全生物降解地膜对喀什地区土壤微生物和生态系统的影响研究

高欢欢 刘昌文 吐热尼沙·阿布力孜

(喀什地区农业技术推广中心，新疆 喀什 844000)

1 全生物降解地膜与传统PE地膜对比

喀什地区是农业大区，地膜覆盖技术应用带动了农业生产力显著提高和生产方式的巨大改变，农用地摸已成为继种子、化肥、农药之后的第4大农资。2019年喀什地区地膜覆盖面积56.67万hm2，地膜用量3.47万t。农膜的使用给农业产生巨大效益同时，其废旧残膜导致耕地质量下降。根据近年来监测数据显示，喀什地区农田废弃地膜残留量约65.7～236.7kg·hm-2，个别地块的最高残留量达519.3kg·hm-2，是全国平均水平的3～5倍，残留农膜不仅严重危害环境还影响作物产量进一步提高。通过研究全生物降解地膜降解后对土壤的影响，以期为喀什地区推广应用全生物降解地膜提供理论依据。

当前，全生物降解塑料地膜已成为传统聚乙烯地膜的替代品，使用后无需回收，直接翻种到土壤中。全生物降解地膜的成熟配方由生物基聚合物构成，主要包括聚乳酸(PLA)、淀粉、纤维素和聚(丁烯-己二酸-共对苯二甲酸酯)(PBAT)。全生物降解地膜中使用的聚合物含有酯键或多糖，易于微生物水解。理论上，全生物降解地膜应该被土壤微生物完全分解代谢，转化为微生物量、CO2和水。在实践中，并不总是能在合理的时间内观察到完全降解，监管机构和种植者对不可预测或不完全分解以及全生物降解地膜成分的最终降解产物及其对土壤生态系统的影响表示担忧。土壤安全是农业生态系统可持续性的关键组成部分，因此有必要了解全生物降解地膜对作物产量和土壤的影响。

图1 全生物降解地膜生物降解过程

2 全生物降解地膜通过微气候改变对土壤的间接影响

全生物降解地膜由可通过微生物作用降解的聚合物制成，在田间，全生物降解地膜的表现与传统PE地膜一样，通过改变土壤小气候提高作物产量。与需要回收和处置的传统PE地膜不同，全生物降解地膜使用后可直接翻耕到土壤中，土壤微生物会随着时间的推移将其降解，最终矿化为二氧化碳和水及有机质。全生物降解地膜间接影响土壤生态系统和微生物群落功能的一种方式是通过改变土壤微气候。作为土壤表面的屏障，农用地膜可减少蒸发和气体交换，提高温度并降低透光率。这些影响的程度取决于其物理化学性质；如，与全生物降解地膜相比，传统聚乙烯地膜会导致膜下温度过高，并且透气性较差，导致土壤CO2的积累。

作为蒸发的屏障，全生物降解地膜可以导致土壤水分含量增加，最终改变土壤的物理结构；如通过增加水稳定聚集体的比例。全生物降解地膜下有利的湿度和温度条件也会影响植物根系，通常会刺激根系发育并增加根系分泌，导致根际微生物的养分利用率更高。

除了微生物群落结构的变化外，全生物降解地膜也会影响微生物的功能。喀什地区连续3a的研究表明，全生物降解地膜覆盖物下的土壤微生物活性增加。反应很可能取决于全生物降解地膜覆盖物下的变暖量：全生物降解地膜覆盖物使土壤温度更接近微生物的最佳温度并增加活动，而传统地膜覆盖物可能会将温度推高至很高温度，从而限制土壤微生物的活动。微生物活动的变化最终会影响养分循环和储存。

农用地膜覆盖对土壤有机碳(SOC)的影响是根系生长和分泌物分泌增加与微生物分解和损失为CO2之间平衡的结果。对比全生物降解地膜和传统PE地膜覆盖物下SOC的研究产生了不同的结果，初步研究表明，全生物降解地膜覆盖增加了土壤微生物生物碳，而传统地膜覆盖物下的土壤有机碳略有降低。应该注意的是，土壤有机碳的变化发生在较长的时间间隔内，因此大多数覆盖实验的短期(1个或2个季节)性质并不能确切捕捉到这些长期动态，仍需要进一步试验、监测与研究。农用地膜覆盖也会影响土壤中氮的循环。由于农用地膜覆盖提高了用水效率(WUE)，减少了硝酸盐浸出。初步研究表明，与无地膜覆盖相比，传统PE地膜覆盖下的氮利用效率(NUE)提高了60%，全生物降解地膜覆盖下的氮利用率与传统PE地膜无明显差异。

由于土壤湿度、温度、蒸汽扩散率和根系的存在会调节微生物活动，因此地膜覆盖下土壤微气候的改变会影响土壤微生物群落。地膜覆盖还可以减少土壤无脊椎生物的数量，这会降低土壤微生物自上而下的放牧压力。在喀什地区为期5a的研究表明，全生物降解地膜覆盖增加了变形菌和放线菌的相对丰度，改善了在全生物降解地膜覆盖物下增加霉菌毒素真菌。由此可以判断，全生物降解地膜具有类似的间接影响并改变微生物群落结构和多样性。

除了微生物群落结构的变化外，全生物降解地膜覆盖物还影响了微生物的功能，喀什地区的研究表明，全生物降解地膜覆盖物下的微生物活性较传统PE地膜覆盖有所增加。原因是全生物降解地膜的透气性较传统PE地膜好，膜下土壤温度较传统PE地膜低，使得覆盖土壤的温度更接近微生物的最佳温度并增加活动，从而达到微生物适宜的温度，从而更有利于土壤微生物的活动。微生物活动的变化最终会影响养分循环和储存。

总之，喀什地区的研究表明，通过全生物降解地膜覆盖改造膜下小气候环境，对土壤微生物产生及其活性具有较大影响。

表1 不同土壤GHBT全生物降解地膜与其他对照产品的降解后土壤中菌落份数对比

3 全生物降解地膜降解后对土壤的直接影响

传统PE地膜在生长季节过后需要回收，而全生物降解地膜则会被土壤微生物进行生物降解。生长期过后，全生物降解地膜开始逐步降解，在下一季翻耕种植前完全降解，而传统PE地膜由于不可能回收完全，其碎片会在完全生物降解之前对土壤进行物理改性。如，传统PE地膜碎片减少土壤入渗和吸水，其积累可能会影响土壤生态系统并最终影响植物的发芽和生长。

从毒理学的角度来看，喀什地区的土壤测试表明，全生物降解地膜完全降解后，土壤中未检测出可见的植物毒性，未产生生态毒性影响。

全生物降解地膜的成分不仅由主要聚合物组成，还由少量有机(如添加剂、增塑剂等)和无机(钙粉等)成分组成，在喀什地区进行的对全生物降解地膜中使用的几种有机/无机化学物质植物毒性测试的研究表明，并未检测出植物毒性，未对土壤中的微生物及其功能产生影响，也未发现对玉米、甜菜等农作物产生负面影响。当然，此项研究还在持续进行中，还将继续进行监测。

全生物降解地膜完全降解后，土壤中表现为碳(二氧化碳)的输入，但这是一个非常小的微量输入。然而，农业土壤中土壤微生物的生长通常是受碳影响的，喀什地区的研究表明，全生物降解地膜完全降解后输入的微量碳引起了微生物生物量和酶活性的增加和土壤微生物群落结构的积极变化。全生物降解地膜完全降解后，土壤中的真菌丰度增加。研究中还表明，微生物对全生物降解地膜完全降解后的反应受环境、土壤类型等因素影响。

全生物降解地膜引起了微生物生物量和酶活性的增加，以及土壤微生物群落结构的变化。初步研究表明，全生物降解地膜富含某些分类群，如优先选择用于曲霉、青霉和棘阿米巴真菌的PBAT薄膜表面富含子囊菌。喀什地区的初步研究还表明，全生物降解地膜完全降解后，土壤中的真菌丰度增加。但由于本研究中大多数只检查一种土壤类型(喀什地区属于盐碱土壤)及相对有限的几十个位置；多位置点的研究显示，一个地点含真菌，而另一个地点富革兰氏阳性细菌，表明微生物对全生物降解地膜的反应可能受环境、土壤类型等影响。

全生物降解地膜完全降解后对土壤的影响研究虽然持续了5a，仍有必要进一步持续观察微生物群落变化是全生物降解地膜完全降解后产生的特定微气候效应的结果。现有的研究表明，与传统PE地膜处理相比，全生物降解地膜下微生物丰度、呼吸作用和酶活性都有所增加，表明全生物降解地膜确实对微生物活性有一定影响。

土壤微生物增强降解活动的初步研究表明，全生物降解地膜可能最终改变土壤中的碳循环和储存。全生物降解地膜中的碳总量很少，预计大部分会以CO2的形式呼吸。然而，随着时间的推移，将全生物降解地膜反复耕种到土壤中可能会产生累积影响。初步研究表明，与传统PE地膜覆盖物相比，全生物降解地膜的使用导致微生物生物碳增加，这表明对土壤碳动态的影响可能会随着时间的推移而积累。未来的研究还应考虑全生物降解地膜的完全降解是否会影响其他营养物质的循环。本研究对全生物降解地膜使用对相关养分转化的研究周期还很有限；初步研究表明，与传统PE地膜一样，全生物降解地膜对土壤的硝化潜力没有可测量的影响；对其他营养素的影响仍然未知，有待进一步持续研究。

土壤微生物增强降解活动的研究表明，全生物降解地膜的持续使用可最终改变土壤中的碳循环和储存。全生物降解地膜中的碳总量很少，降解后大部分会以CO2的形式呼吸。然而，随着时间的推移，将全生物降解地膜反复耕种到土壤中可能会产生影响。有待进一步持续研究。

4 未来的研究机会

全生物降解地膜是传统PE地膜的有效替代品。然而，对长期使用全生物降解地膜如何影响对作物生产力至关重要的土壤生态系统的理解存在相当大的差距。传统PE地膜对土壤微气候、微生物群落和生态系统的影响为了解全生物降解地膜如何间接影响土壤提供了研究基础。全生物降解地膜可以通过改造膜下小气候改变土壤微生物群落组成和碳、氮循环方面的功能，仍有进一步深入研究的空间。全生物降解地膜在土壤中降解后会改变土壤的物理环境，并成为微生物的新碳源。初步研究表明，微生物活性在全生物降解地膜下得到增强。这表明，尽管来自全生物降解地膜的总碳输入微乎其微，但对微生物活动的刺激作用仍有助于增加土壤微生物生物量并最终促进土壤有机质的增加。

目前，在对全生物降解地膜及其对土壤生态系统的影响的理解方面，仍存在几个关键差距。迄今为止的研究集中在短期影响，通常是1～2个或2～3个生长季节，或急性毒性，长期影响仍有进一步深入研究的空间；全生物降解地膜的成分与微生物反应之间的关系仍需要进一步探索，基于母体聚合物成分和分解产物，不同类型的全生物降解地膜可能会对土壤微生物产生不同的影响；已证明添加剂会从地膜中浸出并影响植物，但对土壤微生物的影响仍有待进一步深入研究。为了解决这些问题，需要进行长期研究，评估土壤健康和可持续性影响。解决这些问题将为种植者和监管机构提供关于农业生态系统全生物降解地膜的安全性和可持续性的必要信息。