《Soil and Tillage Research》：Soil-specific drive biodegradable mulch degradation and rice growth in karst rice systems
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可降解地膜在喀斯特三种土壤中的降解动力学及水稻增产效应研究显示，地膜降解速度与土壤pH、有效磷负相关，与钾含量正相关。黄壤中地膜使水稻增产44.03%，效果与聚乙烯地膜相当；红壤因降解缓慢仅增产7.62%。土壤特异性显著影响地膜效能，需结合土壤改良策略应用。
作者：龙同民、杨三伟、杨小川、李思楠
贵州大学农学院，中国贵阳55025
摘要
可降解地膜（BM）为农业提供了比聚乙烯（PE）更环保的替代品，但其在大石山区（karst regions）的表现仍不甚明了。本研究通过受控盆栽实验，探讨了基于PBAT的可降解地膜在不同类型喀斯特土壤（水稻土-PS、黄土-YS、红土-RS）中的降解情况及其对水稻产量的影响。结果表明，地膜的降解速度受土壤类型影响：在黄土中降解最快（47天完成），其次是水稻土（65天），而在红土中降解最慢（82天仅达到破碎阶段）。降解周期与土壤pH值和有效磷（AP）呈负相关，而与总钾（TK）和有效钾（AK）呈正相关。在地膜应用后，水稻在黄土中的生长和产量显著提高，分蘖数增加了21.25–47.56%，株高增加了1.93–7.52%，产量增加了44.03%，这一效果几乎与PE相当（47.67%）。相比之下，在红土中的效果不明显（产量仅增加了7.62%），这可能是由于地膜降解缓慢以及导致土壤条件不佳所致。随机森林分析和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）揭示了关键机制：土壤性质（如pH值、有机质SOM、有效钾AK）通过调节土壤热状况和作物生理特征（分蘖、叶绿素含量）间接影响产量，而地膜覆盖则直接促进了分蘖和株高的增长。因此，我们建议根据土壤类型选择合适的地膜：黄土适合立即采用地膜，而红土则需要先进行土壤改良。本研究表明，地膜的效果并非固定不变，而是受土壤环境制约的。因此，土壤筛选而非单纯的材料选择是成功应用地膜的关键步骤。
引言
水稻（Oryza sativa L.）是全球超过一半人口的主食，在保障中国粮食安全方面发挥着重要作用（FAO, 2024; Yan et al., 2022）。然而，随着极端天气事件、土壤退化以及全球气候变化导致的干湿循环加剧，水稻产量的持续增长受到威胁（Gao et al., 2024; Li et al., 2024）。在中国，由于水稻种植在多种土壤和气候条件下进行，导致产量存在显著的空间差异，因此需要制定针对性的管理策略（Li et al., 2016; Wang et al., 2024）。塑料薄膜地膜通过提高土壤温度、保持水分和减少养分流失等机制来调节土壤条件，从而提高养分利用效率15–25%（Huang et al., 2020; Pandey et al., 2012; Zhou et al., 2023）。在这种情况下，主要由聚丁酸乙二醇酯-对苯二甲酸乙二醇酯（PBAT）或PBAT/PLA混合物制成的可降解地膜（BM）成为一种有前景的替代品（Kasirajan and Ngouajio, 2012; Saadi et al., 2013）。然而，地膜的农艺效果并非普遍适用（Fu et al., 2020; Sintim et al., 2019），其效果很大程度上取决于其功能持续时间是否与作物的关键生长期相匹配，而这又受其降解动力学控制。
重要的是，地膜的降解对当地土壤条件（如pH值、温度、湿度和微生物活性）非常敏感（Anunciado et al., 2021）。因此，同一种地膜在某种土壤中可能降解过快，无法持续发挥效益；而在另一种土壤中可能降解过慢，造成物理障碍（?erá et al., 2016）。土壤类型是水稻生长、发育和最终产量的基本决定因素，也是综合土壤健康评估的关键维度（Islam et al., 2024）。研究表明，即使在相同的气候区内，不同土壤类型的水稻产量也存在显著差异（Huang et al., 2021）。这会导致可降解薄膜的降解程度不同。然而，现有研究表明，地膜的应用可以改变土壤养分动态（如总磷和有机质含量），并与适当的农艺措施结合使用，可以改善土壤物理结构和肥力，从而在多个生长季节内维持或提高产量（He and Luo, 2011; Yang et al., 2020）。由于土壤类型直接影响作物生长和产量形成，这些固有的土壤差异必然导致地膜降解模式的差异，进而影响农艺效果。然而，关于特定土壤性质如何调节地膜降解及其对作物影响的系统理解仍有限，尤其是在像喀斯特生态系统这样的复杂地形中。
这一知识空白在喀斯特生态系统尤为突出，例如中国贵州省，那里的水稻种植面临土壤浅薄、保水能力差和气候变化剧烈等问题（Chen et al., 2019）。虽然地膜可以帮助缓解这些压力，但该地区土壤性质（如pH值、有机质和铁/铝氧化物含量）差异较大，加之昼夜温差明显，可能导致地膜降解模式大相径庭且难以预测。这可能导致地膜的功能持续时间与水稻关键生长阶段的需水/温度要求不匹配，从而降低农艺效果甚至减少产量（Zhang et al., 2020; Zhang et al., 2023）。目前尚不清楚地膜的农艺效益是否能在这些异质性土壤中实现，以及其效果是否受到土壤特定降解速率的限制（Chen et al., 2025; Zhang et al., 2024）。这提出了一个关键问题：地膜的农艺效益是否能在这些异质性土壤中实现，还是其效果会受到土壤特定降解速率的限制？
因此，本研究不仅探讨了地膜是否有效，还深入研究了其效果为何受土壤类型影响。通过在不同类型的喀斯特土壤（水稻土、黄土和红土）中进行受控盆栽实验，我们旨在：（1）量化基于PBAT的地膜的土壤特异性降解动态及其对水稻生长和产量的影响；（2）确定调控这些相互作用的关键土壤性质和微气候（温度和湿度）因素。我们假设土壤内在性质（如pH值、有机质）是地膜降解动力学的主要驱动因素，这些因素又调节土壤条件，最终决定作物表现。我们的研究结果旨在为在可持续喀斯特水稻系统中精准应用地膜提供预测框架。
研究区域
土壤样本采自贵州省的水稻种植区，该地区具有较高的地质背景值。实验于2025年5月至9月在贵州大学的控制设施中进行（坐标26°27′N, 106°39′E；海拔1074米），属于亚热带湿润季风气候区。当地年均气温为14.9°C，年均降水量为1178毫米。
地膜的动态降解
方差分析表明，土壤类型显著影响可降解地膜（BM）的降解时间（补充表S1，p < 0.05）。如补充图S1所示，在快速分蘖期（第25天），由于植株冠层密集，直接观察地膜降解受到阻碍；尽管如此，通过定期采样系统记录了降解过程，详细数据见表2。
相关性分析（图5）
讨论
全球气候变化对土地生产力构成重大挑战，影响了全球的水稻生产系统（Zhang et al., 2023）。地膜技术，特别是可降解地膜（BM），通过改善土壤微环境、调节养分循环和减少温室气体排放，成为缓解这些问题的关键策略（Li et al., 2023; Xiong et al., 2023）。地膜在固存土壤有机碳、减少碳损失方面具有潜力。
结论
研究表明，土壤性质对喀斯特水稻系统中地膜的降解及其农艺效果具有关键调节作用。在黄土中，由于pH值较低和有机质SOM活性较高，地膜降解最快；而在红土中，由于铁铝氧化物含量较高，降解最慢。地膜使黄土中的水稻生长和产量提高了44.03%，与PE的效果相当，主要通过改善微气候和养分矿化促进了分蘖和株高的增长。相比之下，在红土中的效果较差。
资助
本研究得到了“特色山区农业绿色高效关键技术”专项（guidalingjunhezi [2023]07-->）和“贵州省特色粗粮高质量高效机械化科技创新人才队伍建设”项目（qiankehepingtairencai-BQW [2024]009-->）的支持。
作者贡献声明
杨小川：数据分析、数据整理。李思楠：数据分析、数据整理。杨三伟：概念设计、数据整理、数据分析、资金获取、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。龙同民：审稿与编辑、初稿撰写、可视化、资金获取、数据分析、概念设计。
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
我要感谢科研机构提供的强大支持。该机构提供的优质资源和先进设施为我的研究提供了坚实基础，确保所有实验和调查得以高效、有效地进行。
