丁凡,呂軍,劉勤,郭瑩,何文清,王林,嚴(yán)昌榮
1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081; 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,沈陽 110866;3.石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,石河子 832000; 4.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,烏魯木齊 830011
地膜作為我國四大農(nóng)資產(chǎn)品之一,深刻改變了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,擴(kuò)大了作物種植區(qū)域[1-2]。據(jù)中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒,2014-2019年全國地膜用量基本穩(wěn)定在143萬t左右,地膜覆蓋面積近0.2億hm2(3億畝)。地膜覆蓋技術(shù)可以增溫保墑、抑制雜草,使我國蔬菜、玉米、花生、棉花等農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)增收[3]。普通地膜是以聚乙烯為原料的化工產(chǎn)品,在自然條件下很難降解[4-6]。隨著地膜投入量的不斷增加、地膜覆蓋面積的增大以及大量不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的超薄地膜的使用(回收困難)和覆膜年限的增加,我國農(nóng)田土壤中地膜殘留量越來越多。尤其在我國西北、華北的棉花種植區(qū),大量殘膜給當(dāng)?shù)孛尢锿寥拉h(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響,造成土壤結(jié)構(gòu)變差、農(nóng)事操作受阻、作物發(fā)芽率低、農(nóng)村景觀變差、河流污染等一系列農(nóng)藝和環(huán)境問題[7-10]。筆者在分析地膜覆蓋技術(shù)對我國棉花生產(chǎn)的影響以及我國三大棉區(qū)土壤地膜殘留污染特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合棉花地膜覆蓋應(yīng)用與殘留污染的發(fā)展趨勢,提出我國棉田地膜殘留污染的應(yīng)對策略,以期為地膜覆蓋技術(shù)在我國棉花生產(chǎn)上合理利用提供科學(xué)依據(jù)。
我國是全球第一大棉花生產(chǎn)國和消費(fèi)國。在過去50年來,棉花播種面積呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢:20世紀(jì)70年代,種植面積接近400萬hm2;80年代以后,除了1996-2000年下降到400萬hm2以下,種植面積一直穩(wěn)定在500萬hm2左右;近10 a受到經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素影響,種植面積呈現(xiàn)下滑的態(tài)勢,2016-2020年種植面積只有323萬hm2(表1)。
棉花種植區(qū)域也發(fā)生了天翻地覆的變化。20世紀(jì)90年代以前,西北內(nèi)陸地區(qū)棉花播種面積占比很低,90%以上棉花種植集中在長江流域和黃河流域兩大棉區(qū),主要分布在長江流域的湖北、湖南、江西、安徽和江蘇,以及黃河流域的河北、山東和河南等省。20世紀(jì)90年代以后,西北內(nèi)陸棉區(qū)(特別是新疆)迅速擴(kuò)大,新疆棉花播種面積的占比迅速增加,由1986-1990年的年均7.7%迅速攀升到1991-1995年的12.4%,1996-2005年又進(jìn)一步提高到23%以上,目前棉花播種面積占比已經(jīng)超過了70%,而黃河和長江流域的棉花種植面積和占比均迅速下降,黃河流域在1986-1990年種植面積占比62.5%,而近5 a占比僅為16.6%;長江流域在1976-1980年占比47.9%,而近5 a僅占13.4%(表1)。
表1 我國三大棉花主產(chǎn)區(qū)(主要省)棉花播種面積和比例 Table 1 Cotton planting areas and proportion for the three main planting regions of China
棉花單產(chǎn)受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、品種和植棉技術(shù)等多種要素的綜合有利影響,持續(xù)增加。從20世紀(jì)70年代以來,我國棉花平均單產(chǎn)一直處于穩(wěn)定增長狀態(tài),分別從20世紀(jì)70年代的375 kg/hm2、80年代的750 kg/hm2、90年代的975 kg/hm2,增加到現(xiàn)在的1 500 kg/hm2左右,其中新疆棉區(qū)棉花單產(chǎn)為2 000 kg/hm2,長江和黃河流域棉區(qū)棉花單產(chǎn)1 100 kg/hm2左右(圖1)。1985年以前,西北內(nèi)陸棉區(qū)的棉花單產(chǎn)只有黃河流域棉區(qū)的81.5%,長江流域棉區(qū)的83.7%;1986-1995年西北內(nèi)陸棉區(qū)的棉花單產(chǎn)分別增加到黃河流域棉區(qū)和長江流域棉區(qū)的151.2%和116.6%;1996年以后,西北內(nèi)陸棉區(qū)棉花單產(chǎn)水平與后二者的差異進(jìn)一步拉大,分別達(dá)到了157.8%和128.0%。
數(shù)據(jù)通過對國家統(tǒng)計(jì)局多年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)整理獲得。 Data was obtained from State Statistics Bureau in China.圖1 1971-2020年我國三大棉花主產(chǎn)區(qū)棉花單產(chǎn)變化情況Fig.1 Cotton yield per hectare in three cotton main planting region during 1971-2020
20世紀(jì)70年代我國棉花總產(chǎn)量保持在178萬t左右,80年代迅速增加,隨后穩(wěn)定在400萬t左右,2000年之后,持續(xù)增加到600萬t,2010-2020年有所減少,但保持在550萬t以上(圖2)。黃河流域棉花總產(chǎn)量在20世紀(jì)80年代初迅速增加到228.3萬t,之后持續(xù)減少到1996-2000年的140.7萬t,2000-2010年有所增加,2010后又迅速減少到2016-2020年的每年60萬 t。長江流域的棉花總產(chǎn)量與黃河流域變化趨勢基本一樣(圖2)。過去幾十年來,西北內(nèi)陸棉區(qū)的棉花產(chǎn)量則持續(xù)提高,棉花總產(chǎn)量從1991-1995年的77.3萬 t提高到2016-2020年的459.0萬t(圖2),占全國棉花總產(chǎn)量的81.1%(圖3)。
數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站。 Data was obtained from State Statistics Bureau in China.圖2 1971-2020年全國三大棉區(qū)皮棉總產(chǎn)量Fig.2 Total cotton yield in the three main cotton planting region during 1971-2020
數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站。Data was obtained from State Statistics Bureau in China.
在20世紀(jì)80年代后期,長江流域和黃河流域棉區(qū)的長期連作使棉花病蟲害越來越嚴(yán)重,棉花種植的經(jīng)濟(jì)效益逐漸降低,導(dǎo)致農(nóng)民種植棉花的積極性下降[11-14];同時也與地膜覆蓋在西北內(nèi)陸尤其是新疆廣泛應(yīng)用有很大關(guān)系,在新疆,棉花播種期是影響棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量的一個重要因素,若播種過早,土壤溫度較低會阻礙種子發(fā)芽,導(dǎo)致出苗稀疏、出現(xiàn)病害,且易遭晚霜危害;若播種過晚,雖然棉苗出土迅速,但吐絮延遲,產(chǎn)量降低。地膜覆蓋解決了新疆棉花生產(chǎn)中早期地溫低和積溫不夠的問題,再加上新疆光照條件好、氣候干燥和棉花種植時病蟲害較少等有利因素,使新疆棉花的種植面積迅速擴(kuò)大,占全國棉花播種面積比例逐年攀升(表1)。
黃河流域棉區(qū)從1981-1990年播種面積占全國比例的56.5%逐漸下降到現(xiàn)在的31.5%,長江流域棉區(qū)種植面積也從1970-1981年播種面積占比44.4%下降到現(xiàn)在的25.1%,兩大棉區(qū)的絕對種植面積也在下降(表1);三大主要棉區(qū)在棉花品種、施肥技術(shù)等基本處于同步發(fā)展,而西北內(nèi)陸棉區(qū)最大特點(diǎn)是1986年后開始規(guī)模化應(yīng)用地膜覆蓋栽培技術(shù),尤其從2000年開始,膜下滴灌技術(shù)在棉花生產(chǎn)開始了規(guī)?;瘧?yīng)用,棉花單產(chǎn)快速上升,并大幅度超過其他棉區(qū)。棉花新品種和種植技術(shù)的突破,尤其是育苗移栽與地膜覆蓋的結(jié)合,極大提高了這2個棉區(qū)棉花單產(chǎn)水平,從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域棉花總產(chǎn)量的基本穩(wěn)定。而在新疆棉區(qū),地膜覆蓋技術(shù)則是該區(qū)棉花生產(chǎn)產(chǎn)生巨變的關(guān)鍵,其有效解決了該區(qū)域棉花播種期地溫低和前期積溫不夠的問題,改善了棉花生產(chǎn)條件。新疆棉區(qū)地膜覆蓋對棉花生產(chǎn)貢獻(xiàn)分析結(jié)果顯示,該技術(shù)應(yīng)用使棉花每年增產(chǎn)150萬~200萬 t,相當(dāng)于全國棉花產(chǎn)量的20%~30%,充分表明地膜覆蓋在棉花生產(chǎn)中起到了至關(guān)重要的作用。
為了研究地膜覆蓋對棉花單產(chǎn)和水分利用效率的影響,筆者收集了近20年來西北內(nèi)陸棉區(qū)和黃河流域棉區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn),其中西北內(nèi)陸棉區(qū)地膜覆蓋對棉花單產(chǎn)影響的數(shù)據(jù)有45對,黃河流域棉區(qū)113對;涉及地膜覆蓋影響棉花水分利用效率的數(shù)據(jù)西北內(nèi)陸棉區(qū)有4對,黃河流域棉區(qū)有24對。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行Meta統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),地膜覆蓋對棉花單產(chǎn)影響巨大,增產(chǎn)幅度都超過20%,在西北內(nèi)陸和黃河流域棉區(qū)應(yīng)用使棉花單產(chǎn)分別提高了32.0%和22.9%,水分利用效率分別提高了78.5%和29.7%(圖4)。這一方面說明地膜覆蓋對棉花單產(chǎn)和水分利用效率影響極大,另一方面也表明地膜覆蓋對棉花單產(chǎn)和水分利用效率的影響存在區(qū)域差異,在西北內(nèi)陸降水稀缺和前期低溫的區(qū)域,地膜覆蓋的作用更大。總體而言,地膜覆蓋栽培對棉花單產(chǎn)水平貢獻(xiàn)巨大。
n為樣本量,數(shù)據(jù)來自孫東寶整理未發(fā)表數(shù)據(jù)庫。n is sample number. Data was obtained from a unpublished database owned by SUN Dongbao.
分析地膜在棉花生產(chǎn)上的應(yīng)用歷史可以發(fā)現(xiàn),新疆地區(qū)最早開展了棉花地膜覆蓋栽培試驗(yàn)[15],1980年全國棉花地膜覆蓋面積為0.4萬hm2,1982年棉花覆膜面積達(dá)到5.3萬hm2[16],1985年更是達(dá)到83.3萬hm2[17]。1992年棉花地膜覆蓋面積達(dá)到了140萬hm2,占全國農(nóng)作物地膜覆蓋面積29.6%[18]。20世紀(jì)90年代后期及21世紀(jì),在黃河流域棉區(qū)研發(fā)出育苗移栽技術(shù),具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在西北內(nèi)陸棉區(qū),棉花膜下滴灌新技術(shù)應(yīng)用大幅度提高了棉花單產(chǎn),改善了棉花品質(zhì)。2015年,全國植棉面積379.9萬hm2,其中新疆190.5萬hm2,幾乎是100%應(yīng)用了地膜覆蓋,黃河和長江流域棉區(qū)植棉面積189.5萬hm2,其中132.6萬hm2約占70%的面積進(jìn)行了地膜覆蓋。比較西北內(nèi)陸棉區(qū)新疆和黃河流域棉區(qū)河北、山東和河南等省的地膜使用強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),1986年以來,西北內(nèi)陸棉區(qū)的地膜使用強(qiáng)度增長速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黃河流域,也說明西北內(nèi)陸棉區(qū)棉花種植對地膜覆蓋技術(shù)的高度依賴[9]。
在自然、社會等多重因素的作用下形成了我國三大棉花主產(chǎn)區(qū),即西北內(nèi)陸(主要是新疆)棉區(qū)、黃河流域棉區(qū)和長江流域棉區(qū)。新疆棉區(qū)日照充足,前期低溫,干旱少雨,屬灌溉棉區(qū),膜下滴灌是該區(qū)域棉花種植的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過近30 a連續(xù)的地膜覆蓋應(yīng)用,地膜殘留已經(jīng)成為該區(qū)域一個重大的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題。黃淮流域棉區(qū)日照充足,光熱資源適中,但也存在前期地溫低、墑情差和雜草等問題,因此,在棉花種植時進(jìn)行地膜覆蓋情況也較為普遍。由于該區(qū)域人均耕地面積有限,地膜回收做得相對較好,存在一定程度的地膜殘留污染,但與新疆棉區(qū)相比,殘留污染相對較輕。長江流域棉區(qū)光熱資源豐富,以移栽棉為主,地膜覆蓋在該區(qū)域棉花種植上僅存零星應(yīng)用,基本沒有或不存在地膜殘留污染問題。
通過對嚴(yán)昌榮等[19]、何文清等[20]和王旭峰等[21]在新疆不同區(qū)域地膜殘留調(diào)查結(jié)果的綜合分析,可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域棉田地膜殘留量很大,長期覆膜棉田地膜殘留量在42~540 kg/hm2,平均殘留量在200 kg/hm2以上。調(diào)查結(jié)果也顯示,棉田中地膜殘留呈斑塊狀分布。南疆地區(qū)棉田的地膜殘留要比北疆棉田低,對新疆建設(shè)兵團(tuán)南疆團(tuán)場18個點(diǎn)的調(diào)查結(jié)果顯示,棉田地膜殘留量平均為184.5 kg/hm2(41.9~414.8 kg/hm2,而北疆地區(qū)團(tuán)場64個點(diǎn)的地膜殘留量平均為282.4 kg/hm2(123.2~655.0 kg/hm2)。
在北疆連續(xù)10 a和20 a覆膜單作棉花的農(nóng)田土壤地膜殘留量平均分別為259.70±36.78 kg/hm2和307.90±35.84 kg/hm2。這說明不同種植模式與覆膜年限對地膜殘留量影響很大,覆膜年限越長,土壤中地膜殘留量越高。調(diào)查結(jié)果還顯示,棉田土壤中殘留地膜基本上分布在耕作層,且主要集中于0~20 cm表層土壤中,由于翻耕等導(dǎo)致殘膜向深層土壤轉(zhuǎn)移。棉田土壤中地膜都呈現(xiàn)出不同形狀和大小的碎片,數(shù)量在1 000萬~2 000萬片/ hm2。殘膜片面積大小差異很大,從1 cm2到2 500 cm2不等。棉田土壤中單塊殘膜面積>25 cm2的片數(shù)比率在16%~25%,4~25 cm2的片數(shù)比率在44%~54%,<4 cm2的片數(shù)比率在21%~40%。在棉田耕層土壤中,面積較小的殘留農(nóng)膜一般呈片狀,而大塊殘膜一般以棒狀、球狀和圓筒狀等不規(guī)則形態(tài)存在[19]。
黃河流域棉田地膜殘留的研究結(jié)果顯示,覆膜2、5和10 a的農(nóng)田地膜殘留量分別為59.1、75.3和103.4 kg/hm2。不同覆膜年限棉田中殘膜隨著土層加深越來越少,大部分殘膜分布在0~20 cm的表層土壤中,20 cm以下的土壤中殘膜較少,同一土層中殘膜量隨著覆膜年限增加而增加[22]。0~10 cm土層中殘膜片數(shù)占總量58.5%~76.4%,10~20 cm土層占比22.3%~35.1%,20~30 cm土層中占比1.3~6.4%[20]。棉田土壤中面積<4、4~25、>25 cm2的殘膜數(shù)量之間的比值約為7∶2∶1,大部分為面積<4 cm2的殘膜[23]。
由于普通聚乙烯(PE)地膜具有不易分解的特性,長期使用地膜的棉田土壤中必然會產(chǎn)生殘膜聚集。大量殘膜在棉田土壤中的累積會帶來一系列的危害,主要是破壞土壤結(jié)構(gòu),阻礙土壤中水肥運(yùn)移,降低水肥利用效率;降低土壤通透性,影響土壤微生物活動和土壤肥力水平;還可能導(dǎo)致地下水下滲困難,造成土壤次生鹽堿化,影響棉花正常生長和發(fā)育,增加了棉花中異性纖維絲的含量,導(dǎo)致棉花產(chǎn)量和品質(zhì)降低[24-26]。根據(jù)不同區(qū)域棉花生產(chǎn)對地膜覆蓋的依賴程度,未來不同棉花主產(chǎn)區(qū)的地膜殘留污染將會隨著種植結(jié)構(gòu)、殘膜污染治理政策的變化而分化。
在西北內(nèi)陸棉區(qū),尤其是新疆,棉花生產(chǎn)中對地膜覆蓋依賴性大,地膜已經(jīng)成為棉花生產(chǎn)中必備的生產(chǎn)資料。覆蓋方式也從最早的半膜覆蓋逐漸發(fā)展到目前的全膜覆蓋,棉田中地膜覆蓋比率已經(jīng)超過85%,導(dǎo)致地膜投入量保持一種穩(wěn)定上升態(tài)勢。隨著地膜覆蓋與滴灌結(jié)合形成的膜下滴灌技術(shù)的大范圍應(yīng)用,南疆地膜棉花生產(chǎn)中過去廣泛應(yīng)用的頭水揭膜措施由于勞動力缺乏和保墑需要被棄用。
因此,在地膜覆蓋面積增加、高密度種植模式應(yīng)用、農(nóng)村勞動力減少和地膜回收機(jī)具缺乏的現(xiàn)狀下,該區(qū)域棉田地膜殘留污染存在進(jìn)一步加劇的風(fēng)險。
在黃河流域棉區(qū),雖然地膜覆蓋也是一個重要的農(nóng)藝技術(shù),但相對而言,地膜應(yīng)用范圍和投入強(qiáng)度遠(yuǎn)低于西北內(nèi)陸棉區(qū)。單位面積地膜投入量一般只有西北內(nèi)陸棉區(qū)的50%左右?;旧蠈儆诙虝r期覆蓋,在6月中下旬進(jìn)行破膜(揭膜)培土,這時候地膜完整并且強(qiáng)度較高,易于回收。同時,隨著棉花新品種抗逆性和豐產(chǎn)性不斷提高,種植過程中施肥技術(shù)、雜草防除技術(shù)的不斷完善,該區(qū)域棉花生產(chǎn)對地膜覆蓋的依賴程度將逐漸減弱,種植面積也從1981-1990年的29.31萬hm2下降到2011-2015年的14.52萬hm2,下降幅度達(dá)到50.5%,可以預(yù)見,在未來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整,棉花播種面積和比例有可能進(jìn)一步下降,與前面預(yù)測棉花地膜覆蓋面積相反的是地膜投入量進(jìn)一步減少,因此,黃河流域棉區(qū)的棉田地膜殘留將出現(xiàn)減緩的趨勢。
過去50 a,我國棉花播種總面積呈先增加后降低的變化趨勢,20世紀(jì)70年代,種植面積接近400萬 hm2,80年代以后,除了1996-2000年種植面積一直穩(wěn)定在500萬hm2左右,近10年來,種植面積呈現(xiàn)下滑的態(tài)勢,2016-2020年,種植面積只有323萬hm2。棉花主產(chǎn)區(qū)也發(fā)生了北移,由20世紀(jì)90年代以前90%以上棉花種植集中在長江流域和黃河流域兩大棉區(qū)逐漸轉(zhuǎn)移到新疆棉區(qū)。西北內(nèi)陸棉區(qū)(主要是新疆)種植面積擴(kuò)大,單產(chǎn)提高,而長江和黃河流域棉區(qū)種植面積萎縮、單產(chǎn)相比新疆棉區(qū)低將成為一個常態(tài)。
新疆等西北內(nèi)陸地區(qū)棉花生產(chǎn)受到早期地溫低和積溫不夠兩大限制因素,因此該地區(qū)在過去并不適合種植棉花。地膜覆蓋恰好可以解決早期地溫低和積溫不夠的問題,再加上新疆光照條件好、氣候干燥和棉花種植時病蟲害較少等有利因素,以及膜下滴灌技術(shù)的應(yīng)用,使新疆棉花單產(chǎn)遠(yuǎn)超長江和黃河流域。地膜覆蓋在西北內(nèi)陸應(yīng)用可以使棉花單產(chǎn)提高32.0%,水分利用效率提高78.5%。因此,地膜覆蓋技術(shù)是我國棉花種植區(qū)域北移的主要驅(qū)動力之一。
由于地膜的使用強(qiáng)度和回收程度不同,我國三大棉花主產(chǎn)區(qū)地膜污染情況不盡相同。新疆棉區(qū)棉花生產(chǎn)地膜覆蓋使用強(qiáng)度大,地膜回收率低,地膜殘留已經(jīng)成為該區(qū)域一個重大的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題。黃河流域在棉花種植時對地膜覆蓋依賴性相對較低。且由于人均耕地面積有限,地膜回收做得相對較好,存在一定程度地膜殘留污染,但與新疆棉區(qū)相比,殘留污染相對較輕。長江流域棉區(qū)光熱資源豐富,以移栽棉為主,地膜覆蓋在該區(qū)域棉花種植上僅存零星應(yīng)用,基本不存在地膜殘留污染問題。
①加強(qiáng)政策和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定。目前我國地膜標(biāo)準(zhǔn)對強(qiáng)度和厚度要求偏低,應(yīng)盡快修訂完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);②開展地膜應(yīng)用適宜性研究。推廣一膜多用、延期利用技術(shù),以及膜側(cè)種植、半膜覆蓋等地膜用量少、增產(chǎn)效果好的技術(shù)模式,加強(qiáng)適期揭膜回收技術(shù)研究和推廣;③加快西北內(nèi)陸棉區(qū)地膜回收機(jī)械研制?;厥諜C(jī)械與作物農(nóng)藝相結(jié)合,棉花品種、種植模式與農(nóng)機(jī)相配套,提高回收機(jī)械化水平;④重視生物降解地膜產(chǎn)品研發(fā)和示范。重點(diǎn)研究生物降解地膜的降解可控性與產(chǎn)品配方,縮小其與普通PE地膜在增溫保墑功能方面的差異,通過技術(shù)改造和規(guī)?;a(chǎn),實(shí)現(xiàn)原材料和地膜產(chǎn)品的成本大幅度下降,提高市場競爭能力,促進(jìn)規(guī)?;瘧?yīng)用。