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。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c08878
编辑 | 卢洁、吉德昌
审核 | 丁凡
