全生物降解地膜對喀什地區(qū)土壤微生物和生態(tài)系統(tǒng)的影響研究

高歡歡 劉昌文 吐熱尼沙·阿布力孜

(喀什地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆 喀什 844000)

1 全生物降解地膜與傳統(tǒng)PE地膜對比

喀什地區(qū)是農(nóng)業(yè)大區(qū)，地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用帶動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力顯著提高和生產(chǎn)方式的巨大改變，農(nóng)用地摸已成為繼種子、化肥、農(nóng)藥之后的第4大農(nóng)資。2019年喀什地區(qū)地膜覆蓋面積56.67萬hm2，地膜用量3.47萬t。農(nóng)膜的使用給農(nóng)業(yè)產(chǎn)生巨大效益同時，其廢舊殘膜導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降。根據(jù)近年來監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，喀什地區(qū)農(nóng)田廢棄地膜殘留量約65.7～236.7kg·hm-2，個別地塊的最高殘留量達(dá)519.3kg·hm-2，是全國平均水平的3～5倍，殘留農(nóng)膜不僅嚴(yán)重危害環(huán)境還影響作物產(chǎn)量進(jìn)一步提高。通過研究全生物降解地膜降解后對土壤的影響，以期為喀什地區(qū)推廣應(yīng)用全生物降解地膜提供理論依據(jù)。

當(dāng)前，全生物降解塑料地膜已成為傳統(tǒng)聚乙烯地膜的替代品，使用后無需回收，直接翻種到土壤中。全生物降解地膜的成熟配方由生物基聚合物構(gòu)成，主要包括聚乳酸(PLA)、淀粉、纖維素和聚(丁烯-己二酸-共對苯二甲酸酯)(PBAT)。全生物降解地膜中使用的聚合物含有酯鍵或多糖，易于微生物水解。理論上，全生物降解地膜應(yīng)該被土壤微生物完全分解代謝，轉(zhuǎn)化為微生物量、CO2和水。在實(shí)踐中，并不總是能在合理的時間內(nèi)觀察到完全降解，監(jiān)管機(jī)構(gòu)和種植者對不可預(yù)測或不完全分解以及全生物降解地膜成分的最終降解產(chǎn)物及其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響表示擔(dān)憂。土壤安全是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的關(guān)鍵組成部分，因此有必要了解全生物降解地膜對作物產(chǎn)量和土壤的影響。

圖1 全生物降解地膜生物降解過程

2 全生物降解地膜通過微氣候改變對土壤的間接影響

全生物降解地膜由可通過微生物作用降解的聚合物制成，在田間，全生物降解地膜的表現(xiàn)與傳統(tǒng)PE地膜一樣，通過改變土壤小氣候提高作物產(chǎn)量。與需要回收和處置的傳統(tǒng)PE地膜不同，全生物降解地膜使用后可直接翻耕到土壤中，土壤微生物會隨著時間的推移將其降解，最終礦化為二氧化碳和水及有機(jī)質(zhì)。全生物降解地膜間接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)和微生物群落功能的一種方式是通過改變土壤微氣候。作為土壤表面的屏障，農(nóng)用地膜可減少蒸發(fā)和氣體交換，提高溫度并降低透光率。這些影響的程度取決于其物理化學(xué)性質(zhì)；如，與全生物降解地膜相比，傳統(tǒng)聚乙烯地膜會導(dǎo)致膜下溫度過高，并且透氣性較差，導(dǎo)致土壤CO2的積累。

作為蒸發(fā)的屏障，全生物降解地膜可以導(dǎo)致土壤水分含量增加，最終改變土壤的物理結(jié)構(gòu)；如通過增加水穩(wěn)定聚集體的比例。全生物降解地膜下有利的濕度和溫度條件也會影響植物根系，通常會刺激根系發(fā)育并增加根系分泌，導(dǎo)致根際微生物的養(yǎng)分利用率更高。

除了微生物群落結(jié)構(gòu)的變化外，全生物降解地膜也會影響微生物的功能。喀什地區(qū)連續(xù)3a的研究表明，全生物降解地膜覆蓋物下的土壤微生物活性增加。反應(yīng)很可能取決于全生物降解地膜覆蓋物下的變暖量：全生物降解地膜覆蓋物使土壤溫度更接近微生物的最佳溫度并增加活動，而傳統(tǒng)地膜覆蓋物可能會將溫度推高至很高溫度，從而限制土壤微生物的活動。微生物活動的變化最終會影響?zhàn)B分循環(huán)和儲存。

農(nóng)用地膜覆蓋對土壤有機(jī)碳(SOC)的影響是根系生長和分泌物分泌增加與微生物分解和損失為CO2之間平衡的結(jié)果。對比全生物降解地膜和傳統(tǒng)PE地膜覆蓋物下SOC的研究產(chǎn)生了不同的結(jié)果，初步研究表明，全生物降解地膜覆蓋增加了土壤微生物生物碳，而傳統(tǒng)地膜覆蓋物下的土壤有機(jī)碳略有降低。應(yīng)該注意的是，土壤有機(jī)碳的變化發(fā)生在較長的時間間隔內(nèi)，因此大多數(shù)覆蓋實(shí)驗(yàn)的短期(1個或2個季節(jié))性質(zhì)并不能確切捕捉到這些長期動態(tài)，仍需要進(jìn)一步試驗(yàn)、監(jiān)測與研究。農(nóng)用地膜覆蓋也會影響土壤中氮的循環(huán)。由于農(nóng)用地膜覆蓋提高了用水效率(WUE)，減少了硝酸鹽浸出。初步研究表明，與無地膜覆蓋相比，傳統(tǒng)PE地膜覆蓋下的氮利用效率(NUE)提高了60%，全生物降解地膜覆蓋下的氮利用率與傳統(tǒng)PE地膜無明顯差異。

由于土壤濕度、溫度、蒸汽擴(kuò)散率和根系的存在會調(diào)節(jié)微生物活動，因此地膜覆蓋下土壤微氣候的改變會影響土壤微生物群落。地膜覆蓋還可以減少土壤無脊椎生物的數(shù)量，這會降低土壤微生物自上而下的放牧壓力。在喀什地區(qū)為期5a的研究表明，全生物降解地膜覆蓋增加了變形菌和放線菌的相對豐度，改善了在全生物降解地膜覆蓋物下增加霉菌毒素真菌。由此可以判斷，全生物降解地膜具有類似的間接影響并改變微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。

除了微生物群落結(jié)構(gòu)的變化外，全生物降解地膜覆蓋物還影響了微生物的功能，喀什地區(qū)的研究表明，全生物降解地膜覆蓋物下的微生物活性較傳統(tǒng)PE地膜覆蓋有所增加。原因是全生物降解地膜的透氣性較傳統(tǒng)PE地膜好，膜下土壤溫度較傳統(tǒng)PE地膜低，使得覆蓋土壤的溫度更接近微生物的最佳溫度并增加活動，從而達(dá)到微生物適宜的溫度，從而更有利于土壤微生物的活動。微生物活動的變化最終會影響?zhàn)B分循環(huán)和儲存。

總之，喀什地區(qū)的研究表明，通過全生物降解地膜覆蓋改造膜下小氣候環(huán)境，對土壤微生物產(chǎn)生及其活性具有較大影響。

表1 不同土壤GHBT全生物降解地膜與其他對照產(chǎn)品的降解后土壤中菌落份數(shù)對比

3 全生物降解地膜降解后對土壤的直接影響

傳統(tǒng)PE地膜在生長季節(jié)過后需要回收，而全生物降解地膜則會被土壤微生物進(jìn)行生物降解。生長期過后，全生物降解地膜開始逐步降解，在下一季翻耕種植前完全降解，而傳統(tǒng)PE地膜由于不可能回收完全，其碎片會在完全生物降解之前對土壤進(jìn)行物理改性。如，傳統(tǒng)PE地膜碎片減少土壤入滲和吸水，其積累可能會影響土壤生態(tài)系統(tǒng)并最終影響植物的發(fā)芽和生長。

從毒理學(xué)的角度來看，喀什地區(qū)的土壤測試表明，全生物降解地膜完全降解后，土壤中未檢測出可見的植物毒性，未產(chǎn)生生態(tài)毒性影響。

全生物降解地膜的成分不僅由主要聚合物組成，還由少量有機(jī)(如添加劑、增塑劑等)和無機(jī)(鈣粉等)成分組成，在喀什地區(qū)進(jìn)行的對全生物降解地膜中使用的幾種有機(jī)/無機(jī)化學(xué)物質(zhì)植物毒性測試的研究表明，并未檢測出植物毒性，未對土壤中的微生物及其功能產(chǎn)生影響，也未發(fā)現(xiàn)對玉米、甜菜等農(nóng)作物產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)然，此項(xiàng)研究還在持續(xù)進(jìn)行中，還將繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。

全生物降解地膜完全降解后，土壤中表現(xiàn)為碳(二氧化碳)的輸入，但這是一個非常小的微量輸入。然而，農(nóng)業(yè)土壤中土壤微生物的生長通常是受碳影響的，喀什地區(qū)的研究表明，全生物降解地膜完全降解后輸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結(jié)構(gòu)的積極變化。全生物降解地膜完全降解后，土壤中的真菌豐度增加。研究中還表明，微生物對全生物降解地膜完全降解后的反應(yīng)受環(huán)境、土壤類型等因素影響。

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結(jié)構(gòu)的變化。初步研究表明，全生物降解地膜富含某些分類群，如優(yōu)先選擇用于曲霉、青霉和棘阿米巴真菌的PBAT薄膜表面富含子囊菌。喀什地區(qū)的初步研究還表明，全生物降解地膜完全降解后，土壤中的真菌豐度增加。但由于本研究中大多數(shù)只檢查一種土壤類型(喀什地區(qū)屬于鹽堿土壤)及相對有限的幾十個位置；多位置點(diǎn)的研究顯示，一個地點(diǎn)含真菌，而另一個地點(diǎn)富革蘭氏陽性細(xì)菌，表明微生物對全生物降解地膜的反應(yīng)可能受環(huán)境、土壤類型等影響。

全生物降解地膜完全降解后對土壤的影響研究雖然持續(xù)了5a，仍有必要進(jìn)一步持續(xù)觀察微生物群落變化是全生物降解地膜完全降解后產(chǎn)生的特定微氣候效應(yīng)的結(jié)果。現(xiàn)有的研究表明，與傳統(tǒng)PE地膜處理相比，全生物降解地膜下微生物豐度、呼吸作用和酶活性都有所增加，表明全生物降解地膜確實(shí)對微生物活性有一定影響。

土壤微生物增強(qiáng)降解活動的初步研究表明，全生物降解地膜可能最終改變土壤中的碳循環(huán)和儲存。全生物降解地膜中的碳總量很少，預(yù)計大部分會以CO2的形式呼吸。然而，隨著時間的推移，將全生物降解地膜反復(fù)耕種到土壤中可能會產(chǎn)生累積影響。初步研究表明，與傳統(tǒng)PE地膜覆蓋物相比，全生物降解地膜的使用導(dǎo)致微生物生物碳增加，這表明對土壤碳動態(tài)的影響可能會隨著時間的推移而積累。未來的研究還應(yīng)考慮全生物降解地膜的完全降解是否會影響其他營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)。本研究對全生物降解地膜使用對相關(guān)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的研究周期還很有限；初步研究表明，與傳統(tǒng)PE地膜一樣，全生物降解地膜對土壤的硝化潛力沒有可測量的影響；對其他營養(yǎng)素的影響仍然未知，有待進(jìn)一步持續(xù)研究。

土壤微生物增強(qiáng)降解活動的研究表明，全生物降解地膜的持續(xù)使用可最終改變土壤中的碳循環(huán)和儲存。全生物降解地膜中的碳總量很少，降解后大部分會以CO2的形式呼吸。然而，隨著時間的推移，將全生物降解地膜反復(fù)耕種到土壤中可能會產(chǎn)生影響。有待進(jìn)一步持續(xù)研究。

4 未來的研究機(jī)會

全生物降解地膜是傳統(tǒng)PE地膜的有效替代品。然而，對長期使用全生物降解地膜如何影響對作物生產(chǎn)力至關(guān)重要的土壤生態(tài)系統(tǒng)的理解存在相當(dāng)大的差距。傳統(tǒng)PE地膜對土壤微氣候、微生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的影響為了解全生物降解地膜如何間接影響土壤提供了研究基礎(chǔ)。全生物降解地膜可以通過改造膜下小氣候改變土壤微生物群落組成和碳、氮循環(huán)方面的功能，仍有進(jìn)一步深入研究的空間。全生物降解地膜在土壤中降解后會改變土壤的物理環(huán)境，并成為微生物的新碳源。初步研究表明，微生物活性在全生物降解地膜下得到增強(qiáng)。這表明，盡管來自全生物降解地膜的總碳輸入微乎其微，但對微生物活動的刺激作用仍有助于增加土壤微生物生物量并最終促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的增加。

目前，在對全生物降解地膜及其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響的理解方面，仍存在幾個關(guān)鍵差距。迄今為止的研究集中在短期影響，通常是1～2個或2～3個生長季節(jié)，或急性毒性，長期影響仍有進(jìn)一步深入研究的空間；全生物降解地膜的成分與微生物反應(yīng)之間的關(guān)系仍需要進(jìn)一步探索，基于母體聚合物成分和分解產(chǎn)物，不同類型的全生物降解地膜可能會對土壤微生物產(chǎn)生不同的影響；已證明添加劑會從地膜中浸出并影響植物，但對土壤微生物的影響仍有待進(jìn)一步深入研究。為了解決這些問題，需要進(jìn)行長期研究，評估土壤健康和可持續(xù)性影響。解決這些問題將為種植者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供關(guān)于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)全生物降解地膜的安全性和可持續(xù)性的必要信息。