池明眼，王天顺，卢芸笑，王清晨，张杰

(东北林业大学生命科学学院，哈尔滨150040)

农用塑料薄膜是农业实践中促进作物增产的重要措施之一,是在有限的耕地面积上增加农作物产量的有效途径，它的使用可以解决作物生长所需条件不足的问题，其主要通过改变土壤温度、保护土壤水分、降低杂草压力来提高作物生产力[1]。目前，农用塑料薄膜已被用于各种作物生产中，如玉米、西兰花、小麦、花生、蔬菜等其他作物[2-3]。据统计，农用塑料薄膜的使用可以使中国的小麦，玉米，棉花和马铃薯的产量提高26%～37%[4]。塑料薄膜最常用的基础材料为价格低廉、易加工、高度耐用、有弹性的聚乙烯(PE)[5]。由于聚乙烯的难降解性导致其在田间的累积量逐年增加，大量的残留塑料碎片会恶化土壤理化性质，降低作物产量，对土壤环境造成严重的污染[6]。土壤健康是农业生态系统可持续性的关键组成部分，因此我们需要全面了解农用塑料薄膜对土壤环境的影响，为后续综合治理塑料污染问题提供基础资料。

1 农用塑料薄膜的使用情况

20世纪50年代，农用塑料薄膜因其具有可提升土壤温度的能力而闻名于世，其独特的材料特性(可反射特定波长的光辐射)，为农业带来及时的经济效益。根据其原材料，可将其划分为3类，分别为聚氯乙烯薄膜(PVC)、 聚乙烯薄膜(PE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)薄膜。聚氯乙烯薄膜保温效果好，可耐酸、碱、盐，但成本较高；聚乙烯薄膜质地软，耐酸、碱、盐，光通透性较好且安全无毒，但其强度和保温性能差；EVA薄膜透光性、保温性较好，其耐气候性强，并且可回收再利用，降低使用成本[7]。通常各类农用塑料薄膜通过添加增塑剂，有色颜料，紫外线(UV)稳定剂或其他聚合物对其进行改性。黑色，透明和白色是农用塑料薄膜最常用的颜色， 其颜色的选择很大程度上取决于作物类型和作物环境及植物可承受的温度。农业塑料薄膜的使用不仅可以改变土壤湿度和温度，还可以控制害虫的生长，可有效减轻各种昆虫的伤害和/或疾病传播，包括蚜虫，蓟马，粉虱，黄瓜甲虫，叶蝉，叶螨等植物害虫等[8]。

在中国，农用塑料薄膜的使用在逐年增加，在1991年至2011年期间，农用塑料薄膜的使用量从319万t增加到1245万t，增长了4倍[9]。截止在2013年，中国的农用塑料薄膜覆盖种植面积已达到2.2×107hm2[10]。随着我国经济的发展以及农村产业结构的调整，各行各业对农用塑料薄膜的市场需求不断上升，我国塑料薄膜产量逐年提高，年均增长速度达到了15%，且塑料薄膜的需求量每年将以高于9%的速度增长。在“十三五”期间，塑料薄膜市场将保持20%以上的容量扩张，预计2017年我国塑料薄膜产量将达到1957.86万t。

2 农用塑料薄膜对土壤环境的影响

2.1 农用塑料薄膜对土壤湿度的影响

在土壤的上表层(0～10cm)，水分变化是高度动态的，但塑料薄膜的使用可以减少土壤水分变化的波动，这是因为农用塑料薄膜的使用可增加土壤表面与大气之间蒸汽流动的阻力，进而可有效减少土壤水分的蒸发，提高土壤的含水量[11-12]。Li等人对比裸土处理(无塑料薄膜覆盖)发现，使用塑料薄膜的玉米-番茄双季作物系统浅根区的土壤含水量高于裸土处理，且对水分的利用效率提高了约10%，但在较深的根区没有看到两种处理之间的差异，其结果表明塑料薄膜的使用对土壤水分的影响通常随着土壤深度而减小，在40cm以下变得几乎不显著[13]。此外不同颜色的塑料薄膜对土壤水分的影响也不同，例如在Ashrafuzzaman等人移栽辣椒的实验中，使用了不同颜色的塑料薄膜处理，90天后检测土壤剖面0～10cm的土壤水分，结果表明使用透明塑料薄膜的土壤水分最高，其次是黑色塑料薄膜和蓝色塑料薄膜，对照裸土水分最低[14]。

2.2 农用塑料薄膜对土壤温度的影响

农用塑料薄膜具有改变到达土壤的光辐射水平的光学性质，进而可以导致土壤温度的升高或降低。黑色塑料薄膜是较为常用的塑料薄膜，因为它可以吸收和重新发射红外(IR),可以使土壤变暖高达6℃，土壤湿度增加一倍，从而延长了生长季节[15]。HeiBner等人在炎热地区使用塑料薄膜种植芦笋作物的生长中发现，与裸土相比使用白色塑料薄膜处理的土壤可以维持或略微降低土壤温度2℃左右[16]。此外具有高反射率，低吸收率和透射率的银色塑料与裸土相比也可以降低土壤温度[17]。所以白色及银色的塑料薄膜是热带农业系统的良好选择。相比之下，透明塑料薄膜的太阳辐射吸收能力是最差的，研究表明它可以将85%～95%的辐射传输到土壤，使得土壤温度升高，且透明塑料薄膜表面下方的冷凝水也可以吸收土壤反射的IR辐射，从而保持土壤热量，这种温室效应使得透明塑料薄膜在寒冷地区较为适用，但透明塑料薄膜覆盖物的高透射性质的缺点是控制杂草生长的能力相对较弱[18]。在干旱地区，透明薄膜主要用于土壤太阳能化，因为透明覆盖层会产生极高的温度。土壤温度对作物生长的影响与作物生长的气候位置有关不同地区的农民可以选择不同类型的塑料薄膜来降低或升高土壤温度从而来获得更高的产量。

2.3 农用塑料薄膜对土壤物理结构及化学性质的影响

农用塑料薄膜是由聚乙烯类的高分子化合物制备而成，材质的稳定性导致其在土壤中难以降解，且残留塑料薄膜的大量聚集会阻碍土壤与大气的水、气、热交换能力，从而降低土壤的透气性、热容量和容水量。此外农用塑料薄膜形成的物理屏障在阻碍气体交换的同时也造成了土壤缺氧、氧化还原电位低的问题，这种低氧化还原电位首先导致硝化作用降低和反硝化作用增加，并进一步促进产甲烷作用，最终增加N2O和CH4的排放[19]。有研究者表明使用塑料薄膜后可增加12%～15%的碳固存，且减少了大约100g/cm2的二氧化碳排放量，使得土壤中二氧化碳浓度高达3倍[20]

随着农用塑料薄膜的使用致使土壤微气候逐渐发生改变，这种改变在提高植物生产力的同时也增加了枯枝落叶和土壤有机物(SOM)的生物降解，而这种生物降解是触发土壤养分快速枯竭的一个重要因素[2]。很多研究表明塑料薄膜的使用显著减少了土壤有机质，造成土壤局部次生盐化、氮磷钾含量减少，加速了土壤退化[21]。土壤条件的改变不仅会引起土壤生物群落的不良变化，还会影响土壤生态系统其他的生物，如蚯蚓或线虫等[22]。

2.4 农用塑料薄膜对土壤微生物的影响

农用塑料薄膜的使用使得土壤中微生物呼吸所产生的二氧化碳留存于土壤中，而土壤中CO2的增多可以促进植物生长，并进一步刺激根部发育、增加粘液的渗出，因此土壤中微生物养分的吸收和可利用性也将得到提高[23]。当使用塑料薄膜增加土壤温度和湿度后，较高的土壤温度和湿度可以促进土壤微生物的活动，从而加速土壤中有机质的分解，加速C/N代谢等[22]。随着土壤理化性质、养分可利用性和微生物活动的改变，农用塑料薄膜的使用可以诱导土壤微生物群落的变化。印度的垄沟系统使用农用塑料薄膜后与裸土相比，土壤细菌，真菌和放线菌的数量分别增加了2%、12%和12%[24]。一项在中国沉阳进行的为期28年的研究表明，塑料薄膜覆盖增加了变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度[25]。有研究初步表明使用塑料薄膜覆盖后的芦笋作物土壤中的霉菌产生的毒素增加[26]。如果这一观察结果得到进一步验证，那么我们也需要考虑在使用塑料薄膜后霉菌毒素产生的增加及其毒素引起的食品污染问题。除了微生物群落结构的变化外，塑料薄膜的覆盖物还会影响微生物的功能。部分研究表明使用塑料薄膜后微生物活动增加，也有部分研究表明其使用塑料薄膜后微生物的活动减少[27]，而塑料薄膜的使用造成的微生物活动的增加和减少很可能取决于土壤温度的变化，当塑料薄膜覆盖后使土壤温度升高到接近土壤微生物生长的最佳温度时，其生物活动会增加，当升高的土壤温度高于微生物最佳生长温度时，其生物活动会减少，微生物活动的变化最终会影响土壤养分的循环和储存。目前关于塑料薄膜覆盖对微生物生物群落的功能多样性以及C/N代谢影响的研究目前还不是很全面。了解塑料薄膜随着时间的推移对土壤生物学和微生物多样性相关的生态系统功能的影响也是很重要的，这对改善农业生态系统的复原力会有所帮助。

2.5 农用塑料薄膜造成的土壤重金属及农药污染

有研究表明在使用塑料薄膜后的田地周围总农药负荷升高，而这将会增加农药径流进入环境的风险，从而对水生生物和土壤生物产生不利影响。研究人员发现使用塑料薄膜后，百菌清，硫丹，硫丹和氰戊菊酯农药的径流量高达8倍[28]。此外塑料薄膜的使用还可能导致植物对重金属的吸收增加。塑料薄膜除了主要由聚合物组成，还含有少量有机物(添加剂等)和无机(Cu，Ni等)组分，而部分添加剂会对土壤环境造成严重的污染，如增速剂及含有不同的过渡金属配合物(特别是Fe，Co和Mn )的促氧化剂添加剂[29]，如Moreno等研究发现与未使用塑料薄膜的大白菜相比使用塑料薄膜后的大白菜生物量中的重金属含量增加较多，其Zn，Cd，Cu和Pb的总含量提高了90%[30]。Baghour等人研究发现使用塑料薄膜的马铃薯植物中的金属含量比未使用的植物多3倍，植物对重金属的吸收降低了土壤金属含量，但却造成了食品安全问题[31]。

2.6 残留的农用塑料薄膜对土壤环境造成的危害

由于田地中的塑料薄膜从未被完全移除以及塑料薄膜的不完全分解，导致塑料碎片和塑料微颗粒的大量积累在土壤中长达数十年，累积的残膜碎片不仅会影响土壤环境，还可能进入食物链[6]。在中国，长期使用塑料薄膜覆盖物导致估计在表土(0～20cm)中积累50～260kg/hm2的残余塑料，这些累积的塑料碎片和颗粒会降低土壤孔隙度，从而导致土壤空气循环减少，增加土壤水分排斥，减少土壤渗透和吸水从而影响土壤生态系统，最终影响植物的萌发和生长，使得农作物减产[4]。除此之外塑料碎片或颗粒还可以吸附农业系统中使用的化学药品，进而作为有毒化学物质的载体，提供了污染土壤环境的通道[32]。

3 废旧农用塑料薄膜的处理及其残膜污染的防治措施

3.1 废旧农用塑料薄膜的处理

农业中使用的大多数塑料薄膜都是由聚乙烯制成，由于聚乙烯具有耐用性和良好的材料特性，所以在生长季节结束时必须将塑料从田地中取出然后进行处理，但由于农业塑料薄膜通常被土壤和植物残骸污染，因此无法有效回收利用，只能回收后在垃圾填埋场中燃烧和沉积，而这导致了严重的环境污染[33]。由于我国尚未建立农用塑料薄膜回收体系，只有少部分地区开始回收处理废旧农用塑料薄膜，如山东荣成市及甘肃的临兆县等，然而其他很多地区的农民使用后基本不予以回收处理。随着土壤中塑料薄膜的残留量逐年增加及清理回收难度的加大，土壤污染还在进一步加剧。

3.2 残膜污染的防治措施

目前，关于残膜污染的防治措施主要从以下7个方面进行：(一)制定相关法律法规，建立塑料残膜回收奖惩机制；(二)制定农用塑料薄膜土壤残留和相应厚度标准；(三)采用适时揭膜技术；(四)推广农用塑料薄膜减量化应用技术；(五)研制新型、高效的农用地膜回收机械；(六)推广使用可生物降解的农用塑料薄膜；(七)研究制备农用塑料薄膜的新材料，探寻其替代物。

4 结语

综上所述，本文介绍了农用塑料薄膜对土壤环境的综合影响，但目前我们对不同塑料薄膜的使用对土壤的理化性质的影响及生物多样性和土壤微气候的相互作用的研究还不是很全面。了解塑料薄膜随着时间的推移对土壤生物学和微生物多样性相关的生态系统功能的影响也是很重要的，这对改善农业生态系统的复原力会有所帮助。由于可生物降解的聚合物覆盖材料仍然昂贵，因此还需要对这些材料的成本最小化进行研究以使其便于农民使用。除此之外，在农用塑料薄膜残留污染的治理过程中，应有效提高农用塑料薄膜的质量、 改进农用塑料薄膜的回收技术、加强废旧农用塑料薄膜的回收政策、加强环境监督部门与其他部门开展的联合工作、逐步完善联合工作机制、不断提高农用塑料薄膜残留污染的防治水平。相信在不久的将来，随着科技的进步和农业者环保意识的增强，农用塑料薄膜造成的污染问题会进一步得到改善和和解决。