缘起

土壤矿质结合态有机质(MAOM)是陆地生态系统中最大的土壤碳库之一。和一般的有机碳库不同，它通过各种物理化学作用与土壤黏/粉粒紧密结合，周转较慢，是相对惰性的碳库，因此其在土壤碳固存方面的重要性不言而喻。有机质存在两个来源，植物源（陆源）和微生物源。植物源是指这部分有机质主要是植物破碎分解产生的，主要携带了植物的诸多特征，比如木质素、纤维素等，一般来说碳氮比较大，分子质量较高；而微生物源主要是植物被微生物直接吃掉继而形成微生物死体（Microbial necromass），所以微生物源的有机质分子质量较小，比如氨基酸、多糖、脂类等，与土壤结合后相对植物源有机质可能更难分解。中科院沈阳生态所梁超曾将这两种路径总结为微生物的胞外修饰和胞内周转，并借鉴海洋碳泵理论提出了土壤中的微生物碳泵概念（Liang et al., 2017, Nature Microbiology）。

厘清这两种来源对MAOM的相对贡献是多少以及影响相对贡献的环境因素是什么对于管理和模拟土壤碳对环境变化的响应至关重要，这将有助于我们进一步对全球变化下的碳循环过程进行建模和预测，也有利于陆地生态系统碳管理和决策。当前土壤有机质领域的研究者普遍认为，MAOM主要来源于微生物残体，植物源贡献较低。想想粉黏粒具有的超大比表面积和遍布的吸附位点，故而应该能结合大量的小分子化合物形成有机无机复合体，这种观点自然获得大多数拥趸。然而，这种认识缺乏令人信服的定量证据。微生物生物标识物，特别是氨基糖，是用于估计微生物与植物对MAOM贡献的主要方法，但是这种方法也存在不足，比如：氨基糖仅为微生物细胞壁的组成成分，利用氨基糖标识物转化微生物残体的转化系数是在室内纯培养条件下获得的，这种转化系数在实际环境中存在较大不确定性，进而会导致依据此系数计算微生物残体的数量估算变异较大。另如，分子指纹图谱方法，包括核磁共振、py-GC/MS等等，也存在一些问题（Whalen et al., 2017, Global Change Biology）。因此，亟需其他独立的证据来研究MAOM中，植物与微生物对MAOM的相对贡献。

化学计量学是一个古老而年轻的话题。从无机化学到经济计量学，许多事物都存在着规律的计量关系，在生态学中亦是如此。例如，经典的海洋浮游生物Redfield 比值C:N:P稳定在106：16：1，营养级之间的能量比约为1：10，土壤碳氮比总在10：1~12:1之间徘徊，无不令人着迷。笔者导师，也是文章的通讯作者丁凡副教授在土壤-作物化学计量学领域深耕多年，摸清了长期施肥-覆膜等农艺措施对土壤元素周转和玉米养分吸收的C:N:P化学计量关系， 并最早在2018年产生了利用化学计量学解决植物源与微生物源对MAOM贡献难题的想法，假设：如果能证明MOAM的C/N等于微生物C/N，就证明了MAOM中微生物源的主导地位。

耕耘

说干就干，我们首先假设微生物生物量C/N与微生物残体的C/N接近，假如MAOM和微生物生物量的C/N无明显差异，则支持MAOM主要是由微生物残体形成的假设。若两者差异显著，则说明MAOM不仅来源于微生物残体，还来源于植物残体。我们也假设以POM代替植物残体C/N，因为若植物残体可以进入MAOM，首先形成颗粒有机质(POM，由未分解或半分解的植物残体组成）（图1）。借鉴同位素混合模型的思想（公式1），我们利用POM（植物残体）和微生物生物量（微生物残体）的N丰度（N/(C+N)）作为端元，去定量微生物和植物残体对MAOM的贡献（f）（公式2，图1）。

fδ_B+(1-f)δ_A⁼δ        (公式1)

f × [N/(C+N)]_Microbe + (1-f) × [N/(C+N)]_POM = [N/(C+N)]_MAOM     (公式2)

两个公式是不是很像？这里的N就类似稳定碳同位素计算外源碳占比里的¹³C数量，而C就相当于¹²C的数量。多么奇妙，但过程充满许多风险。一个典型例子是，有的人可能会问，为什么不用C/N，而用N/(C+N)表示呢？实际上我们一开始也是直接用的C/N，直到一位合作者——耶鲁大学的Mark Bradford教授提出用氮丰度可能更好一些。为什么会这样？我们经过推导发现，第一个公式的基础是建立在¹³C<<¹²C的条件上才成立的，但我们的C和N的差异不算大，如果用原来的思路会产生偏差！所以至此，我们的基础理论得以完善。

图1. 利用POM和微生物生物量组分氮丰度（N/(C+N)）作为端元定量植物和微生物对MAOM贡献的示意图及一个示例

收获

有了明确的方向，我们的工作较为顺利（PS：数据收集和分析过程中仍面对很多问题），利用学术谷歌和Web of Science，最终搜集到了36篇同时报道了POM、MAOM和微生物生物量C/N的文章，并搜集其对应的气候（年均温、平均降水量）和土壤（黏粒含量、pH、SOC、总氮、土壤C/N）因子，共获得了288组数据。通过对比MAOM和微生物生物量的C/N的差异，我们发现MAOM的C/N显著高于微生物生物量，并介于POM和微生物生物量之间（图2），且MAOM与POM和微生物生物量之间存在显著的正相关关系（图3）。这些结果表明微生物残体不是MAOM的单一来源，而是由植物和微生物残体共同形成的。

综合不同生态系统、土壤类型和土层深度，微生物残体对MAOM的贡献在34-47%之间，而植物残体对MAOM的贡献在53-66%之间，森林和农田中的微生物贡献高于草地生态系统（图4a, 5c）。微生物残体对MAOM的贡献随土层深度的增加而增加（图4b, 5b,d）。随机森林分析发现，黏粒含量是影响微生物残体对MAOM贡献的首要因子（图6），表明微生物残体对MAOM形成的贡献可能在黏土和壤土中尤为重要。

图2. 总数据集 (a), 森林 (b)，草地 (c)，农田 (d)中POM，MAOM以及微生物生物量碳氮比的比较

图3. 总数据集 (a), 森林 (b)，草地 (c)，农田 (d)中MAOM与微生物（红色点），MAOM与POM（蓝色点）C/N之间的回归关系

图4. 不同生态系统和土层中微生物残体对MAOM贡献 （不考虑DOM对植物源MAOM的直接贡献）

图5.假设DOM对植物源MAOM的直接贡献分别为10% (a, b)和50% (c, d)时，不同生态系统(a, c)和土层(b, d)中微生物残体对MAOM贡献

图6. 气候和土壤性质对微生物对MAOM贡献的相对重要性的随机森林分析

结语

化学计量学方法的结果表明，在不同的生态系统背景下，微生物输入占MAOM的比例不超过50%。虽然我们的研究结果仍然强调微生物残体是MAOM的重要组成部分，尤其是在深层和黏粒含量高的土壤中，但它挑战了日益流行的微生物残体是MAOM的主要组成部分的观点。这一结果还强调未来仍需要其他独立的证据来定量区分植物和微生物对MAOM的贡献。虽然每种方法都有其局限性，但设计一套互补的方法（比如同时利用不同的生物标识物、同位素、C/N、化学组成等数据去定量同一土壤样本中微生物残体对MAOM的贡献）以便对植物和微生物对MAOM的贡献进行可靠的估计是至关重要的。这样的理解将有助于推进土壤有机碳动态的更可靠的理论阐释以及预测它们对气候变化的响应。

该文于2023年11月14日以“A stoichiometric approach to estimate sources of mineral-associated soil organic matter”为题被生态学领域期刊Global Change Biology（5年影响因子12.3）接收。沈阳农业大学博士研究生常艺为第一作者，丁凡副教授和汪景宽教授为共同通讯作者，共同作者包括美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Noah W. Sokol助理研究员、英国埃克塞特大学Kees Jan van Groenigen副教授、美国耶鲁大学Mark A. Bradford教授、沈阳农业大学博士生吉德昌、瑞士苏黎世联邦理工学院Thomas W. Crowther教授、中国科学院沈阳应用生态研究所梁超研究员、美国康奈尔大学骆亦其教授和德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.17092

编辑 | 常艺、吉德昌

审核 | 丁凡

本文字数：1250字

阅读时间：4分钟

研究背景

秸秆还田或施用生物炭是破解耕地土壤肥力降低难题的有效途径，评价秸秆和生物炭对不同有机质水平土壤的团聚作用和微生物活性等方面性能更好地指导耕地保育。然而，目前对于秸秆及其衍生生物炭在微生物量、土壤团聚以及团聚体内的碳氮周转状况的理解并不充分。因此，配对比较秸秆及其衍生生物炭在土壤团聚体内碳氮稳定性等方面的规律差异可增强我们对两者在耕地保育工作中的理论认识。

材料与方法

向土壤中添加¹³C和¹⁵N双标记的秸秆和生物炭，并进行600天的室内培养，量化溶解性有机质、微生物量、团聚体中的碳氮源于秸秆和生物炭的比例。这里，我们选择了有机物料的类型（秸秆和生物炭）、用量（相当于实际还田量的1倍和2倍）、土壤有机质含量（低和高有机质水平，分别从不施肥、32年施有机肥小区中采集）三个因素进行探究。

结果&讨论

微生物量和溶解性有机质中的外源碳氮：秸秆来源的碳、氮对微生物生物量和溶解性有机质的贡献远高于生物炭（图1），支持了土壤有机质形成的“溶解性有机质-微生物”支路理论，即凋落物转化为土壤有机质部分是通过“溶解性有机质-微生物”途径完成的。此外，土壤有机质水平并非为决定外源碳氮进入微生物量和溶解性有机质中的关键因子。

图 1 培养第20天和200天时的外源碳氮占土壤微生物量碳氮、溶解性有机质碳氮的比例。注：Soil+1S和Soil+2S分别代表添加1倍和2倍秸秆处理，Soil+1B和Soil+2B分别代表添加1倍和2倍生物炭处理，下同。

团聚体数量及外源碳氮：与生物炭相比，100天内秸秆添加增加了土壤团聚体数量（图2，3）。秸秆添加量越大，更大比例的微团聚体转化为大团聚体（图2）。同时，秸秆来源的碳氮在土壤团聚体中的闭蓄量也远超生物炭（图4）。秸秆添加量越大，在各粒径团聚体中检测到的外源碳氮总量也越高（图4）。此外，秸秆或生物炭来源的C:N在团聚体中为5:1-20:1，并随团聚体粒径降低而降低（表2），表明较小粒径团聚体中的土壤有机质分解程度更高。就秸秆类型而言，尽管生物炭本身的C:N秸秆低（表1），添加生物炭的土壤团聚体中的外源C:N比秸秆大（表2）。这可能是因为秸秆添加后更多地形成团聚体的胶结剂，而生物炭添加后的团聚体主要通过生物炭表面与土壤颗粒之间的化学吸附相互作用形成。

图 2 培养600天内的土壤团聚体动态变化

图 3 培养600天内的土壤团聚体平均重量直径的动态变化

图 4 培养100天内进入土壤团聚体的外源碳氮数量

表 1 供试土壤、秸秆和生物炭基础性质

表 2 培养100天内进入土壤团聚体的外源C:N

小结

玉米秸秆及其衍生生物炭对土壤微生物的碳氮同化以及团聚体形成影响相反。秸秆添加短期促进了土壤团聚，相比之下，由于生物炭的难降解性，生物炭对土壤团聚无显著影响。秸秆和生物炭进入土壤团聚体的碳、氮动态规律具有同步性。

该文于2023年9月26日以“Contrasting effects of maize straw and its biochar on aggregation and soil organic matter stabilization”为题被Plant Soil期刊接收。沈阳农业大学丁凡副教授为通讯作者，博士生吉德昌为第一作者，沈阳农业大学汪景宽教授、葛丽炜硕士、安婷婷与李双异副教授、澳大利亚大学新南威尔士基础产业部Lukas Van Zwieten教授、德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授为共同作者。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-023-06313-y

编辑 | 吉德昌

审核 | 丁凡

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

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

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。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11368-023-03450-w。

编辑 | 吉德昌

审核 | 丁凡

李铭轩¹，吉德昌¹，王政宇^1,2，徐英德¹，贾照杰¹，李诗彤¹，常艺¹，冯良山³，张哲³，冯晨³，丁凡^1*

（1.沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳110866；2.辽宁农业职业技术学院，辽宁 营口115009；3.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所，沈阳110161）

本文字数：2213

阅读时间：5分钟

研究背景

        农用塑料地膜具有增温保墒、防病抗虫和抑制杂草等作用，但塑料地膜在自然条件下难以降解，常年覆膜会导致土壤残膜及微塑料的大量累积，严重影响土壤孔隙度和透气性，破坏土壤结构，影响作物出苗、营养收及根系的生长发育。生物降解地膜，可以起到与塑料地膜相当的增温保墒、提高作物产量的效果。更重要的是它在使用后无需回收，在微生物与环境的共同作用下完全被降解为CO₂和H₂O，有望在源头上解决塑料地膜农业应用所带来的环境污染问题。生物降解地膜应用于农田后可以直接作为土壤微生物的碳源，也可以通过改变微气候而间接影响土壤微生物群落及酶活性，从而引起土壤微生物群落的变化。但覆盖生物降解地膜对土壤微生物性质的影响尚不清楚。因此，很有必要系统开展不同颜色的生物降解地膜与塑料地膜的对比试验，探究生物降解地膜对土壤微生物活性、丰度和群落结构的影响。

        聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）是一种良好的生物降解材料，而且具有良好的机械和热性能，已被用于新型生物降解地膜的生产。本文通过大田试验研究黑色和透明的生物降解地膜（PBAT材质）和传统塑料地膜（聚乙烯材质）覆盖对微生物活性（土壤呼吸）、丰度（微生物量碳）和群落结构（磷脂脂肪酸）及土壤水解酶活性（β-葡萄糖苷酶（βG）、半纤维素酶（CB）、N-乙酰葡萄胺糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）和酸性磷酸酶（AP））的影响，比较生物降解地膜与传统塑料地膜的差异，为评价生物降解地膜的环境效应及其未来广泛应用提供科学依据。

材料方法

        本试验在沈阳农业大学海城试验基地与辽宁省农科院作物栽培所阜新试验基地两个地点同时进行。试验于2018年春季设立，为大田试验，玉米垄作连作，一年一熟。采用随机区组设计，共计5个处理，分别为：不覆膜、透明生物降解地膜、黑色生物降解地膜、透明聚乙烯塑料地膜、黑色聚乙烯塑料地膜。每个处理4次重复，共20个小区。2019年春季播种前（4月末）和秋季收获后（10月初），用直径3.5 cm的土钻采集表层土壤（0~20 cm），每个小区随机取5钻混合。测定土壤铵态氮和硝态氮、可溶性有机碳含量、微生物量碳氮及土壤呼吸速率、酶活性和磷脂脂肪酸含量。

研究结果

       短期生物降解地膜覆盖没有增加土壤可溶性有机碳、铵态氮和硝态氮含量（表1）。在本研究中，传统塑料地膜在秋季收获后被回收，而生物降解地膜经过一个生长季后破碎严重，所以整个冬季各处理地块均处于裸露状态，这可能减弱覆膜阻挡可溶性碳氮淋溶的效果。尽管本试验中，生物降解地膜也会因为土壤微生物降解而产生可溶性含碳化合物，但生物降解地膜含碳量比土壤碳库小的多，而且地膜短期内不能完全降解以充分地参与土壤碳循环，故降解产生的可溶性含碳产物几乎可以忽略不计，难以影响土壤可溶性有机碳含量。同时，覆膜也未影响微生物量、土壤呼吸强度和绝大多数覆膜条件下与土壤碳、氮、磷循环相关的土壤酶活性（图1，图2，表2），这可能因为大田试验开展时间较短，不足以影响土壤微生物活性。值得注意的是，覆盖生物降解地膜的土壤呼吸速率有高于未覆膜及塑料地膜覆盖处理的趋势（图2a，2b，P>0.05），这可能因为生物降解地膜在作物生长中期开始破碎，其残留在土壤中以及在分解过程中的中间代谢产物增强了土壤呼吸强度。这种趋势暗示有必要继续开展长期试验验证覆盖生物降解地膜对土壤呼吸的影响。

图1 不同覆膜处理下春秋两季的土壤微生物量碳氮

图2 不同覆膜处理下春季土壤呼吸速率及总累计呼吸量

表1 不同覆膜处理春秋两季的土壤可溶性有机碳、铵态氮和硝态氮含量（mg·kg^–1）

表2 不同覆膜处理春秋两季的土壤水解酶活性（μmol·g^–1 soil·h^–1）

        不同颜色地膜覆盖处理对土壤总磷脂脂肪酸含量和微生物群落结构无明显影响（表4，图3）。透明地膜和黑色地膜的地温只在玉米生长前期比不覆膜田块高4°C左右，且透明地膜的增温效果更明显。而在玉米生长中后期，玉米郁闭度的提高严重削弱了透明地膜、黑色地膜相对于不覆膜地块的增温效果。因此，生长后期的作物对土壤温度的调控有可能是地膜颜色对土壤微生物群落结构影响微弱的原因。覆盖生物降解地膜也没有改变除海城春季土壤放线菌外的微生物群落结构，这可能是因为当季覆膜量只有约140 kg·hm^–2，短期内土壤中无大量残膜积累，没有产生对土壤微生物群落结构的遗留效应。本试验中，海城年均温及年降水量、土壤有机质等均高于阜新，拥有更有利于微生物生长的环境，故其总磷脂脂肪酸丰度也相对较高（表3）。同时，结合主成分分析结果（图4）共同说明，季节和空间因素是影响土壤微生物群落结构的重要因素，这意味着未来的研究应在关注地膜效应的同时注意时空效应对土壤微生物群落结构的影响。

表3 不同覆膜处理下春秋两季的土壤微生物群落总磷脂脂肪酸丰度（nmol·g^–1）

图3 不同覆膜处理下春秋两季的土壤不同微生物群落结构

图4 土壤微生物群落主成分分析

小结

        综上，生物降解地膜覆盖两年未明显改变土壤可溶性有机碳、酶活性、微生物量、微生物群落结构，但覆盖生物降解地膜对土壤呼吸强度有增强的趋势。由于生物降解地膜可为微生物提供碳源（虽然微弱），长期使用生物降解地膜可能会影响土壤微生物丰度和群落。因此，需要通过长期定位试验进一步评估覆膜对土壤微生物的影响。

本文于2022年6月13日以“生物降解地膜对土壤微生物丰度、活性及群落结构的影响”为题在线发表于农业环境科学学报期刊上。

原文链接：https://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1347.S.20220613.0932.002.html。

编辑 | 吉德昌

审核 | 丁凡

本文字数：2165

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写在前面

        本文聚焦施氮和覆膜对秸秆分解和养分释放的影响，为此前文章的姊妹篇。前文关注施氮和覆膜对土壤有机碳变化的影响，详见：https://www.labxing.com/lab/629/research/1664。

研究背景

        秸秆还田是保持土壤肥力的经济高效的农业管理措施。秸秆还田后的分解速率与土壤养分供应和碳固存息息相关，并可能影响许多后续农业管理措施，例如耕作、播种和害虫管理。因此，了解作物秸秆还田后的分解和养分释放模式至关重要。

        施用氮肥和覆盖地膜是当今世界普遍实行的农业管理措施。施氮对秸秆分解的影响是复杂的，其作用受土壤养分状况、秸秆类型、pH、酶活性等因素影响。以往研究表明，施氮可通过改变土壤氮磷养分状况而改变微生物的营养需求，进而影响秸秆分解。例如，施氮可能会导致土壤磷限制，限制微生物的生长，进一步抑制秸秆的分解。再如，低木质素和高木质素植物凋落物的分解对外部氮添加有相反影响，即施氮促进木质素含量低的凋落物分解，抑制木质素含量较高的凋落物分解，所以秸秆根、茎和叶的分解对施氮可能有不同的响应。此外，秸秆氮、磷等养分的释放规律也存在争议。故施氮对秸秆分解进程的影响仍存在极大不确定性。地膜覆盖（PFM）作为保护作物免受低温、干旱和杂草影响的普遍措施，由于其增温保墒作用，可以促进秸秆的分解。然而，目前尚不清楚覆膜与施氮是否交互影响秸秆分解。

        在这项研究中，我们在长期施氮和覆膜玉米试验田中利用传统的凋落物网袋法对玉米秸秆（根、茎、叶）的分解规律进行了为期两年的田间研究。本研究的目的是确定施氮、覆膜、秸秆类型对秸秆分解和养分释放的影响。

材料方法

        本研究基于沈阳农业大学长期施用氮肥和地膜覆盖的定位试验田(~28年)，包括六个处理（两因素：施氮和地膜，施氮包括0、135和270 kg N ha^-1 yr^-1三个水平，地膜包括覆膜和不覆膜两个水平）。第一年将秸秆分为根、茎、叶三种类型，分别装入凋落物尼龙网袋（每袋10 g秸秆），在玉米播种后（5月初）放置在小区地表，在玉米收获时（10月初）取回清洗，留样。第二年同期将秸秆埋入后，生长季后再取出，测定秸秆的质量、纤维素、木质素、C、N、P含量，计算秸秆的质量、纤维素、木质素损失率和养分释放率，同时测定了土壤有效氮、磷含量等指标。

研究结果

        对施氮而言，与对照相比，施低量氮肥抑制了秸秆分解，施高量氮肥对秸秆分解无影响（图2）。土壤有效磷可能主导了施氮对秸秆分解的影响（图4）。具体而言，低氮条件比不施氮和高氮条件的土壤有效磷含量更低（图1），但酸性磷酸酶的活性较大（见姊妹篇），表明低氮处理可能存在微生物磷限制。微生物磷限制抑制微生物生长和代谢，进而抑制了低量氮肥条件下秸秆的分解速率。同时，我们排除了土壤有效氮含量和pH对施氮影响秸秆分解的可能性。作物残体释放的氮和磷对施氮的响应不同（图3）。一方面，施氮减少了秸秆氮的释放（图3），土壤有效氮含量的增加导致除茎外的其他秸秆氮的释放减少（图4）。另一方面，施氮并不影响秸秆磷的释放（图3，图4）。这是因为秸秆有机磷的释放主要通过水解机制而非氧化作用。

        对覆膜而言，覆膜促进了第一个生长季的秸秆的质量损失（图2），但并没有改变养分释放的速率（图3）。因为在覆膜小区中，土壤本身容易满足微生物养分需求，从而最大限度减少微生物从秸秆中获取氮和磷的需求。

        对秸秆类型而言，叶的分解和氮释放速度比根和茎快（图2，图3），这是因为叶的木质素/氮最低（质量最好）。然而，秸秆磷释放并不遵从这一规律。茎的磷释放率最高，而叶的磷释放率最低（图3），这是因为茎中的初始磷浓度较高，C/P比低于其他两种残留物（表1）。此外，由于叶表附着由微生物产生的副产物（它们同样可被视为类木质素物质），导致叶分解后木质素类物质增加（图2i）。

图1 施氮和覆膜条件下的土壤有效氮和有效磷含量。N₀、N₁₃₅、N₂₇₀分别指0、135和270 kg N ha⁻¹ yr⁻¹施氮量。N：施氮；PFM：覆膜。

图2 经过一季和两季分解后秸秆（根、茎、叶）的质量、纤维素及木质素损失率。PFM: 覆膜；N₀, N₁₃₅, N₂₇₀ 分别指0, 135和270 kg N ha⁻¹ yr⁻¹施氮量。采用三因素方差分析，下同。

图3 经过一季和两季分解后秸秆（根、茎、叶）的碳损失率及氮、磷释放率。

图4 根、茎、叶的质量和养分损失率和土壤氮、磷含量的关系。

表1 秸秆的原始性质

小结

        秸秆分解和养分释放受到氮肥、地膜覆盖和残体类型的独立影响。相比不施氮处理，低氮处理延缓了秸秆的分解，高氮处理不影响秸秆的分解，而两者均减缓了秸秆的氮释放，但没有改变磷的释放。地膜覆盖促进了第一生长季的秸秆的分解，但不影响秸秆氮和磷的释放。叶的分解和氮养分释放速率快于根和茎。综上，这项研究为施氮-覆膜农业管理模式下秸秆分解和养分循环的影响提供了具体依据。

        本文于2022年5月13日以“Crop residue decomposition and nutrient release are independently affected by nitrogen fertilization, plastic film mulching, and residue type”为题在线发表于European Journal of Agronomy期刊。沈阳农业大学丁凡副教授和汪景宽教授为通讯作者，博士生吉德昌为第一作者，共同作者包括澳大利亚悉尼大学Feike A. Dijkstra副教授、沈阳农业大学硕士生贾照杰、沈阳农业大学李双异副教授。

        我们感谢中科院生态所张伟东研究员和林贵刚副研究员、重庆大学林敦梅副教授、丹麦奥胡斯大学陈骥老师、美国华盛顿州立大学Markus Flury教授对本研究提出的宝贵意见，同时感谢沈阳农业大学战秀梅副教授、于晓庆老师、王雪鑫、李铭轩、张思威、张晋豪、赵娅妮、孟琦等同学在实验过程中的帮助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1161030122000831?dgcid=author。

编辑 | 吉德昌

审核 | 丁凡

本文字数：2033

阅读时间：7分钟

研究背景

       研究植物地上和地下资源如何影响土壤生物的代谢活性是研究土壤食物网的结构力和植物-土壤反馈动力学的关键一步。土壤线虫是土壤食物网的关键组成部分，其代谢活动在土壤碳循环中起着重要的作用。线虫的代谢活动在很大程度上取决于植物来源的资源，即植物地上和地下输入可以直接（资源的质量和数量等）或间接（距离资源的远近等）作用于土壤微生物，进而通过食物网改变线虫的数量和群落组成。但是，目前我们尚未充分理解植物地上和地下输入对土壤线虫代谢足迹（即贯穿线虫生活史的碳的获得和释放数量）的差异。

      因此，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）对土壤线虫群落组成和代谢足迹的影响，这有助于理解土植物地上-地下输入驱动的土壤碳循环过程以及线虫在此过程中发挥的作用。

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10月底，采集各处理土样进行土壤线虫提取和代谢活性测定。

草地植物地上和地下输入定位试验（辽宁海城）

研究结果

        与没有植物输入的地块相比，地下输入的地块中杂食性线虫和植食性线虫的丰度增加，而地上输入对线虫丰度的影响有限（图1）。同时，植物地上和地下输入处理的线虫群落组成差异很大（图2）。群落组成的差异是由四种输入处理的不同资源可用性造成的。与地上输入提供的资源相比，地下输入的根系分泌物容易被微生物利用，从而形成了结构更复杂的土壤线虫群落，这其中包括了多个捕食性和杂食性分类群，如Aporcelaimium、Aporcelaimellus、Prodorraimus和Microdorraylamus（图2）。线虫通道比率计算表明，真菌分解通道在地上输入处理占主导地位，而细菌分解通道在地下输入处理占主导地位（图3）。这可能是因为土壤真菌更倾向分解难分解的碳源，相比地上输入，植物根系通过分泌大量不稳定的碳（如游离糖），可能会刺激细菌生长，导致地下输入土壤中食细菌线虫增加。

图1 植物不同输入途径下的土壤线虫数量。NI，不输入；+A，仅地上输入；+B，仅地下输入；+A + B，地上和地下输入。下同。

图2 植物不同输入途径下土壤线虫属的RDA分析。箭头代表相对丰度超过3%的线虫属(10个属)。

图3 植物不同输入途径下的线虫通道比率(NCR)。

       同时，与没有植物输入处理相比，地下输入增加了食细菌足迹，而地上输入增加了食真菌足迹（图4a）。这证实了资源通过地下输入的食细菌通道和地上输入的食真菌通道流入土壤线虫食物网。与地上输入相比，地下输入没有增加线虫富集足迹，但增加了结构足迹（图4b）。地下输入的大量杂食性线虫可能通过自上而下的控制限制了营养水平较低的线虫的发育，这解释了地上和地下输入之间的富集足迹没有差异（图4b）。与其他处理相比，植物地上和地下均处理的线虫功能代谢足迹更大（图4c），这意味着，该处理下有更多的碳在土壤线虫食物网中流通。杂食性线虫以及整个线虫群落在植物地下输入下比在地上输入下表现出更高的碳利用效率（图5）。作为K型生物，杂食性线虫通常需要大量的碳来维持其庞大的体型和生物量。地上输入相对难分解的的纤维素或木质素，导致了从食真菌动物到杂食性捕食者的碳转化存在时滞，进而导致地上输入下杂食性线虫的碳利用效率较低；而在植物地下输入条件下，杂食性线虫和总线虫的碳利用效率更高，暗示了地下输入对土壤固碳可能有促进作用。

图4  土壤线虫功能代谢足迹。富集足迹指来自较低营养水平的线虫对资源富集的快速反应的代谢足迹，而结构足迹则表示较高营养水平的代谢足迹，控制较低营养水平的群落组成。

图5 植物不同输入途径下的线虫生产碳、呼吸碳和碳利用效率(CUE)。

小结

       植物地下输入比地上输入对土壤线虫群落的发展贡献更大。植物地上输入形成了以真菌为基础的土壤线虫群落，而细菌分解途径在地下输入系统中发挥更大作用。地下输入通过增加细菌和杂食性线虫的代谢碳来刺激土壤线虫的代谢活动。土壤线虫在地下输入系统中具有较高的碳利用效率，暗示了植物地下输入增强了土壤固碳能力。综上，我们的研究比较了植物地上和地下输入条件下线虫群落组成、代谢活性和碳利用效率的差异，揭示了植物不同输入途径下土壤固碳效应的土壤动物机制。

       本文于2022年4月19日以“Belowground plant inputs exert higher metabolic activities and carbon use efficiency of soil nematodes than aboveground inputs”为题在Geoderma期刊在线发表。沈阳农业大学张志勇老师为第一作者，丁凡副教授为通讯作者，共同作者包括德国康斯坦茨大学Rutger A. Wilschut博士、瑞士纽赫大学Sergio Rasmanne博士、西班牙国家农业与食品研究所Sara Sánchez-Morenof博士、沈阳农业大学硕士生王晗和贾照杰、沈阳应用生态所张晓珂研究员、辽宁省环境规划研究院有限公司张迪工程师，以及沈阳农业大学李炳学教授。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706122001902?dgcid=author。

编辑 | 王晗、吉德昌

审核 | 丁凡

研究背景

聚乙烯塑料薄膜在农业生产中得到了广泛的应用，它的使用有益于土壤增温保墒，抑制杂草，增加作物产量，但由于其不可降解性，塑料残留会造成严重的环境污染（破坏土壤结构，阻碍根系生长）。生物降解地膜则有望解决聚乙烯地膜的污染问题，它可以通过微生物代谢转化成无毒化合物，如二氧化碳或甲烷等。为了成为一种可行的替代品，生物可降解地膜需要实现与传统聚乙烯薄膜相同的农艺功能。然而，生物降解地膜能否达到聚乙烯地膜相似的农学效应，还需要田间试验进行验证。

材料与方法

我们于2018年和2019年在沈阳农业大学海城试验站进行为期两年的野外试验，比较聚乙烯地膜与生物可降解地膜的覆盖对玉米生长的农学效应影响。玉米采用垄沟模式种植，覆盖处理包括透明生物降解地膜、黑色生物降解地膜、透明和黑色聚乙烯地膜，以及不覆盖(对照)，测定内容包括土壤温度和湿度；玉米生物量，产量以及品质；土壤参数；土壤蒸散量，玉米水分利用效率和土壤热时间累积量。

研究结果

在生长季早期，与不覆盖对照相比，覆盖透明地膜可提高土壤温度，而覆盖黑色地膜可降低或不改变土壤温度。在2018年，透明膜覆盖的土壤热时间总体上显著长于黑色膜覆盖和无覆盖处理。在2018年和2019年，覆膜处理对蒸散量（ET）和玉米水分利用效率(WUE)均无影响。

图1 2018年和2019年生长季节，生物可降解塑料覆盖(BDM)和聚乙烯覆盖(PE)，透明膜（Clear）和黑色膜（Black），覆膜（mulch）和不覆膜（no-mulch）处理在5 cm和25 cm土层的日平均温差，误差棒表示标准误（n=4）。

图2 不同覆膜处理下的热时间，蒸散量，玉米水分利用效率

不同覆盖处理间土壤化学性质(pH、SOC、全氮和速效磷)无显著差异，而聚乙烯覆盖物具有降低容重的趋势。土壤温度、根系形态在相同颜色的生物可降解地膜和聚乙烯地膜之间相近。2018年和2019年不同覆膜处理的玉米产量、秸秆质量、地上生物量、百粒重和穗长均无差异。在玉米籽粒中有机化合物和营养元素中，黑色生物降解地膜处理的玉米蛋白质、脂肪、氮、磷含量普遍高于其他处理，说明黑色生物降解地膜对玉米品质的促进作用尤为显著。2018年，根系长度、质量、表面积、体积和根冠比与热时间呈负相关（P < 0.05 or P <0.01），籽粒蛋白质含量与根长呈正相关关系(r = 0.54, P < 0.05)，籽粒脂肪含量与根质量(r = 0.45, P < 0.05)、根体积(r =0.51, P < 0.05)成正相关关系，2019年，种子、根系性质的有机化合物与热时间无显著相关性。

图3 2018年玉米籽粒有机化合物与根系特征及热时间的相关性

结论

研究表明，在湿润的大陆性气候条件下，透明和黑色生物可降解膜的农艺表现(包括土壤湿度和温度、根系生长和玉米产量)与透明和黑色聚乙烯薄膜覆盖玉米生产相当；黑色生物可降解地膜覆盖下的玉米品质最好。

该研究结果于2021年4月以“Agronomic performance of polyethylene and biodegradable plastic film mulches in a maize cropping system in a humid continental climate”为名发表于Science of the Total Environment期刊上，沈阳农业大学丁凡副教授为通讯作者，沈阳农业大学硕士生王政宇为第一作者，共同作者包括沈阳农业大学硕士生李铭轩，华盛顿州立大学Markus Flury教授，田纳西大学Sean M. Schaeffer教授，沈阳农业大学博士生常艺，沈阳农业大学硕士生陶招、贾照杰和李诗彤，沈阳农业大学汪景宽教授。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721025316

编辑 | 陶招

审核 | 丁凡

本文字数：1567

时间：5 分钟

研究背景

地膜覆盖技术是现代农业栽培的一把双刃剑。一方面，地膜覆盖通过改善了作物生长的水热条件，促进作物早熟、增产。另一方面，长期使用塑料地膜会导致残膜在土壤中积累，进而破坏土壤结构，威胁作物产量。随着时间的推移，残膜将破碎分解为体积更小的微塑料。这些微塑料身材娇小形态各异，不仅可以随风飘散，还可以通过淋滤和生物扰动在土壤中迁移，污染能力兼具“广度”与“深度”，已然成为地膜覆盖土壤中不容忽视的另一污染问题。量化地膜覆盖产生微塑料的数量便是评估地膜污染、寻找治理途径的首要工作。

材料与方法

本研究基于沈阳农业大学建立的长期地膜覆盖和施肥试验平台，调查连续32年覆盖聚乙烯地膜土壤中大塑料与微塑料污染情况，并探究氮肥对塑料污染的影响。该研究区为玉米连作，选取四个处理（两因素：施氮和地膜，施氮包括0和135 kg N ha^-1 yr^-1两个水平，地膜包括覆膜和不覆膜两个水平），测定0-20cm土壤中大塑料的重量、数量（片数），同时对0-100cm土壤进行微塑料提取与计数并使用FTIR测定微塑料成分，SEM与EDAX联用测定微观形态与表面元素。并实地测定地膜回收率。

研究结果

对大塑料而言，施氮肥增加了大塑料的丰度。施氮小区比不施氮小区的大塑料的数量和重量分别高约10倍和6倍(图1A，1B)。这是因为施氮肥促进了根系生长，这增加了地膜与根系的纠缠，进而阻碍收获后地膜的回收。对微塑料而言，覆膜小区表层土壤(0-10 cm)中微塑料平均丰度为7183-10586 particles/kg ，深层土壤(80-100cm)微塑料丰度为2268-3529 particles/kg(图2A)，表明一定量的微塑料已经迁移至深层土壤中。在0-100cm剖面内，覆膜对微塑料总量的贡献率为33%-56%。施肥增加了土壤中薄膜状微塑料的丰度，在0-100cm剖面上数量约为未施肥的2倍（3.7×10⁶ vs 2.2×10⁶ particles/m_²，图2E）。 

图1. 施氮对长期地膜覆盖玉米耕层 (0-20 cm)大塑料总量和尺寸分布的影响。A：大塑料数量;B：大塑料重量;C：每片塑料的重量;D：三种尺寸塑料的相对比例(<4 cm², 4-25 cm²， >25 cm²)

图 2. 施氮对长期地膜覆盖玉米土壤剖面(0-100 cm)微塑料数量、类型和深度分布A:微塑料总量;B:薄膜状微塑料;C:纤维状微塑料;D:颗粒状微塑料;E: 0-100厘米剖面累积的薄膜、纤维和颗粒微塑料数量

显微镜观察到不同颜色（黑色、棕色、黄色、蓝色和透明）和形状（薄膜状、颗粒状和纤维状）的微塑料（图3）。其中，薄膜状微塑料和颗粒状微塑料均为透明塑料，纤维状塑料包括有色塑料和透明塑料。薄膜塑料被鉴定为聚乙烯及其共聚物，包括低密度聚乙烯和线性聚乙烯，证实薄膜微塑料很可能来源于塑料地膜。纤维微塑料被鉴定为人造纤维、聚酯对苯二甲酸、聚丙烯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)和聚酯对苯二甲酸。颗粒微塑料主要由聚(n -甲基丙烯酰胺)组成。这些地膜来源微塑料（薄膜状微塑料）表现出明显的表面侵蚀特征，表面形貌表现为沟槽、凹坑和孔洞(图4A)。孔的表面和外边缘还有明显的风化痕迹。

图3. 长期塑料覆盖土壤微塑料的红外光谱和显微镜图像。A:田间使用的聚乙烯塑料地膜;B、C、D:薄膜状微塑料;E、F、G、H:纤维状微塑料;I:颗粒状微塑料。%表示所测光谱与FTIR光谱库相匹配度

图4.微塑料的扫描电子显微镜图像。A:薄膜状微塑料，B:纤维状微塑料，C:颗粒状微塑料。元素光谱是能量色散的x射线光谱

小结

长期塑料地膜覆盖导致残膜在土壤中积累，随着时间的推移，宏观塑料残留物将分解成更小的微塑料。微塑料通过土壤剖面迁移，并分布到深层土壤。此外，施氮通过促进土壤根系生长增大了地膜回收的难度，从而大大增加了土壤大塑料和微塑料的累积量。这项研究为我国农田土壤塑料污染的风险管控与治理提供科学依据。

该文于2022年2月2日以“Macro- and microplastic accumulation in soil after 32 years of plastic film mulching”为题在Environmental Pollution期刊在线发表。沈阳农业大学丁凡副教授为通讯作者，沈阳农业大学硕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，沈阳农业大学王展老师，北京市农林科学院徐笠副研究员，沈阳农业大学李双异副教授，班戈大学Davey L Jones教授，沈阳农业大学汪景宽教授。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749122001592。

编辑 | 李诗彤、吉德昌

审核 | 丁凡

丁  凡^1,2，严昌荣^2*，汪景宽¹

（1.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳110866；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081）。文章刚刚被《土壤通报》接收。

引子

      东北黑土地区作为我国重要的商品粮基地，粮食产量占全国的1/4，商品量占全国的1/4，调出量占全国的1/3。东北平原及低山丘陵区土壤多具有暗沃表层，有机质含量高，团粒结构好，水肥气热协调，土壤肥沃，因此被称为“黑土地”。由于其在全球范围内稀有且遭到破坏后很难恢复，黑土地被称为“耕地中的大熊猫”。近些年，由于长期高强度和不合理地利用，加之土壤侵蚀，黑土地部分地区土层变薄，有机质含量下降，土壤退化明显，严重威胁到东北地区农业可持续发展。“黑土地保护”作为一项国家战略，已经写进我国“十四五”规划和“2035年远景目标纲要”，力争到2025年，黑土地保护性耕作实施面积达到1.4亿亩；科技部正在启动一系列“黑土地保护与利用科技创新”国家重点研发计划；中国科学院与辽宁、吉林、黑龙江三省政府均签署了“黑土粮仓”科技会战框架协议，中国科学院战略性先导科技专项（A类）“黑土地保育与智能感知科技创新工程（黑土粮仓）正在启动。然而，目前“黑土地保护”科技攻关项目主要关注提升土壤有机质含量、降低土壤侵蚀、减少面源污染、推广保护性耕作等热点问题，虽然黑土地上地膜残留与污染日渐严重，但一直被忽视，需要引起社会各界的高度关注。

1  东北地区地膜应用及残留概况

1.1 地膜覆盖面积和使用量持续稳定在高位水平

       地膜是继种子、化肥和农药之后的第四重要的农业生产资料。全国每年地膜使用量近150万吨，覆盖面积约3亿亩，对保障我国农产品安全供给做出巨大贡献。东北地区（东北三省加上内蒙古东四盟）农田覆膜总面积从2005年开始持续增加，2014年到达最大值后呈下降的趋势（图1）。近五年，东北地区每年地膜覆盖的总面积持续稳定在1600万亩以上，占东北耕地总面积（4.49亿亩）的4%，其中辽宁省覆膜面积为476.6万亩，内蒙古东四盟为471.4万亩，黑龙江省455.0万亩，吉林省274.2万亩（图1）。

      最近三十年，东北地区地膜的使用量先持续增加，2013年到达峰值，之后呈现缓慢下降的趋势（图2）。其中，辽宁省地膜使用量最大，近十年稳定在4万吨/年左右；黑龙江近十年平均地膜年使用量为3.04万吨，曾在1996和1997两个年份大面积推广地膜，最高达到3.8万吨，之后15年缓慢上升，2014年后呈现下降的趋势；吉林省地膜使用量在过去三十年一直呈现增加的趋势，近十年平均地膜年使用量为2.64万吨。内蒙古东四盟地膜年使用量从2005年到2017年一直逐年增加达到2.66万吨，2018年下降到1.99万吨。整个东北地区最近五年地膜平均年使用量为11.73万吨。从1993年到2019年，东北三省地膜的总使用量为199.89万吨。

图 1 2005 ~ 2018年东北地区地膜覆盖面积

注：吉林、辽宁、黑龙江数据来自2005-2018的《中国农村统计年鉴》；东四盟包括赤峰市、通辽市、呼伦贝尔市和兴安盟，其数据来自2005-2018的《内蒙古县域经济社会调查年鉴》。2011年东四盟数据缺失。

1.2 农田地膜碎片残留愈来愈严重

       地膜应用区域主要集中在东北西部生态脆弱区、北部冷凉区和中南部暖凉区。西部生态脆弱区覆盖地膜多用于农田保水和提高水分利用效率，以稳定和增加作物产量。因为该区域旱灾频发，所以连续覆膜年限较长，有的长达10年以上，加之长期广种薄收，农业生产管理粗放，地膜残留严重，部分地区大量残膜积聚于耕层，严重影响农田耕作质量和生态环境，对作物产量造成严重威胁。北部冷凉区多用于增加土壤温度，抵御低温冷害和提高作物产量，连续覆膜年限平均为1 ~ 3年。中南部暖凉区多为了提高复种指数、增加经济效益、提高农产品品质和产量，部分地区一年覆盖两茬作物，尤其在果蔬生产上应用地膜较多，尽管农田管理相对精细，农田残膜清理效率相对较高，但农田地膜残留依然较多。辽宁省地膜残留主要分布在辽西（阜新、朝阳）及沿海（大连、营口）等地区，吉林省主要分布在其西部松原、白城、四平等城市，黑龙江省主要分布在哈尔滨、牡丹江、齐齐哈尔、绥化、佳木斯等地区，内蒙古东四盟主要分布在赤峰市。

       2015年，农业农村部农膜污染防控重点实验室在东北地区布设了45个采样点，开展了土壤地膜碎片（一般粒径大于5 mm）残留量的调查。据现场调研显示，长期覆膜农田土壤地膜残留在28.8 ~ 151.7 kg hm^-2之间，平均为77.0 kg hm^-2，超过100 kg hm^-2的调查点有3个，分别是位于呼伦贝尔市莫力达瓦达斡尔族自治旗的玉米田（105.7 kg hm^-2）、赤峰市阿鲁科尔沁旗的玉米田（143.3 kg hm^-2）和赤峰市巴林右旗的玉米田（151.7 kg hm^-2）。这意味着，东北地区玉米田地膜残留量可能高于种植其它作物的农田。据一项在吉林省扶余县、梨树县、乾安县的样方调查研究显示，作物类型显著改变地膜残留量，连续覆膜10年条件下，瓜菜轮作模式、玉米连作模式、花生连作模式的地膜残留量分别为30、28、16 kg·hm^{-2 [1]}。一项黑龙江省龙江县的研究显示，当玉米田地膜投入量为45 kg·hm^-2时，连续使用地膜1和8年残膜量分别为26.55 kg·hm^-2和81.6 kg·hm^-2，平均每年残留量达10.76 kg·hm^-2，每年残膜量达到地膜使用量的1/4 ^[2]。塑料地膜的成分是聚乙烯，性质十分稳定，一般完全分（降）解需要十几年、甚至上百年时间，因而地膜残留具有明显的累积性、长期性。

图 2 1993 ~ 2019年东北三省（a）及2005 ~ 2018年内蒙古东四盟（b）地膜使用量

注：吉林、辽宁、黑龙江数据来自1993-2019的《中国农村统计年鉴》；东四盟包括内蒙古自治区赤峰市、通辽市、呼伦贝尔市和兴安盟，数据来自2005-2018的《内蒙古县域经济社会调查年鉴》。2011年东四盟数据缺失。

1.3 来自地膜的微塑料污染尚没有引起重视

       微塑料，即粒径小于5 mm的塑料碎片和颗粒。它是大块塑料经紫外线照射、碰撞磨损或微生物降解等方式而破碎形成的微（纳）米级塑料。微塑料的污染和危害最早是在海洋和河流中被报道，它对水生动物（鱼类、鸟类、贝壳类等）有着很大的危害，甚至会致死^[3]。土壤中微塑料的污染最近几年也成为热点，原因是它可能进入植物体内而进入食物链，引发严重的环境和健康问题^[4]。我国地膜覆盖具有特殊性，全球地膜用量74%在中国，农田土壤地膜残留是我国特有的污染问题。粒径大于5 mm的地膜碎片通过碎裂或崩解可以形成更小的微塑料，这种地膜产生的微塑料残留与污染，还没有受到足够的重视。沈阳农业大学连续覆膜32年的定位试验地中地膜残留量高达360 kg hm^-2，并且试验地0 ~ 20 cm表层土壤中微塑料数量超过10000个 kg^-1，1 m深处的土壤中微塑料超过4000个 kg^-1。这意味着微塑料在土壤中能够向下迁移，存在污染地下水的风险。另外，地膜产生的微塑料还可能随水进入周边河湖中，甚至进入海洋中，带来面源微塑料污染。考虑到微塑料（聚乙烯）的稳定性，它对环境的污染将具有长期性。因此，地膜产生的微塑料污染值得我们高度重视。

2  东北地区地膜残留的影响因素

       厘清地膜残留的影响因素，可以有效地控制东北地区地膜残留与污染。影响地膜残留的因素包括：地膜质量、覆膜年限、作物种类、覆膜方式和回收水平等。

2.1.地膜的质量

       主要表现在地膜的耐老化能力差、强度低和厚度不达标，地膜厚度一般在0.006 mm，回收十分困难，所以地膜残留量很大。日本和欧美国家地膜厚度一般在0.02 mm以上，由于地膜质量较好，使用后地膜仍比较完整，机械回收后农田土壤中几乎不存地膜残留。为了规范和控制我国地膜质量，国家发改委与生态环境部于2020年1月联合发文《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，禁止生产和销售厚度小于0.01 mm的聚乙烯农用地膜。2020年9月1日，农业农村部、工业和信息化部、生态环境部、市场监管总局等四部门联合颁布的《农用薄膜管理办法》明确指出：农用薄膜生产者应当落实国家关于农用薄膜行业规范的要求，执行农用薄膜相关标准，确保产品质量。通过国家这些政策和规定，相信地膜质量会得到控制，地膜残留会有所减轻。

2.2 地膜覆盖年限

       地膜残留量与覆膜年限关系极大。严昌荣等对新疆农垦科学院连续10年和20年覆膜种植棉花的农田残留地膜情况进行调查，结果表明两田块的地膜残留量分别为259.65 kg hm^-2和307.95 kg hm^-2。马辉等调查了邯郸市不同覆膜年限棉花田地膜残留情况，发现连续覆膜2年、5年和10年的棉田中地膜残留量分别为59.1 kg hm^-2、75.3 kg hm^-2和103.4 kg hm^-2。东北地区地膜残留量也会随覆膜年限而增加。

2.3 种植作物种类

       种植方式为粮油作物轮作（如大豆-玉米）的旱作农田，连续覆膜年限相对较短，农田地膜残留量相对较低。但灌溉农田覆盖地膜的增产效益更高，其地膜覆盖年限和残膜数量明显高于旱作农田，尤其近年来区域大面积推广膜下滴灌技术，显著增加了区域地膜的使用数量和灌溉农田残膜的污染程度。前文已述，东北地区连续种植玉米土壤中地膜残留量可能高于种植其它作物的土壤。

2.4 覆膜方式

      根据全国地膜污染国控点的数据分析，不同覆膜模式下0 ~ 20 cm土壤地膜残留量各不相同，其中半膜覆盖平均地膜残留量为8.81 kg hm^-2，全膜覆盖平均地膜残留量为14.71 kg hm^-2，机械覆膜平均地膜残留量为20.15 kg hm^-2。半膜覆盖地膜残留量显著低于全膜覆盖，人工覆膜条件下地膜残留量低于机械覆膜。

2.5 地膜回收能力

       现有的回收技术较为落后，可用的回收机具缺乏，主要依赖其他农事操作活动被动带出农田，严重制约了地膜回收。全国地膜污染国控点数据显示，不同回收方式对0 ~ 20 cm土壤地膜残留量影响差异显著。其中，机械回收加人工捡拾地膜残留量为1.69 kg hm^-2，机械回收地膜残留量为3.93 kg hm^-2，人工捡拾地膜残留量为13.88 kg hm^-2，不回收地膜残留量为40.79 kg hm^-2，整体表现为，机械回收加人工捡拾<机械回收<人工捡拾。人们对地膜残留污染认识不足，需要投入较多的人力和物力，主动回收地膜的作业很是少见，绝大多数覆膜农田没有进行主动的地膜回收活动。总体上来说，东北西部地区农业生产水平相对粗放，农田残膜回收效率较低，回收率不足65%。中部地区劳动力密集程度和农业机械化水平较高，故农田残膜回收效率相对较高，回收率达75%左右。

       从目前地膜应用和回收现状分析，东北地区未来农田地膜残留问题会越来越严重，尤其是在应用面积可能出现较大幅度增加情况下，如果没有相应的应对措施，如减少地膜用量、采取替代技术和加强回收等，有可能成为我国地膜残留最严重的区域之一。

3  地膜残留对农业的危害和对环境的污染

3.1 地膜残留影响土壤理化特性，降低土壤质量

       首先，地膜残留会改变土壤物理化学性质，残膜的聚集阻碍土壤毛细管水的运移和降水的渗透，并增加土壤斥水性，导致土壤中局部缺水，对土壤容重、孔隙度和通透性都产生不良影响，造成土壤板结。由于高强度的利用，长期地膜覆盖可能会耗损土壤养分，包括大量元素（(N、P、K等）与微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn等），降低土壤地力。其次，地膜及其产生的微塑料可能会吸附土壤中重金属和有机污染物（包括多环芳烃、多氯联苯、杀虫剂、除草剂和抗生素），污染物随着微塑料的运移可以迁移，使土壤的污染情况更为复杂和严重。此外，残膜及其产生的微塑料，可能成为致病菌等有害微生物的运输载体，并影响土壤微生物的群落和土壤动物的生长与发育，从而影响土壤生态系统健康。

3.2 地膜残留会影响作物的生长和发育，进而影响农作物的产量

       由于残膜对土壤的理化性质造成不良影响，必然造成农作物种子发芽困难，根系生长发育受阻，农作物生长发育受抑制。同时，残膜隔离作用影响农作物正常吸收养分，降低肥料利用效率，致使产量下降。有研究通过控制试验发现，当2 m²耕地中埋入2、4和8 m²的地膜后（相当于1年、2年、4年覆膜的残留量），小麦产量分别较对照减少15.3%，30.8%和46.2%。残留地膜对花生产量有极显著的影响，尤其是单株结果数影响较大，减产率高达32.9%。最近的一项基于全球数据的整合分析结果显示，一公顷农田土壤中每增加100 kg的残膜，棉花产量降低2.6%，而土豆和玉米的产量变化无明显趋势。

3.3 残膜产生的微/纳米塑料可被蔬菜或作物吸收，危害人体或动物健康

       来自意大利卡塔尼亚大学的科学家在《Environmental Research》杂志上指出，卡塔尼亚超市和当地售卖的农产品都含有微塑料，研究人员采集了胡萝卜、生菜、西兰花、土豆，苹果和梨的样品，发现水果与蔬菜植株体内存在微小的塑料碎片。来自中国科学院烟台海岸带研究所和荷兰莱顿大学的学者在《Nature Sustainability》上发表的另一项研究发现，莴苣和小麦作物根部的裂缝可以吸收周围土壤与水中的微塑料，这些微塑料可以从作物根部转移到可食用部分。地膜产生的微塑料，是否会进入蔬菜或作物体内，目前还缺乏研究。

3.4 地膜残留影响农机作业，也造成视觉和其他污染

       由于回收残膜的局限性，加上处理回收残膜不彻底，残膜还可能缠绕在犁头和播种机轮盘上，影响田间作业。部分清理出的残膜弃于田地、水渠、林带中，影响生态环境，造成“视觉污染”。另外残膜的碎片还会随农作物的秸秆和饲料混在一起，牛羊等家畜误食后，可导致肠胃功能不良，严重时会引起牲畜死亡。在全国出现多起羊、牛吞食了化纤塑料之类杂物而死亡的事例。

4  亟待开展的研究工作

4.1 摸清东北黑土地地膜残留的空间分布和数量

       分作物（玉米/花生/水稻）和蔬菜设置采样点，调查辽宁、吉林、黑龙江以及内蒙古东部四盟农田地膜残留情况，并结合覆膜面积，估算东北黑土地地膜的残留总量。

4.2 明确残膜对作物/蔬菜等农产品安全的负面作用

       选取黑土地地膜污染较严重的地区，结合长期地膜覆盖定位试验，分析地膜残留对作物/蔬菜生长的负面影响，测定作物/蔬菜可食用部分中的微塑料含量，明确地膜残留对农产品安全的影响。

4.3 评价长期地膜覆盖对土壤健康的影响程度

       选取黑土地地膜污染较严重的地区，开展土壤物理性质、化学性质、生物及微塑料的监测，评价长期地膜覆盖/地膜残留对土壤健康的影响程度。

5  展望与建议

5.1 积极控制玉米和花生地膜覆盖面积，保证东北地区旱地地膜使用量的零增长

       控制东北地区地膜污染最重要的措施是：减量使用，源头控制。研究农膜使用的总量控制政策，大幅度压缩玉米、花生覆膜面积，实现玉米覆膜面积的负增长。玉米是东北地区地膜覆盖面积最大的农作物，也是地膜残留较严重的作物。近年在政策支持（大幅度补贴地膜覆盖技术应用）、价格因素（通过国家收储政策，导致玉米价格上涨）等共同作用下，使得农民大规模进行覆膜种植玉米。针对目前玉米生产和国际市场情况，要采取政策措施、价格调节手段，大幅度压缩地膜覆盖玉米种植面积，实现玉米覆膜面积的负增长。

5.2 严格限制厚度小于0.01 mm地膜的使用

       当前，市面上仍有销售厚度小于0.01 mm的地膜，由于其价格低廉，农民不知情而购买使用。国家有关部门要进行定期市场督查，严格限制厚度小于0.01 mm地膜的生产和销售。同时，也要对农民进行相关知识的科普宣传，让他们逐渐主动性地选择较厚的地膜。

5.3 提高残膜回收能力，回收率提高到80%以上

       当前，我国地膜回收处理还相对粗放，关于地膜回收处理的法律、法规和管理办法也是近几年开始着手制定和颁布，但关于具体的实施机制还没有完全建立。未来需要明确东北政府部门、地膜生产者、销售者、使用者的权力、责任和义务，构建由地膜产业链相关方共同承担的地膜生产者有限责任延伸机制。政府负有对地膜生产、销售、回收处理监管和问责权力，同时还应该为回收地膜处理承担一定的义务和责任，比如投入一定比例的资金，或者是通过补贴农民进行地膜回收。作为地膜使用者（农民），必须承担地膜使用结束后将地膜按照一定要求收回来并进行适当处理的责任和义务。作为地膜生产者和销售者，应按照国家和地方有关规定，生产合格地膜产品，且承担与地方政府、地膜使用者共同完成使用后的地膜回收处理责任。

5.4 加快生物降解地膜的研发和应用

       生物降解地膜是解决地膜残留污染重要途径之一，但其成本较高、且总体效果并不优于塑料地膜，因此很难大面积地推广。未来应该加强生物降解地膜的原材料、配方和生产工艺的研究，提高产品质量和降低成本，尤其是要研发针对特定黑土区域和特定作物的专用生物降解地膜产品。并且，政府需要使用一些农业上的补贴或奖励，鼓励农民使用生物降解地膜。

       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。

       英文论文链接

编辑 | 陶招

审核 | 丁凡

         秸秆还田是一种常见的农田措施。秸秆还田会向土壤中增加有机物，可能会增加土壤有机碳；但另一方面，秸秆还田可能加快土壤有机碳的分解（激发效应），而降低土壤有机碳。这些过程可能因土壤肥力和秸秆类型而异。因此，研究土壤肥力和秸秆残体类型对秸秆碳和土壤有机碳的分解的影响，对理解秸秆还田后土壤碳的收支过程至关重要。本研究将¹³C标记的玉米根、茎、叶分别添加到两种肥力不同的土壤中，经过360天的室内培养，周期性地测定土壤中¹³C同位素含量。我们发现，培养一年时间，低肥力土壤中玉米残体碳的矿化量要大于高肥力土壤，但在不同类型的残体之间没有差异。在高肥力土壤中，添加根、茎、叶在培养初期对土壤有机碳都表现为负激发效应，而在培养后期表现为正激发效应。而在低肥力土壤中，添加根、茎、叶没有表现出显著的激发效应。并且，360天培养后，总的激发效应在根、茎、叶之间没有显著差异。此外，高肥力土壤中，残体碳和土壤老碳总的分解量是低肥力土壤的1.4倍。综上所述，土壤肥力对植物残体碳和土壤老碳的分解受的影响要大于残体类型的影响。研究结果于2018年8月发表在SCI杂志Journal of Soils and Sediments上。论文第一作者为沈阳农业大学的徐英德博士生，通讯作者是沈阳农业大学的丁凡和汪景宽教授。

Fig. 1  Temporal change in δ¹³C and δ¹⁵N values in the treatments of low (a, c) and high fertility (b, d) soils amended with residues. LF low fertility soil (control), LF + R low fertility soil + root, LF + S low fertility soil + stem, LF + L low fertility soil + leaf, HF high fertility soil (control), HF + R high fertility soil + root, HF + S high fertility soil + stem, HF + L high fertility soil + leaf. Error bars are standard errors (n = 3)

Fig. 2 The proportion of residue C mineralization relative to the initial added residue C in the low (a) and high (b) fertility soils. LF low fertility soil (control), LF + R low fertility soil + root, LF + S low fertility soil + stem, LF + L low fertility soil + leaf, HF high fertility soil (control), HF + R high fertility soil + root, HF + S high fertility soil + stem, HF + L high fertility soil + leaf. Error bars are standard errors (n = 3)

论文全文请见：https://link.springer.com/article/10.1007/s11368-018-2152-7#Sec7

论文免费下载https://www.labxing.com/pdf.js/web/viewer.html?file=/files/lab_publications/3982-1634890165-eLMhxJzE.pdf

      过去的研究发现，土壤中添加生物质炭对土壤碳既可以表现为正激发（加快土壤有机碳的分解），也可以是负激发（减缓土壤有机碳的分解），或者无激发（不影响土壤有机碳的分解）。然而，却不清楚为什么出现这种情况，即哪些因子在控制生物质炭的激发效应。

         沈阳农业大学的丁凡博士与澳大利亚大学新南威尔士基础产业部的Lukas Van Zwieten教授合作，从过去27个室内培养的研究中搜集了1170组数据，利用增强回归树模型（Boosted regression tree）来解析不同因素对生物质炭的激发效应的贡献。

        结果表明： 室内培养条件和生物炭性质对生物质炭激发效应的影响大于土壤性质。对生物质炭激发效应影响较大的因子是培养时间，土壤湿度，生物炭C/N和N含量，制备生物炭时的热解时间和土壤质地。正激发效应多发生在室内培养的前2年，之后转变为负激发效应。 低N生物炭或土壤湿度较高时多表现为负激发效应，反之则表现为正激发。并且，生物质炭产生负激发的程度随生物炭C/N，热解时间，土壤粘粒含量增加而增加，但随土壤C/N增加而降低。此外，作者还分析了生物质炭产生正激发和负激发效应的机质。

       研究成果于2017年12月22日发表在《土壤与沉积物期刊》（Journal of Soils and Sediments）上。论文第一作者和通讯作者是沈阳农业大学的丁凡博士。

Fig. 1.Percentage relative influence of factors on the priming effect following biochar amendment. The inner figure showed the comprehensive influence of incubation conditions, biochar properties and soil properties

Fig. 2. Partial dependence plots showing the variation in biochar priming effect by incubation condition variables used in the BRT model. a Incubation time. b Incubation soil moisture. c Incubation temperature. d Biochar dose (% dried soil weight). e Nutrient addition or not. The fitted function shows the relationship between ES and an explanatory variable while all other explanatory variables are kept constant at their mean level. The shading shows the 95% confidence intervals estimated, and the vertical bars show the standard deviations, from 500 bootstrap samples of the data set. The horizontal dashed line represented a predicted ES value equal to 0

Fig. 3  Partial dependence plots showing the variation in biochar priming effect by biochar properties used in the BRT model. a C/N ratio. b Biochar nitrogen content. c Pyrolysis time during biochar production. d Biochar pH. e Biochar carbon content. f Ash content. g Pyrolysis temperature during biochar production. h Feedstock types. i Whether biochar was activated. The fitted function shows the relationship between ES and an explanatory variable while all other explanatory variables are kept constant at their mean level. The shading shows the 95% confidence intervals estimated, and the vertical bars show the standard deviations, from 500 bootstrap samples of the data set. The horizontal dashed line represented a predicted ES value equal to 0

论文全文请见：https://rd.springer.com/article/10.1007/s11368-017-1899-6

       土壤CO₂和N₂O的排放过程均是微生物主导的酶促反应，气候变暖会加快这些反应的速率，而进一步增加大气中温室气体的浓度和地球温度。因此，土壤温室气体排放与全球变暖可能形成一个正反馈。这样的话，在没有其它负反馈的调节下，地球温度会越来越高，地球上的生命可能会受到很大的影响。因此，土壤温室气体排放对全球变暖如何响应是预测未来气候的一个关键科学问题。 

       土壤中不同粒级组分（砂粒级、粉粒级和黏粒级）代表着不同活性（稳定性）的碳（C）库，它们中温室气体排放对温度变化的响应可能不同，而引起不同质地土壤温室气体排放的温度响应存在差异。研究不同粒级组分的温室气体排放对温度变化的响应可以揭示土壤 C 库的活性和土壤质地是否影响土壤温室气体排放对气候变暖的响应。然而，目前关于土壤不同粒级组分的温室气体排放的研究较少，尤其是关于它们对温度变化响应的研究。 

        本研究采集了草地、林地、农田（旱耕土、水稻土）土壤，其中农田土壤包括施化肥和施有机肥（或化肥-有机肥配施）处理，将土壤分成砂粒级（>50 μm）、粉粒级（2~50 μm）和黏粒级（<2 μm）三种组分，在室内连续变温培养（从 5°C逐步升高到 30°C，再从 30°C 逐步降回到 5°C，步幅为 5°C），测定每个温度下它们的 CO2和N2O 速率。主要结果如下： 

         1）所有土壤中，砂粒级中有机碳的分解速率快于粉粒级和黏粒级，但它们对温度的敏感性指数 Q10 却表现为：黏粒级>粉粒级>砂粒级。20°C 培养温度下，砂粒级中有机碳的分解速率分别为粉粒级和黏粒级的 1.8 倍和 2.1 倍；而黏粒级中有机碳分解的 Q10 值分别比粉粒级和砂粒级高 10%和 15%。结构方程模型结果显示，粘粒级组分中高底物有效性（可溶性碳）是导致其Q₁₀较高的主要原因。虽然粘粒中Q10较大，但只导致在培养的早期，粘土的Q10大于砂土，而在培养后期没有这种现象。研究结果发表在2018年《European Journal of Soil Science》第69卷https://doi.org/10.1111/ejss.12530 和《PLoS ONE》https://doi.org/10.1371/journal.pone.0095348上。

    2）所有土壤中，粉粒中N2O排放速率都低于砂粒级和粘粒级组分。在水稻土中，粘粒级组分中N2O排放的Q10值最大；而在草地土壤中，砂粒级的Q10最大。N2O 排放的Q10 值与 CO2 的 Q10值呈显著的正相关关系，回归方程表明 N2O 排放的 Q10 值比 CO2 的 Q10 值平均小 8%。研究结果发表在2018年《Science of the Total Envrionment》https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.08.428

       通过在东北草甸草原大尺度采样， 系统评估了开垦对东北草甸草原0-100 cm深度土壤碳氮储量的影响：发现开垦后30~100 cm土层有机碳的丧失是0~30 cm土层有机碳丧失的35%，表明可以利用土表层土壤有机碳的变化推断深层土壤有机碳的变化，为IPCC评估土地利用变化报告提供参考，研究结果发表在《Plant and Soil》2013年第373卷第1-2期。论文第一作者为丁凡博士，通讯作者为中科院沈阳应用生态研究所的曾德慧研究员。论文2018年被国际土壤联合会主席Rattan Lal独自执笔的Global Change Biology文章重点引用。

Fig. 1 Location of the six sampling sites in Northeast China. The left panel shows the distribution of grassland types in China

Fig 2 Relationship of SOC changes after GCC between in 30–100 cm profile and in 0–30 cm profile

全文请见：https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-013-1827-5