可降解地膜覆盖提升中国旱地农业生态系统土壤碳汇的关键机制

为解决传统塑料地膜(PM)导致的"白色污染"与土壤碳损失问题，中国多机构联合团队通过多站点田间试验和培养实验，揭示可降解地膜(DM)通过提高微生物碳利用效率(CUE)增加土壤有机碳(SOC)储量(0-1m)，在气候变化情景下可减少9.0±1.0 Mg ha-1 year-1的碳分解。该研究为旱地农业可持续管理提供了科学依据。

　　

在全球气候变化和农业可持续发展的双重挑战下，旱地农业生态系统的土壤碳管理正面临前所未有的考验。塑料地膜覆盖(PM)作为提高作物产量的关键技术，已在中国40%的农田推广应用，但其不可降解特性导致的"白色污染"和长期土壤碳动态影响始终是悬而未决的科学难题。更令人担忧的是，尽管PM能短期提升表层土壤碳含量，其深层土壤碳库的变化规律却长期被忽视——这个占全球土壤有机碳(SOC)68%的"沉默碳库"可能正在悄然流失。

西北农林科技大学联合国内外13家机构的研究团队在《Nature Communications》发表重要成果，通过四年田间定位试验和覆盖17个站点的培养实验，首次揭示可降解地膜(DM)替代传统PM可显著增加0-1m土层碳储量。研究发现DM通过调控微生物碳泵机制，在气候变化背景下每年可减少9.0 Mg ha^-1的碳损失，为解决旱地农业"增产不增碳"的困境提供了创新方案。

研究采用多尺度技术路线：通过等效土壤质量法测定0-1m剖面SOC储量；运用碱性CuO氧化法分析木质素酚类物质，气相色谱测定氨基糖(GlcN、MurA等)作为微生物残体标志物；采用¹⁸O-H₂O标记法测定微生物碳利用效率(CUE)；高通量定量PCR(HT-qPCR)分析碳循环功能基因；并构建153个土壤柱进行367天培养实验模拟气候变化影响。

主要研究结果

地膜覆盖对SOC储量的影响
通过黄土高原4个站点对比发现：PM导致0-1m土层SOC以1.9 Mg ha^-1 yr^-1速率流失，而DM则增加0.5 Mg ha^-1 yr^{-1>。深层土壤(0.3-1m)在PM处理下SOC降幅达6.7%，证实仅观测表土会严重高估PM的固碳效益。}

微生物与植物源碳的变化
微生物残体碳占SOC的39.3-43.0%，远高于植物源碳(7.2-9.6%)。PM使微生物源碳降低9.6%，但DM通过维持较高的CUE(微生物碳利用效率)促进微生物残体积累。木质素酚分析显示两种地膜均提升植物源碳，其中PM使表层植物源碳增加38.9%。

驱动机制解析
随机森林模型表明CUE是微生物源碳的关键决定因子(R²=0.92)，而地下生物量(BEG)主导植物源碳动态。PM显著增加几丁质酶(naglu、chiA)和木质素降解基因(lig、mnp)丰度，加速稳定碳分解；DM则使碳固定基因增加83.1%。

气候变化情景下的响应
培养实验显示PM使0-1m土层碳损失增加45.1%，主要源于微生物源碳的加速分解。DM相比PM可减少62.1%的深层碳损失，证实其在气候变暖下的稳定碳库优势。

讨论与意义
该研究突破性地揭示：传统PM通过"三重机制"导致碳损失——(1)深层碳输入减少，(2)功能基因转向降解途径，(3)微生物周转速率提升5倍；而DM通过"微生物碳泵"增效实现固碳。研究首次量化了氨基糖/木质素标志物在旱地系统的分配规律，发现深层土壤真菌残体碳对温度异常敏感，这解释了为何全球变暖会优先损耗稳定碳库。

实践层面，研究为《巴黎协定》农业减排目标提供了可操作方案——在中国旱区全面推广DM，理论上每年可避免9.0 Mg ha^-1的碳损失。理论层面，研究完善了"土壤矿物碳泵"模型，证明微生物体内周转(in vivo turnover)途径对固碳的关键作用。未来需关注氨基糖转化系数的环境特异性，以及矿物-微生物互作对碳稳定化的影响。这项由中国团队主导的国际合作研究，为全球旱地农业应对气候变化提供了中国智慧。