地膜覆盖能够改善农田土壤水热条件，在抑制蒸发、提高地温、防治杂草等方面具有突出作用，其应用使我国棉花产量平均提高了17.2%，对棉花产业发展做出了重大贡献。但随着地膜覆盖技术的迅速普及应用，棉田残膜积累量也不断增加。
当前使用的农用地膜主要成分是聚乙烯（，PE）、聚氯乙烯等化工合成的高分子聚合物，结构稳定，不易被土壤微生物分解，自然降解需要200～400a，地膜残留对生态环境以及棉花生产的影响日益凸显。为此，笔者综述了棉田残膜污染现状及其对棉花生产的危害和作用机制，梳理了棉田残膜污染治理的研究进展，同时提出了未来残膜治理的策略，以期为地膜覆盖技术的合理利用和残膜污染的科学防控提供参考。
1 我国地膜使用及棉田残留现状
我国是地膜使用大国。据统计，2002 年我国地膜覆盖面积已占世界70%以上，成为世界上最大的地膜生产国和使用国，此后地膜覆盖面积与地膜使用量仍呈稳步上升趋势，2014 年以后趋于稳定。目前每年地膜使用量稳定在140万t 左右。
棉花是我国重要的经济作物，2018年种植面积约为335万hm2，新*及黄河流域的山东、河北等地的植棉面积约占全国的86.0%。棉花覆膜种植比例高， 其中山东省棉花覆膜种植面积约占其棉花总面积的80%，新*地区甚至达到100%，加之棉花大多采用全生育期地膜覆盖，使用周期长，所以棉田残膜污染问题尤为突出。目前新*植棉区地膜残留最为严重：新*石河子地区棉田地膜残留量平均为200～400 kg·hm－2，数量在1 400 万～1 800 万片·hm－2；整个新*地区的棉田地膜残留量达121.85～352.38 kg·hm－2，并且以每年15.69 kg·hm－2 的水平剧增。黄河流域棉区棉田地膜残留量相对较少， 平均为31.8 kg·hm－2， 其中河北邯 郸地区棉田为59.1～103.4 kg·hm－2， 山东东营棉田为8.84～53.53 kg·hm。
残膜在棉田不同土层的分布存在一定的地域差异，且随地膜覆盖年限增加而变化。地膜残片一般随翻耕进入土壤，主要分布于耕层中。黄河流域棉区多为以农户为单元的小面积种植模式，多使用小型农机具，耕层较浅， 0～20 cm 土层内的残膜占残膜总量的95%以上[15]。而新*地区多为大型农机作业，耕作深度较深，残膜可深入至30 cm 以下，其中10～30 cm 土层内的残膜可占残膜总量的一半左右。此外，对土壤剖面中残膜碎片分布进行动态分析发现，随着地膜覆盖年限的增长，残膜在土壤耕层中变得更加分散并呈现向土壤深层移动的趋势。
2 残膜污染对棉花生育性状及产量的影响
2.1 影响棉花出苗质量
土壤残膜引起的物理阻隔作用，会影响水分的移动。如果残膜分布于种子周围，则会使农作物种子吸水受阻，发芽困难，常造成烂种；或是覆盖在种子上的残膜随棉苗一同出土，导致棉苗黄化，甚至因高温死亡。研究表明，残膜累积量为720 kg·hm－2 和960 kg·hm－2 时， 棉花出苗率分别降低10.5 和17.3 百分点， 棉苗死亡率升高1.0～6.4 百分点。通过对新*棉田的残膜污染区调查发现，土壤中地膜平均残留量为（261.1±117.8）kg·hm－2时， 与无残膜区相比出苗率平均降低5.1 百分点，烂种率平均高1.7 百分点，烂芽率平均高1.58 百分点。
2.2 抑制根系生长发育
根系是作物吸收养分和水分的主要器官，对作物的生长发育和产量形成起至关重要的作用。残膜引起的机械阻隔作用，会对根系的生长造成影响。研究发现，残膜使0～40cm 土层中的棉花根表面积、根长、根密度均增加，而40～100cm 土层趋势相反，表明残膜使根系在浅层聚集，而不利于根系的下扎。残膜碎片会迫使棉花主根弯曲生长， 因残膜影响造成的棉花根系弯曲可达30%，这可能是残膜影响根系下扎的重要原因。此外， 残膜的机械阻碍作用还会刺激根系畸变，产生丛生型和鸡爪型畸形根，影响根系的正常生长和功能。
2.3 降低棉花产量水平
塑料残膜通过影响作物的幼苗及根系生长，进而影响地上部生长和发育，引起棉花落铃率增加和单株成铃数减少，导致产量降低。姜益娟等研究表明，棉花产量与土壤地膜残留量间存在显着负相关关系（r＝－0.692），当土壤残膜量高于210 kg·hm－2 时，棉花减产16.9%～21.6%。董合干根据棉田残膜增长速率及残膜积累量与棉花产量的相关关系， 推算出覆膜74～96a 时，残膜引起的减产率大于覆膜引起的增产率。
3 残膜污染的危害机制
3.1 破坏土壤结构
残膜作为一种外源物质不能与土壤胶体结合，会成为分割土壤的“隔膜”，破坏土壤团粒结构，使土壤容重升高，孔隙度下降，透气性和透水性降低；当积累到一定量时，会造成土壤板结，且给土壤带来严重污染。
3.2 阻碍水分迁移
残膜会改变或切断土壤孔隙，增大孔隙的弯曲度，从而对农田土壤水分运动产生阻碍，影响土壤水分的垂直渗透和水平运移。水分迁移受残膜大小、积累量等多种因素影响。王志超等研究了不同地膜残片含量下土壤的水分变化规律，并构建了水分特征曲线模型，发现随着土壤残膜量增多，土壤保水能力逐渐降低。对不同残膜含量下0～90cm 土层剖面含水量变化的研究发现，不同土层含水量均随残膜量的增加而降低；但当残膜量大于1000kg·hm－2 时， 集中分布在表层的残膜会阻碍水分下渗，使30～40 cm 土层含水量相对其他土层显着降低。也有研究表明，残膜面积在小于30 cm2 情况下，反而对土壤水分下渗有一定的促进作用。此外，残膜会阻碍土壤水分向上移动，且其面积越大，阻碍作用越大。由此可知， 残膜会影响土壤水分分布的均衡性，增大土壤水分的垂直变异性。
3.3 释放有害物质
塑料地膜中含有大量增塑剂，其主要成分是邻苯二甲酸酯类化合物 （Phthalic acid ester compounds，PAEs）。在田间随着塑料薄膜的老化，PAEs 会被缓慢释放并进入土壤， 成为覆膜作物土壤中最常见的有机污染物之一。
在新*主产棉区的棉田中，多种PAEs 被检出，并且远超相关标准的限量。彭祎等研究发现，土壤中PAEs含量与残膜量呈显着正相关关系，这表明土壤中PAEs 积累与地膜的使用量密切相关。土壤中的PAEs 可直接作用于土壤酶，降低过氧化氢酶、**酶和β- 葡萄糖苷酶、磷酸酶、蛋白酶等土壤酶活性；还可以通过根系吸收进入作物体内，并在器官中积累。已有研究表明，PAEs 积累可以破坏叶绿体和其他细胞器，引起作物生长缓慢，导致产量和品质下降。除此之外，农膜稳定剂中的重金属盐类， 如Zn、Ba、Pb、Cd、Sn等都会通过残膜的积累残留在农田，影响土壤的化学性质，形成化学污染，妨碍肥效发挥或造成重金属污染。
3.4 改变土壤微生物种群结构
土壤微生物参与有机质形成与**、元素化学循环、植物营养、初级生产等过程，在作物生产和陆地生态系统中扮演重要角色。地膜残留会显着降低土壤细菌、真菌和放线菌数量，在连续覆膜15a的农田内， 细菌和真菌分别减少34.62%和41.65%。
残膜可以通过直接和间接作用，影响土壤微生物的丰度和群落结构。首先，残膜的物理阻隔作用可抑制土壤内物质流和能量流的传递，从而抑制微生物生长，降低微生物丰度。其次，残膜会提高土壤容重，降低土壤的通气性，使土壤微生物结构发生显着变化，造成好氧微生物数量急剧下降。再次，塑料地膜分解释放出的PAEs 和重金属等有害物质也会降低土壤微生物活性、种群丰度和功能多样性。此外，自然环境中残膜释放的PAEs 有毒物质， 主要依赖土壤微生物降解；残膜对土壤微生物数量和功能的抑制，也会反作用于残膜降解，使PAEs 在土壤内的积累加剧。
3.5 降低土壤养分含量
地膜残留对土壤养分状况也有一定影响。研究表明，土壤有机质含量与残膜量存在线性负相关关系[51]。研究发现，随着残膜量的升高，有机质、碱解氮、 有效磷和有效钾含量都有下降趋势，当残膜量为2 000 kg·hm－2 时， 有机质含量下降16.7%，碱解氮含量下降55.0%，有效磷含量下降60.3%，有效钾含量下降17.9%。研究表明，土壤微生物数量、土壤酶活性等与土壤养分含量呈极显着正相关，地膜残留对土壤微生物活性和酶活性的抑制可能会影响腐殖化过程、氮素的硝化过程、磷素的分解等土壤营养**过程，造成土壤养分含量的降低。
综上所述，土壤中的地膜残片会对棉田生态环境及棉花生长造成不利影响。一方面，地膜碎片会在棉田土壤中形成物理隔层， 破坏土壤结构，阻碍水分的迁移，从而影响棉花种子的萌发以及根系的正常生长发育，并间接影响土壤酶活性和土壤微生物活动；另一方面，地膜降解过程中释放PAEs、重金属等有害成分，直接抑制土壤酶活性以及土壤微生物的种群结构，并对棉花造成毒害作用，阻碍棉花正常生长发育（图1）。但也有一些研究结果表明， 在目前地膜残留水平下，棉田土壤养分、 棉花的产量等没有受到显着的影响。这可能是因为目前对于残膜污染危害的研究多是在模拟大田环境下进行的，而在实际生产中，由于环境复杂，影响因素众多，残膜污染的危害并未完全显现出来。
图1 棉田残膜污染的危害机制Fig. 1 Harmful mechanism of residual film pollution in cotton field
4 棉田残膜污染的防控策略
4.1 应用可降解地膜
改良地膜材料，研制新型可降解地膜，是解决残膜污染问题的有效途径之一。现有可降解地膜按照分解机理， 可分为生物降解地膜、光降解地膜和光/生物双降解地膜。光降解地膜首先被广泛研究，但由于其降解受到光条件限制，且埋入土壤部分不能完全分解，已逐渐被淘汰。光/生物双降解地膜也存在相同问题。而生物降解地膜以天然高分子或可降解的石油基合成物质为主要原料，能够被微生物完全降解，对环境无污染，作为一种新型地膜具有巨大的应用前景。
棉田应用生物降解地膜具有显着的增温保墒效果，棉花产量较裸地栽培也有所提升，但与普通PE 地膜相比仍有一定差距。何文清等在黄河流域和西北内陆棉区的研究发现，与普通PE 地膜相比，在河北和新*试验点应用生物降解膜的棉田土壤温度和土壤水分均显着降低，河北试验点减产约5%，新*试验点减产20%以上。
张占琴等对3种不同诱导期可降解地膜的研究发现，使用诱导期为60d的可降解地膜的棉花产量低于PE地膜处理，而使用诱导期为90d的可降解地膜的棉花产量高于PE地膜。可见，可降解地膜的作用效果与降解周期密切相关。但生物降解地膜的降解时间受环境条件影响，同种地膜在不同棉区的降解周期存在很大差异。因此，依据环境控制可降解地膜的作用时间，是利用其替代传统PE地膜的技术关键。此外，可降解地膜成本普遍较高，售价是普通PE地膜的3倍左右，也是限制其发展应用的重要因素。
4.2 机械回收地膜
近年来，随着我国地膜回收机械的不断改进，地膜回收率大幅提高，为残膜治理提供了新的途径。根据作业时间的不同，地膜机械回收分为播前回收、苗期回收和秋后回收。苗期回收是在棉花浇头水前进行地膜作业，此时地膜完整性好易回收，主要采用先起膜再卷膜的机具，残膜回收率可超过85%。
但苗期回收地膜会缩短其作用时间，增加棉田灌水量，还易对棉苗造成损伤，现已很少使用。播前回收与秋后回收主要采用搂、扎的方式对残膜进行机械回收作业。虽然这两种回收模式受薄膜严重老化、易附着在秸秆残茬的影响，回收难度大，但因不会影响棉苗生长，仍是残膜回收研究的热点。目前我国棉田残膜回收主要在新*棉田开展，多采用播前残膜回收和秋后残膜回收模式。
地膜机械回收技术进步主要依赖于地膜回收机械创新与地膜质量提高。近年来为了提高作业效率，我国科研院校和企业研制了多种地膜回收机械及其配套作业体系，可靠性与作业效率不断提高，如立杆搂膜集条作业体系、棉秆（茬）起拔与搂膜集条分段作业体系、秸秆粉碎还田与搂膜集条联合作业体系、秸秆粉碎还田与残膜捡拾装联合作业等。但与此相对，我国地膜质量很难达到机械回收要求。我国20 世纪90 年代制定的农用薄膜厚度为（0.008±0.003）mm；但在实际应用中，地膜厚度普遍偏低，如新*地区地膜厚度多为0.007mm，邯郸地区仅0.004mm。超薄地膜强度低、易老化，回收难度大，是制约地膜机械回收技术应用的主要因素。
4.3 创新栽培模式
4.3.1 适期揭膜。受风化作用影响，地膜拉伸强度会随时间推移逐渐降低，至棉花收获后，拉伸强度降低58.7%，极易破碎，增加了地膜回收的难度。因此，在满足棉花生长需求的前提下提早揭膜，可大幅提高地膜回收率。地膜的主要作用是通过增温、保墒作用促进棉花生长发育，提高棉花产量。
研究表明，地膜保温作用主要在生育前期，随着时间推移地温升高，保温效果逐渐减弱甚至与裸地无显着差异，虽然后期裸地棉田土壤含水量仍较地膜覆盖棉田有所降低，但可以通过降雨和灌溉进行调节。提早揭膜还可改变土壤通透性，促进根系的生长，提高棉花产量。张占琴等在新*的研究发现，头水和二水后揭膜的棉花根质量较全生育期覆膜分别增加18.94%和21.39%， 干物质质量分别增加12.34%和11.67%，产量增加6.0%～8.3%。但提早揭膜，地膜的作用效果会依环境发生改变，影响棉花产量。因此，要根据不同地区生态特点和灌溉条件，确定适宜的揭膜时期。
4.3.2 无膜栽培。棉花覆膜增产主要原因在于改善生育前期土壤水热条件，使生育期提前，从而延长棉花的结铃吐絮期。随着早熟棉花品种的选育，以及灌溉技术的进步，棉花裸地栽培和覆膜栽培的产量差异逐渐缩小，使棉花无膜栽培应用成为可能。
近年，众多学者在不同棉区开展无膜棉栽培研究工作， 取得了重要进展。孙绘健等比较了4个早熟棉花品种在覆膜栽培和裸地栽培下生长情况，结果表明：在干旱区滴灌条件下，裸地栽培对各早熟品种籽棉产量影响不显着。
2018年喻树迅院士团队以培育早熟、耐低温的陆地棉新品种为突破口，通过改良播种机械、调优播种深度、浅埋滴灌带、设置适宜播种密度、合理化学调控等一系列配套措施，在新*实现了每666.7m2 产籽棉320～350kg。相对于干旱的西北内陆地区，雨水相对充沛的黄河流域和长江流域更有种植无膜棉的潜力。张冬梅等在黄河三角洲盐碱地进行了无膜短季棉种植，籽棉产量相较传统的地膜覆盖春棉减少9.9%，但扣除人工和物化成本后的收益增加5775元·hm。地膜除具有增温保墒作用外，还具有抑制盐分表聚的功能，在一些盐碱地区裸地植棉会影响棉花出苗，导致大幅减产。
综上， 棉花无膜栽培可从源头控制地膜使用，是减少残膜释放最直接有效的途径。但目前的棉花无膜栽培技术体系因失去了地膜的增温保墒、抑制杂草等功效，棉花产量水平与覆膜栽培仍有一定差距。因此，应加强研究，从而建立符合大规模种植要求的棉花无膜栽培技术体系。
5 展望
PE地膜作为一种化工合成的高分子产品，其残片以及分解过程中释放的物质对棉田生态和棉花生产造成严重威胁。目前对棉田残膜污染的危害研究主要集中在地膜残片对土壤理化性质、水分运移、土壤微生物、作物生长发育等影响方面。最近，骆永明团队研究发现，作物可以吸收纳米级的塑料颗粒，并在体内运输和积累。而PE 地膜降随着时间推移，会分解为微小的颗粒，这些纳米级颗粒如何在作物体吸收、转运、富集、代谢，以及在分子水平上对作物的影响，值得下一步深入研究。
减少PE地膜的使用和释放是残膜污染治理的首要策略。研制PE 地膜替代产品如可降解地膜可作为减少残膜污染源的重要方法。随着全生物降解地膜研究的开展， 其作用效果与普通PE地膜的差距逐渐缩小。然而，目前全生物降解地膜存在生产成本高、降解不可控等问题，是限制其推广应用的主要因素。
因此，采用天然高分子、合成高分子以及二者结合的方法，通过进一步改进配方和工艺研制降解周期可控、生产成本低的完全生物降解地膜是今后的一个主要发展趋势。栽培管理方式的变革也是降低地膜释放的有效途径。目前研究已证明了在一些地区开展棉花无膜栽培的可行性，但缺少早熟性、产量和品质等符合无膜栽培要求的棉花品种， 且配套的播期、密度、化学调控、水肥管理等栽培因子也有待探索调整。
地膜回收是棉田残膜污染治理的另一个重要策略。虽然近年残膜回收机械研制进展较快，但现有PE 地膜质量难以满足回收要求，影响地膜回收效率。这一方面需要政府积极引导，制定适应地膜回收的相关生产标准，加大对回收残膜的政策支持力度；另一方面也需要加强地膜回收再循环利用技术的研发，形成地膜生产、回收、加工、再利用的良性循环。
综上，目前棉田残膜污染治理的各项措施皆存在局限性或不足。普通PE 地膜作为一种廉价、高效的生产资料，短期内在棉花生产中的作用仍然无法替代，尤其在西北内陆棉区，其保湿、保温的作用显得尤为重要。因此，棉田残膜污染治理是一项长期、复杂和艰巨的工作，只有通过政策引导、科技支撑、依法管控等多措并举，才能达到较好效果。
作者：祁虹、赵贵元、王燕（河北省农林科学院棉花研究所），图文编辑：天山植保。
