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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/m2，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