土壤有机碳在全球碳循环中起着至关重要的作用。土壤既可能是碳汇也可能是碳源。土壤有机碳含量的微小变化可能会对气候变化产生重要影响。作为一种农田管理措施，覆盖塑料地膜可能显著地改变土壤有机碳的含量。地膜覆盖可以带来很多好处，比如提高土壤温度和湿度、减少杂草和害虫、提高作物产量和质量等。然而，塑料地膜的成分是聚乙烯聚合物（很难降解），虽然用完会被回收，但总有一些地膜会残留到土壤中，产生塑料污染。
生物降解地膜替代是解决塑料膜污染问题最有效的方法之一。预计到2025年，全球生物降解地膜的市场价值将超过6800万美元，2021至2026年均增长率为7.1%。因此，生物可降解地膜将在农业生产中得到越来越多的使用。在这篇文章中，我们对生物降解地膜是否会影响土壤碳平衡进行讨论。
与传统的塑料薄膜不同，生物降解地膜在作物收获后不用回收，耕作会将它混入土壤中。土壤微生物会将生物降解地膜降解成CO2，同时部分碳被微生物同化成其生物量（与作物秸秆类似）。微生物死亡后的残体可进一步形成矿物结合态有机质或被包裹在土壤团聚体中，形成在土壤中长期储存的有机碳。因此，部分生物降解地膜来源的碳可以被转化为稳定的土壤有机碳，在土壤中被固持下来（图1）。因此，长期使用生物降解地膜可能具有增加土壤碳储量的潜力，并有利于土壤健康。
图1 生物降解地膜对土壤有机碳的间接和直接影响
注：“+”表示生物降解地膜覆盖下该指标增加，“？”表示响应未知
然而，目前尚不清楚，生物可降解地膜中的碳最终会有多大比例会转化为稳定的土壤有机碳。生物降解地膜的标准一般规定：实验室测试中生物降解地膜中90%的碳要被降解成CO2。因此，生物降解地膜混入土壤中，大部分碳以CO2的形式释放出来，剩余的碳可能成为土壤有机碳。如果我们保守地假设，在持续使用塑料薄膜的过程中，每年最多有10%的生物可解地膜碳转化为土壤有机碳，假设生物降解地膜每年的投入量为26.6 g m-2，其碳含量为55%，那么，生物降解地膜形成土壤有机碳的速率为1.46 g C m-2 year-1，使用生物降解地膜5年、10年、20年后土壤碳库的增加量分别为7.3 g C m-2、14.6 g C m-2、29.2 g C m-2。它们占典型土壤表层（0~30 cm）碳储量的比例为0.1%，0.2%、0.4% (假设土壤有机碳含量为20 g kg-1，容重为1.2 g cm-3)。
除了地膜直接向土壤中输入碳以外，生物降解地膜还可以通过改变土壤微气候间接影响土壤有机碳（图1）。地膜作为土壤表面的屏障，减少了土壤蒸发和气体交换，导致土壤温度和水分的增加。这一般会加快土壤呼吸(碳输出)的速率，但同时也会促进作物的光合作用，加快了碳输入的速率。由于对土壤微气候的改变相当，生物降解地膜对土壤碳储量的间接影响应该与塑料地膜相似。由于塑料地膜使用后会回收，它向土壤中直接的碳输入微乎其微，因此塑料地膜对土壤碳的影响主要是其间接影响。大多数试验研究和文献数据整合分析表明，传统聚乙烯塑料地膜覆盖后的土壤碳储量没有变化甚至减少。因此，生物降解地膜的间接影响可能不会增加土壤有机质。
生物降解地膜对土壤碳储量的总体影响等于其间接和直接效应的总和(图1)。生物降解地膜即使使用20年，其直接影响(每平方米十几克碳)也比表层土壤中的绝对碳库(每平方米几千克碳)小几个数量级，甚至比土壤碳库的测量误差 (每平方米几百克碳)小。并且，生物降解地膜对土壤碳储量的间接影响尚未表现出一致的影响。因此，我们认为长期使用生物降解地膜不会产生可观的固碳效应，也就是不会增加土壤有机质含量。当然，仍然需要长期的田间试验来验证我们的推断，并追踪生物降解地膜释放碳的途径。
以上内容于2021年8月31日以“Does long-term use of biodegradable plastic mulch affect soil carbon stock?”为题，作为观点文章（Perspective），发表在Resources, Conservation & Recycling期刊（影响因子10.204）上。沈阳农业大学丁凡老师为第一和通讯作者；华盛顿州立大学的Markus Flury教授，田纳西大学的Sean M. Schaeffer副教授，沈阳农业大学的徐英德博士和汪景宽教授为共同作者。本研究由国家自然科学基金(42071069)和英国自然环境研究委员会(NE/V005871/1)资助。
编辑 | 陶招
审核 | 丁凡
