使用稻草进行封装可以减轻聚乙烯残膜对真菌坏死物质产生的抑制作用

《Journal of Hazardous Materials》：Straw incorporation mitigates polyethylene residual film-induced suppression of fungal necromass

土壤有机碳（SOC）周转及微生物机制在聚乙烯残膜（PRF）与秸秆共存条件下的研究。通过13C同位素追踪、16S/ITS测序及氨基酸糖生物标志物分析，发现PRF单独施用抑制真菌丰度及 Necromass 碳积累，而与秸秆共存时，PRF因吸湿性和秸秆孔隙性协同作用，增强有机碳矿化并促进SOC稳定，揭示PRF从污染物向结构修饰剂的转变机制。

　　
在干旱和半干旱农业土壤中，聚乙烯残留薄膜（PRF）的累积已成为威胁土壤生态功能的重要环境问题。这类塑料薄膜长期滞留土壤后，不仅改变土壤物理结构，还会释放塑化剂等活性物质，干扰微生物群落功能并加速土壤有机碳（SOC）的分解。与此同时，秸秆还田作为常见的土壤改良措施，其与PRF的共存状态可能通过复杂的相互作用影响碳循环。当前研究多聚焦单一污染物的效应，或使用工业级微塑料（如PLA）进行模拟，而针对实际农田中PRF与秸秆共存的长期影响机制缺乏系统性分析。

研究团队基于西北农林科技大学实验农场的自然条件，通过稳定同位素示踪、微生物群落绝对定量测序和氨基酸糖类生物标志物分析，构建了PRF不同添加浓度（0.06%、0.12% w/w）与秸秆共存的复合系统（S、SR1、SR2）。实验发现PRF单独添加显著抑制真菌丰度（分别下降21.46%和21.94%），导致其坏死体碳（真菌细胞壁残留碳）减少12.86%和3.32%。这种现象源于PRF的疏水性物理屏障，阻碍真菌菌丝穿透并影响其代谢活动。然而当PRF与秸秆共同存在时，二者形成独特的微环境：秸秆的多孔结构为PRF提供物理支撑，而PRF的疏水性界面则增强微生物定殖的异质性。这种协同作用促使PRF的物理降解加速（表现为表面弱羰基特征峰），同时促进秸秆分解，使真菌丰度回升8.94%并伴随坏死体碳增加3.41%。

在碳循环层面，PRF单独添加虽未显著降低SOC总量，但通过抑制真菌活性改变碳分配格局。真菌作为木质纤维素分解的主力军，其活动受限直接削弱了SOC的稳定性。而秸秆的引入通过双重机制实现调控：一方面提供充足碳源，增强微生物代谢活性；另一方面与PRF形成微孔隙结构，创造梯度化的氧浓度和湿度条件。这种微环境异质性显著提升了有机碳的矿化效率（CO2排放量提高26.5%-33.9%），同时通过真菌坏死体碳的稳定化作用，实现SOC的动态平衡。特别值得注意的是，当PRF添加浓度达到0.12%时，其表面特征开始出现早期降解迹象（物理破碎与化学键断裂的复合过程），这种降解程度与秸秆添加量形成正反馈，推动PRF从传统污染物向功能性改良剂转变。

微生物组学分析揭示了深刻的生态位分化：在PRF单独存在的系统中，放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）因降解PRF而富集，但数量增长不足以弥补真菌群落的衰退。而在PRF-秸秆复合系统中，这种功能菌群形成协同网络——秸秆分解菌（如子囊菌门Ascomycota）与PRF降解菌（如放线菌门）通过碳源竞争和信号分子互作，重新分配资源利用效率。氨基酸糖类谱系分析进一步证实，秸秆分解产生的氨基糖（如葡萄糖胺）与PRF降解产生的酚酸类物质，共同构建了真菌细胞壁合成的关键前体物质库，这解释了SR2系统中真菌坏死体碳含量回升的生化机制。

环境功能层面，该研究首次在真实污染水平（PRF浓度0.06%-0.12% w/w）下验证了秸秆的修复效能。当PRF与秸秆比例达到1:20时，系统整体碳稳定性指数（基于微生物坏死碳占比）提升18.7%。这种提升源于三重机制：物理层面，秸秆纤维与PRF形成多尺度孔隙结构，促进氧气渗透和微生物扩散；化学层面，秸秆分解产生的酚类物质加速PRF表面氧化降解；功能层面，真菌群落结构重组后，其碳代谢副产物（如氨基糖）与PRF降解产物形成协同效应，促进SOC向惰性形态转化。

实际应用价值体现在三个方面：其一，为制定PRF污染土壤修复方案提供理论依据，建议采用秸秆-PRF复合处理替代单一污染物修复；其二，揭示了农业废弃物与塑料污染的协同作用规律，当秸秆添加量超过1.2% w/w时，可实现PRF从污染物向功能改良剂的转化；其三，为碳汇管理提供了新思路，在干旱区农业系统中，PRF污染与秸秆还田的协同管理可使土壤固碳效率提升15%-22%，相当于在单位面积农田中额外固定2.3-3.6吨CO2当量/年。

该研究突破传统微塑料污染研究范式，首次系统解析了PRF与秸秆在亚细胞尺度上的协同作用机制。通过稳定同位素示踪追踪发现，秸秆分解产生的可溶性碳（如氨基糖）优先被PRF表面功能菌群（如芽孢杆菌属Bacillus）捕获利用，这种碳流方向改变使得PRF从不可代谢的物理屏障转变为功能性界面材料。同时，PRF的微孔隙结构为真菌形成"碳库缓冲层"提供了物理载体，显著降低SOC年周转率（从1.2周转到0.8年）。这些发现不仅完善了农业塑料污染的生态效应理论，更为退耕还林还草工程中的微塑料治理提供了技术路径参考。

在碳汇管理实践中，研究团队建议采取梯度化干预策略：对于轻度污染（PRF含量<0.1% w/w）农田，可单纯增加秸秆还田量至2% w/w以上；而对于中重度污染（PRF含量0.1%-0.3% w/w）区域，需构建"秸秆-PRF-微生物"三元协同系统，通过精准调控秸秆与PRF的配比（推荐1:5至1:10），既能实现PRF的化学矿化，又能维持真菌群落的稳定性。这种管理范式相比传统物理清除法，可降低30%以上的土壤处理成本，同时提升碳汇效能达25%以上。

研究还发现PRF降解存在明显的阈值效应：当PRF浓度超过0.12% w/w时，其降解产生的微塑料碎片会干扰真菌菌丝生长，导致碳稳定性下降。这为制定农业塑料污染控制标准提供了关键数据支撑——在干旱区农田，PRF的长期安全阈值应控制在0.1% w/w以下，同时需确保秸秆还田量不低于1.2% w/w以维持系统正反馈循环。

从全球气候变化视角看，该研究揭示了农业塑料污染与碳汇功能的动态平衡关系。在当前全球变暖背景下，传统认为的"塑料-碳汇"负相关关系在此得到修正：通过秸秆的精准配比，可使塑料污染场地的碳汇能力提升至甚至超过未污染农田水平。这种逆转变现象的发现，为碳交易机制中的农业塑料污染补偿提供了科学依据——每处理1吨PRF污染土壤，可通过秸秆协同管理实现额外碳汇增益0.8-1.2吨/年。

该成果在方法学上实现了多项创新：首先开发了PRF-秸秆复合系统的一体化培养与分离技术，成功将PRF颗粒从土壤悬液中分离提取（回收率>85%）；其次创建的"13C-PRF"双标记体系，可同时追踪PRF降解路径和秸秆分解过程；更为突破的是建立了基于氨基酸糖类谱系的真菌活性评估模型，通过检测6种关键氨基糖的浓度比，可在48小时内快速评估PRF对真菌群落的抑制效应。

这些技术创新已形成标准化操作流程，在黄土高原地区开展的示范工程显示，采用该技术体系管理的农田，在维持作物产量稳定（增产8%-12%）的同时，使土壤有机碳储量年均增长0.45%。特别在PRF污染严重的坡耕地，通过秸秆添加使土壤团聚体稳定性指数提升37%，有效缓解了水土流失问题。

未来研究可进一步拓展至不同塑料类型（如PE、PP、PLA）的协同效应比较，以及气候变暖情景（如升温2℃）下系统稳定性的动态评估。建议建立"塑料污染程度-秸秆配比-微生物群落"三维调控模型，为制定区域性的农业塑料污染管理政策提供决策支持。该研究为全球农业塑料污染治理提供了中国方案，其核心在于通过功能菌群重构实现从"污染治理"到"碳汇增强"的转变，这对实现联合国2030可持续发展议程中的塑料减量和碳中和目标具有重要实践价值。