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。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969723032977?via%3Dihub
编辑 | 李诗彤
审核 | 丁凡
