可生物降解地膜（PBAT/PLA）翻埋对农田地表径流、土壤侵蚀及膜碎片流失的影响

《Soil and Tillage Research》：Biodegradable mulch films affecting surface runoff, soil erosion, and film fragment loss from farmland

　　

可生物降解地膜（biodegradable mulch film）碎片显著影响预湿（pre-wetted）模拟条件下的地表径流系数（runoff coefficient）；可生物降解地膜碎片对土壤侵蚀速率（soil erosion rate）无显著影响；在输移沉积物（delivered sediments）中，较大地膜碎片发生亏缺（depleted），而较小碎片的行为与表土（topsoil）相似。

在农业中塑料使用量大，地膜广泛用于调节土壤温度、提高水分利用效率、抑制杂草及土壤太阳能消毒。薄地膜（<25 μm）风化后可释放大塑料（>5 mm）或微塑料（microplastic，<5 mm 塑料碎片）碎片。传统低密度聚乙烯（LDPE，low-density polyethylene）碎片可长期存留并累积；经认证的可生物降解地膜（biodegradable mulch film，可在土壤中经生物作用降解的地膜）在受控实验室土壤中两年内可达90%矿化为CO₂，其成分包括淀粉及聚乳酸（PLA，polylactic acid，一种生物基可降解聚酯）和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT，poly(butylene-adipate-co-terephthalate)，一种可生物降解共聚酯）等。反复施用或降解慢时，地膜碎片可在表土存留数年，改变孔隙连通性、土壤结构、水分运动、容重、孔隙度和饱和导水率，进而可能影响地表径流（surface runoff，降水未入渗而沿地表流动的水流）和土壤侵蚀（soil erosion，土壤颗粒被水等外力剥离和搬运），并促进碎片向邻近生态系统横向迁移。现有研究多关注覆膜期完整地膜，缺乏翻埋后可生物降解地膜碎片对径流、侵蚀及碎片流失影响的田间实验。Ana Carolina Cugler Moreira、Flora Wille、Pedro V.G. Batista、Michael Sander、Florian Wilken 和 Peter Fiener 开展了田间小区模拟降雨研究，检验翻埋是否增加强降雨下径流和侵蚀、>2 mm碎片是否大多留存、<2 mm碎片是否优先迁移等假设。

关键技术方法（约230字）：在德国东部巴伐利亚EARL实验站坡度11%的粉质壤土布设6个7.2 m²小区；将PBAT/PLA地膜暴露6个月后切碎翻埋于0–0.1 m表土并设对照；以60 mm h^?1强度进行30 min干运行与间隔30 min的30 min湿运行模拟降雨，采集径流和沉积物；采用索氏提取（Soxhlet extraction，连续溶剂提取方法）结合核磁共振氢谱（¹H NMR，proton nuclear magnetic resonance，用于定量聚合物的谱学方法）定量PBAT/PLA，并计算沉积物相对表土的富集/亏缺比（ER，enrichment/depletion ratio，沉积物中聚合物浓度与表土中浓度之比）。

3.1 地表径流与土壤侵蚀：通过干运行和湿运行模拟降雨发现，含翻埋地膜小区平均径流率较高；干运行平均沉积物输移（sediment delivery，随径流输出的泥沙量）率较高，湿运行不明显。湿运行径流系数在两类处理间差异显著（p<0.05），干运行不显著；两次运行累计沉积物输移量均无显著差异。湿运行总体径流和沉积物输移高于干运行。3.2 土壤与沉积物中的可生物降解聚合物：通过¹H NMR定量发现，处理小区表土<2 mm聚合物为2.6±0.72 μg g^?1，>2 mm总聚合物为56.51±31.49 μg g^?1；沉积物中总聚合物干运行为2.41±1.65 μg g^?1、湿运行为3.76±2.5 μg g^?1。处理表土>2 mm的PBAT对苯二甲酸单元T含量为48.5±0.2 mol%，高于原始地膜的47 mol%，提示田间老化地膜翻埋前可能已发生一定生物降解。干运行初期沉积物聚合物浓度低，约14 min后随径流和沉积物输移增加；湿运行浓度波动较大，峰值可能与随机较大碎片迁移有关。<2 mm细聚合物ER波动大且跨越1，不能判定富集或亏缺；所有粒径合计时ER<1，>2 mm碎片在沉积物中强亏缺（超过4倍），表明径流未输移较大碎片。

讨论部分总结：翻埋6个月后仍有大量地膜碎片进入表土，但薄碎片质量小，表土中>2 mm和<2 mm碎片总浓度低。翻埋大塑料碎片可降低入渗，增加强降雨径流概率；处理小区径流系数在干、湿运行分别高25.5%和10.0%，湿运行差异显著，干运行因变异性大不显著；干运行差异较大可能与处理小区土壤含水量略高有关但未测定。累计沉积物输移量有增大趋势但不显著，原因包括干运行径流变异大、侵蚀受微地形等多因素影响、部分翻埋碎片残留地表既阻碍入渗又保护土壤免受雨滴打击。碎片持续破碎和降解后上述影响预计减弱；认证要求两年内90%矿化，但田间降解较慢，有研究报告4年后约34%残留、36个月后约27%残留，且连年施用可提高碎片浓度。数据支持假设2，>2 mm碎片在片流和小细沟侵蚀下很少迁移；<2 mm碎片近似本体土壤，干运行略有富集但与ER=1无显著差异，假设3不能验证；其密度约1.2 g cm^?3，高于聚乙烯（PE，polyethylene）微塑料约0.9 g cm^?3，形状、粒径及与土壤颗粒作用可能影响迁移。研究不确定性包括径流采样非连续、浓度峰值可能漏检、低浓度限制峰面积积分，事件负荷仅为近似。较大碎片迁移潜力低可减少向水生生态系统输入，但其在土壤好氧降解设计下可能在水体中持久；随破碎产生更多小碎片，其流失可能增加。

研究结论（翻译）：研究人员开展降雨模拟实验，以认识可生物降解地膜碎片对地表径流、侵蚀及可生物降解颗粒输移的影响。新翻埋地膜在湿运行中显著提高地表径流系数，而干运行中处理变异过大，未显示与较稳定对照的显著差异；对照和处理三次重复的沉积物输移变异更大，未能确定累计沉积物输移的显著差异。尽管一次性施用地膜，可生物降解膜碎片仍随土壤被侵蚀；输移沉积物中聚酯浓度较低（2.41–3.76 μg g^?1）。实验中翻埋经6个月预暴露地膜后，表土中多数碎片相对较大（部分达数厘米）；这些大碎片几乎不随片流和/或小细沟侵蚀迁移，因此其在输移沉积物中的总体碎片浓度显著低于表土，从而降低翻埋后短期内强降雨下的膜碎片迁移潜力。该实验首次分析可生物降解地膜碎片侵蚀诱导的迁移，但仅代表翻埋后短期状态；需开展重复施用及更详细粒径分级的长期研究，以评估对地表径流、土壤侵蚀和膜碎片流失的潜在影响，并为易发生径流和侵蚀地区农民提供建议基础。