内蒙古河套灌区农田地膜残留量分布特征及影响因素

包明哲，红梅*，赵巴音那木拉，兴安，叶贺，沈钦国，王力群

（1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，呼和浩特 010018；2.农业生态安全与绿色发展自治区高等学校重点实验室，呼和浩特 010018）

地膜覆盖具有增温保墒、增产增收的积极作用，地膜覆盖可使土壤贮水量增加30%、蒸发量降低50%、水分亏缺减少15%以上[1]，对干旱区、半干旱区农事生产具有重要意义[2-3]。随着地膜的广泛使用，地膜残留造成了严重的环境问题[4]。地膜使用量的增加，导致农田残膜量逐年增加，山东[5]、河北[6]、新疆[7]等多地的研究表明农田地膜残留量与覆膜年限、地膜用量呈显著正相关，长期覆膜农田地膜残留量大、地膜回收难度大。地膜薄且脆弱，碎片会残留在土壤中。地膜主要由聚氯乙烯组成，不易降解，难以回收利用[8]。由于回收困难[9]，大部分地膜被丢弃在土壤中[8]。残膜会对土壤结构造成破环，并导致土壤通透性和土壤肥力下降[10]。残膜污染成为制约我国生态文明建设发展的因素之一。目前，大部分学者对地膜的调查局限于地膜残留对土壤的危害[11-13]、残膜对作物的影响[11，14-15]、影响残膜的因素[16-17]、残膜回收机械[18-19]等方面。

河套灌区是亚洲最大的一首制灌区，全国3 个特大型灌区之一，也是我国重要的商品粮、油生产基地。巴彦淖尔市是内蒙古自治区地膜使用量最大的地级市[20]，故本研究以内蒙古河套灌区大规模地膜覆盖为背景，开展河套灌区土壤中地膜污染研究，通过文献查阅、问卷调查、田间调查等方法分析地膜在河套灌区土壤中的分布情况，确定河套灌区地膜污染现状，揭示主要影响因素（覆膜年限、种植作物、回收情况和土壤质地等）对地膜残留量的影响，并为河套灌区大规模覆膜种植的可持续发展及残膜治理工作提供指导，为政府部门制定相关法律法规提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取我国内蒙古自治区巴彦淖尔市河套灌区的5 个旗（县、区）作为研究区域，其地理位置坐标范围在106°34′～109°53′E、40°15′～41°27′N 之间。研究区位于内蒙古西部，南临鄂尔多斯高原北缘的陡坎，北接阴山山脉西段狼山山麓，东起乌拉山西端西山嘴，西至阿拉善高原东缘的乌兰布和沙漠。该区域属于典型的温带大陆性季风气候，具有日照充足、光能丰富、气温多变、降水少、蒸发强和无霜期较短等特点，年均降水量139～222 mm，年均蒸发量1 999～2 346 mm，年均气温5.6～7.8 ℃。种植作物主要以玉米、向日葵和小麦为主，地膜覆盖技术是该区域的重要农业耕作措施，土壤质地以砂壤土和粉砂壤土为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与调查

于2020年10月作物收获前（秋灌前）在内蒙古河套灌区种植区域进行采样，通过GPS 定位每个地块，同时对地块所有的农户进行问卷调查，主要调查覆膜地块的覆膜作物（玉米和向日葵）、地膜厚度（研究区全部样点地膜厚度为0.008 mm）、覆膜年限、地膜回收情况以及回收方式等信息，从而了解研究区域的地膜使用现状。本次调查共采集125 个农田样本（图1），各旗（县、区）样本量分布分别为临河区22 个、杭锦后旗38 个、乌拉特前旗37 个、五原县21 个、磴口县7个，总体包括两旗两县一区的39个乡镇、80个村社、2 个苏木和4 个农场，基本覆盖了各旗（县、区）的农田。每个调查样地随机选取3 个采样点，每个采样点大小为100 cm×100 cm，深度为30 cm，用铁锹将表层30 cm土放入筛中，人工筛土并拾取残留地膜，残膜以肉眼可见为准，清理残膜上的土壤装入已编号的塑封袋中，将采集到的残膜带回实验室用清水进行洗涤，洗净后用吸水纸吸干残膜上的水分，小心展开卷曲的残膜，放在干燥阴凉处自然晾干至恒质量，测定并统计0～30 cm土层地膜残留质量。

图1 河套灌区耕地样点分布示意图Figure 1 Schematic map of sampling points distribution in cultivated land of Hetao irrigation area

1.2.2 地膜残留量计算和地膜污染评价标准

将每个样地的3 个地块地膜残留量相加求平均值，即为该样地0～30 cm土层地膜残留量：

式中：P为调查样地0～30 cm 土层的地膜残留量，kg·hm-2；Q1、Q2、Q3分别1#、2#、3#样方0～30 cm 土层的残膜总净质量，kg·m-2。

根据《农田地膜残留量限值及测定》（GB/T 25413—2010）和《农田地膜残留监测与评价技术规范》（DB 37/T 4176—2020）对研究区地膜残留量进行等级划分，依次为清洁（阈值为小于75 kg·hm-2）、轻度污染（阈值为75～120 kg·hm-2）、中度污染（阈值为120～270 kg·hm-2）、重度污染（阈值为大于270 kg·hm-2）。

1.3 数据处理

通过对地膜残留量点位数据进行地统计分析来研究其空间变化，根据决定系数、残差等地统计指标，选择最优空间插值模型——高斯模型[21-22]。基于ArcGIS 10.5 软件中Geostatistics 模块普通克里格插值（Ordinary Kriging）法绘制研究区农田残膜污染空间分布图，以分析空间变异特征。

克里格方法是通过对已知样本点赋权重来求得未知样点的值，公式为：

式中：Z（x0）为未知样点的值；Z（xi）为未知样点周围的已知样点的值；λi为第i个已知样点对未知样点的权重；n为已知样本点的个数。

根据王劲峰等[23]提出的“因子力”度量指标，结合GIS 空间叠加技术和集合论，形成地理探测器模型，可以有效识别多因子之间的关系。通过地理探测器软件，计算河套灌区各影响因素的地理探测q统计值（q值为自变量对因变量解释的百分比），以识别河套灌区地膜残留量空间变异的主要因素。

采用SPSS 26、Excel 2019、OriginPro 2021b和Arc-GIS 10.5软件对数据进行分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 残膜污染空间分布

调查区存在不同程度的残膜污染（图2），重度污染主要分布在河套灌区东部和中部，中度和轻度污染在河套灌区各地区均有分布，清洁区域主要分布在西部和中部。调查区平均地膜残留量为131.11 kg·hm-2，整体处于中度污染水平，变异系数为61.37%，表明各区域之间地膜残留量存在差异。各区域地膜残留量分布特征明显不同，地膜平均残留量分布表现为乌拉特前旗＞临河区＞杭锦后旗＞五原县＞磴口县。乌拉特前旗地膜平均残留量为164.70 kg·hm-2，污染等级以中度、重度污染为主，其中大佘太镇忠厚堂村地膜残留量最大，为418.60 kg·hm-2。五原县主要以中度污染和轻度污染为主，乃日村地膜平均残留量最大，为204.90 kg·hm-2，胜丰镇新华村地膜平均残留量最小，为25.00 kg·hm-2。临河区以中度污染和轻度污染为主，其中李过记村地膜残留量最大，为396.9 kg·hm-2，干召庙镇荣丰村地膜残留量最小，为40.4 kg·hm-2。杭锦后旗以轻度污染和中度污染为主，蛮会村地膜残留量最大，为305.50 kg·hm-2，德丰村地膜残留量最小，为46.80 kg·hm-2。磴口县耕地面积最少，主要为中度污染和轻度污染，地膜残留量最大为230.40 kg·hm-2，最小为18.2 kg·hm-2。

图2 河套灌区地膜污染空间分布Figure 2 Spatial distribution of plastic film pollution in Hetao irrigation area

2.2 河套灌区残膜污染影响因素

2.2.1 种植年限对地膜残留量的影响

根据问卷调查结果，河套灌区覆膜年限可分为≤10、10～20、20～30、＞30 a，样本数分别对应为20、38、33、34 个。从单因素方差分析结果（表1）可知，地膜残留量受地膜覆膜年限影响显著（P＜0.05）。覆膜年限＞30 a 和≤10 a 地膜残留量存在极显著差异（P＜0.01），覆膜年限≤10 a 与10～20、20～30 a 地膜残留量差异显著，10～20 a 与20 a 以上的地膜残留量差异显著（P＜0.05）。不同覆膜年限下污染等级（图3）具体表现为：覆膜年限大于20 a 以中度污染为主；重度污染集中在覆膜年限＞30 a的地块；覆膜年限10～20 a的地膜残留量在清洁、轻度污染和中度污染等级均有分布；覆膜10 a 以下农田残膜污染主要以清洁为主，少部分为轻度和中度污染。覆膜10～20 a 地块清洁、轻度污染分布频率较覆膜30 a 以上的地块高92.44%、42.17%，而覆膜30 a以上的地块地膜重度污染频率比覆膜10～20、20～30 a 的地块高约5 倍。通过比较可以看出，地膜残留量随着覆膜年限的延长而增加，污染程度也随之加剧。

图3 不同覆膜年限地膜残留量分布频率Figure 3 Distribution frequency of film residue in different years of film mulching

表1 不同覆膜年限下地膜残留量LSD比较（kg·hm-2）Table 1 LSD comparison of plastic film residues under different film mulching years（kg·hm-2）

2.2.2 种植作物对地膜残留量的影响

河套灌区主要覆膜作物为玉米和向日葵，两种作物种植面积占河套灌区农田总面积的84%，玉米（23.48 万hm2）覆膜种植面积大于向日葵（22.92 万hm2）。调查结果显示，种植玉米的样地65 个，种植向日葵的样地60 个，两种作物地膜平均残留量分别为132.77 kg·hm-2和127.88 kg·hm-2，玉米种植区地膜残留量高于向日葵种植区。种植玉米的地块地膜残留量范围为25.00～418.60 kg·hm-2，种植向日葵的地块地膜残留量范围为18.20～396.90 kg·hm-2（图4）。地膜残留污染程度结果显示，种植玉米地块和种植向日葵地块均以中度污染为主，相比种植玉米地块，种植向日葵地块中度污染分布频率高出近10 个百分点，清洁和轻度污染分布频率大致相同，而种植玉米地块的重度污染分布频率是种植向日葵地块的近3倍（图5）。种植玉米残膜污染严重的地区为乌拉特前旗大佘太镇忠厚堂村，而种植向日葵残膜污染严重的地区为临河区新胜村。

图4 河套灌区不同作物地膜残留量Figure 4 Plastic film residue of different crops in Hetao irrigation area

图5 不同种植作物地膜残留量分布频率Figure 5 Distribution frequency of plastic film residues in different crops

2.2.3 回收情况对地膜残留量的影响

通过对种植区的地膜回收情况进行调查，其中65个样本不回收地膜，60 个样本回收地膜，分析结果如图6 所示，地膜回收地块地膜平均残留量（108.28 kg·hm-2）明显低于不回收地块（145.03 kg·hm-2），回收地块地膜残留量范围为18.20～316.00 kg·hm-2，不回收地块地膜残留量范围为39.20～418.6 kg·hm-2。调查结果显示，河套灌区地膜回收方式主要以人工捡拾和利用犁、耙等耕作器械回收为主，很少利用残膜回收机械，地膜回收率为38.10%。通过分析回收地块和不回收地块的不同污染程度分布频率发现，不回收地块重度污染分布频率是回收地块的3 倍，中度污染的分布频率比回收地块高79.02%，而地膜回收地块轻度污染和清洁的分布频率分别比地膜不回收地块高74.11%、50.89%。

图6 河套灌区是否回收地膜残留量Figure 6 Whether the residue of plastic film is recovered in Hetao irrigation area

2.2.4 土壤质地对地膜残留量的影响

通过实地取样和实验室化验得出河套灌区农田土壤质地主要为粉壤土（53.60%）、砂质壤土（36.00%）和壤土（10.40%）三类。不同的土壤质地地膜残留污染程度也不同，地膜残留量表现为砂质壤土（153.84 kg·hm-2）＞壤土（129.18 kg·hm-2）＞粉壤土（116.24 kg·hm-2）。砂质壤土残膜污染较严重，地膜残留值最高的是乌拉特前旗大佘太镇忠厚堂村（418.60 kg·hm-2），其土壤质地为砂质壤土。砂质壤土重度污染分布频率较壤土高47.72%，是粉壤土的5倍，壤土和粉壤土污染程度较低。LSD 分析结果显示，粉壤土和砂质壤土地膜残留量差异显著（P＜0.05），两者与壤土差异不显著。

2.3 地膜残留量空间差异影响因子

地理统计软件分析结果（表2）显示，不同影响因子q值之间存在差异，从大到小表现为覆膜年限＞回收情况＞作物类型＞土壤质地。覆膜年限是影响河套灌区的第一影响因素，贡献率为13.02%，第二影响因素为回收情况，贡献率为12.10%，其次是作物类型和土壤质地，贡献率分别为7.27%和4.63%。从河套灌区来看，覆膜年限是影响地膜残留量的主要因素。对各旗（县、区）的影响因素进行分析（表3）可知，乌拉特前旗地膜残留的主要影响因素是覆膜年限，其贡献率为25.91%；而五原县回收情况对地膜残留量的影响大于覆膜年限，其贡献率为38.69%；对临河区地膜残留影响最大的因素是覆膜年限（83.35%），其次为土壤质地（43.07%）；磴口县覆膜年限和土壤质地对地膜残留的影响较大，贡献率分别为72.90% 和74.22%，作物类型贡献率仅为0.06%。

表2 地膜残留量空间差异影响因子分析结果（q值）Table 2 Analysis of influencing factors of spatial difference of plastic film residue（q value）

表3 不同地区地膜残留量空间差异影响因子贡献率（%）Table 3 Contributions of influencing factors of spatial difference of plastic film residues in different areas（%）

3 讨论

地膜覆盖技术已成为我国干旱、半干旱、低洼和盐碱、寒冷地区农作物增产、节水与保温的重要措施[24]，而内蒙古河套灌区地处干旱、半干旱区，地膜覆盖作物主要为玉米、向日葵。河套灌区地膜残留量空间分布差异性明显，呈高斯模型分布特征，变幅在18.20～418.60 kg·hm-2，平均残留量为131.11 kg·hm-2，与《农田地膜残留量限值及测定》（GB/T 25413—2010）的标准（75.0 kg·hm-2）相比，显著高出74.81%，与白云龙等[20]对内蒙古地膜使用情况和回收情况的调研数据相比，河套灌区地膜平均残留量更高，属于中度污染。河套灌区地膜残留量明显高于南方地区[25-26]、西南地区[27-28]，略高于华北地区[5，29]，但低于新疆棉田（平均残留量237.36 kg·hm-2）[30]，与甘肃省污染程度相近[31-32]。这可能与地形和耕作方式有关：南方多为丘陵、山区，且耕作方式主要是人力耕作或小型机械作业，耕层较浅，回收率高[27-28]；西北地区干旱和寒冷的自然条件使得地膜覆盖应用面积大、覆盖率高[33]，且耕层深、覆膜时间长，因而残膜回收率低[22]。研究区内残膜污染程度空间分布不均衡，向日葵主要种植在河套灌区西部，而东部玉米种植比例较大，因此重度污染分布在河套灌区东部乌拉特前旗和临河区东部，而中度污染均匀分布在各旗（县、区），乌拉特前旗属于中度和重度污染区，轻度污染则主要分布在除乌拉特前旗以外的四个旗（县、区）。河套灌区65.63%的农田存在重度污染隐患。

综合多个地膜残留污染影响因素可知：地膜残留量与覆膜年限、作物类型、地膜回收情况和土壤质地密切相关，但覆膜方式[22，34-35]、地膜类型[36]、地膜厚度[35，37]、覆膜比例[17，35]、距离村庄远近[17，35]等因素对地膜残留量也有一定影响。根据河套灌区实际调查结果，选取作物类型、覆膜年限、地膜回收情况和土壤质地4个主要影响因素进行研究。

我国自20 世纪80 年代开始使用地膜，河套灌区长期覆膜种植，地膜残留量随着覆膜年限的延长而增加，覆膜年限超过20 a的地块地膜残留量显著高于覆膜10 a 以下的地块，重度污染、中度污染也集中在覆膜20 a 以上的地块，马辉等[38]的研究表明连续覆膜10 a 与连续覆膜5 a 的地膜残留量之间差异显著；贺怀杰等[39]的研究表明随着覆膜年限的增加，土壤中残膜数量和密度均呈上升趋势。本研究得出覆膜年限＞30 a和≤10 a 的地块地膜残留量存在极显著差异（P＜0.01），覆膜年限≤10 a 与10～20 a 的地块地膜残留量存在显著差异（P＜0.05），且地膜残留量随覆膜年限延长而增加，其主要原因是河套灌区干旱少雨，土地盐渍化严重，大型机器连年作业，使得残膜破碎不宜回收，残膜埋进更深土层中，加剧了地膜残留污染。河套灌区作为最大的商品粮基地之一，覆膜作物以玉米、向日葵为主，河套灌区各旗（县、区）种植玉米的农田地膜平均残留量均高于种植向日葵的农田，表明作物种类对地膜残留量有一定影响，这与不同作物覆膜方式、种植方式、地膜用量、覆膜比例等有关。杜泽玉等[22]研究得出不同覆膜方式下，机械覆膜方式造成的地膜残留量相对较少，全覆膜方式造成地膜残留量较大。郭战玲等[17]通过比较不同作物的地膜用量和覆膜比例发现：同种作物地膜用量越大，地膜残留量越大；不同作物地膜残留量随覆膜年限、覆膜比例的增加而增加。地膜回收情况是影响河套灌区地膜残留量高低的一个重要因素，河套灌区只有部分地块进行地膜回收，整体回收率较低，为38.10%，低于新疆平均地膜回收率（58.47%）[40]。对调查区域的地膜残留结果进行分析得出：回收地膜地块与不回收地膜地块地膜平均残留量存在显著差异（P＜0.05），不回收地膜地块平均残留量（145.03 kg·hm-2）明显高于回收地膜地块（108.28 kg·hm-2）。这说明是否回收地膜是影响河套灌区农田地膜残留量的重要因素之一。根据问卷调查发现，河套灌区地膜残留量高的原因包括：①农民的回收意识薄弱，对残膜危害性认识不够[41]；②回收方式主要为人工捡拾或者耙地时带出，人工捡拾田间地膜工作量大，且残膜回收价格低或得不到收购，无法调动农民的积极性[42-43]；③专业回收机械少；④可降解膜价格昂贵；⑤劳动力趋于老龄化。河套灌区土壤类型主要为壤土和砂壤土，而土壤质地与地膜残留量之间的关系表现为粉壤土和砂质壤土存在显著差异，两者与壤土无显著差异。这可能是由于河套灌区土壤类型较单一，所以对地膜残留量的影响较小，这与杜泽玉等[22]的研究结论一致，即土壤质地不是直接影响地膜残留量的直接因素。王学霞等[5]对山东省胶东半岛和鲁北平原花生种植地膜残留量分析得出，砂土利于残膜捡拾，残膜回收率高，而黏土和壤土不利于残膜捡拾，残膜回收率稍低。滕世辉等[34]在临沂市对沙壤土、中壤土和重壤土花生地膜残留量进行调查，得出中壤土和重壤土花生地膜残留量分别是沙壤土地膜残留的1.64倍和1.96倍，说明土壤疏松有利于土壤残膜的回收；土壤保水蓄水性能越好，残膜附着土壤越紧密，回收难度越大。本研究调查发现，为了降低盐度，河套灌区每年播种前和收获后会进行大面积灌水，并且该地区土壤盐分较高，导致土壤与地膜碎片粘连，不易回收。通过分析河套灌区空间差异各影响因子的贡献率可知，覆膜年限和回收情况对河套灌区地膜残留量影响较大，能够解释河套灌区空间变异的13.02%、12.10%，而不同作物和质地类型共能解释11.90%，各因素都与河套灌区自然条件具有密不可分的关系。杜泽玉等[22]分析张掖绿洲地膜残留量空间分布差异的主控因素发现，覆膜年限能够独立解释地膜残留量空间变异的33.24%，从本质来说，覆膜年限对地膜残留量空间分布有显著影响。本研究通过地理统计软件分析不同因素对各旗（县、区）的贡献率发现：在乌拉特前旗和临河区覆膜年限的贡献率大于其他影响因素；五原县农民回收意识对残膜量贡献率最大，达到38.69%，五原县应注意提高农民回收意识；土壤质地对临河区残膜量贡献率为43.07%，临河区应注重改善土壤性质，尽量减少土壤中的砂砾；磴口县覆膜年限和土壤质地贡献率均较大，但是由于该区域样本量较少，不能够完全说明这两个因素影响最大，但治理方案可以侧重这两个方面。

通过对内蒙古河套灌区农田地膜残留现状调查及影响因素分析，本研究提出以下建议：在政府宣传上，规范农民回收行为并增强回收意识可降低地膜残留量[44]，应加大补贴力度，健全管理体系，并提高全社会意识，促使农民自觉回收残膜，杜绝“白色污染”。在法律法规上，一些发达国家通过立法等对地膜随意丢弃等行为实施严格的处罚[45]，建议加强地膜回收法律保障，制定强制回收标准。覆盖地膜的厚度也是影响地膜残留量的一个重要因素，覆盖地膜越薄，越容易破碎，越不易回收，厚度较大的地膜回收率较高[46]。2018 年5 月，我国实施了新的地膜生产标准，规定一次性地膜厚度不小于0.010 mm，但通过调查发现河套灌区目前主要使用0.008 mm 的地膜，今后应推广使用≥0.010 mm 的地膜及可降解地膜。当地监管部门、技术部门和农业推广中心应建立协调机制，调整种植结构，使地膜利用率和回收率提高，残留量越来越少。

4 结论

（1）河套灌区农田地膜残留整体处于中度污染水平，地膜平均残留量为131.11 kg·hm-2，高于国家限定标准，其中乌拉特前旗残膜污染最为严重。

（2）河套灌区残膜污染空间差异大、空间异质性高，农田地膜残留量受覆膜年限的影响最大，覆膜20 a以上农田地膜残留量显著高于覆膜20 a以下农田，调查区域种植玉米地块比种植向日葵地块污染严重，农户回收情况对地膜残留量也有影响，地膜回收地块残留量低于地膜不回收地块。

（3）河套灌区残膜回收率较低（38.10%），需要提高农户回收意识，引进大型回收机，规范合理使用国家要求的厚度≥0.010 mm地膜。