本文字数：1828

阅读时间：6分钟

研究背景

     地膜覆盖是保障缺水或寒冷地区农业生产力的重要技术措施，为我国乃至全球粮食安全作出了巨大贡献。然而，地膜变成了“地魔”。地膜的广泛、持续使用导致农田中残留大量的塑料和微塑料。虽然许多研究表明，地膜或微塑料残留会抑制大田作物生长，但这些研究均是添加新鲜地膜碎片或微塑料来模拟塑料残留，并且微塑料的添加量都远高于真实土壤中的数量。真实覆膜土壤中残留的地膜碎片或微塑料都经过了多年的老化过程，塑料的物理（比如变脆）和化学性质（比如发生了氧化）都发生了巨大变化。因此，过去残膜或微塑料添加试验不能代表真实的地膜残留场景，可能会误判结果。

     为了模拟地膜残留的真实场景，作者2021年在33年持续覆膜玉米试验田中随机选择两垄停止覆膜（称作“过去覆膜”），与一直不覆膜处理进行比较，评估长期覆膜（残膜和微塑料残留）对玉米生长和土壤养分的遗留效应。同时，也评估了33年施用尿素氮肥（只施N肥）对农田生态系统的影响。

材料方法

      本研究基于沈阳农业大学长期（1987年设立）覆膜和施肥试验平台，在覆膜小区中随机选择两垄(5 m×2 m)，在2021年停止覆膜，称作“先前覆膜”；从未覆膜的小区设为对照，称作“从未覆膜”。另外，实验设计中包括了氮肥因素的两个水平（不施氮和施氮135 kg N ha^-1 yr^-1）。所以，本研究共包括四个处理：不施氮-先前覆膜、不施氮-从未覆膜、施氮-先前覆膜、施氮-从未覆膜。生长季测定玉米六叶期、抽雄期及成熟期的地上、地下生长指标和土壤理化性质。

研究结果

      土壤指标：过去覆膜比从未覆膜表层土壤湿度高5−16%（图1a）。对于施N肥处理，过去覆膜土壤中NO₃^-含量远低于未覆膜土壤（图1d）。对于NH₄⁺、有效磷（Olsen-P）、磷酸酶活性来说，过去覆膜和从未覆膜处理没有差异。施用氮肥比不施肥土壤湿度低5−16%（图1a），pH低1个单位（图1b）。与比不施肥处理相比，施用氮肥提高了NO₃^-含量（图1d），对NH₄⁺没有影响（图1c），却降低了有效磷（Olsen-P）含量（图1e）。

图 1 生长期内的土壤湿度(a)、pH (b)、NH₄⁺(c)、NO₃^-(d)、Olsen-P (e)含量和磷酸酶活性(f)。

玉米生长、产量、生育期：长期覆膜未对玉米的生长和产量造成负的遗留效应（图2、3、4）。长期反而在玉米幼苗期有积极的影响，体现在过去覆膜条件下玉米株高（图2a）、茎粗（图2b）、地上生物量（图2f）和总根长（图3a）高于一直不覆膜。由于在苗期的促进如用，长期覆膜会促进玉米早熟6~10天（图4）。RDA分析表明土壤湿度在调控长期覆膜对玉米苗期生长的促进作用，抽穗期和成熟期土壤水分不再是玉米生长的限制因素，因此没有表现出促进作用。

长期施氮对玉米生长造成了严重的磷限制（图1e，2，3，4）。长期施氮会降低土壤pH值（图1b），进而可能增加铁和铝矿物的溶解度，磷可通过与游离Fe³⁺和Al³⁺的再沉淀来降低土壤磷的有效性（图1e）。pH降低还可以增强铁/铝氢氧化物通过配体交换强烈吸附磷的能力。与土壤有效磷含量降低一致，施氮小区的玉米根磷含量较低（图3f）。然而，施氮诱导的缺磷现象仅在六叶期抑制玉米生长（图4），这一阶段施氮处理玉米叶片较低的叶绿素浓度也表明植株生长受到胁迫（图2c）。为抵御缺磷胁迫，施氮小区的玉米根系分泌了更多的磷酸酶以活化土壤磷（图3e）。在抽穗期和成熟期，施氮小区中的玉米地上和地下生物量最终恢复到与未施氮小区相同的水平（图2f，3d）。

       图 2 根系总长度(a)、总表面积(b)、总根体积(c)、生物量(d)、根系磷酸酶活性(e)、根系磷(f)。N₀-PrevPFM不施氮-先前覆膜；N₁₃₅-PrevPFM不施氮-先前覆膜；N₀-NeverPFM施氮-从未覆膜；N₁₃₅-NeverPFM施氮-从未覆膜；V6六叶期；VT抽雄期；R6成熟期。下同。

图 3 玉米产量(a)，百粒质量(b)，穗轴长(c)，生长过程和蜡熟时间(d)

图 4 茎粗(a)、株高(b)、叶片叶绿素(c)、类黄酮(d)、氮平衡指数(e)、地上生物量(f)

图 5 (a) 六叶期 (b) 抽雄期 (c) 成熟期作物生长及土壤性质指标的RDA分析

小结

      尽管覆膜导致大量大塑料和微塑料积累在土壤中，但长期覆膜并未对土壤结构、玉米生长和产量造成负的遗留效应。长期施氮导致土壤pH降低1个单位，进而降低土壤有效磷含量，造成玉米生长早期出现暂时性缺磷现象。本研究第一次在野外真实场景下评价长期覆膜的遗留效应，挑战了当前地膜残留抑制大田作物生长的认知。未来研究应扩展到其它作物，以全面客观揭示长期覆膜对作物生长的遗留效应。

      该文于2023年5月31日以“Consequences of thirty-three years of plastic film mulching and nitrogen fertilization on maize growth and soil quality”为题被环境领域Top期刊Environmental Science & Technology接收。沈阳农业大学丁凡副教授为第一兼通讯作者，共同作者包括沈阳农业大学李双异副教授和硕士卢洁、美国农业部Chad J. Penn教授、中科院沈阳应用生态研究所王庆伟研究员和林贵刚副研究员、西班牙全球生态研究所Jordi Sardans和Josep Penuelas教授以及德国柏林自由大学Matthias C. Rillig教授，沈阳农业大学汪景宽教授为共同通讯作者。

研究背景

传统的地膜覆盖为作物生产带来了农艺效益和经济效益，但由于塑料地膜回收困难，回收率低，未被移除的残膜会大量存留在土壤中，从而对土壤性质，作物生长，食品安全造成负面影响。现如今，生物降解塑料地膜(BDM)已成为传统塑料地膜的一种有前途的替代品，因为它有同样的农艺效果，并可以在收获后耕作到土壤中，最终在土壤中降解为二氧化碳和矿物质，从而减少地膜回收工序。然而，生物降解地膜在田间土壤中的降解往往并不理想，远远低于实验室水平。但目前关于BDM退化的田间测量仍然很少，也不清楚生物降解地膜是否会产生微塑料，及其在土壤中能存留多长时间。目前，生物降解地膜已经上升到国家需求，因此探究生物降解地膜的生态安全已经迫在眉睫。

材料方法

试验地点在中国辽宁省海城市，我们在2018年单次覆盖生物降解地膜，生物降解地膜以聚己二酸丁酯-对苯二甲酸酯(PBAT)和聚乳酸(PLA)为原料，选用透明和黑色两种颜色。我们量化了生物降解地膜覆盖后4年内产生大塑料 (＞5mm)和微塑料(检测尺寸为0.1-5mm)的动态变化，并提出了一种新的提取生物降解地膜源微塑料的实验方法。

研究结果

当前提取普通（不可降解）微塑料的方法中一般利用氧化剂（H₂O₂或NaOH）去除土壤中植物残体有机质，但是生物降解地膜微塑料在提取时可能会被这些氧化剂氧化。本研究建立了一种新的生物降解地膜微塑料提取方法——H₂O-ZnCl₂密度浮选法，不用氧化剂而用水的密度（1.0 g cm^-3）浮选法去除土壤中植物残体有机质，然后用ZnCl₂溶液（1.6 g cm^-3 )浮选出生物降解地膜微塑料（1.38 g cm^-3）。该方法微塑料计数结果有较好的重现性（变异系数小于30%）和较高的回收率（超过90%），是一种稳定可靠的方法。

图1 生物降解微塑料(MP)的提取和计数方法（H₂O-ZnCl₂密度浮选法）

生物降解地膜大塑料在覆膜后3年（地膜混入土壤2.5年）才完全消失（图2A）。从2019年秋季到2020年秋季，覆盖透明地膜和黑色地膜地块的大塑料数量大幅度减少（图2B）。FTIR显示BDM塑料不断降解，黑色和透明的BDM经历了类似的变化模式（图2C和2D）。BDM可能在光氧化水解酶等作用下发生了分子链断裂。

图2 大塑料的质量(A)、数量(B)和化学成分(C和D)动态

生物降解地膜也会产生微塑料，微塑料数量在2021年春季（覆膜后3年，地膜混入后2.5年）达到最高值（350 ~ 525 个/kg），2021年秋季（覆膜后3.5年）降到50 ~ 125 个/kg，这意味着生物降解地膜产生的微塑料在土壤中的存留时间可能只有几年；在大多数时期 ，透明BDM比黑色BDM产生更多的微塑料，但透明BDM衍生的微塑料数量下降得更快，导致2022年春季的数量较低。

图3. 黑色及透明生物降解地膜(BDM)后土壤中微塑料(0.1- 5mm)丰度的动态变化

该文于2023年6月3日以“Dynamics of macroplastics and microplastics formed by biodegradable mulch film in an agricultural field”为题在Science of The Total Environment期刊接收。沈阳农业大学丁凡副教授为通讯作者，沈阳农业大学博士生李诗彤为第一作者，共同作者包括华盛顿州立大学Markus Flury教授，沈阳农业大学汪景宽教授。

本文字数：1614

阅读时间：4分钟

研究背景

       植物通过地上（凋落物）和地下（死根、根系分泌物等）输入为土壤微生物群落提供食物和能量。植物地上输入指在秋季地上凋落物凋落破碎后直接或者通过降雨渗入土壤深层，这一过程通常漫长而迂回。植物地下输入在生长季持续进入根际，并且其中大部分可被土壤微生物快速利用。因此，植物地上和地下输入在维持土壤微生物的丰度和群落多样性方面起着不同的作用。

       一般研究发现，地下输入对微生物丰度和群落结构的影响比地上凋落物质输入更大。然而，大多数研究均在生长季进行，常忽视了非生长季节下土壤微生物对地上和地下输入响应的重要性。实际上，在非生长季仍会有一些活性微生物参与凋落物的分解过程，其活性和丰度受温度影响可能较低。但考虑到非生长季地下输入不能提供微生物所需的碳源，我们猜测地上输入将在非生长季维持微生物丰度和群落方面发挥重要作用。

       在这项研究中，我们利用进行了两年的草地植物地上和地下输入野外原位试验，分别研究植物地上输入（地上部凋落物）和地下输入（根系分泌物以及死根等）对生长季节前/后的微生物性质，以检验植物地上输入在非生长季节维持土壤微生物群落结构方面发挥重要作用的假设。

材料方法

      本试验于2018年春设立于辽宁海城，采用随机区组实验设计，共设置三个区组，每个区组包含四个处理：无植物输入(NI)、仅植物地下输入(+B)、仅植物地上输入(+A)、植物地上和地下输入(+A+B)。草地植物的生长季节为5月到10月，生长季内每两周从NI和+A小区中人工拔除长出的草。当生长季末期(10月底)植物枯萎变黄时，将+B小区的地上植物生物量刈割，然后转移到同一区组的+A小区，均匀分布在土壤表面。+A+B小区的地上植物部分也被刈割并均匀覆盖在自身小区地表，以保证措施与+A小区一致。在2019年4月(代表生长季前)和10月底(代表生长季后)，采集各处理土样测定土壤PLFAs、水解酶酶活性、微生物量碳氮、有机碳（SOC）和总氮（TN）、土壤培养呼吸（代表微生物活性）、温度和湿度等。

研究结果

        生长季前，微生物活性、丰度和群落组成在+A和NI处理之间相似（图1、图2、图4a），表明植物地上输入在生长季节前维持土壤微生物方面没有发挥重要作用。尽管地上输入会给土壤带来大量新鲜有机物，相当于地下输入的9倍，但生长季节前的低温限制了微生物的活动。生长季前仅在+A+B处理的AM真菌比其他处理有更大丰度，而+A和NI处理的微生物丰度相似（图2b）。与之一致，地上植物输入没有影响微生物多样性（图3a）。

        生长季后，+B处理的土壤微生物群落结构与+A+B处理相似，NI和+A处理更为接近（图4b），表明植物地下输入在生长季后维持土壤微生物方面起决定性作用。植物在生长季通过其根部将可溶性有机物持续分泌到土壤中，所以采样时的土壤可能存在遗留效应，仍存在部分根系分泌物供微生物利用。同时，与地上输入相比，地下输入还包括死根，能够提供不稳定和难分解的多样化碳源，促进多种微生物生长。因此，地下输入在生长季节后保持了土壤微生物多样性（图3b），同时佐证了微生物活性（图1）、丰度（图2）和群落组成（图4）的结果。

图 1 生长季前和生长季后的土壤呼吸速率和累计呼吸量

图 2 生长季前和生长季后的土壤微生物类群

图 3 生长季前和生长季后的微生物香农指数

图 4 土壤磷脂脂肪酸的PCA分析

小结

       生长季前，植物地上输入和无输入的土壤微生物活性、丰度、群落组成和多样性均相似。生长季后，植物地下输入在维持土壤微生物结构方面起决定性作用。综上，在非生长季，地上输入在维持土壤微生物群落结构方面没有起决定性作用。

      本文于2023年2月9日以“Aboveground litter input is not important for soil microbes during the non‑growing season”为题在Journal of Soils and Sediments期刊在线发表。沈阳农业大学贾照杰硕士和吉德昌博士生为共同第一作者，丁凡副教授为通讯作者，共同作者包括中国农业大学臧华栋教授、沈阳农业大学汪景宽教授、中国农科院环发所严昌荣研究员及沈阳农业大学博士生李诗彤和硕士李铭轩、王政宇、卢洁。感谢国家自然科学基金42071069的资助。