张掖市玉米制种连作田地膜残留特征及对土壤物理性状的影响

Characteristics of residual plastic film and effect on soil physical properties of continuous cropping field for maize seed in Zhangye

摘要

目的 研究张掖市玉米制种田地膜残留的时空分布特征及对土壤物理性状的影响。 方法 通过分层采集不同连作年限（1、5、10、15、20 a）玉米制种田残留地膜和土壤样品，测定其单位面积残膜数量、质量、残膜面积变化和分布特征，以及残膜对土壤容重、孔隙度等物理性状的影响。 结果 随着覆膜连作年限的增加，土壤中残膜数量与质量呈增加趋势，每年分别以136.79×10⁴片/hm²和13.416 kg/hm²的速度增加，主要分布在0~20 cm耕作层。随着覆膜连作时间的延长，残膜有向深层土壤迁移的空间分布变化特征。残膜主要以面积为0~5 cm²和5~25 cm²的碎片为主，连续覆膜5~20 a面积<25 cm²地膜碎片占总地膜残留量的51.79%~98.21%。随着残膜累积量的增加，土壤容重呈增加趋势，孔隙度呈降低趋势。 结论 张掖市玉米制种田连续覆膜5 a以上，田间地膜残留量超过国家标准限值，应加强残膜回收、生物降解膜替代等措施，以缓解该区域制种玉米产业发展中残膜污染问题。

Abstract

Objective To study the spatial and temporal distribution characteristics of mulch residue in seed maize field and its effect on soil physical properties in Zhangye. Method Residual film and soil samples were collected from maize seed plots that had been cultivated continuously for different years (1 a,5 a，10 a，15 a，20 a).The quantity，quality，variation and distribution of residue film per unit area and the effects of residue film on soil bulk density，porosity and other soil physical properties were measured. Result With the extension of continuous cropping years，the quantity and quality of residual film in soil also increased，at the rate of 136.79×10⁴ pieces/hm² and 13.416 kg/hm²，respectively.The residual film was mainly distributed in the 0~20 cm tillage layer.However，with the extension of continuous mulching time，the residual film had a change of distribution characteristics: spatially migrating to deep soil.Mainly，mulch film residues consisted of debris residues of 0~5 cm² and 5~25 cm²，after 5~20 years of continuous mulching，the film fragments with an area of <25 cm² accounted for 51.79%~98.21% of the total mulch film residues.With the accumulation of film residues，the bulk density of the soil increased while the porosity decreased. Conclusion In Zhangye，under the premise of continuous mulching for more than 5 years，the residual film in the seed maize field was far above our government standard.Therefore，for the prosperity of maize seed production in this area，measures such as film recycling or biodegradable film replacement should be emphasized and strengthened to control residual film pollution.

Graphical abstract

关键词

玉米制种 / 地膜残留 / 分布特征 / 土壤物理性状

Key words

maize seed / plastic film residue / distribution characteristics / soil physical properties

Author summay

程红玉，副教授，研究方向为农田生态与栽培技术。E-mail：[e-mail]

地膜覆盖栽培具有增温保墒、抑制杂草、促进作物早熟和增产增收等作用，而被广泛应用到农业生产中，该项技术极大的促进了农业生产方式的改变和农业生产力的飞跃发展^［1-3］。目前我国地膜覆盖面积已经达到0.13 亿hm²，每年用量近百万吨，地膜使用已经覆盖新疆^［4］、青海^［5］、内蒙古^［6］、甘肃^［7-9］、黑龙江^［10］、辽宁^［11、山西^［12］、陕西^［13］等高寒冷凉、干旱及半干旱地区的40多种农作物，并呈现持续增长的态势。张掖市地处甘肃省西北部河西走廊中段，区域内水资源丰富，耕地资源集中，土壤肥沃，光热资源充裕，昼夜温差大，优越的地理环境和气候资源使其成为杂交玉米种子的天然生产基地。目前，张掖市玉米制种面积达到6万hm²以上，年产优质玉米种子4.5亿kg，占全国大田玉米年用种量的40%以上^［14］。该区制种玉米全部采用地膜覆盖栽培技术，覆膜率达到100%，地膜用量达到70~80 kg/（hm²·a），并且在玉米全生育期不揭膜，仅在耕地和耙地时进行地表地膜的回收，田间地膜残留量较大。农用地膜是人工合成的高分子聚合物，主要原料为聚乙烯类物质，这类物质分子结构稳定，短期内在自然条件下很难降解，在土壤中可以残留200~400 a，长期在土壤残留积累，导致土壤结构破坏，土壤通透性降低，阻碍土壤水分的运动，带来土壤的次生盐渍化，最终导致土壤环境污染和作物减产^［15-16］。目前对地膜污染最为有效的防治措施就是采用光降解或生物降解地膜替代普通地膜以及人工捡拾和机械回收，但由于降解地膜生产成本较高，机械性能和耐水性弱于传统聚乙烯地膜，很难在生产中大面积推广应用^［17］；人工捡拾劳动力成本高，回收率低，地膜回收机械存在技术不成熟，回收作业效率低等问题，造成农田残膜污染呈日趋严重态势^［18-19］。

关于西北地区农业生产中地膜残留状况及残膜对土壤质量和作物生长及产量影响已有学者开展了相关研究^［20-22］。刘建国等^［23］通过对新疆连作棉田地膜残留调查得出，残膜量平均以每年11.2 kg/hm²速度增加，主要分布在0~30 cm土层，随着连作年限增加，残膜破碎度加大。辛良杰等^［24］通过调查黑河中游张掖市农业生产中地膜残留状况结果得出仅2014 年1年研究区地膜的残留率平均为25.7%，地膜的残留总量达到了63.75 kg/hm²，已经接近我国国家标准限定值（75.0 kg/hm²）。杜泽玉等^［25］通过对张掖绿洲农田地膜残留分布特征调查得出，该地区地膜残留量介于0.79~114.72 kg/hm² 之间，平均值为25.63 kg/hm²，种植作物中玉米农田地膜残留量最多，并且连续覆膜10 a及以上残膜污染状况显著恶化。作为张掖地区农业主导产业之一的玉米制种，由于种植面积大，地膜覆盖度高，连作现象普遍，大量残留地膜污染农田，严重影响了该产业的健康发展。因此，本研究在河西地区玉米制种主产区张掖市，选择不同连作年限制种玉米田进行取样，研究地膜残留时空分布特征及对土壤物理性状的影响，以期为该地区地膜污染防治提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

调查点位于张掖市甘州区乌江镇玉米制种基地（N 39°04′，E 100°20′），海拔1 474 m，属温带大陆气候，年平均降水量113~120 mm，蒸发量2 047 mm，日照时数3 085 h，无霜期138~179 d。该区域自上世纪90年代发展玉米制种产业，生产规模较大，企业与农户合作关系稳定，为张掖市主要玉米制种区。由于制种规模的不断扩大，连作现象普遍，长年采用地膜覆盖栽培，地膜用量在70~80 kg/hm²，收获后采用人工和机械捡拾残膜，但仍有25%左右的地膜残留在农田^［25］。

1.2 试验方法

1.2.1 残留地膜的收集与处理

于2022年春季玉米播种前，在张掖市甘州区乌江镇通过对玉米制种企业和农户的走访调查，选择连作1、5、10、15、20 a的玉米制种田各2块（所选样地均采用相同种植模式，经冬前大水漫灌，春季整地后的田块），以种植1 a为对照，样方地块面积不小于0.67 hm²，采用对角线法随机选取1 m²（长100 cm×宽100 cm）的5个样方，样方深度为30 cm，分为0~10 cm、>10~20 cm、>20~30 cm 3个土层，分层取土过筛（筛孔直径为2 mm）、人工收集残膜。将收集的残膜带回实验室，用超声波清洗仪进行洗涤，洗净后将残膜细心展开，平铺到托盘上，防止残膜破裂，自然阴干，根据残膜面积类型0~5、>5~25、>25~50、>50~100、>100~200 cm²统计每个样点、每个土层、不同面积分级之后的残膜数量，利用万分之一的电子天平进行称重。

1.2.2 土样采集和测定

分别采集连作1、5、10、15、20 a玉米制种田0~10、>10~20、>20~30、>30~40 cm土层土样，采用环刀法取土测定土壤容重，将土样带回实验室采用烘干法测定土壤含水量^［26］、土壤容重，土壤孔隙度和土壤毛管孔隙度^［27］。

1.3 数据整理与分析

采用Excel 2013进行数据统计并绘制图表，采用SPSS 22.0软件进行统计分析，多重比较采用LSD法（P<0.05和P<0.01 2个显著性水平）。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限玉米制种田中残膜分布状况

2.1.1 不同连作年限玉米制种田中残膜数量和质量变化特征

由图1可知，随着玉米制种田覆膜连作年限的增加，残膜的数量呈上升趋势。连续覆膜20 a，残膜数量达到3 572.5×10⁴片/hm²，较对照（1 a）增加了5.42倍，覆膜5、10、15 a残膜数量分别较对照增加了3.53、4.56倍和4.77倍。连续覆膜5 a，残膜数量增长较快，之后增长趋势趋于平稳。5、10、15、20 a田间残膜数量分别与对照均达到极显著性差异（P<0.01）。残膜数量变化方程为：Y=136.79X+1 194.3，其中R²=0.752 4，说明残膜数量每年以136.79 ×10⁴片/hm²的速度增加。

由图2可知，随着玉米制种田覆膜连作年限的增加，残膜质量呈上升趋势。连续覆膜5、10、15、20 a地膜残留质量分别较对照（1 a）增加了97.41、186.09、206.78 kg/hm²和240.16 kg/hm²。覆膜1 a和5 a之间残膜质量差值较大，5 a间增加了97.41 kg/hm²，10 a和15 a间差值较小，5 a间仅增加了20.69 kg/hm²。方差分析表明，连续覆膜5、10、15、20 a地膜残留质量分别与对照达到极显著差异（P<0.01）。残膜质量随连作年限的变化方程为Y=13.416X+50.787，其中R²=0.939 6，说明残膜质量每年以13.416 kg/hm²的速度增加。

2.1.2 不同连作年限玉米制种田中不同土层残膜数量分布状况

由图3可知，随着玉米制种田覆膜连作时间的延长，不同土层残膜数量分布特征发生了一定的变化。在覆膜1、5、10 a均表现为随着土层深度的增加，残膜数量降低，连续覆膜10 a在0~10 cm土层残膜数量达到了最大（1 574.6×10⁴片/hm²），较覆膜1 a增加1 255.34×10⁴片/hm²，经方差分析得出，覆膜1、5、10 a在0~10、10~20、20~30 cm 3个土层残留地膜数量均达到显著差异（P<0.05）。连续覆膜15、20 a，地膜在不同土层残留的数量发生了变化，0~10 cm和10~20 cm土层残留地膜数量差异不明显，说明随着覆膜时间的增加，残膜有向下层土壤迁移的特征。

2.1.3 不同连作年限玉米制种田中不同土层残膜质量状况

由图4可知，在覆膜1、5和10 a均表现出随着土层深度的增加，残膜质量降低，覆膜5 a和10 a 0~10 cm土层中残膜质量分别达到62.64 kg/hm²和95.68 kg/hm²，较覆膜1 a分别增加45.22 kg/hm²和78.26 kg/hm²，经方差分析得出，覆膜1、5和10 a在0~10、10~20、20~30 cm 3个土层残留地膜质量均达到显著差异（P<0.05）。连续覆膜15 a和20 a，以10~20 cm土层残留地膜质量最大，其次为0~10 cm土层，但0~10和10~20 cm土层间差异不显著（P>0.01）。

2.1.4 不同面积残膜在连作玉米制种田中的分布

由表1可以看出，随着玉米制种覆膜连作年限的延长，不同面积残膜质量百分数发生了一定的变化。面积为0~5、5~25 cm²的残膜质量百分比随着连作年限的增加而增加，而面积为25~50、50~100、100~200 cm²的残膜质量百分比随着连作年限的增加而减少。0~5 cm²的残膜质量百分比在连续覆膜5、10、15、20 a分别较覆膜1 a增加13.61%、28.64%、31.29%、34.31%。5~25 cm²的残膜碎片质量百分比随连作年限的增加增长的幅度不大，连续覆膜20 a较1 a增加了12.11%。连续覆膜5、10 、15、20 a 50~100 cm²的残膜质量百分比分别是种植1 a的42.61%、11.76%、3.79% 和2.12%。面积100~200 cm²残膜在不同连作年限下所占比重较低。由此说明连作玉米制种田中的地膜残留主要以面积为0~5 cm²和5~25 cm²的碎片残膜为主。面积较大的残膜易被及时的捡拾，在土壤耕作过程中随着耕作器械也可以带走一部分，面积较小的残膜回收困难大，当地土壤耕作方式使得面积较小的残膜碎片随着不断地翻耕被埋在土壤中^［28］。

2.2 残膜对玉米制种连作田土壤物理性状的影响

由表2可以看出，残膜对玉米制种连作田土壤物理性状带来一定的变化。覆膜1、5、10 a 3个处理均随着土层的加厚，土壤含水量呈增加趋势，而覆膜15、20 a 2个处理在20~30 cm土层含水量出现下降趋势，这可能是因为随着残膜量的增加，阻碍了土壤水分的上下移动^［29］。土壤容重和孔隙度是评价土壤物理性状的重要指标^［15］，研究结果表明，随着连作年限增长，土壤容重有增大的趋势，覆膜1、5、10 a 3个处理均随着土层的加厚，土壤容重呈增加趋势，且20~30、30~40 cm 2个土层土壤容重差异不显著（P>0.01），但连续覆膜15、20 a，30~40 cm土层土壤容重显著增加，分别达到1.45、1.46 g/cm³，且与20~30 cm土层容重均达到显著性差异（P<0.05）。不同覆膜连作年限土壤总孔隙度的变化与土壤容重变化不同，呈降低趋势，在同一连作年限，随着土层的加厚，土壤总孔隙度降低，当覆膜15 a后30~40 cm土层土壤总孔隙度显著降低，15、20 a分别为45.19%、44.73%，较覆膜1 a分别下降5.68%、6.64%。本研究结论与董合干等^［22］研究结论一致，随着连作年限的增长残膜积累量逐渐增加，造成深层土壤孔隙度的降低，不利于玉米根系的下扎及水分的下渗。

3 讨论

3.1 制种玉米连作田地膜残留分布特征

通过调查河西地区张掖市玉米制种连作田地膜残留情况，结果得出随着覆膜连作年限的增加，残膜的质量和数量呈上升趋势，覆膜1~20 a，残膜数量变幅在556.28~3 572.5×10⁴ 片/hm²，残膜质量变幅在35.53~275.70 kg/hm²。残膜数量和质量分别以每年136.79×10⁴ 片/hm²和13.416 kg/hm²增长量增加。连续覆膜5 a以上，田间地膜残留量将超过国家标准限值（GB/T 25413-2010），该研究结论与唐文雪等^［30］研究结论相近。与全国其它地区相比，张掖市制种玉米连作田地膜残留量显著高于南方地区（1.79~72.15 kg/hm²）^［31-33］、华东地区（1.20~37.20 kg/hm²）^［34］、华北地区（0.2~82.2 kg/hm²）^［35-37］、高于东北地区（28.8~151.7 kg/hm²）^［1］，而在西北地区低于内蒙古（18.20~418.60 kg/hm²）^［38］和新疆棉区（42~540 kg/hm²）^［39］。造成玉米制种田地膜污染严重的主要原因与气候环境与耕作方式有关，张掖地区气候干旱、水资源短缺、地膜覆盖面积广、用量大，再加之大风、沙尘暴等恶劣天气，加速了地膜的破碎^［25］；另外近年来随着玉米制种面积的不断扩大，耕地很难轮作倒茬，种植方式单一，连作现象普遍，再加之常年采用农田大型机械作业耕翻、耕地深度大，使得残膜埋深逐渐加深，加大了残膜的回收难度，回收率较低^［40］。

通过调查玉米制种田残膜分布特征得出，在连续覆膜10 a内，随着土层的加厚，地膜数量逐渐降低，0~10 cm土层残留最多，但当覆膜15 a后，0~10 cm土层残膜数量减小，10~20 cm土层数量增加，说明随着覆膜时间的增加，残膜有向下层土壤迁移的特征。这与尹少媛等^［41］、马彦等^［42］的研究结果一致。分析其主要原因是玉米制种连作年限逐年增加，收获后残膜捡拾以及清理不及时，土壤耕作器械将地膜破碎，并随着土壤耕作措施将表层残膜翻埋到较深土层，造成了深层土壤中残膜数量的增加。河西地区玉米制种连作田残膜分布特征与新疆棉田长期连作下残膜分布特征相似^［23］。地膜残留主要以面积为0~5 cm²和5~25 cm²的碎片残膜为主，连作5~20 a面积小于25 cm²地膜残留占总地膜残留量的51.79%~98.21%，随着覆膜年限的增长，残膜的破碎程度越大。

3.2 残膜对玉米制种连作田土壤物理性状的影响

农田中随着地膜残留的积累会逐渐改变土壤结构，降低土壤孔隙度和通气性，阻碍土壤水分的运移^［43-44］。刘建国等^［23］研究发现新疆绿洲棉田随着残膜量的增加，土壤容重下降，土壤孔隙度和土壤含水量上升，而本研究得出随着残膜数量的增加土壤容重增加，孔隙度降低，分析造成结论不同的原因可能与新疆石河子地区常年秸秆还田，培肥地力，改善了土壤结构有关。

4 结论

随着覆膜连作年限的增加，张掖市玉米制种田残膜的质量和数量呈上升趋势，分别以每年13.416 kg/hm²和136.79×10⁴片/hm²的速度增加。连续覆膜5 a以上，田间地膜残留量超过国家标准限值（75 kg/hm²），且残膜主要分布在0~20 cm耕作层。随着覆膜连作时间的延长，残膜有向深层土壤迁移的空间分布变化特征。残膜主要以0~5 cm²和5~25 cm²面积的碎片为主，且随着连作年限的增加，破碎化程度越大。残膜的不断累计使得玉米制种田土壤容重增大，孔隙度降低。综上所述，张掖市玉米制种连作田地膜污染严重，应加强残膜回收、生物降解膜替代等措施，促进该产业的绿色健康可持续发展。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41867010)

甘肃省自然科学基金项目(21JR1RG308)

甘肃省教育厅产业支撑计划项目(2022CYZC-62)

甘肃省科技重点研发计划项目(20YF8NG065)

校地合作横向课题(H2021021)