王彥智，馮兆忠

（1.南京信息工程大學(xué)長望學(xué)院，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044）

農(nóng)用地膜一般由聚乙烯塑料薄膜制成，外觀一般為透明或呈黑色。地膜具有增墑保溫的功能[1-2]，能使原本因旱、寒而不適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地變得適宜耕作[3]，在普通的田地上使用也能顯著提升農(nóng)作物的產(chǎn)量[2，4-6]，使農(nóng)作物提前成熟[1]。地膜覆蓋能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。自20 世紀70 年代以來，地膜覆蓋逐漸在全國各?。ㄊ校┩茝V使用。2019 年，我國農(nóng)用地膜使用量達到137.9萬t，覆蓋面積達到1 762.8萬hm2[7]。

然而長期使用地膜也帶來了一些問題。制造塑料薄膜的主要材質(zhì)聚乙烯具有不易降解的特性[8]；而地膜生產(chǎn)廠商為權(quán)衡成本與市場需求，傾向于使用單位材料生產(chǎn)出盡量大面積的塑料薄膜而不斷減小地膜的厚度[9]，在地膜回收操作中極易產(chǎn)生地膜碎裂，導(dǎo)致大量塑料碎片殘留在土壤中[10-13]。由農(nóng)用地膜聚乙烯塑料碎片造成的“白色污染”極難處理，影響土壤中水分與養(yǎng)分的傳遞[14]、妨礙植物的根系生長[14]與農(nóng)田中伴生動物的活動，長期累積將會顯著降低農(nóng)作物產(chǎn)量[14-15]，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成難以恢復(fù)的影響。因此亟需對地膜施用量的時空分布進行系統(tǒng)性分析。

國內(nèi)外對于地膜污染的研究主要集中在農(nóng)田地膜殘余量以及殘余地膜對農(nóng)作物生長的影響，研究尺度多為省級[11-13]或其他更小區(qū)域[10]，缺少在空間尺度上對大量數(shù)據(jù)點的全局性分析。本研究以地級市為單位，利用標準化的經(jīng)典模型分析全國尺度下2010—2015 年地膜使用量的時空動態(tài)變化特征。在國家大力推進地膜回收、推廣可降解地膜的背景下[16-17]，旨在通過一系列精準分析應(yīng)對由地膜和其他塑料制品造成的微塑料污染，為污染防治相關(guān)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究了2010—2015年我國234個地級市（剔除了數(shù)據(jù)不全或無數(shù)據(jù)的地級市）的地膜使用量、農(nóng)用塑料薄膜使用量情況。數(shù)據(jù)主要來源于國家統(tǒng)計局、各?。ㄊ校┙y(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒與農(nóng)村統(tǒng)計年鑒。鑒于各地區(qū)年鑒更新速度不一致，年鑒是否開放獲取也各有區(qū)別，因此難以將所有地區(qū)數(shù)據(jù)同步更新至理論上的最新年份。故本研究選取了2010—2015年的地膜使用量數(shù)據(jù)，以較好平衡數(shù)據(jù)時效性與數(shù)據(jù)全面性。由于部分地區(qū)未找到統(tǒng)計資料或未統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)，即無地膜使用量或僅有農(nóng)用塑料薄膜使用量，為防止研究出現(xiàn)偏差，將這部分數(shù)據(jù)直接剔除，在地圖上以零值顯示。

本研究使用的數(shù)據(jù)在各省（自治區(qū)、直轄市）的取樣點數(shù)為：安徽省16 個，北京市1 個，福建省9 個，甘肅省11 個，廣東省21 個，廣西壯族自治區(qū)7 個，貴州省3 個，河北省11 個，河南省17 個，黑龍江省9 個，湖北省9個，湖南省14個，吉林省4個，江蘇省6個，江西省8 個，遼寧省4 個，內(nèi)蒙古自治區(qū)12 個，寧夏回族自治區(qū)3個，青海省1個，山東省16個，山西省4個，陜西省4 個，上海市1 個，四川省5 個，天津市1 個，西藏自治區(qū)4 個，新疆維吾爾自治區(qū)9 個，云南省16 個，浙江省7 個，重慶市1 個。除海南省和港澳臺地區(qū)沒有取樣點外，其他省份均納入到了數(shù)據(jù)分析范圍內(nèi)，能較好體現(xiàn)我國東、中、西部地區(qū)地級市地膜使用量的時空變化。

1.2 研究方法

本研究的空間分析相關(guān)算法與含有地圖的繪圖適當參考了潘曉東等[18]的方法，并通過ArcGIS 10.2軟件實現(xiàn)，所用地圖底圖的審圖號為GS（2020）4632號，數(shù)據(jù)相關(guān)性分析與其余繪圖工作使用R 版本3.6.2 與4.0.2以及相關(guān)軟件包完成。

1.2.1 熱點分析

熱點分析即量化數(shù)據(jù)面的聚集情況，可以判斷空間數(shù)據(jù)點與其周圍數(shù)據(jù)的聚集態(tài)勢，能反映出各地級市地膜使用量在全國尺度上的分布態(tài)勢。本研究分別使用了全局空間自相關(guān)分析和局部熱點分析。

全局莫蘭指數(shù)（GMI）是用于評價全局數(shù)據(jù)空間自相關(guān)性的一個常見統(tǒng)計指標，能夠反映全國地級市地膜使用的空間聚集關(guān)系，計算公式如下：

式中：n為數(shù)據(jù)量，即含有統(tǒng)計信息的234個地級市；xi和xj分別為地級市地膜使用量在空間單元i和j標準化后的觀測值；Wij為地膜使用量在i和j之間的空間權(quán)重；S為所有空間權(quán)重的聚合。

局部熱點分析采用Getis-Ord方法，指數(shù)為每個地級市與周圍地級市的聚集指數(shù)，能夠得出比全局空間自相關(guān)更加詳細的分析結(jié)果，的計算公式為：

式中：xj是數(shù)據(jù)j的屬性值；Wij是數(shù)據(jù)i與j之間的空間權(quán)重；n為數(shù)據(jù)總量；且：

計算結(jié)果的正負能夠表明某一地級市是否屬于地膜使用熱點區(qū)域，若＞0，則為熱點區(qū)域；若＜0，則為冷點區(qū)域。本研究對于冷熱點區(qū)域的定義如表1所示。

表1 冷熱點區(qū)域間偏相關(guān)顯著性定義Table 1 Definition for the significance of the partial correlation between hot and cold regions

1.2.2 核密度分析

核密度分析用于計算數(shù)據(jù)點在其周圍鄰域中的密度，可以分析各地級市地膜使用量分布的疏密狀態(tài)，從而間接描述地級市地膜使用量的聚集程度。與局部熱點分析不同的是，核密度分析能夠突出單個地膜使用量較高的地級市，而無需考慮其與周圍地級市之間的聚集關(guān)系。

每一個柵格的核密度fn(x)計算公式如下：

式中：k為核函數(shù)；m為帶寬；n為參與數(shù)據(jù)分析的地級市數(shù)量。

1.2.3 標準差橢圓

將地級市面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點數(shù)據(jù)，利用由D.Welty Lefever 提出的標準差橢圓分析能夠?qū)Φ丶壥械啬な褂昧繑?shù)據(jù)點的相對空間分布與聚集程度進行直觀表示。其長軸表示數(shù)據(jù)分布的空間特征，短軸表示數(shù)據(jù)離散程度。計算公式如下：

式中：橢圓的經(jīng)緯度坐標為(SDEx,SDEy)；地級市的地膜使用量所在位置點經(jīng)緯度坐標為(xi,yi)；地級市地膜使用量數(shù)據(jù)為wi。標準差橢圓可以反映地級市地膜使用量的空間分布狀況、方向和離散程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 全國地級市地膜使用量的時空變化

2.1.1 時間變化

從圖1可知，2010年我國地膜使用量為118.4萬t，2015 年增加到145.5 萬t，2010—2015 年地膜使用量增加了22.9%，而6 年間大量使用地膜生產(chǎn)的棉花與蔬菜的產(chǎn)量卻分別只增加了2.4%和16.0%（數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計局）。使用地膜栽培技術(shù)的典型作物產(chǎn)量的增長率與地膜使用量增長率持平或稍低，反映出我國地膜使用效率并未得到顯著提升。

圖1 2010—2015年我國地膜使用量與主要作物產(chǎn)量的變化Figure 1 Changes in mulch film consumption and yield of major crops in China during 2010—2015

在全國和省級尺度下，選用地膜種植典型作物的產(chǎn)量與地膜使用量數(shù)據(jù)，進行皮爾遜相關(guān)性分析。結(jié)果（表2）顯示全國尺度下與地膜使用量顯著相關(guān)的有蔬菜產(chǎn)量、玉米產(chǎn)量和花生產(chǎn)量，且山東省蔬菜和花生產(chǎn)量與地膜用量同樣顯著相關(guān)。對比全國和山東省花生產(chǎn)量與地膜使用量的相關(guān)性，山東省略低于全國，表明山東省花生種植推廣程度與全國相比，差異不大；在西北地區(qū)大量使用地膜的棉花作物則顯示出新疆維吾爾自治區(qū)地膜使用量與棉花產(chǎn)量的相關(guān)性明顯高于全國尺度的數(shù)據(jù)。

表2 2010—2015年全國及代表性省份地膜使用量與主要作物產(chǎn)量的皮爾遜相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis between mulch film use across China or representative provinces and yield of major crops

2.1.2 空間變化與可視化

將全國地級市地膜使用量按照相等間隔分為5個等級：最高量、次高量、中等量、次低量、最低量（表3），然后分別繪制2010—2015 年地膜使用量空間分布圖。結(jié)果（圖2）顯示，我國地膜使用量出現(xiàn)了空間上分布不均的現(xiàn)象，其中用量較大的地級市主要分布在我國的中西部地區(qū)。

圖2 2010—2015年我國地級市地膜使用量空間分布Figure 2 Spatial distribution characteristics of mulch film use of prefecture-level cities across China from 2010 to 2015

表3 2010—2015年不同地膜使用量水平的地級市數(shù)量Table 3 Number of prefecture-level cities of different mulch film usage levels from 2010 to 2015

2010 年全國92.7%的地級市地膜用量水平都處于最低量（＜0.6萬t）和次低量（0.6萬～1.2萬t）水平，主要分布在我國東北地區(qū)與東部地區(qū)，包括黑龍江省、吉林省、江蘇省、上海市、安徽省、浙江省、廣東省、江西省和福建省等；2.6%的地級市地膜使用量較高，地膜使用量水平在次高量（1.8 萬～2.4 萬t）和最高量（＞2.4萬t）的地級市主要分布在我國中部地區(qū)與西部地區(qū)，包括新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、河南省、重慶市、湖南省和云南省等。

2015 年全國88.9%地級市地膜用量水平仍處于最低量（＜0.6萬t）和次低量（0.6萬～1.2萬t）水平，但是可以看到地膜使用量水平在次高量（1.8 萬～2.4 萬t）與最高量（＞2.4 萬t）的地級市數(shù)量顯著增加（占比6.0%），同時地膜使用量相較2010年也有所增加。增加較明顯的地區(qū)有寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)和江西省。

從整體趨勢來看，2010—2015 年我國地膜使用最高量（＞2.4 萬t）的城市數(shù)量呈增加趨勢，在2014 年達到高峰（4座城市），且整體使用量繼續(xù)增加。

2.2 全國地級市地膜使用量的空間特征

2.2.1 全局相關(guān)性分析

如表4所示，2010—2015年我國地級市地膜使用量的全局莫蘭指數(shù)的Z值均大于124，P值均小于0.01，即在99.9%置信區(qū)間下我國的地膜使用量在空間上存在相關(guān)性。2010—2015 年莫蘭指數(shù)值分別為0.611 9、0.613 5、0.590 8、0.612 7、0.626 2 和0.627 9，可以看出，2012年我國地膜使用量與空間的相關(guān)性最小，2010—2012 年我國地膜使用量與空間相關(guān)性略有降低，而2012—2015 年地膜使用量與空間的相關(guān)性呈現(xiàn)出增長趨勢，并在2015年達到最大值0.627 9，表明我國地級市地膜使用量的空間聚集態(tài)勢達到6 年來最大狀態(tài)，即我國地級市間地膜的使用傾向于集中統(tǒng)一的使用模式。

表4 2010—2015年我國地級市地膜使用量Moran′s I的P值與Z值Table 4 The Moran′s P-values and Z-values for mulch film use across prefecture-level cities in China from 2010 to 2015

2.2.2 局部相關(guān)性分析

對中國2010—2015 年地級市地膜使用量數(shù)據(jù)進行局部熱點分析，根據(jù)分析的Z得分置信度，將地級市分為不同區(qū)域，如圖3所示。

圖3 中熱點區(qū)域表示地級市地膜使用量高的地區(qū)聚集，冷點區(qū)域表示地級市地膜使用量低的地區(qū)聚集。2010 年我國地膜使用量的熱點區(qū)域較多，主要分布在我國東部和中部地區(qū)；從地域上來看，主要分布在我國的黃淮海平原、浙東丘陵、珠江三角洲和四川盆地，呈現(xiàn)出明顯的空間聚集態(tài)勢。冷點地區(qū)分布相對較少，分布在我國東部、南部與西部地區(qū)；從地域上來看，主要分布在珠江流域中上游、長江流域中下游和新疆地區(qū)。與2010 年相比，2015 年地膜使用的熱點區(qū)域未得到相對控制：雖然黃淮海平原的地膜使用熱點區(qū)域數(shù)量減少，然而中西部地區(qū)地膜使用的熱點區(qū)域卻呈現(xiàn)出向相鄰地區(qū)擴散的趨勢。在新疆地區(qū)，地膜使用量的聚集趨勢呈現(xiàn)出了兩極分化的態(tài)勢，2010—2015 年間出現(xiàn)了三個新的地膜使用量高的熱點地級市——吐魯番地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州與和田地區(qū)，而昌吉回族自治州和阿勒泰地區(qū)卻從2010年的無明顯聚集態(tài)勢轉(zhuǎn)為冷點地區(qū)。

2.2.3 核密度分析

利用地級市的地膜使用量數(shù)據(jù)，繪出核密度空間分布圖（圖4）。由圖4 可知，在這6 年期間地膜使用量較高的地級市主要分布在我國東部和中部地區(qū)。對比2010 年與2015 年的地級市核密度分布，各地膜使用量較高的核心核密度均有不同程度增長，變化較明顯的省份有甘肅省、安徽省和云南省，主要體現(xiàn)在這些地區(qū)深色面積在6 年中逐漸變大，甚至出現(xiàn)了更深的顏色，表明這些地級市地膜使用量增多。在新疆地區(qū)，2010—2015 年間出現(xiàn)了地膜使用量高的若干地級市，如吐魯番地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州與和田地區(qū)。

2.2.4 標準差橢圓分析

將地級市地膜使用量的標準差橢圓畫在地圖上，并將6 年的重心連線（圖5）。如圖5 所示，2010—2015 年的橢圓長半軸與短半軸的長度差異不大，方向呈東西向分布，說明6年中地級市地膜使用量的向心趨勢不明顯。地膜使用量重心在河南省與陜西省兩省的交界處移動：2010 年地膜使用量重心為111.37°E、33.79°N，位于河南省西部；2011年重心向西北方向移動至111.00°E、33.88°N，位于河南省西部；2012 年向東南方向移至111.32°E、33.61°N，位于2010年重心的南方；2013 年和2014 年又連續(xù)向西北方向移動至109.82°E、34.20°N，進入陜西省東部；2015 年向南移動至109.80°E、34.04°N。6 年中地級市地膜使用量重心的移動距離為146.88 km，經(jīng)緯度變化為-1.57°、0.25°。

圖5 2010—2015年我國地級市地膜使用量標準差橢圓及其重心連線Figure 5 Standard deviation ellipse analysis of mulch film use of prefecture-level cities across China and its focus moving track from 2010 to 2015

3 討論

農(nóng)田是否使用地膜與地膜使用量的多少受到自然因素和人為因素的影響。我國有很大部分地區(qū)水分條件沒有達到種植作物的最佳范圍，因而需要使用地膜來增溫保墑；抑或是植物生長水分條件過于充沛，導(dǎo)致害蟲滋生、雜草蔓延，此時地膜的應(yīng)用可以有效除蟲除草。西北地區(qū)，尤其是新疆和寧夏地區(qū)，即氣候條件導(dǎo)致地膜廣泛使用的典型地區(qū)[17]，使用地膜的作物主要為棉花、玉米和馬鈴薯等蔬菜[11-13]；而南方地區(qū)，以安徽省和廣東省為例，使用地膜的主要作物為花生、草莓、棉花和蔬菜[19]。

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，雖然2010—2015 年我國地膜使用量一直處于增長狀態(tài)，但年增幅逐漸放緩。地膜使用量的空間分布不均勻，主要集中在中西部地區(qū)，造成這個態(tài)勢的最主要原因是我國空間上溫、濕分布不均衡[20]；全局莫蘭指數(shù)的結(jié)果也表明我國地膜使用在地級市間呈現(xiàn)集中聚集使用的趨勢。表2 的皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果則表明地膜種植技術(shù)在蔬菜、玉米與花生作物中得到較為廣泛的應(yīng)用；在新疆維吾爾自治區(qū)地膜使用量與棉花產(chǎn)量較全國尺度呈現(xiàn)出了更強的相關(guān)性，表明在新疆地區(qū)地膜使用對棉花種植的重要作用。冷熱點分析（圖3）表明2010—2015年地膜使用量熱點區(qū)域在黃淮海平原有一定程度的縮減，但在新疆地區(qū)明顯增加。熱點區(qū)域總體上呈向中西部轉(zhuǎn)移的趨勢，但我國東部沿海地區(qū)仍有大片熱點區(qū)域聚集，核密度分析（圖4）也佐證了這一觀點。結(jié)合產(chǎn)量與地膜使用量的相關(guān)性分析，推測主要是因為新疆棉花地膜種植面積的快速增長，東部沿海地區(qū)城市集中分布且蔬菜需求量較大。核密度分析的結(jié)果表明，核密度變化較明顯的省份有甘肅省、安徽省和云南省。這些省份發(fā)展農(nóng)業(yè)大多受到了地形或氣候的制約，使用常規(guī)方法種植不能取得較高的產(chǎn)量，因此為了增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益，在種植技術(shù)的選用過程中有越來越多的農(nóng)戶選用地膜種植技術(shù)。

圖3 2010—2015年我國地級市地膜使用量冷熱點空間分布Figure 3 Hot and cold spot analysis of mulch film use of prefecture-level cities aross China from 2010 to 2015

圖4 2010—2015年我國地級市地膜使用量核密度空間分布Figure 4 Kernel density analysis of mulch film use of prefecture-level cities across China from 2010 to 2015

此外，隨著國家大力推廣地膜復(fù)用技術(shù)與地膜回收技術(shù)[16，21]，地膜的使用量與地膜造成土壤微塑料污染的關(guān)系開始逐漸模糊，相同地膜使用量造成的環(huán)境污染程度亦不相同。地膜復(fù)用技術(shù)若使用超薄塑料薄膜，大量沒有得到有效回收的地膜翻入土壤，隨著時間的推移塑料薄膜發(fā)生破碎，導(dǎo)致難以清理的微塑料污染[22]。地膜的回收與否也會對田間地膜殘余量造成巨大影響[19]，而本研究僅將地膜使用量納入了數(shù)據(jù)分析與處理的范疇，只能一定程度上作為評估地膜造成的土壤微塑料污染的依據(jù)。

本研究完成地膜使用量數(shù)據(jù)的時空分析，旨在通過一系列精準分析來應(yīng)對由地膜和其他塑料制品造成的微塑料污染，為污染防治相關(guān)措施的制定提供一定的科學(xué)依據(jù)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，需著重關(guān)注地膜使用量呈現(xiàn)聚集、高密度使用的黃淮海平原、浙東丘陵、珠江三角洲、四川盆地和新疆地區(qū)，在這些地區(qū)重點推行地膜回收復(fù)用等技術(shù)以降低地膜引起的土壤污染風(fēng)險。

4 結(jié)論

（1）我國地膜使用量由2010 年的118 萬t 持續(xù)增加到2015年的145萬t，但年增幅逐漸放緩；全局空間相關(guān)性分析表明，我國地膜使用一直處于較高的聚集狀態(tài)，總體呈上升趨勢，全局莫蘭指數(shù)在2015 年達到最高值0.627 9。

（2）從空間分布來看，2010—2015 年我國地膜使用熱點主要集中在東部沿海地區(qū)和新疆部分地區(qū)，而地膜使用量最大的區(qū)域主要集中在中西部地區(qū)。

（3）我國2010—2015 年地膜使用量重心向西移動約147 km，揭示我國西部地區(qū)地膜使用量逐漸增加，應(yīng)引起有關(guān)部門重視。