加拿大魁北克Saguenay–Lac-Saint-Jean地区塑料覆盖膜使用面积显著扩张及其环境与农业健康风险研究

本综述系统分析了加拿大魁北克Saguenay–Lac-Saint-Jean地区农业塑料覆盖膜（oxo-biodegradable）使用的扩张趋势及其潜在生态风险。研究显示，七年间覆盖面积激增90%，达2300公顷，其中44%土地存在重复使用现象。该塑料膜在真实环境中降解率远低于预期，导致土壤与水体中微塑料（microplastics）和塑化剂（如邻苯二甲酸酯，phthalates）积累，对土壤健康、农作物生长及水生生态系统构成严重威胁，亟需寻找可持续替代方案。

　　

引言

魁北克省的乳制品业在农业食品领域占据重要地位，拥有超过4800个农场，年收入达25亿加元。尽管大多数奶牛场位于蒙特利尔-魁北克城市轴线附近，仍有相当一部分分布在偏远地区，如Bas-Saint-Laurent（12%）和Saguenay–Lac-Saint-Jean（SLSJ）（6%）。这些地区土地价格较低，平均每公顷6589加元（2022年），远低于南部农业区。然而，由于气候条件较差，特别是玉米热量单位（UTM）累积量较低（1979-2008年间平均为1727至2246 UTM），当地乳制品生产者很难充分发挥青贮玉米的生产潜力。

为解决这一问题，约十年前，SLSJ地区引入了一项名为SAMCO?的技术，该技术源自爱尔兰。通过一次性操作，可以完成玉米播种、启动输入（如除草剂）施用，并用一层薄薄的塑料薄膜（厚度为7μm）覆盖种床。这种薄膜被宣传为可在数月内完全生物降解。在加拿大，仅有少数科学研究报道了该技术在青贮玉米生产中的应用，其中一项研究在纽芬兰的圣约翰进行，记录了该技术的多项农艺优势，包括加速成熟（6至15天）、UTM累积量增加9%，以及干物质产量提高7%至22%。当时未观察到残留物或碎片积累问题。

材料与方法

研究使用PlanetScope星座卫星图像（分辨率3米/像素，图像? 2018-2024 Planet Labs PBC），每年在5月25日至6月15日期间拍摄，以估算2018年至2024年间塑料覆盖膜覆盖的面积。这些日期对应大多数研究区域的播种后时期，便于通过卫星图像清晰识别覆盖膜的使用情况。2018年之前的图像未使用，因无法覆盖整个区域。每年，卫星图像覆盖SLSJ地区五个区域县市（MRC）的全部农业用地，包括Lac-Saint-Jean-Est、Domaine-du-Roy、Maria-Chapdelaine、Saguenay和Fjord-du-Saguenay。所使用的图像云覆盖率低于10%，确保能够清晰识别地表并判断是否存在塑料覆盖膜。

下载的图像随后导入地理信息系统软件QGIS（版本3.32.3），通过手动绘制多边形来矢量化工覆盖膜覆盖的区域。为验证方法的准确性，研究团队在2023年和2024年实地访问了约40块田地（每年约20块），所有访问田地的结果均与卫星图像分析结果一致。

地理空间分析同样使用QGIS（版本3.23.3）进行。通过“$area”功能提取每年塑料覆盖膜覆盖的总面积，“Intersection”功能用于按年份和MRC分类评估面积。此外，使用“Count Polygon Overlap”模型估算土地被塑料覆盖膜覆盖的强度，即2018-2024年间生产周期内覆盖的次数。

结果

卫星图像分析显示，过去七年SLSJ地区每年使用塑料覆盖膜的面积显著增加。自2018年以来，覆盖面积增长了90%以上，2023-2024年达到每年2300公顷以上。过去七年（2018-2024年），共有12187公顷土地采用该技术进行耕种。Lac-Saint-Jean-Est MRC占据了最大比例（37%，4490公顷），其次是Maria-Chapdelaine（31%，3810公顷）、Domaine-du-Roy（21%，2534公顷）和Saguenay（11%，1353公顷）。Fjord-du-Saguenay MRC未发现塑料覆盖膜使用。

2018年至2024年间，SLSJ地区共有7346公顷农业土地至少被塑料覆盖膜覆盖过一次。其中，56%（4089公顷）的土地仅覆盖过一次，29%（2125公顷）、11%（777公顷）、4%（260公顷）和1%（95公顷）的土地分别被覆盖过2、3、4和5次。尽管Domaine-du-Roy MRC在总覆盖面积上排名第三，但该地区覆盖强度最高，有236公顷土地在过去七年中被覆盖过4或5次。

初步实地观察显示，即使在覆盖一次后，土壤中仍存在宏观塑料碎片，甚至在覆盖后11个月、35个月、47个月和60个月仍能观察到这些碎片，其中一些暴露60个月的宏观碎片几乎没有降解迹象。

讨论

本研究首次揭示了SLSJ地区近年来塑料覆盖膜使用面积的增加。虽然这些面积相对于整个农业用地（约40万公顷）似乎微不足道，但根据魁北克农业金融公司（FAQ）和魁北克统计研究所（ISQ）的数据，大田作物（如燕麦、小麦、油菜、干草、大麦、大豆、谷物玉米和青贮玉米）约占农业用地的25%，即过去五年平均每年10.5万公顷。这一对比表明，该地区每年有1.3%至2.5%最肥沃的农田被塑料覆盖膜覆盖。假设本研究估算的面积全部用于青贮玉米生产，并且所有面积均向FAQ报告，那么该地区50%至60%的青贮玉米种植面积使用了塑料覆盖膜技术。

鉴于44%的覆盖面积在过去七年中被多次覆盖，亟需开展研究以确保这些通常最肥沃的土壤不会因宏观和微观塑料碎片的存在而受到永久性退化。目前，尚无研究探讨该覆盖膜在SLSJ地区气候条件下的分解时间，以及其对陆地和水生农业生态系统的影响。然而，初步定性观察结果令人担忧，宏观碎片在土壤表面和深度约30厘米处均易观察到，即使覆盖后60个月仍未见明显降解迹象，这与大多数关于氧化塑料分解的研究结论一致。

塑料在农业和水生环境中的积累后果多样且日益被记录。在农业环境中，塑料的存在可能对土壤团聚体稳定性和孔隙度产生正负影响，从而改变保水能力和水分入渗性能。例如，宏观碎片可能损害土壤入渗能力，同时增加田间排水的异质性。塑料碎片表面的疏水性及其缺乏胶体特性，可能导致土壤保持养分能力下降并增加淋溶风险。相反，这种疏水性通常能够吸附多种污染物（如农药），从而导致其生物积累并向下游水生生态系统传输。

塑料在土壤环境中的存在还会影响土壤宏观/微观动物和微生物。例如，暴露于聚乙烯微碎片对蚯蚓（Lumbricus terrestris）有重要影响，包括死亡率增加和生长减缓。大多数科学研究显示，暴露于聚乙烯碎片的土壤中微生物（如细菌和真菌）丰富度下降，而酶活性（如过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶等）常常增加。

这种酶活性增加未必转化为作物生产力的提升。一些研究报告了重复使用塑料薄膜导致玉米、水稻和番茄生长和产量下降。虽然其机制尚不明确，但最近一项研究显示了植物吸收和运输小塑料颗粒进入细胞结构的能力。另一种解释可能在于塑料本身释放化学物质。一方面，塑料碎片在土壤中的分解会释放塑化剂，如邻苯二甲酸盐家族化合物。另一方面，最近一项研究显示了玉米生长下降与土壤中来自塑料碎片分解的邻苯二甲酸盐含量增加之间的关联。植物的根系能够生物吸收土壤中的邻苯二甲酸盐，例如，土壤和玉米之间的邻苯二甲酸盐生物积累因子在1.6至2.3之间。在人类健康方面，邻苯二甲酸盐是已知的内分泌干扰物，与多种健康问题相关，如乳腺癌和前列腺癌。通过青贮玉米被乳牛摄入后，邻苯二甲酸盐可能集中在动物的脂溶性物质中，如脂肪和牛奶，并进一步浓缩在乳制品如黄油和奶酪中。因此，塑料覆盖膜在农业土壤中的积累和降解值得高度关注，特别是在乳业背景下，一头泌乳期奶牛每天可能摄入超过35公斤青贮玉米。

塑料碎片也是水生环境的潜在污染源。尽管相关研究日益增多，但关于塑料在淡水生态系统中的存在、归宿和影响仍存在不确定性。总体而言，在加拿大进行的研究显示这些颗粒可能频繁出现，但数量变化很大，通常每升水中有0.8至1977颗粒。这种变化反映了其在水和土壤中的丰度直接源于当地人类活动，如农业。事实上，微塑料碎片从陆地生产区向水生环境扩散。2022年发表的一项荟萃分析显示，受人类活动影响的水道是捕获和传播这种污染的主要途径，特别是城市雨水系统和农业排水系统。根据其形状和密度，塑料碎片可能集中在水面、水柱和/或沉积物中。在加拿大，最常见的塑料类型包括（1）主要来自化妆品产品的微珠，（2）来自纺织业的纤维，和（3）来自消费产品降解的碎片，包括某些薄膜，如农业用氧化生物降解覆盖膜。最近两项研究得出结论，这些氧化生物降解塑料在水生条件下不分解，从而在广泛使用这些塑料的流域中代表重要的积累风险。

微/宏观塑料碎片在水生环境中的影响可分为两类：与颗粒摄入相关的影响和与化学组分扩散（如塑化剂，如邻苯二甲酸盐和/或其他持久性有机污染物）相关的影响。许多水生生物，如软体动物、浮游甲壳动物和底栖无脊椎动物，已被证明会摄入塑料颗粒。在加拿大五大湖进行的一项研究最近显示，八种鱼类的胃中微塑料碎片普遍存在。这种污染可能来自直接摄入和/或沿食物链的生物放大作用。塑料碎片进入营养网络对水生环境有多样化和重要的生态系统后果，包括微观藻类光合作用减少、浮游动物生产力下降以及水生分解者活动减少。

与陆地环境一样，使用聚乙烯基覆盖膜最令人担忧的后果与塑化剂（如邻苯二甲酸盐）的释放及其在食物链中的生物积累有关。例如，喂食先前暴露于塑料碎片的微观藻类的Daphnia magna表现出生长显著下降和畸形增加。其他研究还检测到暴露于聚乙烯碎片的鱼类行为显著改变和基因表达失调，表明内分泌受到干扰。因此，来自塑料覆盖膜的聚乙烯碎片的持续存在和产生代表负面效应风险，可能大大超出SLSJ的行政边界，特别是考虑到塑料在陆地和水生环境中的持久性及其在环境中的传输。

结论

本研究证明，自2018年以来，SLSJ地区塑料覆盖膜覆盖的面积（以及生产强度）持续增加。文献以及我们的实地观察还表明，这些塑料的分解速度未达预期，许多地区可能因微/宏观塑料碎片而长期受到影响。中长期来看，使用这种塑料生产青贮玉米可能导致多个问题，涉及（1）土壤健康，（2）陆地和水生环境，以及（3）公共健康。短期而言，应调查并推广其他作物如大麦和燕麦，以满足该地区乳制品生产者的青贮需求。中期而言，应鼓励玉米种子开发商开发低UTM杂交种，以消除在SLSJ使用这些塑料的需求。长期而言，应努力开发一种100%生物来源且不含对环境和作物有害的难降解化学化合物的塑料覆盖膜。

致谢

作者感谢Ramzi Zarrougui对本项目的重要贡献，以及匿名审稿人对本稿件的评论和建议。无利益冲突需要声明。没有特定资金用于帮助数据收集、撰写和发布本研究。本项目出于作者的纯粹良好意识而进行。