新疆农田残膜污染现状及防控策略

胡 灿，王旭峰，陈学庚，汤修映，赵 岩，严昌荣

新疆农田残膜污染现状及防控策略

胡 灿1,2，王旭峰2，陈学庚3※，汤修映1，赵 岩3，严昌荣4

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 塔里木大学机械电气化工程学院，阿拉尔 843300；3. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832000；4. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点开放实验室，北京 100081）

塑料污染是全球性的难点问题，残膜污染是塑料污染在农田的表现形式。新疆是中国重要的农产品生产基地，覆膜种植总面积达347.8万hm2，年地膜投入量超过20万t ，是全国残膜污染最为严重区域，具有代表性。总结新疆农田残膜污染的特点、综合治理现状以及存在问题对全国农田残膜污染的治理有较大的借鉴作用。该文应用文献检索归纳、信息查阅以及田野调查等研究方法，对新疆农田残膜残留区域分布特点与残膜在土壤中的空间分布特点进行了总结归纳；分析了地膜投入成本、地膜力学性能以及回收因素等残膜产生成因；对近年来农田残膜污染综合治理技术进行了梳理，总结了农艺防治、可降解地膜、多种回收组合模式以及机械化回收等4大类综合治理技术。最后，探讨了目前残膜污染综合治理中存在的农机农艺融合综合治理、残膜机械化回收、系统性农艺措施以及监测评价等问题，分析了完善残膜污染治理法规、把握农机-农艺-农膜相结合理念、加大耕层残膜的分级治理、研究新型地膜技术以及创新地膜应用栽培模式等污染防控策略。研究表明：现阶段PE地膜仍是农业生产的主要应用方式，开发新型地膜与可降解地膜，实现PE地膜的完全替代是未来的研究目标；新疆农田残膜污染治理应坚持“遏制增量，减少存量”的方针，加大地膜的机械化回收，规范农用地膜的使用与回收再利用，优化种植模式，建立残膜污染治理的可循环模式，以期对典型区农田残膜污染综合治理提供借鉴参考与解决思路。

地膜；回收；污染；综合治理；防控策略

0 引 言

新疆地理环境独特[1]，属温带大陆性气候，远离海洋，春季寒冷，降雨量较低，昼夜温差大，日光充足，适宜棉花、花生、辣椒、红枣类果品等农作物生长，是中国优质棉花、特色农产品生产基地[2]。农田采用地膜覆盖栽培技术能增温保墒和节水，降低0～30 cm土壤耕作层的盐碱度，还能抑制田间杂草生长，极大地增加了作物产量，给农户带来了较大的经济收益[3]。中国自20世纪70年代引入地膜技术以来，已在北方地区得到了迅速推广[4]，1994年已经发展到覆膜种植农田达530多万hm2[5-6]。目前中国地膜覆盖种植面积超过2 000万hm2，地膜年使用量超过150万t，占世界年地膜使用总量的90%左右[7]。新疆是中国主要覆膜种植区[8]，主要作物以棉花、玉米、辣椒等作物为主[9-10]。据统计，2018年新疆农作物总播种面积为612.6万hm2，覆膜种植总面积约为347.8万hm2，其中棉花覆膜种植面积249.1万hm2[11-12]。在新疆，农用地膜和种子、化肥、农药等成为了农业生产中不可缺少的生产资料。按农艺要求不同作物有不同的覆膜量，一般在87～94.5 kg/hm2之间，全年新疆农田地膜投入量超过20万t[13]。然而，由于对残膜污染问题的忽视，经过近40 a的覆膜种植[14-15]，地膜未能有效完全回收，导致部分地膜残留在农田土壤层中，经碎化形成了地膜碎片，简称为残膜[16]。有学者将历年未能回收干净、长期残留在土壤中的残膜称为耕层残膜[17]，将当年覆盖地膜称为当季地膜。残膜是一种PE材料，长期存在于土壤中，难以降解，大量的残膜残留改变了土壤物理结构[18]，引起了土壤残膜污染的一系列问题[19-20]。

新疆地区为干旱性绿洲农业，地膜应用具有较高价值，但是长期覆膜作业引起的农田残膜污染问题也日益突出[21]，备受人们广泛关注。新疆农田大量采用覆膜种植[22]，是全国残膜污染最为严重区域[23]，也最具有代表性。总结新疆农田残膜污染的特点、综合治理现状以及存在问题对农田残膜污染的治理有较大的借鉴作用。

赵岩等对现阶段国内外残膜回收机械的种类与技术装备进行了总结性梳理[24]，针对中国农田残膜污染的机械化回收，总结了播前、苗期与秋后3大类作业机械的特点与设计类型，并提出了新型机械化发展的技术措施。然而，残膜污染的防治是一个系统工程，是农机农艺融合、种植模式优化、地膜材料创新等多学科的技术综合过程。在此基础上，本文结合新疆区域调查收集现有的污染数据，综述性总结新疆残膜污染治理方法，得出新疆农田残膜污染的区域分布特点，分析提炼残膜污染中存在的问题，探索性的提出新疆残膜污染防控策略，为行政主管部门制定政策提供依据，为相关研究人员提供研究参考，以期对残膜污染的治理提供新思路。

1 新疆农田残膜污染特点

1.1 农田残膜残留量污染现状

残膜残留量是农田残膜污染的最主要衡量指标，反映了该区域长期覆膜种植下土壤中的残膜量化值[25]。残膜残留量与地膜质量、覆膜标准、回收方式、种植模式、耕作等因素密切相关。其中，地膜质量标准是影响地膜回收、覆盖等最重要的因素。2015年新疆自治区发布了用于残膜污染防治的农用覆盖地膜标准，规定统一使用厚度大于0.01 mm，耐候期大于180 d，产品的其他指标符合国家质量标准规定的聚乙烯吹塑农田地面覆盖地膜[26-27]。对比此前的农用地膜国家标准[28]，2017年正式更新了农用覆盖地膜国家标准[29]。2014—2018年期间塔里木大学残膜污染综合治理研究团队对新疆长期覆膜典型区农田残膜污染进行了取样调查[30-31]。图1所示为农田地表可见的残膜污染情况。通过数据统计分析，新疆农田平均地膜残留量约为206.46 kg/hm2[32]，其中，石河子区域、阿克苏、博州、塔城、昌吉州、哈密、喀什等区域均属于污染严重区域，残膜残留量均值>275.63 kg/hm2。对比农田地膜残留量限值及测定标准（GB/T 25413—2010）农田地膜残留量限值为75 kg/hm2，新疆农田地膜残留量已经远远超过了该限值标准。严昌荣等[33-34]对石河子农场等典型区域农田残膜污染特点进行了实地调研，得出了相近的残膜污染数据，并在此基础上提出了对污染进行等级划分的要求。

图1 新疆农田残膜污染情况

1.2 残膜在土壤层的空间污染分布特点

1）残膜空间分布特点

根据统计，残膜主要集中在0～30 cm土壤中，呈现层状空间分布特点，按耕作结构呈现3层分布，即地表、0～12、>12～30 cm耕层分布。其中，地表和深层土壤中的残膜残留量较少[35]，地表残膜约占总耕作层残膜量的6%～8.33%；0～12 cm土层中残留量最高，约占残留总量53.99%～68%；>12～30 cm约占残留总量26%～37.68%；不同覆膜年限棉田中的残膜残留量分布特点基本一致，随着覆膜年限的增加，棉田土壤耕层残留量也在逐年上升，这与深耕、旋耕等耕作模式相关。

2）残膜面积大小分布特点

土壤中残膜大小（图2a）可以划分为0～4、>4～25、>25 cm2等3种面积类型。其中，>4～25 cm2约占残膜面积的78.6%，>25 cm2的残膜面积约占19.6%，这3种面积的残膜数量大致以1∶7∶2分布在土壤中。人为因素（如旋耕）、自然因素（如棉田光温水气热等）和地膜质量（如厚度、力学性能指标等）均会增加残膜破碎度，使0～4 cm2的地膜数量及所占相应增加，随着覆膜年限的增长，残膜在土壤中的数量逐渐增加，但残膜面积大小整体分布比例没有改变。地膜质量标准中，厚度与力学性能密切相关，相同的地膜材料下，地膜厚度越小，残膜破碎度越大。

图2 残膜大小与形态分布特点

3）残膜形态分布特点

残膜在土壤中的形态分布特点是衡量残膜污染程度的另一个重要指标[36]。由于自然和人为耕作等因素的影响，地膜呈现出不同形态分布，主要有片状、棒状、圈缩状、球状等，它们以倾斜、垂直、水平等不规则状态存在于土壤之中（图2b），破坏土壤结构，影响耕作质量。

2 残膜污染问题由来以及对农业环境影响

2.1 残膜污染问题的由来

自20世纪中叶，塑料工业得到了快速发展，地膜技术具备了发明的条件[37]。日本于1948年开始研究并应用地膜技术，探索农业覆膜种植的可能性[38]。至20世纪70 年代，日本约120万hm2的旱田作物均已采用了覆膜种植，地膜覆盖栽培技术得到了全面应用[39-41]。日本在农用地膜的管理上制定了严格的地膜应用法律，地膜使用后必须全部回收再利用，使地膜应用取得了良好效果[42-43]。美国率先引用黑色地膜进行覆膜种植[44-47]，欧洲国家先后引进了地膜技术并获得较好的应用[48-49]。由于气候条件允许，欧美国家一般采用厚膜覆盖，地膜厚度一般为0.012～0.015 mm[50]；这种地膜在使用当年后，仍具有较好的力学性能，方便机械化回收[51]。由于大量采用厚膜覆盖，地膜抗拉强度和抗破损方面具有较好的力学性能，残膜回收装置的结构简单，技术难度较低[52-54]。然而，受作业成本等因素影响，这类厚膜覆盖种植在中国推广应用较少[55-56]。

20世纪70年代，中国首次从日本引进地膜覆盖栽培技术[57-59]，在东北寒冷地区推广应用了覆膜播种作业模式，提高了地温，作物的生长周期增大，增产约30%。1980年，新疆兵团第八师石河子开始应用了地膜覆盖栽培技术[60]。地膜的增温保墒作用在新疆得到了极大的发挥，由于水资源缺乏，地膜覆盖栽培技术获得了快速推广应用，农作物产量大大增加，极大缓解了粮食问题。为了节约农作物生产成本[61]，2000年以前，农用地膜厚度规格为0.006 mm左右，2000至2014年间，棉田地膜使用厚度规格为0.008 mm左右，地膜宽度主要为1.4和2.05 m。这类农用地膜力学性能较低[62-63]，经过耕作期后破损严重，难以回收再利用，形成了碎膜[64-65]。地膜是一种聚氯乙烯材料，在自然条件下极难降解[66]，残留在田间的碎膜不及时清除，将长期残留在土壤中[67]，残留量逐年增加，造成农田土壤环境的严重污染，严重影响了农业的可持续发展和美丽乡村建设。

2.2 残膜污染对农业环境的影响

2.2.1 影响土壤结构，改变水肥运移，影响作物生长

新疆农田耕作层一般为0～30 cm，经过常年春耕播种作业，多年累积的残膜以条状、片状、棒状、圈缩状、球状分布于土壤耕作层，影响了土壤的物理结构[68]。Dong等[69]设置了不同的残膜量密度，进行了极限条件下的残膜量对新疆棉花生长影响的试验，结果表明，当残膜量密度为500 kg/hm2以上时，对棉花的成苗率、早熟度以及产量有显著影响，如表1所示。当残膜量密度为1 000 kg/hm2时，产量从5 842.9 kg/hm2下降至5 052.6 kg/hm2，减产13.5%。程桂荪等[70]1991年提出4 cm×4 cm以上大小的残膜碎片对作物苗期生长有阻碍影响，残膜碎片大于4cm2时，影响直根作物的根系生长，当土壤中残膜与根系相遇时，直根发生弯曲变形。研究也表明[71-72]，残膜残留使作物春耕播种发芽后，难以及时吸取到充足的养份，最大可降低作物11.2%的出苗率。残膜在0～30 cm土层分布对土壤水肥运移有显著干扰影响，张建军等[73]进行了残膜对玉米生育影响试验，结果表明，当残膜残留量达到67.5 kg/hm2以上时，玉米地土壤密度可降低至11.7%，使水分运移速度减小，玉米产量降低4.8%～11.3%。

2.2.2 影响农业机械耕作

农业机械耕作时，零部件极易和残膜、残茬发生缠绕，极大影响作业性能[74]。例如耕地作业时，残膜碎片对犁体高速作业产生阻力，增加拖拉机损耗，影响犁体翻垡土壤的耕作质量。在新疆地区，农田土壤中残膜残留量累积达到20 kg/hm2以上时，必须将耕作层调整，实施深耕（40 cm以上）作业以避免耕层残膜的影响。总之，残膜缠绕问题严重影响了农业机械的作业速度与质量[75]。新疆农田耕作深度为30 cm，大量的残膜分布于0～30 cm土壤层中，犁地与耙地时残膜容易缠绕犁头或圆盘，增加犁体阻力，影响机具使用寿命。图3a所示为新疆生产建设兵团第一师16团农田五铧犁作业时犁头与残膜缠绕情况。图3b为圆盘耙整地时残膜与机具缠绕情况。

表1 不同残膜量密度对棉花生长的影响

a. 犁头与残膜缠绕b. 耙地机与残膜缠绕 a. Plough and residual plastic film windingb. Harrow machine and residual plastic film winding

2.2.3 农田微塑料的危害影响

国际上对微塑料的定义主要是指直径小于1 mm的塑料制品颗粒[76]。有文献认为农田地膜的使用可产生微塑料[77-78]，土壤中微塑料颗粒主要来源于地膜覆盖、水肥灌溉、农药残留、大气沉降等[79-80]。2012年，德国人Rillig[81]首先发现了土壤中微塑料的存在；EeLing Ng等[82]认为微塑料的主要来源是农用地膜与温室材料的不断光解过程，形成的微米甚至纳米级微塑料；国内学者朱永官等[83]也率先在中文期刊上发表了这一观点。研究发现，高密度聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等高分子材料的老化是形成微塑料吸附的主要原因[84-85]。相比较肉眼可见碎膜，农田中微塑料能产生更大的潜在危害。

残膜碎片经过耕种，较多地残留于地表草根、草叶处，极易被各类食草类动物食用，引发动物的毒害性与生态食物链反应[86]。特别是当较小颗粒状农用地膜碎化后，形成微塑料存在于土壤中，微塑料经过不断碎化，最小直径可至微米、纳米级别，土壤中动物如蚯蚓、虫类等取食后，体内残留的微塑料极易引发鸟类、土壤中动物的病毒性伤害，存在潜在的健康影响风险，引起更多食品安全链问题。1项调查结果表明[87]，微米级别的微塑料在长期覆膜种植土壤中的密度为0.87个/g，在蚯蚓粪中密度为14.8个/g，在鸡粪中密度为129.8个/g。另外，残膜碎片混杂于作物秸秆中，极易被反刍类动物所食用，引起养殖家畜的疾病增加了秸秆饲料化回收利用的难度。

新疆农田长期采用覆膜栽培模式，残膜在风化作用下，通过与农业机械相互作用，存在微塑料的潜在性。另外，部分光降解地膜也是微塑料的主要来源。微塑料通过与土壤结合，可能产生更大的潜在性污染或未知污染危害。

3 新疆残膜污染综合治理技术现状

残膜污染综合治理技术主要有农艺防治、生物可降解膜、多种回收组合模式以及机械化回收等4大类技术方案[91]。

3.1 农艺防治技术

从农艺角度综合考虑地膜覆盖技术能有效解决特定作物残膜污染问题[92]。作物栽培方面，针对新疆不同区域、不同作物类型开展了无膜种植技术研究，在水资源较好农业种植区域，如伊犁农业种植区域以油菜、玉米、小麦、水稻等作物进行无膜覆盖种植；对棉花作物采用在头水前，提前回收地膜的适时揭膜技术，秋后加强对地膜的整膜回收，减少残膜的年累积量；经济作物如油葵、籽瓜等作物采用降解膜应用技术。种植技术上，创新作物株行距配置，以选择合理宽度的地膜，通过合理的单位面积覆膜比例降低地膜的残留。此外，农艺措施还应当考虑适宜的地膜厚度，以利于地膜回收，减少地膜残留。

3.2 可降解地膜技术

可降解地膜替代PE地膜是技术发展的最终趋势[93]。目前，新疆地区可降解膜处于推广试验阶段，主要以光-生物可降解地膜、全生物可降解地膜的研发与应用示范为主。何文清等[94-95]在石河子地区的可降解膜应用试验表明，降解膜在可降解性上表现较好，但在地膜本身功能的稳定性欠缺，与普通可应用地膜相比较，不同型号的降解地膜对作物产量有明显影响。邬强等[96]评价了PBAT（poly butyleneadipate-co-terephthalate，聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯）完全生物可降解地膜对棉田土壤环境以及产量的影响，结果表明，与普通PE地膜相比，完全生物可降解地膜棉花生长前期保水效果相同。但与PE地膜相比，这种可降解地膜在棉花生长中后期保水效果显著降低了3%，减产2.89%，且完全生物可降解地膜的经济性仍有较大差距，现阶段难以替代普通PE地膜。吴凤全等[97]在南疆棉田对市场上多种可降解地膜进行了田间试验评价，认为现阶段可降解地膜在增温、降解周期上仍与PE地膜有一定差距，难以完全替代。何文清等[98]综述了全生物降解地膜的研究现状，得出全生物降解地膜将是未来农用地膜的热点方向。严昌荣等[99]对新疆区域进行了多种可降解地膜应用评价试验，认为新疆区域内加工番茄、籽瓜、油葵等高附加值作物适宜采用可降解地膜替代，但对于棉花等作物，现阶段仍以覆盖PE地膜为主。

综合研究成果，可降解地膜仍存在4个方面的主要原因无法完全替代PE地膜。1）降解时间无法准确保证，一个生育周期内出现降解过早，影响作物生长及产量；2）增温效果与PE地膜仍有较大差距；3）可降解地膜经济成本较高，推广难度大；4）可降解地膜材料特性与农业机械配套问题尚待解决。例如，在覆膜播种时，可降解地膜延展力学特性与播种机旋播器鸭嘴部件最优穿透力之间的配置问题，导致播种环节频繁出现旋播器鸭嘴部件打不穿可降解地膜，使种子播在膜上或漏种，产生二次补种，增加成本，影响可降解地膜的应用推广。新疆农田日光充足，对地膜的风化作用大，尤其是存在南北疆气候差异，南疆日照条件更好，膜的降解能力更快。因此，可降解地膜应根据新疆区域特点研制，以适应新疆农田环境需求。

3.3 地膜回收组合模式

结合多年的残膜污染综合治理经验，针对新疆各地区域特征和覆膜作物种类不同，总结了4种地膜回收组合模式[100-101]。

1）作物生长期人工+机械配合适时揭膜回收模式

新疆生产建设兵团部分师团采取了棉花生长期适时揭膜的模式，取得了较好的效果。新疆生产建设兵团第一师采取了棉花收获前适时人工揭膜办法，在每年6月初（头水前），用简单机械划膜器将边膜分离，人工揭去边膜，8月初利用机械或人工进行中间膜揭膜，收获前清理干净田间残膜后方可进行机采棉作业，保证当年膜回收率达95%以上。且回收后的残膜干净可加工再利用，农户把残膜交至回收点，回收价每公顷约225元左右，但目前这种方式一是回收期短，劳动强度较大；二是为了保证土壤墒度，对于水资源缺乏的团场，难以实施棉花收获前的适时揭膜模式。

2）作物苗期揭膜和秋后揭膜结合回收模式

由于新疆有些地区播种前气候寒冷，风沙严重，采取了特殊的覆膜方式，收膜难度增加。新疆生产建设兵团第二师各团场播种前地温较低，为增强地温，棉田通常采用双膜覆盖方式，地膜投入量较大。双膜覆盖分“头层膜”与第二层膜，播种机完成第二层膜的覆膜种植后，再覆盖一层膜于农田表层，简称“头层膜”。“头层膜”主要在播种后12～18 d左右，以人工揭膜进行收膜，回收后地膜干净可利用，“头层膜”覆膜周期短，便于回收，回收率达100%；第二层膜为秋后收膜，主要以机械作业方式为主，配合人工捡拾的模式，实现当年膜的回收率在93%以上。

3）秋后机械或人工揭膜回收模式

新疆部分地区由于水资源缺乏，为保证土壤墒度，难以实行苗期适时人工揭膜方式。主要是秋后收膜，采用机械起膜配合人工捡拾的模式，根据新疆生产建设兵团《农田残膜污染治理三年行动攻坚计划》，机械化回收能达到65%～80%，人工采取“三捡三平”残膜回收方式（“三捡三平”方式即在翻地、整地、播种等3种耕作条件时实施人工捡拾地膜作业），两者结合回收可实现当年膜的回收率达93%以上[102]。

4）播种前机械+人工捡拾回收相结合的模式

播种前农田残膜回收主要是机械和人工捡拾回收相结合的模式，人工捡拾仍是主要的回收方式。新疆各地通过残膜回收经济责任制度、“三捡三平”农田管理工作，保证了当年膜回收率达到93%以上，农田地表和地头残膜洁净率达到100%。通过“三捡三平”农田管理工作、整地机械加装钉齿式扎膜辊进行扎膜回收，每年可回收历年残膜3～6 kg/hm2。

3.4 机械化回收技术

可降解地膜技术仍处于研究阶段，降解周期与膜下温度等技术问题难以解决，在相当一段时间内PE地膜仍是农田地膜应用的主流[103]，现阶段解决PE地膜的机械化回收问题是技术重点。根据国家普通农用覆盖地膜标准，现阶段规定统一使用厚度大于0.01 mm，机械化作业主要针对符合国家标准以上当季地膜的回收。按农艺要求划分，新疆农田残膜机械化回收作业可分为播前耕层残膜、苗期地膜以及秋后当季残膜等3类机械化回收技术。播前耕层残膜回收技术是指春耕播种前，利用搂、扎的方式对土壤中碎膜进行清理性回收，以减少耕作层土壤中残膜对作物的生长影响。主要通过在整地机后加装各类搂膜、扎膜辊机械装置，整地的同时完成对土壤层残膜及田间杂物的清理，其作业耕深约为5 cm。随着耕层残膜回收技术的重视，2017年，Zhang等[104]研制了旋耕钉齿式耕层残膜回收机，作业深度为0～15 cm，试验时回收率为50%以上；2018年，罗凯等[105]研制了链筛式耕层残膜回收机，作业深度达到11.7 cm，最优残膜回收效度达到80%以上。

苗期地膜回收技术是指在棉花浇头水前[106]，完成对边膜的回收，边膜是地膜覆盖时，两垄边入土覆盖的地膜，一般宽度为10 cm，此部分地膜受田间机械作业反复压实影响，秋后回收难度较大，提前回收可减少秋后回收难度。受水资源影响，中间膜在南疆地区水资源紧张的区域，一般不在苗期回收。

秋后当季残膜机械化回收技术是在秋后棉花采摘完成后，对当年投入的地膜进行回收。秋后地膜经历一个耕作周期，老化严重，力学性能较低，加上田间作物秸秆、土块等杂物的影响，回收难度较大。新疆农垦科学院研制出4SJ-1.6型等一系列棉杆粉碎还田、残膜回收利用的秋后残膜联合作业机[107]。为了提高地膜回收率，张惠友等[108-109]设计了链齿式残膜回收机，能快速回收表层地膜，回收率达到85%以上；王吉奎等[110-112]设计了多种型号的棉杆粉碎还田、残膜回收的联合作业机。现有的残膜回收机起膜部件主要有伸缩杆齿式、弹齿式、搂耙式等机型[113-114]，但存在回收率较低，实际回收率为65%～80%，回收残膜含杂率高，回收后残膜再利用难度大等问题。

4 农田残膜污染治理存在主要问题

4.1 缺少系统性的综合治理技术

从新疆残膜污染治理现状来看，各类治理技术均有应用，但并未取得较好效果。残膜污染问题是集农机农艺、地膜工艺、农业经济、农业环境等多学科交叉的系统性问题，单一的解决方式难以形成有效治理。残膜回收及残膜再加工利用产业没有显著的经济效益，农户、农机企业参与积极性不高，需要政策上引导。新疆受地域环境制约，有限的水资源条件下需经营大量农田，加上膜下滴灌技术的应用，大量的地膜、滴灌带等使农户种植成本增高，据调查，阿克苏地区棉花种植物化成本约为3.45万元/hm2，高种植成本投入使地膜可调整的技术经济成本空间有限[115]。如何针对区域特点合理安排作物种植模式，合理设置残膜回收方式等均是多学科交叉的综合性问题，仅仅依靠单纯的机械方式回收或仅依靠农艺措施改变均难以解决残膜污染问题。

4.2 残膜机械化回收作业效果有待提升

从现有农田残膜回收机械来看，新疆在研究残膜回收技术及其机具方面有长足进步，但目前市场上常见的残膜回收机作业效果一般，主要表现在作业可靠性差，残膜回收率低，回收后残膜含杂率高，难以加工再利用。因此，不能完全解决目前严重的残膜污染与回收残膜资源化利用的问题，主要表现在以下几个方面：

1）当季残膜回收率较低

现有的几种残膜回收机的应用情况表明，残膜回收率在65%～80%之间，回收效果较差。由于棉田从管理至采摘期间机动车和农具反复碾压，造成地膜破损严重，回收难度大。秋后残膜回收机作业后，仍存在大量的地膜残留在农田土壤中，在来年开春播种前需要进行多道残膜回收机来回作业，仍产生较多的残膜碎片，引起耕层残膜的累积。其中，地膜力学性能差是造成机械回收难的主要因素。

2）残膜与秸秆等杂物的分离困难

残膜和残茬分离一直是困扰残膜回收加工再利用的关键性问题，现有残膜回收机回收后的残膜含有大量棉杆残茬及田间杂物，回收加工难度大，残膜回收企业不愿回收，用户也缺少买卖意愿，无法实现对残膜的回收加工再利用。只有将残膜与田间杂物有效分离，才能加工再利用，实现好的经济效益，而对于无法分离的残膜混合物，农户只能采用填埋土壤、抛弃田间地头或焚烧造成严重的残膜二次污染。

3）耕层残膜回收困难

目前，残膜回收主要针对当年膜的回收，对于每年不断积累的土壤中的历年残膜，缺少解决方法。耕层残膜大多为4～25 cm2的碎片，通过水肥迁移与土壤紧密结合，影响土壤结构，造成土壤物理性能变化。这类残膜难以回收，目前采用机械作业的方式，残膜回收率低，试验条件下低于50%，实际作业时残膜回收率更低。并且，耕层残膜回收一般采用在耕层对土壤与残膜进行筛分作业，作业效率低，拖拉机能耗较大，耕层残膜回收仍是机械化作业的难点问题。

总之，只有回收的残膜实现了资源化利用，残膜污染治理问题才算真正得到解决。

4.3 缺少系统的农艺措施

新疆残膜污染问题一直从机械回收的角度提出解决措施，导致了残膜污染综合治理的片面性。从农艺角度，针对新疆各区域的自然气候特点，提出适宜于当地的作物种植模式，适当减少覆膜种植面积，对一部分特别干旱地区采取退耕还林或转变成林果业发展；针对不同作物，研究新的种植模式，减少地膜使用。

4.4 缺少系统的残膜污染区域监测与评价体系

残膜污染治理需明确责任主体[116]，责任主体人的残膜污染程度考核需有可行的评价办法与第三方快速监测方法。现有的残膜污染分等定级标准采取全国统一标准，即75 kg/hm2，新疆是全国污染最严重地区之一，大部分农田均超过该污染评价标准，导致治理缺乏重点，不利于新疆主要农田的残膜污染防治。另外，对农田残膜污染监测采用传统的人工取样方法，该方法存在取样周期长、取样单位存在主观意愿，且每个农田的残膜分布不均匀，使取样的数据精度不高。因此，建立系统的区域评价方法和开发农田快速监测技术也是理治的关键。

5 残膜污染防控策略

5.1 制定残膜污染综合治理相关法律法规，政策上予以引导

残膜污染是塑料残留污染的一种，污染治理需要长期的政策性支持。新疆农田残膜污染综合治理应该按照“遏制增量，减少存量”的原则，加强行政推动，支持社会与企业各界参与，改善农业生产环境，实现农田残膜资源化循环利用，促进农业可持续发展。

首先，应确立土地经营者为农田残膜污染治理的主体，应当有保护和保养耕地的义务，应及时回收农田残膜并按要求交送指定地点，防止农田残膜对土地的污染。其次，应建立农用地膜生产、使用、回收、再利用的农田残膜污染治理长效机制，明确污染管理职责，解决农田残膜污染综合治理主体缺位、监管缺失的问题。最后，应制定农田残膜回收作业规程，明确农田残膜回收作业时间、作业机具、作业质量、作业收费、验收标准等，将农田残膜污染治理作为农产品生产全过程中必不可少的农艺措施，最大限度减少残膜对土壤的污染。

5.2 把握好农机-农艺-农膜相结合的新理念

残膜污染是一个系统工程，解决残膜污染的关键问题要从农用机械、农艺措施、农用地膜本身出发，综合三者之间的影响关系。以棉花作物为例，首先要从地膜性能入手，采用既符合于覆膜种植要求，又适宜于地膜机械化回收、具有较好力学性能的耐候型地膜；其次，要结合农艺要求，针对各区域种植条件与特点，相适应地制定耕层残膜回收、苗期边膜回收以及秋后秸秆粉碎残膜回收方式；最后，农用机械要根据地膜性能、土壤条件、棉田环境进行优化设计，提升回收性能。

5.3 开发残膜机械回收技术及装备，加大耕层残膜的分级治理

应对残膜污染进行合理分级，并针对污染级别，土壤中不同土层残膜分布开展分级治理。对于污染较重的农田，应开展全耕层残膜回收机具作业，加大残膜清理力度，对污染严重的农田可以增加作业次数，有效回收耕层残膜。对于污染较轻的农田，应重点清除0～10 cm土层残膜，控制残膜污染的当年增量；对于中度污染农田，应避免残膜污染的进一步恶化，控制残膜残留量的增加。

重点创新全耕层地膜回收机具，解决全耕层地膜回收机具的技术难题；完善0～20 cm耕层残膜回收机具性能，提高可靠性和工作效率，全面推广应用；针对当季地膜回收机具作业效率和作业质量不能满足农艺要求的难题，以发展高能效、高效率农机产品为目标，以提高当季地膜回收率达到90%以上。

重点解决农田残膜回收后无处存放、随意堆放和污染环境的难题。在新疆各农场建立残膜回收集中收购点与堆放点，引导企业投资建设农田残膜回收网点和回收加工再利用工厂，实施农田残膜资源化利用，促进农田残膜综合利用和无害化处理。

5.4 研究新型地膜与可降解地膜，突破地膜技术的瓶颈

研究新型高强度耐候型地膜，在地膜厚度、质量不增加的前提下，提高地膜的力学性能，部分替代普通PE地膜，提高地膜的回收率，有效遏制增量，解决现阶段普通PE地膜回收难题。加大可降解地膜的技术研发，应积极试点探索各类可降解膜的推广运行模式，将地膜的安全性放在首位，结合作物特点，探索新疆各区域、不同气候条件下可降解膜的应用评价。

应积极探索微塑料的影响机制与生物降解方法，对于土壤中残留的直径小于1 mm的微塑料残留，应探索其形成详细过程，研究土壤中微塑料生物降解技术，提前预防微塑料的危害。

5.5 研究创新栽培模式，分作物、类别应用地膜

研究新型栽培模式，突破工厂化育苗移栽技术、无膜栽培技术、夏季揭膜栽培技术，形成适合于新疆气候特点的棉花、玉米等主要作物的新型栽培模式，从源头上探索控制污染的途径。针对区域和作物生长特点，分作物、分类别研究无膜种植或少膜种植技术。例如，新疆伊犁地区降雨量充足，青贮玉米、油菜等作物采用无膜栽培，其农作收益与覆膜种植相差较小，这类作物可以应用无膜栽培技术；食葵、籽瓜、西红柿等可采用生物降解地膜来替代；棉花作物可根据各区域水资源与气候特点，灵活应用地膜技术，制定各类田间回收方法，减少新疆区域地膜投入量，加大机械化回收力度，降低土壤中残膜存量。

6 结 论

1）农田残膜污染是影响农业可持续发展的战略问题。新疆农田区域特征明显，是中国典型的覆膜种植区域，也是残膜污染的重灾区，现阶段仍存在进一步扩大污染的可能，残膜污染治理任重道远。农田残膜污染治理离不开农田的使用者，在政策面上应该建立有效引导机制，监控农田残膜污染情况，规范农用地膜的使用与回收再利用，把握农机-农艺-农膜相结合理念，实现残膜污染治理的可循环模式。

2）现阶段PE地膜仍是农业生产的主要应用方式，解决残膜污染问题需要机械化回收来进行解决。在机械化回收问题上，应该坚持“遏制增量，减少存量”的方针，首先确保当季地膜的有效回收，采取人工+机械的作业模式，实现当季地膜回收率超过90%以上，降低残膜增量；其次，加大耕层残膜回收力度，开发高性能的耕层残膜回收机，减少耕层土壤中的残膜存量；最后，开展多种模式，实现农机农艺结合，逐步治理残膜污染。

3）可降解地膜是未来能有效解决残膜污染的主要方法，现阶段可降解地膜仍有待进一步研究，针对新疆的自然环境，在技术上研发具有一个生育周期有效降解，又能满足PE地膜功能的全生物降解地膜是未来的热点方向。

4）残膜污染是全世界塑料污染在土壤中一种方式，农田残膜污染问题是多学科交叉的系统工程问题，需长期持续关注与思考。治理新疆农田残膜污染问题，应该结合新疆区域特点，把握农田残膜污染问题的来源、残膜污染的现状与空间分布特点以及农田残膜污染治理技术中存在问题，探索残膜污染治理的新方法。

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Current situation and control strategies of residual film pollution in Xinjiang

Hu Can1,2, Wang Xufeng2, Chen Xuegeng3※, Tang Xiuying1, Zhao Yan3,Yan Changrong4

(1.,,100083,; 2.,,843300,; 3.,,832000,; 4.,,,100081,)

Plastic pollution has become a global environmental concern and residual plastic films resulted from agricultural production played a significant part in it. Xinjiang in China is a region of 160 million hectares and its agricultural production is mainly in the proximal areas of the Taklamakan desert - the second largest desert in the world. Rainfall in Xinjiang is scanty but sunshine is abundant. For reducing evaporation, therefore, approximately 3.478 million hm2of croplands in Xinjiang is mulched annually by over 200,000 tons of plastic films, making Xinjiang the most contaminated region by residual plastic films in China. In this paper, we analyzed the distribution of residual plastic films in croplands in Xinjiang based on literature review, consulting and field surveys. The results showed that the residual plastic films in soil were found mainly in three layers: soil surface, 0-12 cm and 12-30 cm layers, among which 6%-8.33% was on the soil surface, 53.99%-68% in 0-12 cm layer and 26%-37.68% in 12-30 cm layer. We also analyzed the reasons behind residual film pollution, including costs of the mulch film, its mechanical properties and factors affecting its recovery. Comprehensive technologies for alleviating residual film pollution in Xinjiang were evaluated, which include improving agronomic control, using degradable films and improving film recycling. We also discussed the difficulties faced by implementation of these technologies, especially in integrating agricultural machinery and agronomical technology, mechanical recovery of the films, and systems to monitor and evaluate the residual film pollution. To ameliorate the film contamination, legal regulation for improving treatment of residual film pollution should be mandatory and new technique of integrating agricultural machinery-agronomy-agricultural film should be developed. In addition to these, methods such as boosting residual film degradation in soil, developing new plastic film, and innovating strategies to prevent and control residual film pollution, should be sought. Currently, PE mulch is still the main application in agricultural production and future research should focus on developing new degradable mulch to replace the PE mulch. In summary, mitigating residual film pollution in croplands in Xinjiang should follow 1) “restraining the increase in film production, and reducing the film stock”, 2) increasing mechanical recovery, standardizing film, optimizing cropping systems, and establishing recycling systems.

films; recycling; pollution; comprehensive treatment; prevention and control strategy

胡 灿，王旭峰，陈学庚，汤修映，赵 岩，严昌荣. 新疆农田残膜污染现状及防控策略[J]. 农业工程学报，2019，35(24)：223－234. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.027 http://www.tcsae.org

Hu Can,Wang Xufeng, Chen Xuegeng, Tang Xiuying, Zhao Yan,Yan Changrong. Current situation and control strategies of residual film pollution in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 223－234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.027 http://www.tcsae.org

2019-04-11

2019-12-02

兵团重点研发计划项目（2019AB007）；兵团重大科技项目（2018AA001-3）；国家自然科学基金（11562019）

胡 灿，讲师，博士生，研究方向为现代农业机械装备。Email：hucanboy1@qq.com

陈学庚，中国工程院院士，研究员，主要从事棉花生产机械化和残膜污染治理研究。Email：chenxg130@ sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.027

S19

A

1002-6819(2019)-24-0223-12