目前，我國(guó)地膜使用量超135.7萬(wàn)噸，覆蓋面積2.61億畝，遠(yuǎn)超其他國(guó)家和地區(qū)。在西北干旱與半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)，全膜壟溝覆蓋栽培技術(shù)具有抑制土壤水分蒸發(fā)、提高生長(zhǎng)前期土壤溫度、防治雜草和病蟲(chóng)害等諸多優(yōu)點(diǎn)。過(guò)去二十多年，全膜覆蓋栽培技術(shù)達(dá)到大面積推廣和應(yīng)用，為國(guó)家糧食安全和脫貧攻堅(jiān)做出了巨大貢獻(xiàn)。但長(zhǎng)期全膜覆蓋帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，殘膜、塑化劑和微塑料等次生污染物逐年遞增。如何實(shí)現(xiàn)地膜減量不減產(chǎn)、提高水分利用效率和土壤健康是重大實(shí)踐需求，也是新形勢(shì)下黃河流域高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的重大問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院熊友才教授聯(lián)合云南大學(xué)、甘肅省農(nóng)科院和天水師范學(xué)院的同行開(kāi)展合作研究。該研究團(tuán)隊(duì)在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)創(chuàng)新性地采用隔溝覆膜和免耕相結(jié)合的方法，增加雨水入滲的同時(shí)從時(shí)間和空間尺度實(shí)現(xiàn)地膜減量1/3至1/2。近日，該研究成果以“Reduced plastic film mulching under zero tillage boosts water use efficiency and soil health in semiarid rainfed maize field”為題在Resources, Conservation & Recycling發(fā)表。熊友才教授為論文通訊作者，任愛(ài)天博士為第一作者，云南大學(xué)周睿副教授、蘭州大學(xué)葉建圣教授、天水師范學(xué)院王弋博教授、甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張緒成研究員與馬明生副研究員、蘭州大學(xué)肯尼亞籍博士生Kiprotich Wesly等為共同作者。

(資料圖)

該研究的主要目標(biāo)是在地膜減量背景下，既保留部分抑蒸等功能，又通過(guò)改善當(dāng)值生長(zhǎng)季雨水利用的辦法，改善作物根區(qū)土壤水分條件和地氣交換過(guò)程，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)和水分利用，達(dá)到地上和地下部分良性互動(dòng)，提升土壤質(zhì)量。由于在生長(zhǎng)季尺度上土壤水分有效性提高，土壤AM真菌豐度顯著提高，并有效地促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)(C/N/P)和作物吸收利用。該研究首次揭示了地膜減量不減產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素和根土系統(tǒng)調(diào)控機(jī)理。在當(dāng)前地膜污染防控和生態(tài)文明建設(shè)背景下，該技術(shù)有望成為提高水資源利用效率和穩(wěn)定作物生產(chǎn)的一種有前景的解決方案，為旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和土壤可持續(xù)管理提供新的科學(xué)依據(jù)。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)利用原位集雨與異位集雨綜合系統(tǒng)的應(yīng)用潛力，揭示了地膜棄用背景下采用溝坡集雨補(bǔ)灌的方法實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)不下降的目標(biāo)。它提供土壤水分以滿足作物關(guān)鍵生長(zhǎng)階段的水分需求，并調(diào)節(jié)土壤溫度，從而提高玉米的地上部生物量和籽粒產(chǎn)量。這個(gè)系統(tǒng)自然地最大化了水分利用效率，異位集雨的方法為地膜減量覆蓋方式提供了可行的技術(shù)支撐（Agr. Water Manage. 269, 2022, 107672.）。此外，有機(jī)立體覆蓋可作為一種有潛力的替代地膜的覆蓋模式。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈立體覆蓋和活三葉草立體覆蓋可以獲得與聚乙烯地膜覆蓋相似的水分生產(chǎn)力，甚至有機(jī)立體覆蓋比后者的凈經(jīng)濟(jì)效益更高。至關(guān)重要的是，有機(jī)立體覆蓋顯著改善了微生物群落結(jié)構(gòu)，增加了優(yōu)勢(shì)細(xì)菌和真菌的比例。進(jìn)而促進(jìn)了多環(huán)芳烴、苯甲酸和異源生物質(zhì)的代謝，加速了聚乙烯地膜源污染物的微生物礦化。有機(jī)立體覆蓋模式展現(xiàn)出保證作物生產(chǎn)力并修復(fù)土壤MPs和PAEs污染的巨大潛力，可作為干旱灌區(qū)替代聚乙烯地膜覆蓋的綠色解決方案（J. Hazard. Mater. 435, 2022, 128981.）。上述有機(jī)立體覆蓋的優(yōu)勢(shì)與植物生物質(zhì)投入帶來(lái)的激發(fā)效應(yīng)有關(guān)（Ecology. 103, 2022, e3790.）。

熊友才教授領(lǐng)銜的農(nóng)業(yè)生態(tài)與可持續(xù)性研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事農(nóng)田地膜污染評(píng)估與治理方面的基礎(chǔ)研究。在2021年，團(tuán)隊(duì)首次提出常規(guī)聚乙烯地膜和生物降解地膜殘留對(duì)作物生產(chǎn)效益影響相似的觀點(diǎn)。理想的全生物降解膜是一種具有優(yōu)良性能的高分子材料，廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解，最終被無(wú)機(jī)化而成為自然界中碳素循環(huán)的一部分。然而在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，全生物降解膜從膜形態(tài)到完全降解需要一個(gè)過(guò)程，在此過(guò)程中它們以殘膜碎片的形式存于土壤，同樣會(huì)為作物生產(chǎn)力帶來(lái)負(fù)面影響（J. Hazard. Mater. 414, 2021, 125521.）。同年，團(tuán)隊(duì)探索了關(guān)于LDPE殘膜和PLA生物降解膜殘膜在土壤中的命運(yùn)以及其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響這一科學(xué)問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)LDPE殘膜和PLA降解膜殘膜的降解特性存在差異，LDPE殘膜的降解率為零。PLA降解膜殘膜并未實(shí)現(xiàn)完全降解的理想結(jié)果，其降解率僅為41.1%。掃描電子顯微鏡(SEM)顯示PLA降解膜殘膜在降解過(guò)程中形成的裂縫具有多米諾效應(yīng)。對(duì)于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，PLA降解殘膜比LDPE殘膜的負(fù)面影響更大（J. Hazard. Mater. 416, 2021, 125954.）。

在上述地膜污染評(píng)估工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)提出多種地膜污染治理方案。2022年初，團(tuán)隊(duì)揭示了自然恢復(fù)法（NbS）在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的功能角色，即生物結(jié)皮移植可作為一種自然恢復(fù)策略，通過(guò)土壤固碳和降低侵蝕等方式，修復(fù)自然生態(tài)系統(tǒng)中由于地膜的使用導(dǎo)致退化的土壤（J. Clean. Prod. 336, 2022, 130378. iScience. 26, 2023, 105773.）。除地膜替代或減量使用的方法外，還可以從減緩地膜污染進(jìn)程的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)治理。一般來(lái)講，厚的地膜機(jī)械性能更佳，可以在使用后較好的被回收。具體來(lái)說(shuō)，地膜的最大拉力、最大抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨著地膜厚度的增加而大幅增加，從而增加殘膜回收率，降低殘膜土壤遺留率。研究結(jié)果說(shuō)明地膜增厚是增加殘膜循環(huán)利用的一種很有前途的方法，同時(shí)也有利于提高作物生產(chǎn)力（Sci. Total Environ. 858, 2023, 159999.）。系列研究成果被新華社、今日中國(guó)、中新網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)、中國(guó)科學(xué)報(bào)等多家國(guó)內(nèi)外媒體網(wǎng)站進(jìn)行了熱點(diǎn)追蹤報(bào)道，多個(gè)相關(guān)技術(shù)已獲得中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)。

圖1 農(nóng)田殘膜和微塑料污染現(xiàn)狀

圖2 免耕可減少地膜覆蓋量及土壤健康優(yōu)勢(shì)

圖3溝坡集雨補(bǔ)灌模式示意圖

上述研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(32161143012)、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (20YF8WA083)、甘肅省雙一流科研重點(diǎn)項(xiàng)目 (GSSYLXM-08)、“111”計(jì)劃 (BP0719040)等資助。

文章鏈接：

Ai-Tian Ren, et al. & You-Cai Xiong*. Reduced plastic film mulching under zero tillage boosts water use efficiency and soil health in semiarid rainfed maize field. Resour. Conserv. Recy. 190, 2023, 106851.

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