地膜覆蓋種植技術(shù)及地膜殘留防治技術(shù)

地膜覆蓋種植技術(shù)及地膜殘留防治技術(shù)

在中國，土地已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要材料之一。土壤覆蓋技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和生產(chǎn)形式的飛躍。地膜覆蓋技術(shù)已在全國范圍得到廣泛應(yīng)用,覆蓋作物種類也從最初的經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)大到棉花、玉米、小麥和水稻等大田作物。地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用在大范圍內(nèi)提高糧食單產(chǎn)20%~30%,對保障我國糧食安全作出了重大貢獻(xiàn)。但同時(shí),地膜覆蓋技術(shù)的廣泛應(yīng)用也帶來了一系列環(huán)境問題,在局部地區(qū)地膜殘留已給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境造成了嚴(yán)重的不良影響。1地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用和重要性1.1地膜使用強(qiáng)度的變化我國地膜使用量和覆膜面積持續(xù)增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國地膜使用量從1982年0.6萬t增加到2011年的124.5萬t,增加了200多倍,未來還仍有繼續(xù)增加趨勢(圖1)。農(nóng)作物地膜覆蓋面積也一直保持持續(xù)增長態(tài)勢,1982年農(nóng)作物地膜覆蓋面積僅為11.7萬hm2,1991年達(dá)到490.9萬hm2,2001年上升到1096萬hm2,2011年農(nóng)作物地膜覆蓋面積達(dá)1979.1萬hm2,主要分布在冷涼和干旱區(qū)域。地膜使用強(qiáng)度不斷增加。用地膜使用量(kg)除以耕地面積(hm2)的商值來反映各地地膜使用強(qiáng)度,即單位耕地面積的地膜使用量(kg·hm-2),選擇1991年、2001年和2011年3個(gè)年份數(shù)據(jù),分別計(jì)算了全國各省地膜使用強(qiáng)度。圖2顯示全國所有省(區(qū))在過去20年的地膜使用強(qiáng)度都呈現(xiàn)增加趨勢,幅度一般在3~10倍,但不同省(區(qū))的地膜使用強(qiáng)度提高幅度存在明顯差異,總體上,北方地區(qū)提高幅度大,使用強(qiáng)度大,如甘肅地膜使用強(qiáng)度由1991年不到1.0kg·hm-2提高到2011年13kg·hm-2,新疆地膜使用強(qiáng)度由1991年7.0kg·hm-2提高到2011年34.8kg·hm-2,東北黑龍江和吉林由1991年的0.7~0.8kg·hm-2提高到2011年2.5~3.5kg·hm-2。在花生種植面積較大的遼寧省,地膜使用強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于黑龍江和吉林,達(dá)到了7kg·hm-2以上。調(diào)查數(shù)據(jù)還顯示,西北玉米和棉花產(chǎn)區(qū)、東北的花生產(chǎn)區(qū)、華北的花生和棉花產(chǎn)區(qū)、西南煙草產(chǎn)區(qū)及所有蔬菜集中產(chǎn)區(qū),是地膜使用強(qiáng)度較高的區(qū)域。地膜覆蓋應(yīng)用的作物種類急劇增加,地膜覆蓋栽培技術(shù)最初主要用于經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較高的蔬菜、花卉種植上,經(jīng)過過去幾十年的理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐,地膜覆蓋栽培技術(shù)應(yīng)用得到了飛速發(fā)展,現(xiàn)已擴(kuò)大到花生、西瓜、甘蔗、煙草、棉花等多種經(jīng)濟(jì)作物,以及玉米、小麥,水稻等大宗糧食作物上。在新疆、山東、山西、內(nèi)蒙古、陜西和甘肅等高寒冷涼、干旱及半干旱地區(qū),地膜覆蓋技術(shù)已推廣應(yīng)用到大部分農(nóng)作物種植上,并呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢。1.2地膜覆蓋農(nóng)業(yè)是糧食產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)力量地膜覆蓋具有增溫保墑、防病抗蟲和抑制雜草等作用,具有顯著的增產(chǎn)效果。已有試驗(yàn)和應(yīng)用效果顯示地膜覆蓋技術(shù)能使糧食作物增產(chǎn)20%~35%,經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)20%~60%。地膜覆蓋已經(jīng)成為西北、東北和華北部分地區(qū)玉米生產(chǎn)應(yīng)用最廣的農(nóng)藝技術(shù)之一,2011年甘肅地膜覆蓋面積近133.33萬hm2,占全省農(nóng)作物播種面積1/3以上,其中全膜雙壟溝播技術(shù)就貢獻(xiàn)了50多億kg糧食,占全省糧食產(chǎn)量的50%;在黑龍江西部干旱區(qū),膜下滴灌等抗旱節(jié)水技術(shù)也是促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的有效措施;新疆棉花地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用面積占播種面積90%以上,形成了沒有地膜覆蓋就無法進(jìn)行棉花生產(chǎn)的局面。地膜覆蓋可改變作物生長小環(huán)境,擴(kuò)大了農(nóng)作物種植區(qū)域。與常規(guī)種植相比,地膜覆蓋不僅可以使農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)早熟,還可使部分喜溫作物的栽培北界北移2~5個(gè)緯度,即向北推進(jìn)500多km,使作物種植海拔向上提升500~1000m。大量試驗(yàn)研究與推廣應(yīng)用結(jié)果表明,在黃淮海平原、黃土高原、長江流域及以南地區(qū),地膜覆蓋可使部分蔬菜上市期提早5~15d,增產(chǎn)20%~50%,西(甜)瓜早熟7~15d,增產(chǎn)30%~100%;在東北和西北低溫寒冷地區(qū),主要蔬菜和瓜類采收提早7~20d,增產(chǎn)20%~80%,個(gè)別作物產(chǎn)量甚至可以提高一倍以上。在西南地區(qū),地膜覆蓋使煙草種植的海拔高度大幅度升高,如云貴川高原區(qū)由于春遲秋早、積溫不足、無霜期短在一定程度上限制了煙草種植,地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用有效解決了上述問題,實(shí)現(xiàn)了煙草種植的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效。地膜覆蓋極大地改善了生產(chǎn)條件,尤其增溫保墑方面,已有研究結(jié)果顯示地膜覆蓋是干旱冷涼地區(qū)提高農(nóng)作物產(chǎn)量和水分利用效率的一項(xiàng)有效措施,如山西地膜覆蓋玉米較常規(guī)種植的產(chǎn)量高出30%~60%,水分利用效率提高30%~70%。在蔬菜生產(chǎn)上,地膜覆蓋不僅使蔬菜早熟增產(chǎn),同時(shí)還可改善蔬菜品質(zhì),縮短淡季和延長供應(yīng)期,有效改善和提升蔬菜供應(yīng)水平。地膜覆蓋面積將繼續(xù)保持快速增長狀態(tài)。由于地膜覆蓋在北方干旱、半干旱區(qū)和西南山區(qū)有效解決了“蓄住天上水、保住地里墑、用好用活天然降水”,以及春季低溫和積溫不足等生產(chǎn)難題,使其成為了廣大旱作區(qū)抗旱節(jié)水增糧的主推技術(shù)。如甘肅和寧夏未來3年地膜覆蓋種植面積在現(xiàn)有基礎(chǔ)上分別增加25%和71%,達(dá)到166.67萬hm2和53.33萬hm2;黑龍江則計(jì)劃在現(xiàn)有40萬hm2基礎(chǔ)上增加133.33萬hm2。據(jù)測算,未來10年我國地膜覆蓋種植面積將以8%~10%速度增加,農(nóng)作物覆蓋面積可能增加1倍,達(dá)到0.33億hm2左右,地膜用量也將從現(xiàn)在120多萬t增加到200萬t以上。2影響和特點(diǎn)2.1殘膜對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害由于地膜不易分解的特性,土壤中殘膜會(huì)對土壤產(chǎn)生一系列不利影響,主要是阻礙土壤毛管水和自然水的滲透,影響土壤吸濕性,從而對土壤水分運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙,使其移動(dòng)速度減慢,水分滲透量減少。土壤中殘膜還可能降低土壤通透性,影響土壤微生物活動(dòng)和土壤肥力水平;在新疆等地區(qū),還可能導(dǎo)致地下水下滲困難,造成土壤次生鹽堿化等。地膜屬聚烯烴類化合物,在生產(chǎn)過程中需加入一些添加劑,如鄰苯甲酸-2異丁酯和酞酸酯類增塑劑,這些物質(zhì)可通過植物呼吸作用由氣孔進(jìn)入葉肉細(xì)胞,破壞葉綠素并抑制其形成,危害植物生長。殘膜的集聚影響土壤通透性,造成土壤板結(jié)和地力下降,影響作物正常吸收水分和養(yǎng)分,影響種子發(fā)芽和導(dǎo)致作物根系生長發(fā)育困難。大量研究結(jié)果顯示,土壤中殘膜導(dǎo)致小麥出苗慢,出苗率低,缺苗斷壟多現(xiàn)象嚴(yán)重,冬前分蘗少,根系扎得淺,生長發(fā)育不良,部分不能穿透殘膜碎根系片呈彎曲狀橫向發(fā)展[6,13,14,15,16,17]。此外,土壤中殘膜不僅影響土壤、作物正常生長和發(fā)育,導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低,還有一系列其他副作用,如殘膜碎片可能與農(nóng)作物秸稈和飼料混在一起,牛羊等家畜誤食后造成腸胃消化功能不良,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起牲畜死亡。由于殘膜不回收,或者回收不徹底,加上回收殘膜的處理方法欠妥,部分清理出的殘膜棄于田邊地頭,影響環(huán)境景觀,造成“視覺污染”。另外,隨著覆膜年數(shù)增加,土壤中不斷積累的殘膜纏繞農(nóng)機(jī)具妨礙耕作活動(dòng)。2.2農(nóng)田土壤殘膜分布特性各區(qū)域由于農(nóng)作物種類和種植模式的差異,地膜投入量、覆蓋比例不同導(dǎo)致農(nóng)田土壤地膜殘留量差異很大。我們調(diào)查結(jié)果顯示甘肅地膜投入量最大,為75kg·hm-2,河北最少,僅為33kg·hm-2;西北地區(qū)因干旱和寒冷的自然條件使得地膜覆蓋應(yīng)用面積大,覆蓋比率高,如西北地區(qū)(新疆、甘肅、寧夏)農(nóng)田地膜覆蓋比例達(dá)80%以上,而西南山地(鄂西)和華北(河北省)僅在40%~50%(表1)。地膜使用量和使用方式的差異也導(dǎo)致土壤地膜殘留量的差異,我們的調(diào)查結(jié)果表明,長期覆膜農(nóng)田土壤中地膜殘留量在71.9~259.1kg·hm-2之間,其中新疆最高,湖北最低,從區(qū)域上看,西北地區(qū)農(nóng)田土壤中殘膜量要遠(yuǎn)高于華北和西南地區(qū)。受農(nóng)事活動(dòng)和農(nóng)膜使用情況的影響,土壤中殘留地膜大小和形態(tài)多種多樣,主要有片狀、蜷縮圓筒狀和球狀等,在土壤中呈水平、垂直和傾斜狀分布。不同區(qū)域農(nóng)田土壤中地膜殘片數(shù)量和面積都差異較大,殘膜片數(shù)同地膜殘留量呈正相關(guān)關(guān)系。在華北地區(qū),表層土壤殘膜片數(shù)要多于深層,0~10cm土層中殘膜片數(shù)約占總數(shù)65%,10~20cm土層中約占總數(shù)30%,20~30cm土層中占總數(shù)5%左右。隨著覆膜年限增加,各土層殘膜片數(shù)均增加,但比例變化不大,殘膜片數(shù)與覆膜年限成正比(表2)。土壤中殘膜數(shù)量隨著覆膜年限增加而增加;淺層土壤殘膜數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于深層土壤;小片膜多于大片膜;殘膜數(shù)量變化的規(guī)律性不明顯,但覆膜時(shí)間越長,深層土壤殘膜所占比例有所增加。土壤中地膜殘片面積為1~2500cm2,大部分在4~25cm2之間。單塊殘膜面積>25cm2的片數(shù)約占總量16%~25%,4~25cm2片數(shù)約占總量44%~54%,<4cm2片數(shù)約占總量21%~40%。殘膜主要分布在0~30cm耕層內(nèi),由表3看出,0~10cm土層中殘膜量占總量50%以上;10~20cm土層中占10%~40%;20~30cm土層殘膜量占10%以下。不同區(qū)域由于地膜投入量以及農(nóng)作方式不同,殘膜在各個(gè)層次分布有所不同,如新疆棉田不僅地膜殘留量大,而且還進(jìn)入到較深土層中,這與新疆棉花生產(chǎn)機(jī)械化程度高,翻耕整地作業(yè)深,地膜投入量高和回收措施跟不上是一致的。2.3對殘膜危害認(rèn)識(shí)不足地膜殘留污染是一種新型的污染形式,也是我國特有的污染類型,對地膜殘留污染特點(diǎn)和危害尚缺乏深入研究。目前大部分工作集中在對局部地區(qū)殘膜數(shù)量、分布,對農(nóng)作物產(chǎn)量影響等方面,尚缺乏長期、系統(tǒng)和覆蓋較大范圍的研究,對殘膜危害認(rèn)識(shí)還存在不少盲區(qū)。同時(shí),在普通地膜替代產(chǎn)品和回收技術(shù)方面也缺乏系統(tǒng)研究,以降解膜為主的替代產(chǎn)品尚不成熟;殘膜回收主要依靠人工和簡單機(jī)械進(jìn)行回收,回收勞動(dòng)強(qiáng)度大,回收率低,無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需要,農(nóng)田殘膜污染呈日趨嚴(yán)重態(tài)勢。3農(nóng)業(yè)和土地恢復(fù)污染的主要防治技術(shù)3.1膜回收型結(jié)構(gòu)在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家,地膜覆蓋一般用于蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物,覆蓋期相對較短。這些國家使用的地膜較厚,一般為0.015mm,主要采用收卷式回收機(jī)進(jìn)行卷收。該類機(jī)型結(jié)構(gòu)比較簡單,主要由起膜鏟和卷膜輥組成,成卷回收的地膜易于處理或繼續(xù)使用,研究集中在卷膜輥線速度與回收機(jī)前進(jìn)速度如何相互匹配問題上。我國使用的地膜很薄,厚度一般為0.006~0.008mm,強(qiáng)度小,覆蓋期長,清除時(shí)易碎,不易回收,收卷式地膜回收機(jī)具難以適應(yīng)我國實(shí)際情況。根據(jù)我國地膜殘留污染的特殊性,現(xiàn)已開發(fā)出了滾筒式、彈齒式、齒鏈?zhǔn)健L輪纏繞式和氣力式等殘膜回收機(jī)具,但總體上給殘膜回收作業(yè)增加了生產(chǎn)成本,農(nóng)民難以接受;部分機(jī)型不適應(yīng)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求,作業(yè)性能還有待于進(jìn)一步提高。3.2降低作物地膜覆蓋度為了減少地膜投入量,選用厚度適中、韌性好和抗老化能力強(qiáng)的地膜,在第一年使用后基本沒有破損,第二年可以直接在上面打孔免耕播種,減少地膜投入量和操作用工,達(dá)到省時(shí)省工和環(huán)保的目的,在采用該項(xiàng)技術(shù)時(shí),應(yīng)采用高耐候和強(qiáng)度的地膜,避免由于長期覆蓋導(dǎo)致地膜嚴(yán)重碎片化增加回收難度;也可以在保證不影響作物生長前提下,適當(dāng)減少地膜的田間覆蓋度,研究結(jié)果顯示一些地區(qū)的某些作物地膜覆蓋度可從80%~100%降低到50%~70%,增產(chǎn)效果基本沒有不變。根據(jù)不同作物種類和區(qū)域條件,研究推廣合理的揭膜時(shí)間和揭膜方式,在地膜完成其功能后且又未老化破損前進(jìn)行揭膜回收,提高地膜回收率,如河北、新疆等地區(qū)的棉花頭水前揭膜技術(shù),回收率可達(dá)90%。3.3地膜降解材料日本和德國是世界上最早開展生物降解塑料研發(fā)的國家。日本生物降解材料已工業(yè)化的產(chǎn)品有昭和電工、三菱化學(xué)、三井化學(xué)公司、庫拉利等,其中昭和電工已開發(fā)出綠色環(huán)保的碧能系列產(chǎn)品,并用于生物降解地膜的生產(chǎn)與開發(fā)。德國BASF公司也生產(chǎn)出ECOVIO、ECOFLEX等地膜產(chǎn)品。進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著國外BDP(生物降解材料)生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟,我國塑料行業(yè)也開展降解材料研發(fā)工作,但這些降解樹脂基本用在包裝材料上,在地膜方面尚存在降解時(shí)間不可控及成本偏高等問題。目前,高成本是生物降解地膜推廣應(yīng)用的主要障礙因素,以普通PE地膜作為對照,選擇了德國BASF公司的生物降解地膜進(jìn)行了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評價(jià),表4中數(shù)據(jù)顯示在生物降解地膜價(jià)格2倍于普通PE地膜時(shí),由于普通地膜要進(jìn)行回收、農(nóng)田中殘留地膜會(huì)導(dǎo)致棉花減產(chǎn),從系統(tǒng)成本上看,3種不同生物降解地膜的成本分別增加16.5%、47.3%和75.8%,如果考慮環(huán)境效應(yīng),生物降解地膜應(yīng)具有較好前景。4關(guān)于討論和提案4.1完善地膜標(biāo)準(zhǔn)地膜質(zhì)量是影響地膜回收率的重要因素。大多數(shù)國家地膜厚度為0.012mm,最薄也不能低于0.008mm,美國和歐洲國家地膜厚度一般在0.020mm,日本為0.015mm,由于地膜質(zhì)量較好,使用后地膜仍比較完整,機(jī)械回收后農(nóng)田土壤中幾乎不存地膜殘留?？傮w上,我國20世紀(jì)90年代制定的地膜標(biāo)準(zhǔn)對強(qiáng)度和厚度要求相對比較寬松,這也是與當(dāng)時(shí)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和經(jīng)濟(jì)狀況相一致。20多年后的今天,無論是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)