张　丹，胡万里，刘宏斌，杜连凤，徐　钰，成振华，孙世友，王洪媛※（.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部面源污染控制重点实验室，北京 0008；.云南省农业科学院农业环境资源研究所，昆明 00；　.北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 00097；.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，济南 000；　.天津市农业环境保护管理监测站，天津 000；.河北省农林科学院农业资源环境研究所，石家庄 000）



华北地区地膜残留及典型覆膜作物残膜系数

张丹1，胡万里2，刘宏斌1，杜连凤3，徐钰4，成振华5，孙世友6，王洪媛1※
（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部面源污染控制重点实验室，北京 100081；
2.云南省农业科学院农业环境资源研究所，昆明 650205；3.北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097；
4.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，济南 250100；5.天津市农业环境保护管理监测站，天津 300061；6.河北省农林科学院农业资源环境研究所，石家庄 050051）

摘要：为阐明华北地区残膜污染现状及当年地膜残留系数，2008－2011年采用问卷调查及样方检测方法对华北地区主要作物的地膜残留状况进行系统调查，在此基础上2011－2014年通过定点试验监测方法研究典型覆膜作物（花生、棉花）的地膜残留系数。结果表明：华北地区土壤耕层地膜残留强度分布范围为0.2～82.2 kg/hm2，其平均值为26.8 kg/hm2。区域内不同作物和不同省份间地膜残留强度存在显著差异（P＜0.05），花生和棉花地膜残留强度较高，分别为32.0和31.8 kg/hm2；华北地区所有省份中，河北省农田地膜残留强度最高，为36.8 kg/hm2。2011年，华北地区农田地膜残留总量为14.8万t，其中地膜残留总量居前3位的作物是蔬菜（5.5万t）、棉花（3.9万t）、花生（3.0万t），占残膜总量的83.8%。3 a的地膜残留系数定点监测试验结果表明，花生和棉花的地膜残留系数分别为9.7%和14.3%，如果一直沿用目前的地膜使用模式，预计到2021年，花生地和棉田的地膜残留强度将会达到69.1和70.4 kg/hm2，超过国家农田残膜限值标准，成为残膜污染区域。研究可为华北地区残膜防治提供参考。

关键词：地膜；土壤；作物；华北地区；地膜残留系数

张丹，胡万里，刘宏斌，杜连凤，徐钰，成振华，孙世友，王洪媛. 华北地区地膜残留及典型覆膜作物残膜系数[J].农业工程学报，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

地膜是现代农业重要的生产资料，其集水、蓄水、保温、保墒作用显著，覆膜技术的推广应用为作物产量和经济效益的提高做出了重要贡献[1]。

2013年中国地膜使用量已达136.2万t，农作物地膜覆盖面积达17 657.0万hm2 [2]。覆膜技术的广泛应用已使中国粮食作物增产20%～35%，经济作物增产20%～60%，对保障粮食安全有重要意义[3]。

华北地区是中国重要的粮蔬生产基地，耕地面积约占全国的17%[4]，小麦产量占全国小麦总产量的60%左右，玉米占40%左右[2]，该地区粮食产量的稳定对于保障国家粮食安全发挥着巨大的作用。

干旱缺水是华北地区农业生产的主要限制性因子[5]，地膜覆盖可增加土壤贮水量30%，降低蒸散量50%，减少水分亏缺15%以上[6]，对于华北地区农业抗旱保水具有重要意义。因此，华北地区是中国主要的覆膜地区之一[7]。2013年华北地区地膜用量和地膜覆盖面积分别为38.1万t和640.8 万hm2，占全国地膜用量和地膜覆盖面积的28.0%和36.3%[2]。

由于地膜降解期较长[8]，其不合理利用容易造成土壤中残膜积累[3]。随着土壤中地膜残留强度的增加，残膜带来的负面效应日益凸显，土壤水分入渗受阻[9]、土地质量恶化、作物产量下降、环境污染等[10-12]。残膜污染问题逐渐得到国家相关部门的重视，2015年农业部《关于打好农业面源污染防治攻坚战实施意见》中明确指出，力争到2020年实现残膜回收率达到80%以上，农膜基本资源化利用。目前，残膜污染问题的研究主要集中在新疆等地膜残留较严重的区域，对于华北地区残膜研究仅限于邯郸、天津等小区域，而对于整体残膜水平研究较少，缺乏可靠数据。本研究拟通过取样检测、问卷调查以及定位试验，阐明华北地区残膜污染现状以及典型作物的地膜残留系数，并对未来几年地膜残留发展趋势进行预测，为残膜防治工作提供理论指导。

1　材料与方法

1.1研究区概况

华北地区包括北京、天津、河北、山东、山西、河南及内蒙古等7个省份，该地区属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，多年平均气温为5～20 ℃，平均降雨量为400～800 mm。2008－2011年期间，区域内的主要覆膜作物为蔬菜、玉米、马铃薯、棉花、花生及向日葵等作物。虽然区域内气候相似，但各省覆膜作物、面积及生产管理措施有所差异，所以调查点布置以作物覆盖面积为主，考虑覆膜作物种类，覆膜方式及其他生产管理措施等因素的原则，同时兼顾区域的空间分布，研究点尽可能覆盖区域内所有的覆膜农田。本研究共设置具有区域代表性的调查点124个（图1），其中内蒙古、河北、河南、山东、山西、天津、北京取样点分别为28、25、25、21、14、6、5个；覆膜作物包括玉米、马铃薯、棉花、花生、向日葵及蔬菜，相应取样点分别为22、9、29、31、1、32个。

图1　中国华北地区调查点分布Fig.1　Map of survey sites in North China

1.2研究方法

1.2.1取样检测和问卷调查

为系统了解该地区残膜污染状况，2008－2011年，对124个地膜残留调查点进行取样检测，并通过问卷调查的方式了解调查点地块信息和地膜应用状况。具体方法如下：

1）在充分考虑覆膜年限、作物类型等地膜残留主要影响因素的基础上，随机选取地块，对该试验点土壤取样分析（具体取样时间为当季作物收获后），统计土壤中残膜质量。各地块随机选取5个样方，每个样方大小为100 cm×200 cm，深度为20 cm，人工收集残膜。将采集到的残膜带回实验室用超声波清洗仪进行洗涤（＞20 min），洗净后小心展开卷曲的残膜，放在干燥阴凉处自然风干后称取残留地膜的质量，即地膜残留量。

2）取样检测的同时针对拥有地块的农户进行问卷调查。调查内容包括地块面积、地块距离村庄的距离、土壤质地等地块基本信息以及种植制度、覆膜作物、覆膜方式、揭膜时间、地膜厚度、地膜覆盖度、地膜用量、覆膜年限、回收方式、回收量等地膜应用状况。地膜覆盖度61.2%、平均地块面积6.1 hm2、平均地膜用量43.0 kg/hm2。其他调查点地块信息及部分地膜应用现状见表1。

表1　华北地区调查点地块信息及部分地膜应用现状Table 1　Basic information on survey sites and mulching application in North China

1.2.2定点试验

为确定华北地区典型覆膜作物的地膜残留系数，选取覆膜面积广、地膜残留严重的作物（花生、棉花），分别选择其对应的3个试验点，进行连续3 a的定点监测，试验时间为2011－2014年。试验地基本状况如表2所示。在2011年开始覆膜时和2014年作物收获后，测定地膜残留量，用于计算地膜残留系数。

表2　2011－2014年华北地区典型覆膜作物地膜残留试验代表性地块信息Table 2　Basic information on residue coefficient monitoring sites in typical crops of North China in 2011-2014

1.3指标计算

地膜残留总量为

式中Q为地膜残留总量，t；i为作物类型；S为第i种作物地膜覆盖面积，hm2；K为第i种作物土壤地膜残留强度，即单位面积由于多年覆膜累积产生的残膜量，kg/hm2；1000为单位转化系数。

地膜残留系数为

式中F为地膜残留系数，%；C1为地膜铺设3 a后的残留量，kg/hm2；C0为初始年份地膜残留量，kg/hm2；3为试验周期，a；A为年均地膜用量，kg/hm2。

1.4数据分析

利用Origin 8.0软件作图，数据相关性和显著性分析分别应用SPSS 19.0双变量相关性分析、单因素方差分析（one-way analysis of variance，one-way ANOVA）进行。

2　结果与分析

2.1华北地区地膜残留现状调查结果

华北地区农田土壤耕层（0～20 cm）的地膜残留强度平均为26.8 kg/hm2，其分布范围在0.2～82.2 kg/hm2之间，其中79%的区域地膜残留强度≤40 kg/hm2。中国2010年制定《农田地膜残留量限值及测定》标准[13]，明确规定待播农田耕作层内（0～25或30 cm）地膜残留量限值应不大于75.0 kg/hm2。由于本研究中测定的是0～20 cm土壤层次中的地膜残留量，按照0～20 cm土壤层次中的地膜残留量占0～30 cm地膜残留量的82.4%～87.4%进行折合计算[14]，该层土壤中的地膜残留强度应小于或等于61.8～65.5 kg/hm2，为了方便统计，本文中采用65.0 kg/hm2作为0～20 cm土层的地膜残留量限值。根据这一限值，华北地区124个调查点中有6个调查点地膜残留量超标，占总量的4.8%（图2），由此可看出，华北地区残膜污染状况较轻。但也有16.1%的区域地膜残留强度介于40.0～65.0 kg/hm2之间，这些地区地膜残留强度接近国家残膜限值标准，如果不注重残膜回收工作，将有可能超过国家标准，成为残膜污染区域。

图2　华北地区地膜残留强度及其在不同作物和区域的分布Fig.2　Residual mulching film and its distribution in different crops and areas of North China

华北地区作物间地膜残留强度存在显著差异（P=0.045），花生和棉花的地膜残留强度最高，分别为32.0和31.8 kg/hm2，而向日葵的地膜残留强度最低，为12.3 kg/hm2。花生地膜残留强度较高的原因主要是地膜厚度较薄，80.6%的厚度集中在≤0.005 mm范围内。厚度是影响地膜残留强度的重要因素之一，厚度越薄，地膜越容易破碎，回收就越困难[15]。由于增加地膜厚度将影响花生果针下扎，造成花生减产，因此应用可降解地膜或者加强残膜的回收是减少花生残膜污染直接有效的方法。棉花地膜残留强度较高主要是棉花本身的形态特征决定了其在棉花生长期间不易回收，导致覆膜时间较长，增加了地膜的破碎程度，给回收工作造成难度。

各省份间地膜残留强度也存在显著差异（P=0.012），河北地膜残留强度最高，为36.8 kg/hm2，是平均地膜残留强度（26.8 kg/hm2）的1.4倍。河南地膜残留强度最小（19.2 kg/hm2），仅为平均地膜残留强度的0.7倍。造成河北和河南地膜残留强度存在显著差异的主要原因是覆膜作物所占比例的不同，河北花生和棉花（地膜残留强度居前2位）的覆膜面积占到全省覆膜面积的58.9%，河南花生和棉花覆膜面积仅占22.1%。同时，2个省份的覆膜宽度和地膜用量也不同，河北地区地膜宽度范围为80～90 cm，平均地膜用量为40.8 kg/hm2，而河南地区地膜宽度范围多为60～70 cm，平均地膜用量的为33.7 kg/hm2。有研究结果表明，如果残膜不能得到有效回收，地膜用量越大，则地膜残留强度就越大[16]。

本研究中地膜残留强度明显低于其他相关研究，例如本次调查河北棉田地膜残留强度为50.1 kg/hm2，而何文清等[16]通过典型样点采集方法，得出河北邯郸地区平均覆膜10 a的棉田平均地膜残留强度为80.5 kg/hm2，马辉等[17]采用相同方法对该地区不同覆膜年限的棉田残膜量进行研究，发现覆膜年限分别为2、5、10 a棉田地膜残留强度分别为59.1、75.3、103.4 kg/hm2（地膜用量为22.5～30 kg/hm2）。研究结果存在差异的主要原因是何文清等针对河北邯郸地区覆膜10 a左右的典型棉田地膜残留状况进行研究，而本文调查对象覆膜年限涉及较广，涵盖≤5 a的棉田，马辉等调查结果偏高的原因为调查棉田残膜不回收，例如地膜用量为22.5～30 kg/hm2，覆膜2 a 为59.1 kg/hm2，在不进行回收的情况下，残膜量和地膜投入量相近，而本文中84.3%调查点的残膜得到回收，这将有效减少土壤中的残膜量。其次，取样的深度不同，本研究取样深度为0～20 cm，何文清和马辉等取样深度为0～30 cm。

根据覆膜作物的地膜残留强度和覆膜面积计算可知（表3），中国华北地区土壤耕作层地膜残留总量为14.8万t，其中地膜残留总量居前3位的作物是蔬菜（5.5 万t）、棉花（3.9万t）、花生（3.0万t），占残膜总量的83.8%，这主要与该3种作物地膜残留强度高、覆膜面积大有关。总体而言，华北地区仍需加强地膜残留防治工作，重点应放在蔬菜、棉花、花生等残膜量高的作物上，以预防为主，注重防治结合，具体措施包括增加地膜厚度，推广使用可降解膜，加强残膜回收等。

表3　华北地区地膜残留总量Table 3　Total residual amount of mulching film in North China

2.2典型覆膜作物的地膜残留系数

地膜残留系数监测点数据显示（表4），随着覆膜年限的增加，花生和棉花的地膜残留量不断增加。2011－2014年间，花生的地膜残留强度平均值从42.3 kg/hm2增加到53.2 kg/hm2，平均每年地膜残留强度增加量为3.6 kg/hm2；棉花地膜残留强度从56.4 kg/hm2增加到70.1 kg/hm2，平均每年地膜残留强度增加量为4.6 kg/hm2，增加速度高于花生。定点监测试验中，花生和棉花的年平均地膜用量为37.5和32.0 kg/hm2，其地膜残留系数分别为9.7%和14.3%。根据地膜残留现状调查结果可知，2011年华北地区花生和棉花的地膜残留强度平均值为32.0、31.8 kg/hm2，地膜用量为38.2、27.0 kg/hm2。同时，考虑到土壤中普通聚乙烯残膜降解期一般为200～400 a，在自然条件下，短时间内很难降解[18]。在此基础上，如果一直沿用当前的地膜应用模式，根据地膜残留系数计算可得，此后连续覆膜10 a（2021年），花生和棉花地膜残留强度将分别达到69.1和70.4 kg/hm2，均高于国家制定的残膜限值标准。虽然目前华北地区残膜污染较轻，如果维持残膜回收现状不变的话，华北地区将很快成为地膜污染区域。

表4　华北地区典型覆膜作物地膜残留系数Table 4　Residual coefficient of typical mulching crop in North China

3　结论与讨论

华北地区土壤耕层地膜残留强度分布范围为0.2～82.2 kg/hm2，其平均值为26.8 kg/hm2。区域内不同作物和不同省份间地膜残留强度存在显著差异（P＜0.05），花生和棉花地膜残留强度较高，分别为32.0和31.8 kg/hm2；华北地区所有省份中，河北省农田地膜残留强度最高，为36.8 kg/hm2。2011年，华北地区农田地膜残留总量为14.8 万t，其中地膜残留总量居前3位的作物是蔬菜（5.5万t）、棉花（3.9万t）、花生（3.0万t），占残膜总量的83.8%。3年的地膜残留系数定点监测试验结果表明，花生和棉花的地膜残留系数分别为9.7%和14.3%，如果一直沿用目前的地膜使用模式，预计到2021年，花生地和棉田的地膜残留强度将会达到69.1和70.4 kg/hm2，超过国家农田残膜限值标准，成为残膜污染区域。

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·农业装备工程与机械化·

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

作者简介：张丹，女，山东邹平人，从事农田养分循环与环境研究。北京中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，100081。Email：zhangdan0630@126.com※通信作者：王洪媛，山东莱州人，副研究员，从事农田土壤碳氮循环、农业面源污染防控技术、农业废弃物资源化利用等研究。北京中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，100081。Email：wanghongyuan@caas.cn

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201003014）

收稿日期：2015-09-10

修订日期：2015-11-10

中图分类号：[S19]

文献标志码：A

文章编号：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