新疆棉花主产区土壤残膜赋存特征及相关性

华震宇,李 霞,姜 娜,刘河疆,马兴旺

(1.新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业农村部农产品质量安全风险评估实验室(乌鲁木齐)/新疆农产品质量安全重点实验室,乌鲁木齐 830091;2.农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室,乌鲁木齐 830091;3.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】地膜加工过程中PAEs用于增加其稳定性作为增塑剂被使用[1,2]。研究新疆棉区土壤残膜分布及产生的影响,对新疆棉田地膜土壤残留含量分布有重要意义。【前人研究进展】彭祎等[3]研究发现新疆南疆棉花转产区PAEs污染关键控制点是降低农田残膜量;牛瑞坤等[4]分析新疆阿克苏地区棉田地膜残留量,结果显示阿克苏地区棉田土壤残膜在土壤0～30 cm耕作层中都有分布;刘晓伟等[5]研究分析了新疆兵团和地方2种不同农田管理模式下农田地膜残留量、地膜回收现状和残膜处理方式;易鸳鸯等[6]对新疆五家渠地区不同地膜使用年限棉田土壤中塑化剂分布也有研究。【本研究切入点】目前针对新疆棉田土壤中残膜的污染研究现状仅限于新疆局部地区,研究的角度多为建议及对作物生长的影响等,缺乏针对全疆层面的、系统的、关联污染物的相关性分析,亟待对新疆棉花种植区地膜残留赋存形态、空间分布、水平等详实探究。【拟解决的关键问题】研究分别对新疆9地(州)棉花主产区不同耕层土壤进行采样,分析地膜残留量、残片数量、区域空间分布特征及土壤中塑化剂来源相关性,为棉田地膜的科学使用及残膜回收提供相应的数据支持。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 土壤样品

样品采集点分布于全疆9个地(州)20个县(市)的棉花生产基地,以多点采样混合法采集(用清洁的不锈钢铲采集),每个采样点用采土器采集(20 cm×20 cm)的土样至少2份,其中包括浅层土壤(0～20 cm)和深层土壤(20～40 cm)样品。全程采集浅层土29个,深层土29个,总计58个土壤样品。土壤晾干后挑拣去除植物根系和地膜等杂物,过100目不锈钢筛,盖塞密封,于-20℃冰箱保存。

残膜样品与土壤样品采集点一致,在土壤样品风干处理过筛时,分离出残膜样品,浅层土壤(0～20 cm)中分离出29个,深层土壤(20～40 cm)中分离出29个,共计58个。表1

表1 新疆9地(州)棉花主产区土壤采样信息

1.1.2 试剂与仪器

SK5210HP型超声波清洗仪(上海科导超声仪器有限公司);AR522CN型电子天平(上海奥豪斯仪器公司);N-1100V-W型旋转蒸发仪(日本EYELA公司);CT18RT型离心机(上海天美科学仪器有限公司);MS3型涡旋振荡器(德国IKA公司);测厚仪;数显式游标卡尺(得力公司,0.001 mm)。

1.2 方 法

1.2.1 残膜样品处理

将残膜用自来水冲洗,去除粘附的土壤及杂质,后用超声清洗仪超声30 min,取出后自然风干,天平称重。残膜置于带网格(1 cm×1 cm)的纸张上,用数显卡尺测量长宽数据,分别以残膜面积<4 cm2、4～25 cm2、>25 cm2为标准,分类统计残膜的数量。

1.2.2 土壤中16种塑化剂检测

根据国家标准 GB/T 39234-2020《土壤中邻苯二甲酸酯测定 气相色谱-质谱法》检测分析土壤样品中16种塑化剂含量。

根据GB/T 25413-2010《农用地膜残留量限值及测定》和DB 37/T 4176-2020《农田地膜残留监测与评价技术规范》,对棉区地膜残留量进行等级划分。

1.3 数据处理

基于 SPSS 26软件进行各项指标之间的相关性,统计数据,用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 新疆棉花产区地膜残含量分布及赋存状态

2.1.1 棉田不同耕层土壤残膜垂直分布特征

研究表明,浅表层残膜含量略大于深层。浅层土壤(0～20 cm)中残膜质量浓度水平范围在6.46～697.14 mg/kg,均值为204.39 mg/kg,土壤中残膜量范围在2.5～221.69 kg/hm2,均值为65 kg/hm2;深层土壤(20～40 cm)中残膜质量浓度范围在2.17～1 309.78 mg/kg,均值为192.59 mg/kg,范围在3.19～454.03 mg/kg,土壤中残膜量为61.25 kg/hm2;新疆棉田土壤(0～40 cm)中,残膜质量浓度范围在5.02～713.89 mg/kg,均值为198.49 mg/kg,土壤中残膜量范围在3.19～454.03 kg/hm2,均值为126.24 kg/hm2。棉田地膜残留量等级划分,依次为清洁阈值为小于75 kg/hm2,轻度阈值为75～120 kg/hm2,中度阈值为 120～270 kg/hm2;重度污染阈值为大于270 kg/hm2。新疆棉田土壤残膜量属于中度水平。表2

土壤中残膜进行残膜数量、破碎度、碎片大小及质量统计,将残膜碎片按照不同面积分成三类,分别为<4 cm2、4～25 cm2、>25 cm2,浅层土壤残膜破碎度10.94 mg/块,深层土壤残膜破碎度8.65 mg/块。浅层土壤破碎度大于深层土壤,随着土层深度的增加,<4 cm2的小残片比例逐渐增大,残片数量和碎片面积均有减小的趋势;不同耕层残膜膜厚均值为0.011 mm,4～25 cm2碎片为残膜质量的主要贡献形式,在数量上残膜碎片主要以面积<4 cm2的形态集中残留于不同土层,残膜3种面积范围的残膜碎片大致呈8.4∶1.2∶0.3的比例分布。图1、图2、图3

图1 不同耕层土壤中残膜量 统计雷达图

图2 不同耕层地膜残留数量分布Fig.2 Quantitative distribution of residual plastic film in different topsoil

图3 土壤中不同面积残膜碎片 分布形式占比

68.6%新疆棉花产区有不同程度残膜量,清洁区域占41.4%。图4

图4 采样点土壤不同残膜等级及构成Fig.4 Different levels and composition of soil pollution in sampling sites

2.1.2 新疆棉田土壤残膜量空间分布特点

研究表明,土壤残膜空间分布规律为在传统区域上,残膜平均含量是北疆>南疆>东疆;塔城>阿克苏>和田>石河子>昌吉>哈密>吐鲁番>巴州>喀什,其中喀什地区棉田土壤残膜含量全疆最低;属于轻度区域有巴州、吐鲁番、哈密等3个地区,属于中度的有昌吉、石河子、和田、阿克苏、塔城等5地。表2

2.1.3 残膜土壤中塑化剂(PAEs)含量

研究表明,29组残膜-土壤对应样品,土壤样品去除残膜后,并用气质联用法测定16种PAEs,仅有DEP、DMP、DBP、DEHP、DIBP等5种塑化剂检出,其余项目均未检出,土壤(0～40 cm)中塑化剂总量(∑PAEs)水平1.94～266.21 μg/kg,∑PAEs均值77.62 μg/kg,土壤PAEs浓度大小受到残膜形态、含量的影响。图5

2.1.4 棉田覆膜种植年限对残膜含量的影响

研究表明,随着棉田覆膜种植年限增长,土壤中的残膜含量也有逐渐累积的趋势。覆膜年限≤10 a、11～20 a和21 a以上地膜残膜含量存在极显著差异(P<0.01)。图6

表2 新疆不同棉花产区残膜分布

图5 土壤残膜量与塑化剂总量对比Fig.5 Comparison of soil residual film amount and total plasticizer amount

2.2 新疆棉田土壤中PAEs与残膜含量、破碎度、膜厚相关性

研究表明,土壤中∑PAEs与残膜含量呈极显著正相关,Pearson相关系数(r2)为0.2425(P= 0.007;P<0.01) 。残膜含量与残膜破碎度也显著正相关,相关系数分别为 0.2505 (P= 0.048;P<0.05);残膜含量与残膜厚度也显著负相关,0.528(P= 0.012;P<0.05)。图7

图6 不同覆膜年限与残膜含量箱形图Fig.6 Box diagram of different film mulching years and residual film quantity

图7 残膜含量与土壤塑化剂含量、破碎度和地膜厚度关系Fig.7 The relationship between residual film amount and soil plasticizer amount, fragmentation, and film thickness

3 讨 论

3.1新疆地区地膜覆盖技术已经推广并使用近40年[7-9]。2020年新疆棉花种植面积2 501.93×103hm2[10],新疆生产建设兵团棉花种植870.14×103hm2[11],2021年新疆地膜使用总量约17×104t[13]。

牛瑞坤[4]等研究显示,土壤深度对阿克苏地区棉田土壤残膜含量有较大影响,地表所占残膜比例为5.88% ,0～12 cm耕层所占比例为44.92% ,12～30 cm耕层所占比例为49.20%。严昌荣等[13]研究石河子地区土层残膜,结果显示兵团农田中残膜在0～10、10～20、20～30 cm土层中的含量没有显著差异,残膜主要存在于0～10 cm土壤中;研究了0～40 cm深度的土壤,结果显示深层土壤(20～40 cm)与浅层土壤(0～20 cm)残膜含量仅略有不同,变化并不明显。

3.2残膜块按照不同面积分成三类,分别为<4 cm2,4～25 cm2,>25 cm2,牛瑞坤等[4]研究发现残膜大都集中在4～25 cm2,研究发现全疆情况略有不同,4～25 cm2的残膜碎片在新疆土壤残膜总质量上仍占比较重,但在数量上占比<4 cm2的残膜碎片,占绝对优势,残膜碎片分布形式更趋于小体积化。

3.3农田残膜含量与膜厚、种植年限、回收处理方式、土壤质地等因素密切相关[14-15]。董合干等[16]研究连续25 a的棉田覆膜时间与残膜量关系,随着覆膜年限的增长,地膜残含留也逐渐增加,研究也得出相同结论。

残膜是重金属、挥发性有机物、微塑料[17-21]等的重要来源,研究土壤中5种塑化剂总量∑PAEs与土壤残膜含量相关性分析,发现∑PAEs与残膜量显著相关。

3.4目前,残膜关注热点逐渐从残膜形态、含量向残膜次生污染转变[22]。

4 结 论

新疆棉田土壤(0～40 cm)中,残膜质量浓度范围在5.02～713.89 mg/kg,均值为198.49 mg/kg,土壤中残膜含量范围在3.19～454.03 kg/hm2,均值为126.24 kg/hm2。在数量上残膜碎片主要以面积<4 cm2的形态残留于不同土层,碎片面积大小在4～25 cm2的碎片在残膜质量中占比较大。新疆棉花产区残膜区域含量大小依次顺序为北疆>南疆>东疆。随着棉田覆膜种植年限增长,土壤中的残膜含量也有逐渐累积的趋势。