实现了作物生产由一年一季到两季甚至多季的变化,已成为保障我国粮棉生产安全和农业现代化发展的重要措施之一。但现行的地膜为理化性质相对稳定的石化产品,其残留于土壤环境中的碎片在几十年乃至上百年的时间内也很难彻底降解。残膜在农田中的长期积累会导致土壤耕层理化性质和生物学性质的劣变,影响农作物的生长发育,进而导致作物减产、品质变差[1]。因此,伴随着作物地膜覆盖栽培技术的广泛推广,农田残膜污染问题已成为我国农学界和环境学界关注的一大焦点,学者们对残膜在农田中的分布规律及其导致的土壤性质恶化、作物生长发育受阻乃至减产的原因、防治措施等方面进行了大量的研究。对这些研究成果进行分析综述,将有利于了解和把握我国该研究领域的基本情况,抑或能启迪新的研究思路和方法。本文仅以从“中国知识资源总库”(CNKI)检索到的相关中文文献(1979—2010年)为基础资料,就我国30年来在这一领域的研究做一综述,供相关科技工作者参考。

1影响农田地膜残留量的因素

覆膜农田的地膜残留量主要决定于连作(覆膜)年限和间隔年限,随着连续覆膜年限的增加而增多,随着间隔年限的增加而减少。土地耕翻与整地的时间与方式也是影响地膜残留量的重要因素,秋季整地田块的残膜量明显低于春季整地的地块,人工翻地的地膜残留量低于机械耙地。所用地膜的幅宽也影响残膜量,地膜越宽,残留越少[2]。李秋洪在湖北调查,当玉米田地膜投入量为45kg•hm-2时,连续使用1~8年的残膜量由26.55kg•hm-2增加至81.6kg•hm-2,平均每年增加残留量达10.76kg•hm-2,残膜量为地膜投入量的1/4;花生田地膜使用量为105kg•hm-2时,连续使用5年的平均年残留量为28.02kg•hm-2,残留率为26.7%,且残膜量与连续覆膜年限呈正相关[3]。刘建国等在新疆棉田的研究[1]、马辉等在华北棉田的研究[4],以及杨彦明等在内蒙古15个试点的研究[5]也得出了相似的结果。农田残膜量的演变趋势与所使用地膜厚度的变化有关,并呈现明显的阶段性。刘祥雷等报道,1991—1999年,山东营南县农田残膜量前3年呈微幅增长态势,2年累计增长6%;中间3年为缩减期,2年降幅达25.94%;后3年为相对稳定期。分析认为,出现这种阶段性的主要原因是9年间使用的地膜由较厚(0.006~0.007mm)到超薄(0.003~0.004mm)的变化[6]。作物的种植模式对残膜量演变的影响更重要,单作栽培时残膜量明显少于轮作栽培。另外,覆膜农田土壤的残膜量与作物品种特性也有关联。严昌荣等比较了石河子棉区不同种植方式和覆膜年限的地膜残留状况,结果连续覆膜单作棉花20年和10年的残膜量分别为307.9kg•hm-2和259.7kg•hm-2,而棉花—番茄轮作10年的残膜量高达334.4kg•hm-2[7]。李江苏等观察,稻田残膜量的多少有常规水稻大于杂交水稻的趋势[8],这可能与杂交水稻根系对残膜的肢解能力强于常规水稻有关。

2农田残膜的形态及其在土壤中的分布

农田残膜主要以碎片的形式分布于土壤浅层,并随着覆膜年限的延长逐年下移。陈晶等调查发现,残膜主要分布在0~10cm耕层(71.8%),10~20cm土层占22%,20~30cm土层仅占6.3%;并随着覆膜年限的增加,下层土壤中的残膜逐渐增多。残膜大小以100cm2左右的最多(73.7%),20~100cm2的占20.2%,2~20cm2的占6%,小于2cm2的仅占0.1%;且随着覆膜时间和间隔时间的延长,大块残膜的比例逐渐减少[2]。武崇信等发现,由于受耕作和覆膜作业等因素的影响,覆膜棉田中的残膜碎片呈水平、垂直、倾斜、球状、棒状等多种形态存在,但不论何种形态,都以10~20cm2的碎片所占比例最大(73.9%)[9]。大小不同的残膜碎片在不同层次土壤中的分布不同,土壤浅层的残膜以小面积的碎片为多。马辉观察,在棉田0~20cm土壤中,残膜碎片的数量浅层显著多于深层,并以小膜(<4cm2)最多,中膜(4~25cm2)次之,大膜(>25cm2)最少[4];在棉田0~10cm土层中,覆膜10年的碎片数明显低于覆膜2年和5年;而在10~30cm土层中,则是覆膜10年的残片数量最多[4]。覆膜作物的种植制度也影响到残膜碎片的大小,轮作时不利残膜的进一步裂解。严昌荣等报道,单作棉花的土壤中小块残膜所占比例大,而番茄—棉花轮作时大块残膜比例大[7]。与残膜数量在土壤中的垂直规律分布一样,残膜质量的分布也有浅层大于深层的趋势。武崇信等报道,华北棉田0~10cm土层的残膜片数占58.5%~76.4%,10~20cm土层占22.3%~35.1%,20~30cm土层占1.3%~6.4%。残膜质量也以0~10cm土层最大,10~20cm次之,20~30cm最小。残膜碎片在土壤中的垂直分布深度与覆膜年限也有关联,连续覆膜时间越长,残膜进入深层土壤的机会就越大[9]。残膜碎片面积的差异也与连作年限有关,表现为连作年限越长,地膜的破碎度越高,即面积较大的残片数量越来越少。刘建国等调查,棉田土壤中大于100cm2的地膜残片数连作5,10,15,20年分别比种植1年下降40%,66.19%,66.67%,77.14%;而小于10cm2的残片数量分别是种植1年的1.9倍、2.37倍、2.94倍、3.6倍,这与作物根系的长期穿插分割及地膜的自然裂解有关[1]。

3残膜对农田土壤理化性质的影响

3.1对土壤物理性质的影响

残膜滞留于农田产生的物理阻隔作用导致土壤孔隙度和容重的变化,随着残膜量的增加,土壤孔隙度呈现逐渐下降的态势,而土壤容重则逐渐上升[10-14]。由于地膜残片使水分和空气的运行受阻,还会导致土壤含水量降低。李青军等报道,棉田残膜量分别为225kg•hm-2,450kg•hm-2,900kg•hm-2时,土壤含水量分别比对照(无残膜)减少1.29百分点、4.39百分点、11.22百分点。残膜还显著影响土壤水分的上移和下移渗透,且对下移的影响大于上移。武崇信等研究表明,残膜量为1440kg•hm-2的棉田,土壤水分的上移渗透系数减慢46.7%,下移渗透系数减慢84.1%,残膜量(x)与水分下渗速度(y)呈幂函数曲线(y=57.6x-0.5641)关系,并达到F检验极显著水准[9]。长期实施秸秆还田等良好的农田培肥制度有助于减轻残膜对土壤结构的破坏效应。刘建国等报道,不同覆膜年限间新疆棉田土壤容重的变化差异不显著,而孔隙度则随覆膜年限和残膜量的增加呈上升趋势;田间持水量随着覆膜年限的延长而逐渐上升,连作5年、10年、15年、20年分别比种植1年的提高13.14%,6.29%,22.85%,26.86%[1]。这个结果之所以与其他人的研究不同,其原因与新疆棉区长期坚持的秸秆还田对土壤结构的改善作用大于残膜对土壤结构的破坏作用有关。

3.2对土壤生物及化学性质的影响

残膜在导致耕层土壤物理结构破坏的同时,还影响土壤养分的释放,导致肥力下降。由于大量残膜在土壤耕作层内构成的薄膜隔离层会影响微生物的活性,从而不利于土壤养分的矿化释放和肥力的提高[15]。同时,由于分布于浅层土壤的残膜对水分的下渗具有物理阻隔作用,在蒸发量较大的灌区会导致农田土壤次生盐渍化,乌甫尔江•托乎提等在新疆棉田上的调查证实了这一点[14]。受土壤培肥制度的制约,不同覆膜年限对土壤养分含量的影响程度相同,总的表现为对土壤碱解氮的含量影响小,随着覆膜年限的延长有效磷的含量明显下降。据刘建国等测定,新疆覆膜棉田碱解氮的含量连作5年、10年、15年、20年分别为种植1年的1.48倍、1.58倍、1.78倍、2.52倍;有效磷的含量则呈相反的趋势,连作10年、15年、20年分别相当于种植1年的70.86%,77.91%,61.66%;土壤有效钾的含量则呈现先增加后减少的趋势[1]。

4残膜对作物生长发育及产量和品质的影响

4.1影响作物出苗和幼苗的成活

农田残膜的机械阻隔作用及其带来的土壤物理性质的恶化会导致作物出苗困难和幼苗成活率降低。武崇信等调查,残膜量为720kg•hm-2和960kg•hm-2时,棉花出苗率分别比对照降低10.5%和17.3%;死苗率也随着残膜量的增加而增加,较对照高1.0~6.4百分点。分析出苗困难和死苗率升高的原因,一是播种到残膜片上的种子难以吸收足够的水分供膨胀发芽出土,或幼根不能穿透膜片导致不能出苗;二是播种到残膜片下的种子发芽后不能将膜片一同顶出,或因膜下高温导致死苗[9]。覆膜农田作物出苗率降低和幼苗死亡增多的另一个原因是残膜导致的烂种和烂芽。王序俭等报道,新疆兵团棉田残膜污染区的烂种率平均比对照高出1.7百分点,烂芽率平均高出1.58百分点;出苗率平均降低5.1百分点,最高降低11.3百分点[15]。对棉田进行翻耕、播种时,大量残膜会缠绕机具而不利耕作,容易堵塞播种机和点播机的播种孔,影响播种质量,也会造成缺苗断垄[16-17]。为了减轻残膜导致的出苗困难带来的产量损失,人们不得不增加播量或进行补苗。杨素梅等调查,在宁夏贺兰县四十里店乡,为了使覆盖过地膜的麦田达到全苗,必须增加播量75kg•hm-2以上,瓜菜作物必须补苗才能保产[18]。尽管残膜导致作物难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对作物根系的影响

残膜对作物根系的影响首先表现为生长受阻,残膜量的大小影响这一作用的强弱。据李洪秋分析,残膜量与玉米地下部分鲜重的相关系数为-0.99,呈极显著负相关[3]。赵素荣等报道,作物的根长和根重都随着地膜残留量的增加而减少[22]。在蔬菜作物上,陈晶等的分析表明,残膜量与茄子的主根长呈显著负相关,与根重相关不显著;与白菜的根重与主根长都呈显著负相关[2]。在不同深度的土层,残膜对作物根系生长的影响不同。李青军等报道,在新疆棉田的浅层土层(0~40cm)中,残膜具有刺激棉花根系生长的作用,根表面积、根长、密度均随着残膜量的增加而增加;在深层土壤(40~100cm)中,残膜则阻碍根系的生长,根表面积、根长、密度均随着残膜量的增加而大幅下降,这可能是由于上层根系过度消耗水分和养分的缘故[12]。还有研究指出,作物实行宽窄行栽培时,残膜对根系的影响与残膜数量有关。在覆膜灌溉条件下,一般窄行的根系量高于宽行;而当土壤中的残膜量较大时,这一规律则发生变化,窄行的根系量小于宽行[23]。残膜的机械阻碍作用还会刺激作物根系发生畸变,连作年限较短、大片残膜较多时畸形根的比例较大。刘建国等在新疆棉田发现,覆膜连作棉花的根系有直根型(正常根)、丛生型(苗期受下部团聚体残膜或平展残膜的阻碍而使根基部膨大,刺激侧根发达而致)、鸡爪型(根系受斜向残膜的影响斜向生长导致)3种类型。随着连作年限的增加,正常根的比例提升,连作5年、10年、15年、20年分别是种植1年的65.8%,69.4%、75.75%,78.5%;在不同年限连作的棉田中,直根型平均占60.9%,丛生型占16.5%,鸡爪型占22.6%,畸形根比例共39.1%。其中连作5年和10年的棉田中畸形根比例最高,分别为45.8%和45.7%[1],这与作物连作年限较短时土壤中的大片残膜的比例较高有关。

4.3对作物地上部分生长的影响

残膜对作物幼苗的生长不利,减少作物优质苗的比例。向振今等的模拟研究表明,残膜量为37.5kg•hm-2时玉米的一类苗比例减少16.9%;75.0kg•hm-2时一类苗比例减少34.2%;112.5kg•hm-2时一类苗比例减少40.6%[11]。李洪秋等经相关分析认为,残膜量对玉米一类苗的比例具有显著的不良影响[3]。残膜对作物地上部分的影响程度在不同的器官上表现不同。武崇信等试验结果,残膜对棉花的株高、地上部分的总生殖量无显著影响,但对单株结铃数、落铃率等产量性状有一定的影响,单株成铃数比对照减少0.4~12个,落铃率增加3.9%~5.5%[9];乌甫尔江•托乎提的研究也指出,残膜可导致棉花现蕾期推迟和株高降低[14]。残留量是影响残膜对作物地上部分生长发育抑制程度大小的重要因素。安志信等调查,在720kg•hm-2残膜处理区,茄子植株地上部的茎、叶、果实对氮、钾的摄取能力没有显著变化,而磷的含量均低于对照[24];蒋丽萍等发现,番茄的株高、茎粗、叶片数、植株干重在土壤残膜量360kg•hm-2以下时受到的影响不大[25]。在作物的不同生育期,残膜对地上部分生长发育的影响不同,前期所受的影响大于后期。在我国典型农区(河北邯郸、新疆石河子),玉米苗期受残膜影响较大,后期逐渐减弱,各生育期的株高的变化无明显的规律性;茎粗在苗期、拔节期、成熟期随着残膜量的增加呈递减趋势,抽雄期无明显规律;叶面积也呈递减趋势,而且差异显著,成熟期则差异不显著;生长前期玉米的生物量为递减趋势,后期则差异不显著[10]。

4.4对作物产量与品质的影响

相关研究表明,残膜的危害会导致作物的减产,减产程度和作物种类有关。研究显示,残膜量与茄子的产量呈极显著负相关[2];不同残膜量(90~1440kg•hm-2)的番茄早期产量和总产量、采收果实数量均低于对照,但未达到差异显著水准[25]。向振今等试验分析,残膜对玉米产量有显著的影响,其中残膜量187.5kg•hm-2与37.5kg•hm-2间达极显著水平,残膜量与玉米产量呈极显著负相关关系[11],这与李洪秋等的分析一致[3]。残膜的存在还会降低作物籽粒的品质。据尉元明等调查,玉米产量曾覆膜区比新覆膜区减产11.3%,籽粒粗蛋白、粗脂肪、总淀粉含量均有降低[26]。残膜对作物产量影响的大小与覆膜年限的长短及残膜量有关。毕继业等的研究表明,覆膜36年后小麦的减产率大于覆膜的增产率,即使不再使用地膜,残膜16年造成的负效应相当于覆膜36年引起的正效应,并认为在目前地膜使用与回收条件下,从长远看,在小麦上使用地膜是不经济的[27];张宝明等发现,在2m2的耕层土壤内埋入总面积分别为2,4,8m2残膜时,小麦比对照分别减产15.3%,30.8%,46.2%[28];武崇信等分析,当残膜超过360kg•hm-2时,棉花减产幅度为0.2%~9.2%,但未达到显著水平[9]。李青军等、米岁芳等在棉花上的调查也有类似的结果[29-30]。

5残膜危害的防治措施

5.1耕作与农艺措施

采取宽垄覆膜或使用宽幅地膜,实施垄侧种植,选用优质地膜,实行一膜多茬种植可减少土壤中的残膜留量。袁俊霞的研究表明,60cm的窄膜较140cm的宽膜残留在土壤中的几率大2.17~2.57倍[31]。范秀莲发现,采用膜侧栽培时地膜不易被作物根系扎破,有利减少残膜[21]。赵红萍认为,选用厚度适中、韧性好、抗老化的地膜,实行一膜多茬栽培也能有效减少地膜残留[32]。另外,强调秋季整地,推行宽垄覆盖也是减少地膜残留简单易行的措施[2]。

5.2提前揭膜

在作物适当的生育期,选择土壤湿润或疏松、膜上无淤泥的时间,在地膜老化易损前及时揭膜,对作物的后期生长发育基本不影响或影响较小,还可提高残膜回收率,不失为一条解决残膜问题的有效途径。李洪秋等认为,在山西海拔1000m以上的地区,全膜和半膜覆盖的玉米可在大喇叭口期揭膜;海拔1000m以下的地区可在拔节期揭膜。地膜花生以封行期揭膜为宜。揭膜时间以雨后初晴为好,此时土壤湿润,残膜容易拉出,可提高回收率20~30百分点[3]。米岁芳等在新疆棉区研究后指出,在棉花第一次灌水前适时揭膜,90%以上的地膜可有效回收,同时对棉田温、湿度和棉花生长几乎没有影响[30];张江华等在新疆调研后也提出了相同的建议[16]。

5.3机械回收

地面覆膜栽培技术在我国作物生产中的应用规模很大,靠单纯的人工捡拾回收农田残膜已经越来越困难,机械回收将成为必然趋势[25]。目前我国研制的地膜回收机械可分别用于苗期、秋后和播前的农田残膜回收[33],以苗期和秋后的回收率为高[34-36]。薛文瑾等报道的卷膜式棉花苗期残膜回收机对棉田残膜的回收率达85%~94%[37]。崔桂英等研制的棉花拔秆清膜旋耕机,除了具有一般旋耕机的功能外,可通过换装传动链条、拔秆刀及搂把等部件,将棉花连根拔起并回收残膜,还可将回收的残膜集堆铺放[38]。还有学着认为,由于残膜具有分布深、碎片小、残留多等特点,性能单一的机械尚不能完全解决问题,需要一个完整的机械化回收技术体系,应主推秋后残膜回收机械,重视播前残膜清除机械的推广,并研发推广可有效回收耕层20cm深度残膜的机械[15]。

5.4应用可降解膜

现行的各种地膜在大气、水域、土壤环境下都不易分解,寻求能自动降解的新型降解塑料用于农田地面覆盖,就成为解决农田残膜危害问题的出路之一[39]。20世纪90年代以来,我国相继开发研制出了多种可降解薄膜,这些降解膜具有裂解快、裂解率高、碎片小等优点,但随着裂解的进行,其保温保墒效果会有所减弱[40],对作物生育后期的生长发育有影响。贾登三等在棉花上试验了“星火”牌光—生物降解膜,结果该膜比对照普通聚乙烯膜提早27d进入初裂期,提前34d进入大裂期,提前58d进入崩解期;但随着裂解的加快,增温保墒效果明显减弱[41]。聂王焰等研制的可除草、可降解地膜应用于黄瓜栽培时,脆裂降解后的碎片很小,强度很低,对土壤毛细管和植物根系的发育不构成威胁,且碎片易被微生物侵蚀[42]。蕈程荣等报道的一种以甘蔗渣为原料制造的全降解地膜,在土壤中6周后质量损失率达67.84%,7周后可与土壤颗粒粘结在一起分散在土壤中,完全降解[43]。根据降解原理,一般将降解膜分为光降解膜、生———光双降膜、生物降解膜3类,影响它们降解速度的因素各不相同,三者降解速率的排序为生物降解膜>生———光双降膜>光降解膜[44]。光敏剂的应用是光降解地膜加快降解的主要内在因素,光照(特别是紫外线)是其降解的主要外部因素,地下水的活动可延缓其降解速度[45]。由于与普通膜相比具有良好的降解性能,光降解膜的使用可显著减少残膜量。陈明周报道,光降解膜有利于甘蔗苗期的生长与产量的提高,当年残膜量可减少7.85%~16.77%,连续多年使用的残膜显著低于普通地膜。该类膜在湛江地区冬春季节露光一个月开始光解,两个月后基本破碎[46]。张开敏等试验用光降解膜覆膜栽培的玉米,其农艺性状与普通膜差异不明显,产量与普通膜相比有所增加,但由于降解过早(拔节期)而除草效果不好[47]。双降膜和生物降解膜的自然降解效果一般好于光降解膜。沈宏等报道的4种双降解地膜在辽南、辽北、辽东不同气候与栽培制度下均可完成降解过程,不影响下茬作物生长,与露地相比作物增产显著,与普通地膜相比有减产,但差异不显著[48];赵爱琴报道,在35℃和水分0.25g•kg-1下,生物降解膜的降解最快,其降解过程大致为小洞、边缘破裂、变薄、降解。生物降解膜可提早作物的生育期,但增产效果不显著[49]。刘陶对麻/丝非织造布农用地膜的红外分析显示,该地膜可完全自然降解,并具有较好的保墒保温性能,土壤含氮量也随着地膜的降解而提高[50]。

6结束语

从对文献的分析看,我国学者对农田残膜危害的研究高度关注,在农田土壤残膜的存在和分布的规律、残膜对土壤理化性状和作物生长发育与产量的影响等方面取得了大量可贵的研究成果,并积极探索了机械回收、应用降解膜等行之有效的农田残膜治理措施。但笔者认为文献研究所涉及的作物代表性不够强,对我国北方地区已大规模实施覆膜栽培的马铃薯、小麦、果树、蔬菜等大宗作物涉及较少;研究的地理区域很少涉及甘肃、宁夏、青海、内蒙、陕西、山西等水利资源匮乏、作物生育期热量不足、地膜用量较大、覆膜栽培作物种类较多的干旱、半干旱农区。文献研究尚未涉及近年在甘肃等西北地区累计推广规模巨大、地膜用量很大的玉米等稀植作物的全膜双垄沟播栽培模式、小麦等密植作物的全膜覆盖栽培模式等重大旱作农业措施。文献提出的一些残膜防治措施也有不足,如提前揭膜不宜于在作物生长后期水分和温度不足的地区应用[51],机械回收措施在欠发达的山地农区难以适用,一些通过耕作和农艺技术的改变来减少残膜的措施缺乏较好的操作性,难以大规模推广。我国是一个土地和水利资源相对贫乏的国家,大部分农区的热量也明显不足,借助塑料薄膜的保墒和蓄热性能,提高单位土地面积上的产出成为我国北方多数地区农作物生产的必然选择。这种选择带来的最大负面效应就是农田的残膜污染。显然,作物覆膜栽培的高产出与残膜带来的负效应相比要大得多,覆膜栽培模式在现阶段和今后一个时期内仍不可替代。虽然人们在努力寻求现行塑料地膜的替代产品,但限于降水和热量条件,我国北方大多数农区的作物栽培仍需要全程覆膜。降解地膜在作物生长后期往往失去保墒保温性能,且降解后的脆片由于含有淀粉、植物纤维等有机质,容易与土壤颗粒胶合,回收难度比普通膜更大,还可能带来隐蔽性更强的污染问题。因此,现阶段和今后一个时期内,我国仍应提倡使用强度高、韧性好的优质地膜,以延缓地膜破碎的时间,减少小片残膜的密度,便于回收。在防治上应采取科学的农艺措施、耕作种植模式和加强机械清除,并需要建立和推行一套可同时制约塑料地膜生产商和农民、基于法律基础的残膜回收治理机制。

地膜残留危害与防控分析

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