趙記軍,唐繼榮,李崇霄,何紅琴,黃 浩

(甘肅省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)技術(shù)推廣總站 蘭州 730000)

農(nóng)田覆蓋是一種歷史悠久的作物栽培技術(shù)。地膜作為重要的生產(chǎn)資料,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了巨大影響,帶動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性變化[1]。地膜覆蓋種植可以改善土壤水熱效應(yīng)、抑鹽控草、防蟲(chóng)抗病和增加經(jīng)濟(jì)效益,使糧食作物增產(chǎn)20%～35%,經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)20%～60%,極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和效益的提高,已成為干旱半干旱地區(qū)、低溫缺水地區(qū)和氣溫降水變化幅度較大地區(qū)的重大栽培技術(shù)之一,在我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義[2]。自1979 年引入后,我國(guó)農(nóng)用地膜使用量呈現(xiàn)顯著持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2021 年我國(guó)地膜使用量為1.32×106t,約占全世界地膜使用總量90%。由于以往環(huán)保意識(shí)滯后、地膜標(biāo)準(zhǔn)寬松、回收體系缺失等原因,大量地膜的使用導(dǎo)致農(nóng)田土壤中地膜殘留量不斷增加,這給農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)諸多負(fù)面影響,如破環(huán)土壤結(jié)構(gòu)、阻礙水肥運(yùn)移、影響作物發(fā)育、降低作物產(chǎn)量等[3]。地膜覆蓋技術(shù)是一把雙刃劍,傳統(tǒng)常用覆蓋地膜(PE地膜)是以聚乙烯為主要原料,通過(guò)添加抗氧化劑、紫外線吸收劑等人工合成的一種高分子聚合物,其分子結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定,在自然條件下短期內(nèi)很難降解,在環(huán)境中的自?xún)裟芰Ψ浅Ｓ邢?如果長(zhǎng)期“重使用、輕回收”,隨著農(nóng)膜使用量的持續(xù)增加和使用年數(shù)的不斷增長(zhǎng),殘留地膜將破壞土壤-作物生態(tài)系統(tǒng)平衡,在一定年份內(nèi)增產(chǎn)的前提下,需要承擔(dān)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化與未來(lái)多年連續(xù)減產(chǎn)的雙風(fēng)險(xiǎn)[4]。

甘肅屬于干旱和半干旱氣候區(qū),水資源嚴(yán)重缺乏是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵限制性因子。由于覆膜種植在破解干旱這一制約農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸的問(wèn)題中具有突出效益,地膜覆蓋技術(shù)已逐步由最初經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的蔬菜、花卉等經(jīng)濟(jì)作物推廣到玉米(Zea mays)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)、小麥(Triticum aestivum)等大田作物種植上,并成為甘肅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣、增效最明顯的農(nóng)藝措施[5],甘肅也成為我國(guó)地膜用量、覆蓋面積較大和覆蓋時(shí)間較長(zhǎng)的省份之一。與此同時(shí),伴隨產(chǎn)生的廢舊地膜對(duì)農(nóng)村生活環(huán)境帶來(lái)的“視覺(jué)污染”,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境構(gòu)成的“潛在威脅”也成為影響農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題[6]。

全省農(nóng)業(yè)環(huán)保行業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)顯示,2011 年以來(lái),甘肅農(nóng)田地膜覆蓋面積和使用量總體呈上升趨勢(shì),并大致可分為兩個(gè)階段: 2016 年前,地膜覆蓋面積從9.33×105hm2增加到1.91×106hm2,地膜使 用量從8.0×104t 增加到1.8×105t,兩者均約增加了1 倍。這一階段,甘肅推廣以全膜雙壟溝播技術(shù)為核心的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù),地膜覆蓋成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域最普遍、最有效的抗旱節(jié)水措施,地膜覆蓋面積和使用量大幅增加,可視為快速增加期。2017 年后,地膜覆蓋面積有增有減,基本保持在1.87×106hm2左右,使用量趨于平穩(wěn)后略有降低,基本處于1.6×105t 左右。這一階段,可覆膜耕地面積基本達(dá)到飽和,同時(shí)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大力推廣應(yīng)用加厚地膜,倡導(dǎo)地膜減量替代措施,地膜覆蓋面積和使用量趨于緩慢,可視為平緩穩(wěn)定期。2011 年以來(lái),甘肅通過(guò)實(shí)施省級(jí)財(cái)政農(nóng)業(yè)環(huán)保專(zhuān)項(xiàng)、中央財(cái)政農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)項(xiàng)目、農(nóng)膜回收行動(dòng)、地膜科學(xué)使用等政策措施,頒布《甘肅省廢舊農(nóng)膜回收利用條例》地方性法規(guī),制定《廢舊地膜回收技術(shù)規(guī)范》(DB62/T 2622—2015)、《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜》(DB62/T 2443—2019)等地方標(biāo)準(zhǔn),建立完善廢舊地膜回收利用體系,地膜回收利用率穩(wěn)步提高,農(nóng)田地膜殘留現(xiàn)象明顯改善[7-8]。與地膜使用量相對(duì)應(yīng),2011 年后,地膜回收量呈快速增加、平穩(wěn)后先降低后略增加的特點(diǎn),由2011 年的4.57×104t 提高到2022 年的1.45×105t。地膜回收利用率自2011 年以來(lái)呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì),2011 年僅為57.1%,2017 年提高至80.0%,此后連續(xù)6 年穩(wěn)定在80%以上,2022 年達(dá)到84.72%,其原因是2011 年以來(lái)甘肅綜合運(yùn)用法制、行政、市場(chǎng)和技術(shù)手段,大力防控治理廢舊地膜殘留,廢舊地膜回收與資源化利用水平得到快速發(fā)展。

地膜殘留量是衡量農(nóng)田殘膜污染的最主要指標(biāo),是長(zhǎng)期覆膜種植土壤中的殘膜量化值[9]。據(jù)監(jiān)測(cè)調(diào)查[10],2013 年甘肅地膜年殘留總量4.46×104t,田間地膜綜合殘留系數(shù)為4.64 kg·hm-2·a-1。目前,雖然有一些文獻(xiàn)對(duì)甘肅地膜殘留狀況開(kāi)展了調(diào)查研究,但主要集中在某一特定區(qū)域,樣本數(shù)量相對(duì)較少,且未深入開(kāi)展地膜殘留影響因素研究和地膜殘留等級(jí)劃分評(píng)價(jià),尤其是全省范圍內(nèi)的地膜殘留狀況調(diào)查尚少見(jiàn)報(bào)道[11-13]。為此,本研究通過(guò)在甘肅全省主要覆膜地區(qū)布設(shè)樣地,調(diào)查地膜殘留狀況,分析地膜殘留分布,揭示主要影響因素,為進(jìn)一步做好地膜殘留污染防控治理提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)農(nóng)業(yè)條件概況

甘肅位于32°31′～42°57′N(xiāo) 和92°13′～108°46′E,地處黃土高原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原交匯處,西秦嶺山地邊緣,地貌以高原和山地、戈壁等為主,地勢(shì)自西南向東北傾斜,海拔1000～3000 m。年日照2487.5 h,年平均氣溫6～19 ℃,寒區(qū)旱區(qū)占總面積的95%以上;年均降水量?jī)H300 mm,且時(shí)空分布嚴(yán)重不均,70%的降水集中在7—9 月。高寒和干旱是長(zhǎng)期制約甘肅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大瓶頸[14-15]。

1.2 殘膜樣品采集處理

殘膜樣品采集涉及14 個(gè)市(州)的81 個(gè)縣(市、區(qū))及蘭州新區(qū),共布設(shè)960 個(gè)樣地(圖1),基本涵蓋了全省所有覆膜縣(市、區(qū))的農(nóng)田地塊。樣品采集于2021 年9 月覆膜作物收獲后、整地前進(jìn)行,采樣時(shí)揭除當(dāng)季地表覆蓋地膜。通過(guò)GPS 定位儀確定樣地地理位置,記載采樣地塊歸屬鎮(zhèn)村地點(diǎn)。根據(jù)地塊面積大小和形狀,選用“對(duì)角線” “梅花點(diǎn)”或“蛇形線”采樣法,每個(gè)樣地選取5 個(gè)樣方,樣方為1 m×1 m,采樣深度30 cm。用鐵鍬將表層土壤取放在帆布上,根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生態(tài)總站《全國(guó)農(nóng)田地膜殘留監(jiān)測(cè)方案》建議,用網(wǎng)孔規(guī)格為10 目的篩子人工過(guò)篩,揀出肉眼可見(jiàn)的殘留地膜,放入已編號(hào)的塑料自封袋,回填土壤恢復(fù)農(nóng)田原貌。將收集到的殘膜樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,放入水中浸泡1 h 后去除附著在殘膜上的泥土和雜物,再用微波清洗儀清洗30 min,取出后用濾紙吸去殘膜上的水分,在陰涼干燥處自然晾干后用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)量至恒重,記錄殘膜質(zhì)量。

圖1 甘肅省農(nóng)田地膜殘留調(diào)查樣地分布Fig.1 Distribution of survey sampling sites for residual plastic film in farmland of Gansu Province

1.3 樣地基本信息調(diào)查

在殘膜樣品采集的同時(shí),對(duì)樣地基本信息進(jìn)行調(diào)查,主要包括覆膜年限、覆膜作物、農(nóng)戶(hù)類(lèi)型、距村莊距離等信息。由調(diào)查數(shù)據(jù)可知,960 個(gè)樣地覆膜年限在1～44 a,覆膜作物以玉米、馬鈴薯、蔬菜為主,覆膜比例在40%～100%,地膜使用厚度≥0.01 mm,回收利用率基本都在80%以上。農(nóng)戶(hù)類(lèi)型包括一般農(nóng)戶(hù)、種植大戶(hù)、合作社,以一般農(nóng)戶(hù)最多,合作社次之,種植大戶(hù)最少。樣地距村莊距離基本在1～3 km,其中≤1 km、1～2 km、≥2 km 點(diǎn)位占比分別為62.9%、25.7%、11.3%,土壤類(lèi)型有黏土、砂土和壤土,點(diǎn)位占比以壤土分布最多(72.8%),黏土次之(17.2%),砂土分布最少(10%)。

1.4 地膜殘留量計(jì)算和污染評(píng)價(jià)

將每個(gè)樣地所有樣方的地膜殘留量相加求平均值為該調(diào)查樣地的地膜殘留量。運(yùn)用Kruskal-Wallis方差統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù),其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量(H)為:

式中:Ri為樣本i的秩和,k為總體個(gè)數(shù),N為所有樣本個(gè)體總數(shù),ni為樣本i的個(gè)體數(shù)。

采用地理探測(cè)器計(jì)算地膜殘留影響因素的影響力統(tǒng)計(jì)值(q值,表示解釋100×q%的因變量,值域?yàn)閇0,1]),分析地膜殘留量空間變異的主導(dǎo)因素及其交互作用[16]。其表達(dá)式為:

式 中:h=1,···,L是變量Y或因子 的分層;Nh和N分別是層h和全區(qū)的單元數(shù);和 σ2分別是分層h和全區(qū)Y值的方差;SSW 和SST 分別是層內(nèi)方差之和和全區(qū)總方差。

依據(jù)《農(nóng)田地膜殘留量限值及測(cè)定》(GB/T 25413—2010)標(biāo)準(zhǔn)(待播農(nóng)田耕作層內(nèi)地膜殘留量限值應(yīng)≤75.0 kg·hm-2)評(píng)估研究區(qū)地膜殘留水平。參照《農(nóng)田地膜殘留監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DB37/T 4176—2020)對(duì)研究區(qū)地膜殘留進(jìn)行等級(jí)劃分,依次為: 清潔閾值為＜75 kg·hm-2,輕度污染閾值為75～120 kg·hm-2,中度污染閾值為120～270 kg·hm-2,重度污染閾值為＞270 kg·hm-2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采 用Excel 2010、SPSS27.0、GeoDetector軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,ArcGIS 10.2.2、GraphPad 9.5軟件進(jìn)行圖形繪制。文中數(shù)據(jù)為中位數(shù)、上下四分位數(shù)表達(dá)形式。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜殘留空間分布情況

參照《農(nóng)田地膜殘留監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DB37/T 4176—2020),研究區(qū)地膜殘留量等級(jí)劃分情況如圖2 所示,其中: 地膜殘留量＜75 kg·hm-2的清潔閾值樣地有937 個(gè),占比達(dá)97.6%,各縣(市、區(qū))均有分布;地膜殘留量為75～120 kg·hm-2的輕度污染閾值樣地有17 個(gè),占比為1.8%,其中玉門(mén)市1 個(gè)、金塔縣5 個(gè)、肅州區(qū)4 個(gè)、高臺(tái)縣2 個(gè)、臨澤縣2 個(gè)、永靖縣1 個(gè)、涇川縣1 個(gè)、華池縣1個(gè);地膜殘留量為120～270 kg·hm-2的中度污染閾值樣地6 個(gè),占比僅0.6%,其中嘉峪關(guān)市1 個(gè)、肅州區(qū)3 個(gè)、金塔縣1 個(gè)、永登縣1個(gè);地膜殘留量大于270 kg·hm-2的重度污染閾值樣地為零。達(dá)到輕度、中度污染閾值的23 個(gè)樣地中有19 個(gè)位于酒泉、嘉峪關(guān)、張掖3 市。

圖2 甘肅省農(nóng)田地膜殘留污染等級(jí)空間分布Fig.2 Spatial distribution of residual pollution levels of plastic film in farmland of Gansu Province

受種植模式、耕作方式等因素的影響,農(nóng)田耕層土壤地膜殘留量空間差異有所不同。調(diào)查結(jié)果表明,從樣地看,960 個(gè)樣地地膜殘留量分布在0.02 (康縣碾壩鎮(zhèn)安家壩村一社)～204.75 (肅州區(qū)三墩鎮(zhèn)中渠村4 組) kg·hm-2之間。各樣地都有不同程度的地膜殘留,且樣地之間差異很大,調(diào)查樣地中地膜殘留量中位數(shù) 為12.96 kg·hm-2。從縣域 看,81個(gè)縣(市、區(qū))地膜殘留量較大的5 個(gè)縣(區(qū))分別是金塔縣[68.54 (21.26～81.04) kg·hm-2]、文縣[67.88 (65.60～69.25)kg·hm-2]、東鄉(xiāng)縣[61.56 (14.47～68.97) kg·hm-2]、肅州區(qū)[55.52 (25.00～101.89) kg·hm-2]和瓜州縣[50.60(48.30～54.59) kg·hm-2],較小的5 個(gè)縣(區(qū))分別是徽縣[2.64 (1.79～10.97) kg·hm-2]、涼州區(qū)[2.88 (2.31～3.50) kg·hm-2]、皋蘭縣[2.07 (1.75～2.77) kg·hm-2]、白銀 區(qū)[1.18 (0.92～1.32) kg·hm-2]和康縣[0.02 (0.02～0.02) kg·hm-2]。從市域看,14 個(gè)市(州)及蘭州新區(qū)地膜殘留量較大的3 個(gè)市(州)分別是嘉峪關(guān)市[61.32 (22.38～95.60) kg·hm-2]、酒泉市[48.24 (23.06～57.24) kg·hm-2]和臨夏州[31.84 (15.26～44.44) kg·hm-2],較小的3 個(gè)市分 別是武威市[9.92 (3.30～11.44)kg·hm-2]、隴南市[8.25 (4.61～14.20) kg·hm-2]和蘭州市[5.62 (2.78～22.51) kg·hm-2]。由于數(shù)據(jù)量較大,其他樣點(diǎn)、縣(市、區(qū))、市(州)地膜殘留量不再一一羅列。根據(jù)農(nóng)業(yè)種植自然、地理和氣候等條件,將甘肅大致劃分為高寒陰濕區(qū)(甘南藏族自治州、臨夏回族自治州)、灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)(酒泉市、嘉峪關(guān)市、張掖市、金昌市、武威市)、雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)(平?jīng)鍪?、慶陽(yáng)市)、旱作農(nóng)業(yè)區(qū)(蘭州市、蘭州新區(qū)、白銀市、定西市)和山地農(nóng)業(yè)區(qū)(天水市、隴南市) 5 個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)域。從圖3 可知,地膜殘留量分別為高寒陰濕區(qū)23.93 (13.17～40.89) kg·hm-2、灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)20.88 (10.67～47.38) kg·hm-2、雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)15.98 (6.83～28.22) kg·hm-2、旱作農(nóng)業(yè)區(qū)9.48 (4.82～15.90) kg·hm-2、山地農(nóng)業(yè)區(qū)8.56 (5.18～14.37) kg·hm-2。高寒陰濕區(qū)地膜殘留量中位數(shù)較高,灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)次之但上四分位數(shù)最高,雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)地膜殘留量居中,旱作農(nóng)業(yè)區(qū)、山地農(nóng)業(yè)區(qū)地膜殘留量比較接近且無(wú)論是中位數(shù)還是上下四分位數(shù)都最低。不同農(nóng)業(yè)區(qū)域之間地膜殘留量大致表現(xiàn)出自西向東遞減的趨勢(shì)。以上結(jié)果表明,從縣域、市域、區(qū)域3 個(gè)層面來(lái)看,甘肅農(nóng)田耕層土壤地膜殘留量全部低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)田地膜殘留量限值及測(cè)定》(GB/T 25413—2010)規(guī)定的農(nóng)田耕作層內(nèi)地膜殘留量限值(75 kg·hm-2),均在清潔閾值范圍之內(nèi)。

圖3 甘肅省不同農(nóng)業(yè)區(qū)域的農(nóng)田地膜殘留量Fig.3 Amount of plastic film residues in farmland of different agricultural regions in Gansu Province

2.2 地膜殘留主要影響因素

2.2.1 覆膜年限

地膜殘留的主要特點(diǎn)是因田間地膜大量投入且長(zhǎng)期使用后回收不完全或不及時(shí)造成的累積結(jié)果。根據(jù)調(diào)查情況,960 個(gè)樣地覆膜年份最早始于1979 年,覆膜累積年限多為10～20 a。將覆膜年限劃分為≤5 a、6～10 a、11～20 a、＞20 a 4 個(gè)區(qū)間,對(duì)應(yīng)的樣地?cái)?shù)分別為135、190、365、270,地膜殘留量分別為11.75 (6.38～26.74) kg·hm-2、11.79 (5.13～22.16)kg·hm-2、14.52 (7.61～28.47) kg·hm-2、13.60 (7.37～30.63)kg·hm-2,表現(xiàn)出隨著覆膜年限延長(zhǎng)地膜殘留量增加的趨勢(shì)(圖4)。盡管當(dāng)覆膜年限達(dá)到20 a 以上時(shí),地膜殘留量有輕微降低,但地膜殘留量上四分位數(shù)依然最高。Kruskal-Wallis 分析結(jié)果表明,覆膜年限6～10 a 與11～20 a、＞20 a 之間地膜殘留量差異顯著,其中11～20 a 極顯著高于6～10 a (P＜0.01),＞20 a 顯著高于6～10 a (P＜0.05),其余覆膜年限之間地膜殘留量差異不顯著。

圖4 甘肅省農(nóng)田不同覆膜年限對(duì)地膜殘留量的影響Fig.4 Effect of different mulching years on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.2.2 種植作物類(lèi)型

不同作物因栽培方式、覆膜比例不同,殘膜回收難易度不同,地膜殘留量也不同。調(diào)查結(jié)果顯示,960 個(gè)樣地種植作物類(lèi)型包括玉米、馬鈴薯、小麥、胡蘿卜(Daucus carotavar.sativa)、甘藍(lán)(Brassica oleraceavar.capitata)、當(dāng)歸(Angelica sinensis)、黃芪(Astragalus membranaceus)、胡麻(Sesamum indicum)、百合(Lilium browniivar.viridulum)、制種類(lèi)等作物。不同作物的覆膜比例差別也較大,介于40%～100%。依據(jù)覆膜的種植作物類(lèi)型差異,大致將其歸類(lèi)為玉米、馬鈴薯、小麥、露地蔬菜、設(shè)施蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物、中藥材、制種作物等8 個(gè)類(lèi)別,對(duì)應(yīng)的樣地?cái)?shù)分別為519、101、37、138、10、88、55、12,地膜殘留量分別為13.61 (7.18～29.92) kg·hm-2、12.62 (7.46～23.26) kg·hm-2、14.65 (5.99～18.68) kg·hm-2、12.55(6.41～25.16) kg·hm-2、3.26 (1.39～4.56) kg·hm-2、13.75(7.15～35.88) kg·hm-2、11.27 (7.00～19.40) kg·hm-2、23.22 (12.42～53.73) kg·hm-2(圖5)。其中制種作物殘留量中位數(shù)和上四分位數(shù)均最大,設(shè)施蔬菜殘留量中位數(shù)和下四分位數(shù)最小,前者殘留量中位數(shù)達(dá)到后者的7 倍,其余類(lèi)別相互之間殘留量相差不大。Kruskal-Wallis 分析結(jié)果表明,除小麥與設(shè)施蔬菜地膜殘留量無(wú)顯著差異外,制種作物、經(jīng)濟(jì)作物、玉米、馬鈴薯、露地蔬菜、中藥材與設(shè)施蔬菜地膜殘留量之間差異顯著,均高于設(shè)施蔬菜(P＜0.05)。

圖5 甘肅省農(nóng)田不同作物類(lèi)型對(duì)地膜殘留量的影響Fig.5 Effect of different types of planting crops on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.2.3 種植戶(hù)類(lèi)型

不同種植戶(hù)類(lèi)型因?qū)Ω毓芾砭?xì)度不同,地膜殘留量有所不同。根據(jù)調(diào)查情況,960 個(gè)樣地種植戶(hù)類(lèi)型可分為一般農(nóng)戶(hù)、種植大戶(hù)、合作社3 類(lèi),樣地占比分別為86.9%、5.6%、7.5%,其地膜殘留量分別為12.78 (6.67～26.51) kg·hm-2、11.40 (9.50～18.78)kg·hm-2、18.62 (9.07～32.92) kg·hm-2。合作社樣地殘留量最大,是一般農(nóng)戶(hù)的1.5 倍,是種植大戶(hù)的1.6 倍,其殘留量上四分位數(shù)也最高(圖6)。Kruskal-Wallis 分析結(jié)果表明,一般農(nóng)戶(hù)與種植大戶(hù)、種植大戶(hù)與合作社之間地膜殘留量無(wú)差異,合作社地膜殘留量顯著高于一般農(nóng)戶(hù)(P＜0.05)。

圖6 甘肅省農(nóng)田不同種植戶(hù)類(lèi)型對(duì)地膜殘留量的影響Fig.6 Effect of different planter types on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.2.4 回收方式

前茬作物收獲后、后茬作物播種前種植戶(hù)地膜回收方式也是影響地膜殘留量的一個(gè)重要因素。調(diào)查結(jié)果表明,農(nóng)田殘膜主要通過(guò)人工撿拾、人工撿拾+機(jī)械回收、機(jī)械回收3 種方式進(jìn)行離田回收,樣地個(gè)數(shù)分別為681、232、38,占比分別為71.6%、24.4%、4.0%,殘膜主要還是以人工撿拾回收方式為主。3 種回收方式地膜殘留量分別為11.87 (6.40～24.24) kg·hm-2、16.12 (10.17～36.51) kg·hm-2、18.11(11.19～38.30) kg·hm-2,機(jī)械回收方式下地膜殘留量最高,人工撿拾回收地膜殘留量最低(圖7)。Kruskal-Wallis 分析結(jié)果表明,機(jī)械回收與人工撿拾、人工+機(jī)械回收之間地膜殘留量無(wú)差異,人工+機(jī)械回收地膜殘留量顯著高于人工回收(P＜0.0001)。

圖7 甘肅省農(nóng)田不同回收方式對(duì)地膜殘留量的影響Fig.7 Effect of different recovery ways on plastic film residues amount in farmland of Gansu Province

2.3 地膜殘留量空間差異驅(qū)動(dòng)因子分析

根據(jù)地理探測(cè)器因子探測(cè)分析結(jié)果可知(表1),不同影響因子的決定力(q值)存在差異。q值從大到小依次為種植作物類(lèi)型＞回收方式＞覆膜年限＞種植戶(hù)類(lèi)型。種植作物類(lèi)型是影響地膜殘留量空間分布的第1 因素,貢獻(xiàn)率為2.21%;回收方式是第2 因素,貢獻(xiàn)率為2.15%;其次是覆膜年限和種植戶(hù)類(lèi)型,貢獻(xiàn)率分別為1.60%和0.69%。分析結(jié)果表明,就上述影響地膜殘留量的因素而言,種植作物類(lèi)型是造成研究區(qū)地膜殘留量空間變化的主導(dǎo)因素。交互因子分析結(jié)果表明,覆膜年限與種植戶(hù)類(lèi)型、回收方式、種植作物類(lèi)型,種植戶(hù)類(lèi)型與回收方式、種植作物類(lèi)型,回收方式與種植作物類(lèi)型兩因子疊加q值均大于兩因子q值之和,表現(xiàn)出非線性增強(qiáng)交互作用,且以種植作物類(lèi)型、回收方式交互作用最大。

表1 地膜殘留量空間差異影響因子及交互作用探測(cè)結(jié)果Table 1 Factor and interaction detection results of spatial difference of plastic film residues amount

2.4 殘膜處理去向

殘膜回收后的去向決定了其是否作為資源得到再生利用。調(diào)查結(jié)果(圖8)表明,殘膜由農(nóng)戶(hù)清除整理后主要通過(guò)商販到田現(xiàn)場(chǎng)收購(gòu)、網(wǎng)點(diǎn)組織統(tǒng)一回收和農(nóng)戶(hù)自行以舊換新3 種方式離田,其中商販到田現(xiàn)場(chǎng)收購(gòu)樣地60 個(gè)、占比6.3%,網(wǎng)點(diǎn)組織統(tǒng)一回收樣地508 個(gè)、占比53.4%,農(nóng)戶(hù)自行以舊換新樣地383 個(gè)、占比40.3%。調(diào)查中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)隨意棄置、掩埋或焚燒殘留地膜等現(xiàn)象,通過(guò)收購(gòu)、回收、以舊換新的殘膜最終轉(zhuǎn)運(yùn)到回收加工企業(yè)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)再生造?；蚰コ傻啬し酆蟮玫皆偕庸だ?。

圖8 甘肅省農(nóng)田殘膜處理去向Fig.8 Treatment directions of farmland residual film in Gansu Province

3 結(jié)論和討論

3.1 殘留地膜分布特征

綠色循環(huán)可持續(xù)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要前提,農(nóng)田地膜殘留污染若得不到有效的控制,將會(huì)對(duì)耕地的生態(tài)圈埋下巨大隱患[1-4]。開(kāi)展農(nóng)田地膜殘留監(jiān)測(cè),是做好地膜殘留污染防控的基礎(chǔ)性工作[6-7]。本調(diào)查結(jié)果顯示,甘肅960 個(gè)樣地農(nóng)田0～30 cm 耕層土壤都有不同程度的地膜殘留,且地膜殘留量空間變化幅度很大,地膜殘留量變幅為0.02～204.75 kg·hm-2,這可能是由于種植作物類(lèi)型、地膜使用量、種植模式等有區(qū)域特征,造成地膜殘留量空間差異大。地膜殘留量中位數(shù)為12.96 kg·hm-2,遠(yuǎn)未達(dá)到國(guó)家地膜殘留量限值,且與2013 年調(diào)查[8]地膜殘留量(27.62～42.26 kg·hm-2)相比,地膜殘留量有所降低,農(nóng)田地膜殘留水平總體較輕。與國(guó)內(nèi)部分主要覆膜地區(qū)相比,甘肅地膜殘留量低于新疆(134.09 kg·hm-2)、內(nèi)蒙古(127.09 kg·hm-2)、貴 州(70.84 kg·hm-2)、河北(36.80 kg·hm-2)等地區(qū)[17-20],與山東(16.51～19.84 kg·hm-2)、河南(20.4 kg·hm-2)、四川(16.27 kg·hm-2)、江西(＜15 kg·hm-2)等地區(qū)接近[21-24],這主要是2011 年以來(lái),甘肅協(xié)同推進(jìn)源頭防控、過(guò)程管控和末端治理,在地膜回收利用方面探索構(gòu)建了“強(qiáng)化源頭防控、政府扶持引導(dǎo)、企業(yè)市場(chǎng)運(yùn)作、行政監(jiān)管推動(dòng)、技術(shù)支撐保障、法制引領(lǐng)規(guī)范”的工作格局,地膜殘留防控治理工作取得顯著成效[9-10],地膜回收率持續(xù)提高且近6 年連續(xù)穩(wěn)定在80%以上。甘肅有97.6%的樣地地膜殘留量處于清潔閾值范圍,僅有2.4%的樣地達(dá)到輕、中度污染閾值,且這些樣地大多位于河西灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),這可能是由于該區(qū)域以往長(zhǎng)期使用的地膜均為自行購(gòu)買(mǎi)的厚度低于0.008 mm 的超薄地膜,且玉米、瓜類(lèi)制種基地較多,規(guī)?；?jīng)營(yíng)土地普遍機(jī)械化作業(yè)程度較高,因而地膜殘留量較大,今后在地膜殘留防控中應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注,以消除樣地由輕度、中度污染轉(zhuǎn)為重度污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 殘留地膜影響因素

綜合眾多研究文獻(xiàn)[17-25],覆膜年限、種植作物類(lèi)型、地膜厚度是影響地膜殘留量的主要因素,土壤質(zhì)地、距村莊距離、地膜回收狀況等與地膜殘留量也密切相關(guān)。本次調(diào)查顯示,960 個(gè)樣地在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍使用厚度為0.01 mm 及以上、幅寬為1200 mm 左右的高標(biāo)準(zhǔn)地膜,薄地膜幾乎沒(méi)有,因此地膜厚度對(duì)地膜殘留的影響不再分析。數(shù)據(jù)分析還表明，不同土壤類(lèi)型樣地地膜殘留量為黏土[15.35(6.02～32.33) kg·hm-2]＞壤土[13.26 (7.00～25.64)kg·hm-2]＞砂土[11.47 (8.17～23.65) kg·hm-2],3 類(lèi)土壤類(lèi)型相互之間地膜殘留量無(wú)顯著差異(P＞0.05),這與在張掖綠洲地區(qū)[11]、內(nèi)蒙古河套地區(qū)[25]的研究結(jié)果相同。距村莊距離≤1 km、1～2 km、＞2 km 樣地殘留量分別為13.75 (7.15～30.06) kg·hm-2、12.28 (7.38～22.18) kg·hm-2、11.86 (4.51～24.53) kg·hm-2,地膜殘留量非常接近,這與甘肅2013 年調(diào)查[8]發(fā)現(xiàn)農(nóng)田距離村莊越遠(yuǎn),平均地膜殘留量越大的結(jié)論不同,其原因在于近年來(lái)甘肅健全回收網(wǎng)絡(luò)體系,在覆膜面積較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)基本都建有回收網(wǎng)點(diǎn),大部分縣區(qū)還實(shí)現(xiàn)了村級(jí)堆儲(chǔ)點(diǎn)全覆蓋,殘膜撿拾后能夠方便就近交售變現(xiàn),農(nóng)戶(hù)撿拾回收地膜的積極性和主動(dòng)性大幅提高。基于以上分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況,主要考量覆膜年限、種植作物類(lèi)型、種植戶(hù)類(lèi)型、回收方式4 個(gè)因素對(duì)地膜殘留量的影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn),地膜殘留量基本呈年限越長(zhǎng)、殘留量越大的趨勢(shì),這與已有研究結(jié)果基本一致[1-2]。但當(dāng)覆膜年限達(dá)到20 a 以上時(shí),地膜殘留量反而有所降低,這可能因?yàn)榈啬埩粼谵r(nóng)田里達(dá)到一定年限后,受光照氧化和機(jī)械擾動(dòng)等外力作用,地膜碎片化為肉眼不可見(jiàn)形態(tài),難以撿拾離田。農(nóng)田地膜殘留污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、復(fù)雜性,地膜是土壤中微塑料的重要來(lái)源之一,今后應(yīng)重視農(nóng)田土壤微塑料檢測(cè)研究[26]。覆膜年限≤5 a 與其余較長(zhǎng)覆膜年限間地膜殘留量差異不顯著,這可能是近年來(lái)地膜質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)逐步提高后地膜易于撿拾,加之回收力度不斷加大,因而地膜殘留量較小。不同作物地膜殘留量為制種作物最大、設(shè)施蔬菜最小,制種作物、經(jīng)濟(jì)作物、玉米、馬鈴薯、露地蔬菜、中藥材與設(shè)施蔬菜地膜殘留量差異顯著(P＜0.05),這可能是由于農(nóng)戶(hù)更加注重對(duì)高效益保護(hù)菜地的土壤環(huán)境精細(xì)化管理,因此設(shè)施菜地的地膜回收力度更大,這與甘肅[10]、內(nèi)蒙古[25]調(diào)查結(jié)果一致。制種作物地塊多處于區(qū)位優(yōu)勢(shì)突出的河西灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),樣地多為制種基地,基本屬于流轉(zhuǎn)土地,經(jīng)營(yíng)管理者往往對(duì)流轉(zhuǎn)土地耕地質(zhì)量管理相對(duì)較差,對(duì)殘膜回收重視程度不夠,因而地膜殘留量相對(duì)較大。不同種植戶(hù)類(lèi)型地膜殘留量為種植大戶(hù)＜一般農(nóng)戶(hù)＜合作社,合作社殘留量顯著高于一般農(nóng)戶(hù)(P＜0.05),其原因主要是隨規(guī)?；?jīng)營(yíng)發(fā)展,流轉(zhuǎn)地塊多以短期合同為主,開(kāi)展地膜回收將增加成本,合作社經(jīng)營(yíng)者對(duì)土壤管理比較粗放,因而導(dǎo)致地膜殘留較多,而一般種植戶(hù)對(duì)農(nóng)田管理精細(xì)程度則較高[27]。不同回收方式下地膜殘留量以人工撿拾最低,機(jī)械回收最高,人工+機(jī)械回收方式下地膜殘留量顯著高于人工回收(P＜0.0001),這可能是因?yàn)槿斯せ厥辗绞讲粌H能將大塊地膜揭起,還可以通過(guò)撿拾或耙地更加徹底地清理小塊地膜,但機(jī)械方式往往由于機(jī)具翻耕擾動(dòng)使作物根系殘?jiān)c地膜纏繞,加大殘膜破碎程度,致使農(nóng)田殘膜量反而增多。通過(guò)分析影響地膜殘留量空間差異的因子貢獻(xiàn)率,種植作物類(lèi)型、回收方式、覆膜年限、種植戶(hù)類(lèi)型合計(jì)僅能解釋地膜殘留量空間變異的6.65%,但前三者q值均顯著(P＜0.05)。地膜殘留量與自然地理環(huán)境、氣候水文條件、農(nóng)業(yè)種植模式等密不可分,甘肅由于各農(nóng)業(yè)區(qū)域之間差異較大,因此地膜殘留量空間差異解釋力較為分散,這也提示在今后地膜殘留監(jiān)測(cè)中需要繼續(xù)探尋更多且具有較強(qiáng)解釋力的影響地膜殘留量的因素。

3.3 殘留地膜離田去向

廢舊地膜是可再生利用的資源,回收則利,棄置則害。地膜回收加工企業(yè)是開(kāi)展廢舊地膜回收利用,實(shí)現(xiàn)變廢為寶和資源化利用的關(guān)鍵主體[9-10]。此外,規(guī)范農(nóng)戶(hù)回收行為并增強(qiáng)回收意識(shí)可降低地膜殘留量[28]。2011 年以來(lái),甘肅按照“政府扶持、市場(chǎng)運(yùn)作、循環(huán)利用”的工作思路,實(shí)行“以獎(jiǎng)代補(bǔ)” “以舊換新” “以物易物” “誰(shuí)生產(chǎn)、誰(shuí)回收”等工作機(jī)制[29],將“農(nóng)民—商販—網(wǎng)點(diǎn)—企業(yè)”等各利益體通過(guò)市場(chǎng)化機(jī)制連接起來(lái),構(gòu)建網(wǎng)點(diǎn)回收-企業(yè)加工型、商販?zhǔn)召?gòu)-企業(yè)加工型、農(nóng)民交售-商販和企業(yè)混合收購(gòu)加工型等回收模式,基于不同區(qū)域形成了“廢舊地膜—再生顆?！罴庸ぎa(chǎn)品(滴灌帶,等)” “廢舊地膜—地膜粉—深加工產(chǎn)品(市政井蓋,等)”等資源化模式[30],實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)利益最大化,有效防控了廢舊地膜殘留。全省農(nóng)業(yè)環(huán)保行業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)顯示,至2022 年底甘肅正常運(yùn)行的農(nóng)膜回收利用企業(yè)共有132 家,重點(diǎn)覆膜區(qū)域每縣(市、區(qū))至少擁有一家地膜加工利用企業(yè),共設(shè)有專(zhuān)業(yè)化回收網(wǎng)點(diǎn)1827 個(gè),基本已形成“縣有加工企業(yè)、鄉(xiāng)有回收站點(diǎn)、村有堆放場(chǎng)所”的回收利用體系。本次調(diào)查結(jié)果表明,農(nóng)田殘膜采取人工為主+機(jī)械為輔回收方式離田后,基本上全部通過(guò)商販到場(chǎng)收購(gòu)、網(wǎng)點(diǎn)組織回收和農(nóng)戶(hù)以舊換新轉(zhuǎn)交到回收加工企業(yè),進(jìn)行再生加工得到資源化利用,這說(shuō)明現(xiàn)今農(nóng)戶(hù)、商販、網(wǎng)點(diǎn)自發(fā)撿拾回收地膜的環(huán)保意識(shí)較強(qiáng),市場(chǎng)化回收再利用機(jī)制構(gòu)建較好。但回收環(huán)節(jié)農(nóng)機(jī)具應(yīng)用程度還不高,絕大部分樣地主要依靠人工撿拾回收,費(fèi)時(shí)費(fèi)工、效率低下,而當(dāng)前應(yīng)用的農(nóng)機(jī)具效率較低,應(yīng)增強(qiáng)殘膜回收農(nóng)機(jī)具的種類(lèi)和功能研發(fā)應(yīng)用,提高多元性覆膜作物、種植模式等條件下地膜機(jī)械回收效率。

4 防控建議

資源節(jié)約與環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。覆膜種植對(duì)土壤水分和溫度兼具正效應(yīng)特點(diǎn),是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵農(nóng)藝措施,對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品供給和提高農(nóng)戶(hù)收益意義重大。甘肅寒旱交織的農(nóng)情特點(diǎn)決定了地膜覆蓋栽培技術(shù)將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期應(yīng)用的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù),伴隨產(chǎn)生的廢舊地膜勢(shì)必是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中需要致力解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[31-32]。1990 年以來(lái),我國(guó)地膜污染防控政策經(jīng)歷了生產(chǎn)供應(yīng)保障、環(huán)保意識(shí)形成、污染綜合防治、殘膜資源化利用4個(gè)階段的演變后,逐步形成了科學(xué)推廣加厚高標(biāo)準(zhǔn)地膜、有序推廣全生物降解膜的地膜科學(xué)使用回收防控政策[33-34]。經(jīng)過(guò)10 多年的發(fā)展,甘肅農(nóng)田耕層土壤地膜殘留總體上已處于清潔水平,但也有少數(shù)點(diǎn)位達(dá)到殘留污染等級(jí)。鑒于地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和模式的多樣性,基于本次調(diào)查結(jié)果,建議以源頭減量、高效回收、產(chǎn)品替代、機(jī)制完善為導(dǎo)向,統(tǒng)籌做好地膜殘留防控工作,進(jìn)一步減輕農(nóng)田耕地地膜殘留,達(dá)到農(nóng)業(yè)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏目標(biāo)[35-41]。1)源頭減量方面,根據(jù)地域、氣候條件、作物及種植制度,開(kāi)展傳統(tǒng)PE 地膜科學(xué)合理使用區(qū)劃研究,通過(guò)舊膜重復(fù)利用、秸稈覆蓋種植、栽培方式優(yōu)化等措施解決長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用地膜覆蓋技術(shù)問(wèn)題,從源頭減少地膜田間投入量。2)高效回收方面,加快加厚高標(biāo)準(zhǔn)地膜推廣力度,強(qiáng)化農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)攻關(guān),研發(fā)具有膜雜分離好、仿地性能強(qiáng)、撿凈率高的地膜回收機(jī)具,加大地膜回收機(jī)具補(bǔ)貼力度,提高地膜機(jī)械化回收技術(shù)應(yīng)用水平。3)產(chǎn)品替代方面,研發(fā)兼具覆蓋功能性與環(huán)境包容性的全生物專(zhuān)用降解膜產(chǎn)品,突破在生產(chǎn)工藝、力學(xué)性能和生產(chǎn)成本等方面的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,基于成熟的試驗(yàn)示范在特定區(qū)域、特定作物上穩(wěn)步推廣應(yīng)用,發(fā)揮替代傳統(tǒng)PE 地膜的生產(chǎn)潛力。4)機(jī)制完善方面,創(chuàng)新監(jiān)督管理制度,通過(guò)收取地膜回收保證金,將惠農(nóng)補(bǔ)助資金、農(nóng)業(yè)用水、村集體經(jīng)濟(jì)分紅與地膜回收掛鉤等,規(guī)范土地流轉(zhuǎn)和制種地塊種植經(jīng)營(yíng)主體大戶(hù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地膜回收行為,有效遏制其對(duì)耕地“只用不管”的現(xiàn)象。