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）
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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