土壤质地决定了农业土壤中生物塑料引发的温室气体排放以及碳-氮循环过程

《Environmental Pollution》：Soil texture controls bioplastic-induced greenhouse gas emissions and carbon–nitrogen cycling in agricultural soils

　　

摘要

生物塑料（BPs）在农业中的使用日益增加，但它们在土壤中的行为以及对碳（C）和氮（N）循环的影响在很大程度上取决于土壤条件。本研究评估了三种生物塑料（1% w/w；400–700 μm）——羟基烷酸酯（PHA）、聚丁烯琥酸盐（PBS）和聚乳酸（PLA）在粘土和沙质农业土壤中120天培养期间的影响，培养期间经历了四次湿润-干燥循环（孔隙空间含水量为70–30%）。PHA对土壤生化过程的影响最大，包括更高的CO₂排放量、微生物生物量、酶活性和DOC（溶解有机碳）的增加，同时NO₃^-浓度降低。与对照组相比，粘土土壤中的累计CO₂排放量增加了高达464%，而在沙质土壤中增加了107%；N₂O排放量在PHA处理下增加了4.2倍，NO₃^-浓度则降低了59%。粘土土壤中的土壤微生物生物量和获取碳、氮的酶活性增加了2-3倍，而沙质土壤中增加了1-2倍。PHA处理下的溶解有机碳也有所增加，沙质土壤中达到了748 mg kg^-1，而对照组为490 mg kg^-1。PLA和PBS对碳和氮库的变化较小且较慢，其中PBS比PLA更有利于微生物的富集。ATR-FTIR显示培养后聚合物和土壤发生了光谱变化，但这些光谱变化并不总是与土壤生化反应相对应。土壤类型影响了添加生物塑料后碳和氮循环的变化。尽管PHA在粘土土壤中的CO₂增加幅度大于PBS，但沙质土壤通常表现出更高的CO₂和N₂O排放量。这些发现表明，在反复湿润-干燥条件下，土壤质地显著影响了生物塑料引起的微生物活性、碳和氮循环以及温室气体排放的变化。这突显了在农业土壤中对可降解塑料进行特定土壤风险评估的重要性。

引言

塑料污染已成为对陆地生态系统广泛而持续的威胁，农业土壤越来越被认为是塑料垃圾的主要汇集地。传统的农业塑料，包括地膜、种子涂层、灌溉管和包装材料，降解速度慢，并会碎裂成持久性的微塑料，这些微塑料可能在土壤中存在数十年（Hussain等人，2026年；Sarfraz等人，2025年）。这些残留物改变了土壤的物理结构，干扰了微生物栖息地，并破坏了对养分循环至关重要的生物地球化学过程（Rashti等人，2023年）。它们对微生物降解的抵抗力增加了长期的生态风险（Ali等人，2021年）。在过去十年中，生物塑料（BPs）作为传统塑料的潜在替代品受到了越来越多关注。生物塑料是基于生物的聚合物材料，具有生物降解性或两者兼备，并设计为在自然环境条件下进行微生物分解（Ali等人，2023年）。生物塑料旨在在土壤中比传统塑料更容易分解，从而可能减少长期积累和环境持久性。然而，它们在田间条件下的分解速率严重依赖于土壤质地、水分可用性和微生物活性。在生物塑料分解过程中，它们向土壤中引入了额外的有机碳（C），这可能会影响微生物过程，包括呼吸作用、氮（N）循环和温室气体（GHGs）排放（Song等人，2025年）。

土壤质地决定了关键的土壤特性，包括孔隙度、透气性和持水能力，这些特性在调节微生物活性和养分动态中起着关键作用（Li等人，2022年）。沙质土壤通常具有较大的孔隙，可以支持氧气扩散并促进好氧微生物过程，尽管氧气扩散也取决于土壤含水量。然而，它们有限的持水能力和养分保持能力可能在干燥条件下限制微生物活性（Yudina和Kuzyakov，2023年）。相比之下，粘土土壤具有较高的微孔空间，能够更有效地保持水分和养分，为微生物生长创造出更稳定的环境，包括在低氧或厌氧条件下（Park等人，2024年）。这些不同的特性可能影响生物塑料在土壤中的分解速率和程度，因为微生物获取碳来源的能力受到周围物理环境的影响。最近的比较研究表明，可降解生物塑料在土壤暴露期间的行为可能不同。在自然土壤条件下埋藏一年后，含PBS的薄膜比含PLA的薄膜质量损失更大（Slezak等人，2023年）。在土壤暴露过程中，PLA、PHA/PLA和PBS/PLA纤维之间的降解也观察到了差异（Borelbach等人，2023年）。同样，在城市土壤中埋藏120天后，PLA、PHB、PHBH和Bio-PBS也表现出不同的降解模式（Kobayashi等人，2026年）。这些研究表明，不同生物塑料的降解行为存在差异。然而，这些差异如何与不同的土壤特性相互作用并影响土壤微生物过程和碳、氮循环仍不甚明了。

土壤微生物的碳和氮循环主要由关键的胞外酶调节，这些酶将复杂的有机化合物分解成微生物群落可利用的简单分子。β-葡萄糖苷酶在碳循环中起核心作用，催化纤维素分解并释放葡萄糖供微生物代谢（Han等人，2023年）。N-乙酰-β-D-葡糖胺酶（NAGase）通过降解几丁质并释放有机氮化合物来促进氮循环，这些化合物可以进一步矿化为铵（NH₄⁺）。释放的NH₄⁺随后可以经历硝化和反硝化作用，生成一氧化二氮（N₂O）（Zhang等人，2022年）。将生物塑料引入土壤生态系统可以通过提供额外的碳来源来改变微生物活性，从而刺激酶活性和呼吸作用。聚合物分解产物也可能暂时影响微生物代谢和相关的生物地球化学过程。在有氧条件下，这通常会导致碳矿化增加和二氧化碳（CO₂）的释放。然而，在氧气有限的微环境中，可能促进甲烷生成（CH₄）的产生（Brown等人，2023年；Chah等人，2022年）。了解这些微生物反应对于评估生物塑料分解如何影响土壤生化过程和温室气体动态至关重要。

尽管已有几项研究量化了生物塑料在土壤条件下的质量损失或结构变化，但很少有研究将聚合物降解与不同土壤质地下的碳和氮循环、温室气体排放以及微生物过程联系起来。尽管认识到土壤质地和湿度的重要性，但它们对生物塑料降解的综合影响仍不甚明了。湿润-干燥循环模拟了自然降雨和干燥条件，创造了交替的好氧和厌氧环境，影响微生物代谢、酶活性和温室气体排放（Haque等人，2021年）。重新湿润可以刺激微生物活性和分解，而干燥阶段则限制了底物的可用性并可能促进厌氧微环境的形成（Rashti等人，2019年）。在研究生物塑料如何分解及其分解产物如何影响土壤生物地球化学途径时，这些水分动态尤为重要。

本研究考察了三种农业用生物塑料：羟基烷酸酯（PHA）、聚丁烯琥酸盐（PBS）和聚乳酸（PLA）。这些聚合物在化学来源和降解行为上有所不同，PHA是一种由微生物合成的储存聚合物，PBS是一种合成脂肪族聚酯，而PLA是一种主要通过水解降解的生物基聚酯。基于这些特性，我们假设PHA将比PBS和PLA降解得更快，因为许多土壤微生物具有能够降解PHA的解聚酶。预计由于粘土土壤具有较高的持水能力和养分可用性，生物塑料的分解将刺激更高的微生物生物量和酶活性。因此，本研究的主要目标是：a）比较不同生物塑料在受控湿润-干燥循环下暴露于沙质和粘土土壤后的结构变化；b）通过微生物生物量和无机及溶解有机碳、氮库来评估土壤中的碳和氮动态；c）检查添加生物塑料后土壤中获取碳、氮和磷的酶活性；d）确定生物塑料类型和土壤特性如何影响温室气体排放和土壤生化反应。

章节片段

土壤和生物塑料准备

从澳大利亚不同地区的农业土壤中选择了两种具有不同特性的土壤。粘土土壤取自新南威尔士州的Condobolin（33° 03′ 04″ S, 147° 14′ 43″ E），沙质土壤取自西澳大利亚州的Wickepin（32° 45′ 56″ S, 117° 28′ 51″ E）。土壤样本从0 –10厘米表层收集，通过2毫米筛网筛选，风干后在室温下储存，用于实验。本研究中使用的PHA是

温室气体排放

土壤质地和生物塑料类型影响了120天培养期间的累计CO₂排放（图1）。在粘土土壤中，CCK、CPBS和CPLA之间的累计CO₂排放量相对相似，而CPHA则显著增加。CPHA的增加在第一个湿润-干燥循环后变得明显，并持续到第120天。在沙质土壤中，SPLA与SCK相似，SPBS导致了中等程度的增加，而SPHA产生了最高的累计CO₂排放量（图1B）。尽管

生物塑料引起的土壤温室气体排放和微生物酶活性变化

不同聚合物之间的温室气体响应差异表明，生物塑料在培养期间对碳和氮转化的影响不同。PHA的添加在两种土壤中都导致了最大的CO₂排放增加。这种更强的响应可能与PHA的微生物解聚作用和异养呼吸增强有关（Paloyan等人，2025年；Vital-Vilchis和Karunakaran，2024年）。而PBS和PLA添加后的较小CO₂响应可能反映了它们较慢的水解速度和较低的

结论

本研究表明，生物塑料对土壤碳和氮循环及微生物活性的影响取决于聚合物类型和土壤特性。PHA在CO₂和N₂O排放、微生物生物量、酶活性以及溶解碳和氮库方面产生了最大的变化，而PBS和PLA通常产生的响应较小。这两种土壤之间的响应也有所不同，沙质土壤显示出更高的累积温室气体排放量，特别是N₂O

CRediT作者贡献声明

Mehran Rezaei Rashti：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、概念化。Munawar Hussain：撰写——审阅与编辑、可视化、形式分析、概念化。Wajiha Sarfraz：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法论、形式分析、数据管理、概念化。Chengrong Chen：撰写——审阅与编辑、验证、概念化。Noreen Khalid：撰写——审阅与编辑、验证、概念化。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢

作者感谢昆士兰大学化学工程学院（School of Chemical Engineering）的Bronwyn Laycock教授提供生物塑料材料和实验室设施支持了这项研究。

Wajiha Sarfraz|Munawar Hussain|Chengrong Chen|Clement Matthew Chan|Noreen Khalid|Apsara Amarasinghe|Bahar S. Razavi|Mehran Rezaei Rashti

澳大利亚格里菲斯大学环境与科学学院，昆士兰州Nathan，4111