残留聚乙烯薄膜负荷改变土壤质量和玉米产量，塑圈土中存在独特的细菌群落

《Journal of Hazardous Materials》：Residual polyethylene film loading alters soil quality and maize productivity, with distinct bacterial communities in plastisphere soil

　　

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  残留聚乙烯薄膜负荷对土壤质量和玉米产量具有非单调效应。
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  土壤全氮和有效磷与玉米产量呈正相关。
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  汇聚的塑料圈层土壤具有独特的细菌群落。
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  更强的塑料圈层连通性并不能确保更高的模拟稳健性。
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  塑料圈层硝化潜力与硝化基因丰度存在偏差。

引言

塑料污染广泛存在于各生态系统中，并因其实质性生态后果而成为主要的关注环境问题[1]。塑料碎片已被记录于从高海拔淡水池塘到大洋开阔水域的各类栖息地中[2]，[3]。陆地土壤中也残留有塑料碎片，反复使用地膜是导致其在大田中累积的原因[4]，[5]。在干旱和半干旱地区，聚乙烯（PE）地膜可以保持土壤水分、调节温度并支持作物生产[6]，[7]，[8]。然而，回收不完全在大田中留下了持久的PE薄膜残留物[9]。这些碎片在土壤中残留，其物理和化学性质会因风化和破碎而逐渐改变[10]。残留物还可能改变土壤生境和微生物过程[11]。因此，了解残留PE薄膜如何随时间影响土壤过程和作物表现，对于评估农业覆膜使用的可持续性至关重要。

残留薄膜对土壤和作物表现的影响随负荷量和环境条件而变化[6]，[12]，[13]。残留物可以改变土壤物理性质、微生物群落和养分循环[11]，[14]，[15]，但土壤资源的变化不一定对应作物生产力的变化。例如，在残留薄膜暴露下，土壤水分储量的增加可能伴随玉米产量的降低[16]。不同作物组之间报道的负荷阈值也有所不同[12]，表明仅凭负荷量可能不足以预测农业影响。在反复覆膜的农田中，累积的残留物也反映了薄膜投入和回收的历史[5]，[9]。在共同的初始土壤背景和一致的管理条件下比较不同负荷处理，有助于区分对残留薄膜负荷的响应与田间历史差异。此类比较对于建立土壤资源、微生物群落和作物表现如何在负荷梯度上共同响应是必要的。

残留薄膜还会形成本地生境，其性质可能与体土不同。土壤塑料圈层包括塑料表面上的微生物群落以及受塑料颗粒影响的周围土壤[11]。在此，塑料圈层土壤（PS）指牢固附着于残留PE碎片上的土壤，包括其相关微生物群落。先前的研究报告了塑料圈层与周围土壤之间在细菌组成、群落组装和推断功能方面的差异[17]，[18]。这些差异可能与氮循环有关，因为微生物转化调节铵态氮和硝态氮的可用性[19]，而水分条件影响植物对氮可用性的响应[20]。然而，界面处微生物功能潜能的变异并不能直接确立土壤养分可用性或作物氮供给的变化。将PS与体土一同考察，可以阐明在残留薄膜长期暴露下，土壤—薄膜界面上的微生物分化与土壤资源条件之间的关系。

为回答这些问题，我们使用了2011年建立的一个半干旱玉米田实验，设有五个残留PE薄膜负荷处理。所有处理共享共同的初始土壤背景并接受一致的年度管理。我们测量了土壤性质、土壤质量指数、玉米生长和产量、细菌群落组成、氮循环基因丰度和硝化潜力，并考察了细菌多样性、群落组装和关联网络。我们提出以下问题：土壤质量和玉米表现是否对残留薄膜负荷呈单调响应，以及这些响应如何与土壤资源和微生物指标相关联。我们还比较了体土与四个含残留薄膜处理中汇聚的PS，以评估细菌群落和氮循环潜力的差异。这些比较考察了负荷梯度和土壤—薄膜界面条件如何共同提供残留薄膜在农业土壤中影响评估的信息。

章节片段

田间试验设计与土壤采样

田间试验在中国甘肃省张掖市（39.4° N, 99.0° E；海拔1,570m）进行，该地区具有典型的温带大陆性干旱气候。该地区年降水量不足130mm，年蒸发量约为2,075mm，年平均气温为7 °C。在处理建立之前，0-20cm土层被归类为灌溉冲积土，质地为轻壤土。初始土壤的田间持水容量为

土壤性质与玉米表现

大多数测量的土壤性质在各处理间存在差异，而pH和DOC则没有差异（表1）。在体土中，SOC和TN通常随残留薄膜负荷增加而降低。R300–R600处理下的SOC低于R0，TN在R600下最低。相比之下，SWC在R600下最高。AP在R300–R600下低于R0和R150。

微生物量和氮可用性在负荷梯度上表现出不同的响应。MBC在R150和R300下最高，并显著低于

残留薄膜负荷改变了土壤资源和玉米表现

在所测试的田间条件下，残留薄膜负荷对玉米表现产生了非线性响应。与R0相比，R150下的籽粒产量增加约20%，而R600下减少22%（表3）。R150下的产量增加伴随着根系和地上生物量增加、微生物量C升高以及两个土壤质量指数值提高（表1，表2，表3）。因此，产量增益伴随着植物生长和土壤条件的变化。这些增益是

结论

残留塑料薄膜对土壤质量和玉米生产力的影响是非线性的，低负荷下有利的响应在高负荷下消失。在高负荷下，收获后土壤含水量增加与较差的养分状况和根生长减少同时出现，表明水分保持并不必然转化为更高的生产力。土壤资源、微生物群落和作物表现的同步变化，以及与

CRediT作者贡献声明

Danni Feng（冯丹妮）：可视化、调查。Tao Wei（魏涛）：形式分析、概念化。Hongbin Liu（刘宏宾）：监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Hude Yang（杨虎德）：验证、形式分析。Weijing Li（李伟京）：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、形式分析、数据管理、概念化。Zhongming Ma（马中明）：写作—审阅与编辑、方法学、形式分析。Hongyuan Wang（王宏远）：写作—审阅与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到中央非营利性科研机构基本科研业务费专项资金（G2026-01-71）和中国公益性行业农业科研专项经费（201003014）的资助。

李伟京|王宏远|马中明|魏涛|冯丹妮|杨虎德|刘宏宾