聚乙烯大塑料对棉田覆膜滴灌条件下土壤物理性质、酶活性及微生物群落的影响

《Applied Soil Ecology》：Effects of polyethylene macro-plastics on soil physical properties, enzyme activities, and microbial communities under mulched drip irrigation within cotton fields

长期残余地膜（RPF）积累导致土壤结构紧实化和微生物群落失衡，影响农田可持续性。本研究通过两年田间实验发现，RPF含量增加使0-40cm土层密度上升2.8%-3.05%，孔隙率下降8.21%，抑制了过氧化氢酶活性并促进病原真菌增殖，同时氮 fixing细菌如阿兹ospirillum数量增加但整体菌群多样性降低。相关网络分析表明TN、NO3?-N、NH4+-N、pH、EC和SOC与微生物群落变化显著相关。该成果为地膜管理提供了理论依据。

　　

作者：岳文、李文豪、尹飞虎、刘健、张金柱、王振华

单位：新疆石河子大学水利与建筑工程学院，新疆石河子832000

摘要

明确聚乙烯类塑料（残留塑料薄膜，RPF）含量与土壤性质之间的关系对于评估膜下滴灌的可持续性具有重要意义。本研究进行了为期两年的田间实验，以探讨土壤密度、酶活性和微生物结构在不同RPF含量下的变化情况。随着RPF含量的增加，0–40厘米深度的土壤层发生压实，容重升高，总孔隙度显著降低，表明土壤物理结构恶化。虽然尿素酶和蔗糖酶的活性增强，但过氧化氢酶的活性受到抑制，表明微生物处于代谢压力状态。更重要的是，微生物群落发生了不利于土壤健康的转变：参与纤维降解的有益菌类减少，而优势菌属链霉菌数量增加，病原真菌数量上升。此外，尽管固氮细菌（如固氮螺菌）数量有所增加，但整体细菌多样性和均匀性下降，表明土壤群落稳定性降低。相关性分析表明，总氮（TN）、硝酸盐氮（NO₃^?-N）、铵氮（NH₄⁺-N）、pH值、电导率（EC）和土壤有机碳（SOC）与这些微生物变化密切相关。这些发现突显了长期RPF积累的负面影响，尤其是通过土壤压实和有害微生物群落的增殖。本研究为塑料薄膜管理提供了新策略，并为类似地区的可持续农业和土壤健康提供了理论指导。

引言

中国用于农业覆膜的塑料薄膜消耗量从1993年的3.75 × 10⁵吨增加到2022年的1.34 × 10⁶吨，年均增长率为3.22 × 10⁴吨。同期，塑料薄膜覆盖面积从5.72 × 10⁶公顷扩大到17.50 × 10⁶公顷，使中国成为该领域的全球领先者（图S1）。新疆成为使用塑料薄膜最集中的地区，覆膜面积占全国农业用地的10.39–19.45%。长期覆膜、薄膜厚度不足以及强烈的太阳辐射共同导致了塑料薄膜残渣的积累，尤其是在新疆的棉花田中。聚乙烯塑料薄膜具有环境持久性，可能需要近两个世纪才能降解。田间调查显示，经过长期膜下滴灌后，新疆的残留塑料薄膜（RPF）含量可超过390公斤/公顷（He等人，2018年），这对绿洲农业生态系统的可持续性构成了严重威胁。

聚乙烯类塑料（>5毫米）被认为是农业土壤中的主要污染物（Boots等人，2019年；de Souza Machado等人，2019年）。大量研究表明，RPF会阻碍水分传输路径，增加土壤容重，降低土壤孔隙度，并抑制根系发育（Hu等人，2020年；Wen等人，2022年；Wen等人，2023年）。然而，关于RPF在连续耕作田地中的实际影响仍存在研究空白。目前的大部分研究依赖于短期盆栽实验或高浓度添加实验（Qi等人，2020年；Qi等人，2022年），这些实验无法反映实际田间条件下的逐渐积累和压实过程。因此，RPF含量年际变化如何影响已建立滴灌系统的基本土壤物理性质仍缺乏定量研究。

关键在于，土壤物理退化并非孤立发生，它是生化及生物变化的主要驱动力（Koskei等人，2021年）。RPF积累与土壤健康之间的概念联系在于：土壤结构（如孔隙度和容重）调节了微生物的微环境——特别是水分供应和通气性，而这正是土壤微生物的主要栖息地（Hartmann和Six，2023年）。虽然先前的研究报道了RPF对酶活性（有时增强，有时减弱）和微生物多样性（Wang等人，2016年；Huang等人，2019年；Fei等人，2020年；Fu等人，2023年）的混合影响，但很少有研究将这些生物变化与土壤物理结构的同步恶化直接联系起来。目前尚不清楚观察到的微生物变化是对塑料材料的直接响应，还是压实、受物理压力土壤环境的间接后果。

为填补这些研究空白并超越探索性分析，本研究进行了为期两年的田间实验，使用了与当地历史积累量一致的RPF梯度。我们明确测试了以下假设：（1）RPF含量的增加会显著压实土壤并降低总孔隙度，造成物理压力环境；（2）这种物理退化将导致微生物群落的确定性变化，具体表现为抑制有益的纤维降解菌类，同时有利于病原菌类；（3）土壤酶活性将呈现非线性响应，反映压实土壤中代谢压力与底物可用性之间的复杂权衡。

研究地点和实验设计

研究地点与实验设计

研究地点位于中国新疆石河子的农业实验场第二分公司（44°18′29″N，86°03′45″E），面积为6.7公顷。实验前未施用任何肥料或灌溉措施，并清除所有杂草以确保土壤背景值的准确测量。该地区属于温带大陆性气候，夏季炎热且降雨量有限，冬季寒冷干燥。

土壤容重、总孔隙度和酶活性

土壤容重受到RPF含量（A）和采样时间（P）及其与采样深度（D）相互作用的影响（p < 0.001；表1）。2020年播种前（2020 PS），土壤容重在各层均匀（1.507–1.528克/厘米³），但2020年收获后（2020 AH），深层土壤容重略有增加。总体而言，RPF含量增加导致容重升高：2020年RPF₂₅相对于RPF₀的容重增加了1.00%，到2021年AH时增加到2.80–3.05%。随着时间的推移，容重持续上升。

土壤物理退化作为RPF积累的主要响应

研究结果表明，RPF的积累是土壤的主要物理压力源，表现为土壤逐渐压实和孔隙空间减少。容重显著增加（RPF₂₅相对于RPF₀增加了高达3.5%），总孔隙度同时下降（最多减少了8.21%），证实了塑料残渣对土壤连续性的物理阻碍作用。

结论

总体而言，我们的研究表明，残留塑料薄膜（RPF）的积累降低了土壤物理质量——增加了容重并降低了总孔隙度，尤其是在20–40厘米深度；同时改变了土壤的生物地球化学功能。尿素酶和蔗糖酶的活性随RPF含量的增加而增强，硝酸盐还原酶的活性呈现单峰变化，而过氧化氢酶的活性在残留物积累25年的土壤中降至最低。尽管主要细菌和真菌门类保持稳定，但较高的RPF含量

作者贡献声明

岳文：撰写初稿、方法学设计、数据整理。 李文豪：审稿与编辑、撰写初稿、数据分析。 尹飞虎：审稿与编辑、数据分析。 刘健：数据分析。 张金柱：资源获取、资金申请。 王振华：审稿与编辑、项目监督、资源管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52369011）、石河子大学高层次人才科研基金（项目编号：RCZK202506）以及新疆维吾尔自治区“天池人才”青年博士学者招聘计划（项目编号：BT-2025-TCYC-0112）的财政支持。