第1章绪论
　　1.1研究背景及意义
　　农膜覆盖技术是指用聚乙烯（PE）塑料薄膜作为一种覆盖物防止或降低土壤蒸发的农艺技术。由于农膜覆盖具有提高土壤温度、保持土壤水分、防止害虫侵袭、促进农作物生长等功能，自1978年农林部从日本引进该技术后，与我国农业耕作相结合后形成了一套高产、早熟、优质的农业生产体系，农膜成为继化肥、农药之后的第三大生产资料，并在我国掀起了一场农业生产的“白色革命”，对保障我国农产品供给和粮食安全作出了重大贡献。目前，农膜覆盖栽培在80多种作物上均获得成功，有实用价值与经济效益的覆盖栽培作物亦有40多种。农膜覆盖栽培技术在农业增产中发挥了巨大作用，据1992～2020年《中国农村统计年鉴》显示，我国农用地膜使用量增加了256.70%，地膜覆盖面积增加了182.96%（图1.1）。2017年我国地膜覆盖面积高达1865.72万hm2，已成为世界上地膜使用量和覆盖面积*大的国家。
　　然而，农膜的广泛使用在带来经济效益的同时也带来了新的问题，由于目前使用的农膜主要是聚乙烯，在自然环境下降解速度相当缓慢，大约需要100年。由于农膜用量逐渐增加、农膜质量较差、老化易碎难以回收，且回收成本高，缺乏有效的管理措施，使农田中的农膜残留逐年增加。据统计，我国每年会增加20万～30万t不能降解的残留农膜。农膜老化破碎和回收不够，造成大量农膜残留在土壤，影响田间机械化耕作，破坏了耕作层土壤结构，使土壤孔隙减少，降低了土壤通气性和透水性，影响水分和营养物质在土壤中的传输，使土壤微生物的活力受到抑制，导致土壤水难于下渗，引起土壤次生盐碱化等严重后果。除此之外，还影响农作物对水分和营养物质的吸收，阻碍了农作物种子发芽、出苗和根系生长，*终导致农作物减产，“白色革命”已经逐渐演变为一场严重蔓延的“白色污染”，如果再不加以治理将严重破坏生态环境。近几年全国各地都在进行减膜控膜技术的推广，地膜使用量和覆盖面积均有所下降。
　　2014年全国农业工作会议上首次明确提出了农业面源污染治理目标，要求2020年农膜回收率基本达到80%以上。2015年发布的《全国农业可持续发展规划（2015—2030年）》提出，到2030年农业主产区农膜废弃物实现基本回收利用。2019年农业农村部、国家发改委等6部门联合印发《关于加快推进农用地膜污染防治的意见》，2020年国家发改委、生态环境部等九部委发布了《关于扎实推进塑料污染治理工作的通知》进一步明确了地膜污染防治的总体要求、制度措施、重点任务和政策保障。在政策支持下，部分省（区，市）农膜污染治理也取得了初步成效，如甘肃全省地膜回收率由57%（2011年）提高到80.1%（2017年），2017年新疆40个覆膜大县回收率已接近80%，内蒙古14个农膜回收示范项目建设旗县的农膜回收率超过80%。但总体上，全国农膜污染形势依然严峻，离当季农膜回收率80%的目标，还有一定的距离。
　　目前大多研究主要集中在农膜残留的现状及其产生的危害，在农膜残留对土壤理化性质、作物生长发育及作物产量的影响等方面，很少进行系统的归纳和总结。所以系统研究农膜残留对土壤-作物系统的影响，并提出响应的对策，对于大规模农膜覆盖地区地膜的使用方式、控膜制度的推行等均有重要意义。内蒙古河套灌区是我国三个特大型灌区之一，是典型的盐渍化灌区且地膜使用量约占内蒙古地区的30%，覆膜面积占整个内蒙古地区的40%以上，是典型的盐渍化农膜残留严重区域。本书以内蒙古河套灌区为研究区域，以促进灌区农膜覆盖技术合理、安全、可持续使用提供合理依据为研究目的，考虑覆膜年限、灌溉制度、灌水方法、农膜残留量等影响因素，综合区域水土环境、土壤结构、物理、水力参数、土壤入渗蒸发、农田水盐运移、作物生长等农膜残留影响的水土环境和作物生长问题，运用区域调查、野外典型试验、室内模拟验证、CT扫描、染色示踪、数值模拟等多种试验方法，系统地开展了河套灌区地膜覆盖及农膜残留时空分布特征、农膜残留微塑料在土壤-排水沟中的赋存特征及估算、农膜残留对土壤结构的影响、农膜残留对土壤物理和水力参数的影响、农膜残留土壤水分入渗和蒸发室内试验与模拟、土壤剖面水分入渗对农膜残留的响应及染色示踪、农膜残留对农田生育期土壤水盐动态的影响、农膜残留对玉米生长和光合特性的影响、农膜残留对玉米根系生长的影响、农膜残留对玉米产量和水分利用效率的影响等方面研究，并提出通过揭膜技术以降低农膜残留率，以此明确农膜残留现状及环境污染问题，剖析农膜残留对土壤水分运移的影响机理，明确农膜残留和灌溉定额对水盐运行的交互作用，探明残膜量对玉米生长发育的胁迫规律，并提出降低农膜残留污染的技术和对策，为农膜残留地区农膜残留治理和地膜覆盖技术的合理、安全、可持续使用提供数据支撑。
　　1.2农膜残留污染产生的原因
　　1.2.1地膜生产标准较低
　　自20世纪90年代以来，我国地膜生产以《农业用聚乙烯吹塑薄膜》（GB4455—1994）、《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB13735—1992）等为标准，该标准规定我国地膜生产厚度为0.008±0.003mm；2017年国家标准化管理委员会颁布了《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》（GB13735—2017）新国家标准，地膜厚度下限由0.008mm提高到0.010mm，增加了0.015mm、0.016mm、0.018mm、0.025mm和0.03mm五种推荐厚度规格。然而，目前世界上大多数国家规定地膜生产厚度为0.012mm，其中欧美国家规定为0.020mm，日本规定为0.015mm，厚度要求均高于我国的0.010mm。众所周知，地膜厚度是影响地膜回收率的一项非常重要的因素，我国目前广泛使用的低厚度地膜，在经过一年的使用后，加上风化，日晒等原因，破碎率非常高，给残膜回收带来了巨大的困难（宋克森，2007）。
　　1.2.2农民地膜回收意识较差
　　尽管农民对残膜污染的巨大危害有了一些认识，但对危害的认识程度不够，对于残膜回收的意识仍然不高。大部分农民不会对残膜进行专门的回收，只是在耕地、犁地过程中“顺路”将面积较大的残膜进行回收，很少有人利用专门的残膜回收机械进行回收，进而导致农田中的残膜越积越多，对土壤及农业生产产生了巨大危害。除此之外，由于环保意识不强加之没有合理的处理设施，大多数农民将回收来的残膜进行集中焚烧，对空气环境造成了恶劣影响，形成“二次污染”（谢静，2009）。
　　1.2.3地膜回收技术及机械发展较慢
　　虽然地膜覆盖技术在我国应用已经有几十年的历史，但是截至目前还没有比较完整、可操作的地膜覆盖及回收技术，如根据当地特有的土壤及气候因素，在不影响作物产量的情况下采取什么样的覆膜方式、多大的覆膜量更适宜，更能减少地膜的使用量；特别是当前还没有比较完整、成熟的地膜回收技术，如由于地膜老化及作物秸秆的影响，农田中残膜回收难度大，同时残膜下面土壤易板结，容易造成残膜捡拾装置损坏（王向丽，2018）；残膜回收过程中由于土壤不断压实，不利于土壤保水保墒，苗期揭膜技术不完备，不利于作物继续生长（颛孙玉琦等，2022）；在进行残膜回收时，残膜与杂草、残茬等极易混合在一起，如果不能很好地将它们分开，将不利于残膜的回收，甚至会出现二次污染（哈力甫 阿布拉哈提，2020）。另外要根据当地的作物类型、日照强度等确定什么时候回收地膜更合适，而不是等到作物完全成熟后地膜已经破碎后再进行回收等，这些都需要经过研究进行确定。地膜回收机械也有待进一步发展，很多农民只利用机械进行耕地、平地，很少单独利用残膜回收机械回收残膜，既增加了成本又费时费力，同时部分残膜回收机回收率不高，回收土层深度不深，目前我国用于机械化残膜回收的设备功能还比较单一，质量也参差不齐，实际的残膜回收能力差别较大，且无法应对多变的土壤情况，很多时候都需要进行多次反复的回收才能达到比较满意的效果（田娟，2020），这也是造成目前残膜回收机得不到大规模推广的原因之一（曹肆林等，2009；薛文瑾等，2005）。
　　1.2.4农膜回收处理存在制约条件
　　政府是治理“白色污染”的重要环节，但目前在农膜回收政策的制定与落实方面尚存在局限性，如缺乏健全的残膜回收服务体系，导致回收效果不佳，也没有对残膜后处理的延续对策或政策，对回收的标准要求不高。故政府要加强残膜回收利用政策、资金等支持，积极争取相关项目资金，加强对残膜回收加工企业的扶持力度；强化相关职能部门的配合协作，相关职能部门要切实做好农膜回收利用的规划指导、协调服务、宣传引导等，必要时采取以奖代补的办法，形成残膜回收利用的良好氛围（杨薇，2022）。
　　1.3农膜残留对土壤影响的国内外研究进展
　　1.3.1我国农膜残留现状及分布特征
　　随着不合格农用塑料薄膜的大量使用，农田土壤中残膜碎片的累积量也越来越大，但由于我国不同地区的种植作物、种植方式及地膜类型等因素的影响，导致我国不同地区残膜的分布特征存在明显差异。根据调查显示（严昌荣等，2014），我国各省份在过去20年的地膜使用量都大幅增加，增幅一般在3～10倍。但不同省份地膜使用量的增幅有明显差异，北方地区地膜使用量的增幅是我国*大的区域。例如，甘肃从1991～2011年地膜使用量的增幅为92.31%；新疆从1991～2011年地膜使用量的增幅为79.89%；黑龙江和吉林1991～2011年地膜使用量的增幅为72.00%～77.14%。据邹小阳等（2017）调查研究发现，河南省在华南地区的残膜量*高。河北省在华北地区残膜量*高为81.25kg/hm2。西南地区的残膜量较低，其中云南省的旱地农业面积较大，所以云南省的残膜污染较为严重。西北内陆地区的残膜量在全国范围内*高，其中新疆残膜量*高（Zhangetal.，2016），同时也是我国农膜残留量*高的地区。总体上，随着农膜覆盖面积越来越大，农膜残留也会越来越严重。
　　土壤中残留地膜受农事活动和农业机械耕作的影响呈现出多种多样的形状和大小，形状主要有片状、球状、卷曲状等，以水平、垂直和倾斜三种方向存在于土壤中。马辉等（2008）研究发现，残膜以面积为标准可分为大膜（>25cm2）、中膜（4～25cm2）和小膜（<4cm2）3类，其中小膜占绝大多数，小、中、大3种面积的残膜数量平均比为7︰2︰1。马彦等（2015）通过对甘肃省地膜残留污染的调查与计算也发现，田间残留地膜的面积以<4cm2*多，其次是4～25cm2，此外，残膜主要分布在0～20cm表层土壤中，且残膜量随着土层深度增加而减小。特别在地表滴灌条件下（王志超等，2017a），残留的农膜碎片面积多以小于5cm2存在于土壤中（严昌荣等，2008），且主要分布在0～30cm土层。也有研究表明（齐小娟等，2001），土壤中的残膜碎片主要分布在耕作层，其中0～10cm土层中的残膜量占土壤中残膜总量的2/3左右，剩下的则分布在10～30cm土层。刘建国等（2010）通过对绿洲棉田残膜量的调查发现，存在于土壤中的残膜在0～30cm土层的比例达到了85%，残膜量也随着连作（覆膜）年限的增加而增加，残膜在0～30cm土层的分配比例有所变化（0～15cm土层的残膜数量减小，15～30cm土层的残膜数量增加），由于土壤耕作等因素，残膜的破碎度增加，>10cm2以上的残膜量下降。
　　1.3.2农膜残留污染的发展趋势
　　农膜残留是我国农业发展中出现的新型的面源污染问题，而我国目前尚未对残膜污染问题有系统的研究和有效的举措。这说明我国残膜污染仍有扩大的趋势，具体来说，我国残膜污染的发展趋势有以下特征：一方面，农膜残留问题在短期内不会消除，残膜量也会持续增加。但由于我国大多数地区的地膜回收率较低，且对于地膜回收的相关法律法规不健全，残膜污染问题十分严峻。另一方面，随着时间的推移，以及国家对农业污染问题的高度重视，残膜污染的问题将会逐渐被解决。农业部提出“一控、两减、三基本”的重点整治农业污染的

目录
前言
第1章　绪论　1　
1.1　研究背景及意义　1　
1.2　农膜残留污染产生的原因　3　
1.2.1　地膜生产标准较低　3　
1.2.2　农民地膜回收意识较差　3　
1.2.3　地膜回收技术及机械发展较慢　3　
1.2.4　农膜回收处理存在制约条件　4　
1.3农膜残留对土壤影响的国内外研究进展　4　
1.3.1　我国农膜残留现状及分布特征　4　
1.3.2　农膜残留污染的发展趋势　5　
1.3.3　农膜残留对土壤物理性质的影响　6　
1.3.4　农膜残留对土壤化学性质的影响　7　
1.3.5　农膜残留对土壤水力参数的影响　8　
1.3.6　农膜残留对土壤水分入渗及蒸发的影响　10　
1.3.7　农膜残留对土壤微生物的影响　10　
1.4　农膜残留对农田作物系统影响的国内外研究进展　12　
1.4.1　农膜残留对农田水盐运移的影响　12　
1.4.2　农膜残留对作物生长发育的影响　13　
1.5　农田残膜的有效解决措施　14　
1.6　研究内容及目标　15　
第2章　农田残膜的采集和识别方法　17　
2.1　引言　17　
2.2　传统人工实地采样法　17　
2.2.1　采样点的选择　17　
2.2.2　残膜样品的采集　17　
2.2.3　残膜样品分类处理　18　
2.3　基于无人机的农田残膜识别方法　18　
2.3.1　农业监测无人机技术研究现状　18　
2.3.2　无人机采集农田残膜图像　20　
2.3.3　残膜图像的识别方法　20　
2.3.4　残膜图像的分割算法　24　
2.4　基于分层随机中心四分法的农田残膜采集方法　26　
2.4.1　操作流程　26　
2.4.2　地膜采样试验　28　
第3章　沿黄盐渍化灌区地膜覆盖及农膜残留时空分布特征　30　
3.1　引言　30　
3.2　农膜残留量田间调查　30　
3.2.1　查阅资料与问卷调研　30　
3.2.2　定点试验　30　
3.2.3　农膜残留指标计算　31　
3.3　沿黄盐渍化灌区典型研究区地膜覆盖现状分析　32　
3.4　覆膜年限及灌水方法对农膜残留强度和破碎率的影响　34　
3.5　覆膜年限及灌水方法对残膜在土壤中分布的影响　35　
3.6　覆膜年限及灌水方法对残膜碎片面积的影响　36　
3.7　讨论　37　
3.8　结论　39　
第4章　农膜残留微塑料在土壤　-排水沟中的赋存特征及估算　40　
4.1　引言　40　
4.2　农膜残留量微塑料分布特征试验　40　
4.2.1　研究区概况　40　
4.2.2　样品采集　40　
4.2.3　微塑料分离与提取　41　
4.2.4　微塑料的鉴别　42　
4.2.5　总排干微塑料质量估算方法　42　
4.3　河套灌区各排干微塑料的丰度与分布差异　43　
4.4　河套灌区各排干微塑料外形特征与聚合物分析　45　
4.5　总排干微塑料质量估算　48　
4.6　讨论　49　
4.7　结论　50　
第5章　农膜残留对土壤结构的影响及基于CT断层扫描分析　52　
5.1　引言　52　
5.2　研究方法　52　
5.3　土壤中的形态特征对不同残膜量的响应　54　
5.4　土壤结构对不同残膜量的响应　55　
5.5　土壤孔隙比重对不同残膜量的响应　56　
5.6　讨论　57　
5.7　结论　58　
第6章　农膜残留对土壤物理和水力参数的影响　59　
6.1　引言　59　
6.2　研究方法　59　
6.2.1　测定及计算项目　60　
6.2.2　模型描述和构建　62　
6.2.3　模型评价指标计算　65　
6.3　土壤物理参数对不同残膜量的响应　66　
6.3.1　农膜残留对不同质地土壤饱和含水率的影响　66　
6.3.2　农膜残留对不同质地土壤毛管持水率的影响　67　
6.3.3　农膜残留对不同质地土壤田间持水率的影响　67　
6.3.4　农膜残留对不同质地土壤毛管孔隙率的影响　68　
6.3.5　农膜残留对不同质地土壤总孔隙率的影响　69　
6.4　土壤水力参数对不同残膜量的响应　70　
6.4.1　农膜残留对不同质地土壤饱和导水率的影响　70　
6.4.2　农膜残留对不同质地土壤　Boltzmann参数的影响　71　
6.4.3　不同残膜量对同种质地土壤水分特征曲线的影响　72　
6.4.4　相同残膜量对不同质地土壤水分特征曲线的影响　73　
6.4.5　农膜残留对土壤当量孔径的影响　73　
6.5　不同残膜量条件下土壤水力参数模拟及评价　75　
6.5.1　不同模型比较　75　
6.5.2　RPF-SWCC模型参数估计　77　
6.6　讨论　79　
6.7　结论　81　
第7章　土壤水分入渗和蒸发对农膜残留的响应及模拟　83　
7.1　引言　83　
7.2　研究方法　83　
7.2.1　供试材料　83　
7.2.2　试验设计与方法　83　
7.2.3　入渗、蒸发和不确定性分析模型及方法　87　
7.2.4　数据处理与分析　89　
7.3　土壤水分入渗与蒸发对土质和残膜量的响应　90　
7.3.1　农膜残留对不同质地土壤水分入渗湿润锋的影响　90　
7.3.2　农膜残留对不同质地土壤累积入渗量的影响　92　
7.3.3　农膜残留对不同质地土壤入渗后含水率的影响　93　
7.3.4　农膜残留对不同质地土壤蒸发的影响　94　
7.4　不同残膜量条件下土壤入渗与蒸发模型比较和筛选　96　
7.5　不同残膜量对滴灌水分入渗的影响及不确定性分析　98　
7.5.1　土壤中残膜含量对滴灌入渗湿润锋的影响　98　
7.5.2　土壤中残膜量对滴灌湿润体分布的影响　99　
7.5.3　土壤水分入渗的不确定性分析　101　
7.6　不同残膜埋深对滴灌水分入渗的影响　102　
7.6.1　农膜残留对不同残膜埋深土壤湿润锋运移的影响　102　
7.6.2　农膜残留对不同残膜埋深土壤入渗速度的影响　104　
7.6.3　农膜残留对滴灌结束土体含水率分布的影响　106　
7.7　讨论　107　
7.8　结论　109　
第8章　土壤剖面水分入渗对农膜残留的响应及染色示踪　111　
8.1　引言　111　
8.2　染色示踪田间试验　111　
8.2.1　试验材料与设计　111　
8.2.2　染色试验　112　
8.2.3　染色图像处理112　
8.2.4　优先流评价指数　113　
8.3　不同残膜量对土壤水非均匀流动的影响　114　
8.4　不同残膜量对土壤剖面优先流特征指数的影响　116　
8.5　讨论　121　
8.6　结论　121　
第9章　农膜残留田间试验材料与方法　123　
9.1　试验区概况　123　
9.2　试验区土壤资料　123　
9.3　试验区气象资料　123　
9.4　试验材料　125　
9.5　试验设计　126　
9.6　观测项目与方法　126　
9.6.1　土壤相关指标的测定　126　
9.6.2　玉米地上部生长指标的测定　127　
9.6.3　玉米根系生长指标的测定　128　
9.6.4　玉米水分利用效率计算　129　
第10章　农膜残留对农田生育期土壤水盐动态的影响　130　
10.1　引言　130　
10.2　不同残膜量和灌水定额对生育期土壤水分的影响　130　
10.2.1　高水灌溉下不同残膜量对土壤水分变化的影响　130　
10.2.2　中水灌溉下不同残膜量对土壤水分变化的影响　131　
10.2.3　低水灌溉下不同残膜量对土壤水分变化的影响　133　
10.3　不同残膜量和灌水定额对土壤含水率的交互影响　134　
10.4　不同残膜量和灌水定额对生育期土壤盐分的影响　135　
10.4.1　高水灌溉下不同残膜量对土壤盐分变化的影响　135　
10.4.2　中水灌溉下不同残膜量对土壤盐分变化的影响　136　
10.4.3　低水灌溉下不同残膜量对土壤盐分变化的影响　138　
10.5　不同残膜量和灌水定额对土壤盐分的交互影响　140　
10.6　讨论　141　
10.7　结论　142　
第11章　农膜残留对玉米生长和光合特性的影响　144　
11.1　引言　144　
11.2　不同残膜量对玉米出苗率与株高的影响　144　
11.3　不同残膜量对玉米茎粗与叶面积的影响　145　
11.4　不同残膜量对玉米干物质量与干物质分配率的影响　146　
11.5　不同残膜量对玉米叶片光合特性的影响　148　
11.6　讨论　150　
11.7　结论　151　
第12章　农膜残留对玉米根系的影响　153　
12.1　引言　153　
12.2　不同残膜量对玉米根干重与根冠比的影响　153　
12.3　不同残膜量对玉米根长密度的影响　154　
12.4　不同残膜量对玉米根重密度的影响　156　
12.5　不同残膜量对玉米根体积比的影响　158　
12.6　不同残膜量对玉米不同径级根系的影响　159　
12.7　农膜残留条件下根系分布模型的构建　161　
12.7.1　不同残膜量对玉米根长密度二维分布的影响　161　
12.7.2　不同残膜量对不同径级根系分配比例的影响　162　
12.7.3　不同残膜量下玉米相对根长密度分布模型构建　164　
12.7.4　考虑残膜量玉米根系分布模型估算根长密度分布　166　
12.8　讨论　168　
12.9　结论　169　
第13章　农膜残留对玉米产量和水分利用效率的影响　171　
13.1　引言　171　
13.2　不同残膜量和灌水定额下玉米产量构成因素变化规律　171　
13.3　不同残膜量和灌水定额下玉米水分利用效率变化规律　172　
13.4　讨论　174　
13.5　结论　174　
第14章　不同揭膜时间对土壤水、热、氮运移的影响及模拟研究　176　
14.1　引言　176　
14.2　研究方法　176　
14.3　不同揭膜时间下土壤水分运移特征　177　
14.4　不同揭膜时间下农田剖面土壤水分分布规律　178　
14.5　不同揭膜时间下农田土壤温度差异　180　
14.6　不同揭膜时间下农田剖面土壤温度分布规律　181　
14.7　不同揭膜时间下农田土壤硝态氮动态　182　
14.8　不同揭膜时间下农田剖面土壤硝态氮分布规律　184　
14.9　不同揭膜时间下农田作物生长指标差异　185　
14.10　不同揭膜时间下农田作物产量及经济效益　186　
14.11　不同揭膜处理农田水-热-氮迁移模型构建　187　
14.11.1　模型介绍　187　
14.11.2　模型构建　187　
14.11.3　初始及边界条件　190　
14.11.4　模型参数　191　
14.12　水-热-氮迁移模型率定与验证　193　
14.13