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地膜覆盖技术起源于20世纪50年代,1979年引进我国,如今地膜广泛应用于世界各地的大田和温室种植环境中。地膜覆盖是保障缺水或寒冷地区农业生产力的重要技术措施,在我国西北一些地区,甚至到了“没有地膜,就没有产量”的程度。大量监测和统计数据显示,地膜覆盖技术可以使主要农作物增产30%以上。因此,地膜覆盖技术为我国乃至全球粮食安全作出了巨大贡献。

然而,地膜变成了“地魔”。地膜的广泛、持续使用导致农田中残留了大量的塑料,不仅影响农业生产和作物的生长、发育及产量,还给农田及周围环境造成了严重的污染。塑料残膜进一步破碎可以变成微/纳米级塑料,不仅给土壤生物和农作物生长带来危害,还可能通过食物链传递而危害人体健康。新型生物降解地膜代替传统塑料地膜,有望解决地膜污染问题,但是其环境效应,特别是它是否会产生微塑料及最终去向等问题,几乎是研究空白,这阻碍了生物降解地膜在农业上的推广和应用。因此,地膜的污染防控问题,属于国家农业和环境领域的重大需求,迫切需要解决,而地膜(微)塑料残留与土壤环境响应则是地膜污染防控的核心科学问题,亟待我们回答。然而,以往国内外有关塑料的研究主要聚焦在海洋污染领域,土壤(微)塑料污染的问题最近几年才受到关注,尤其是地膜及其微塑料的残留与土壤环境响应研究仍非常滞后。

沈阳农业大学是最早研究地膜覆盖的单位之一,汪景宽教授早在1987年就读硕士阶段就建立了地膜覆盖定位试验,一直持续至今。该站是全球最早的覆膜定位试验,依托该试验站,获批国家自然科学基金12项,发表地膜领域的论文80余篇(其中SCI论文30篇,中文50余篇)。2021年,团队成果“长期覆盖条件下旱田土壤肥力演变规律及其提升关键技术创制与应用”获得辽宁省科技进步一等奖。这些工作主要围绕地膜覆盖条件下土壤肥力和作物产量变化来进行。

从2017年开始,团队成员丁凡副教授开始研究地膜(微)塑料残留及环境效应问题,主要从传统地膜残留、新型地膜残留、土壤环境响应三个方面开展了研究(图1)。取得的主要成果为:摸清了我国县域地膜残留的家底,我国地膜残留总量为197万吨;证实了地膜产生的微塑料可以迁移到深层土壤,地膜对0~100 cm剖面中微塑料总量的贡献为33%~56%;开发了生物降解地膜微塑料的提取方法,被全球挑战基金项目推荐给6个国家的专家使用;提出了关注可降解地膜本身参与的碳循环过程及其固碳效应的新视角;发现33年覆膜残留对玉米生长和土壤质量的正遗留效应,挑战了当前地膜残留抑制大田作物生长的认知。这些结果为我国地膜的污染防控提供了数据支撑,并为生物降解地膜的推广和应用提供了科学依据。

由于在地膜领域取得的系列成果,2021年,丁凡受Science of the Total Environment主编Elena Paoletti教授的邀请,牵头组织了“Environmental impacts of agricultural plastic film mulching: Fate, consequences, and solutions”专刊,提升了中国在地膜研究领域的国际影响力;受邀共同主持(Co-PI)英国政府资助的全球挑战基金“农业微塑料是否会危害发展中国家的食物安全和可持续发展”,该项目人员来自英国、中国、越南、埃及、印度、斯里兰卡六个国家,总经费350万英镑;2022年12月6日,受德国国际合作机构(GIZ)邀请在第二届地膜管理与污染防控研讨会做大会报告。

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图1 研究方向与思路(红色字体为下一步拟开展工作内容)


主要研究进展:


1 传统地膜残留

揭示了三十二年覆膜后土壤中微塑料的残留特征(图2),证实了微塑料能够迁移到深层土壤,量化了地膜对微塑料的贡献(33%~56%);摸清了我国县域农田地膜残留的家底(总量为197万t),为国家地膜的污染防控提供新的数据支撑(图3)。

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图2 32年覆膜土壤中残膜和微塑料的剖面分布特征

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图3 中国农田地膜残留的时空分布特征

注:A:2007—2020年中国农田土壤地膜残留量的年际变化;B:2020年中国各省农田土壤地膜残留量。


2 新型地膜残留

探明了生物降解地膜在土壤中的去向及其产生微塑料的动态规律,开发了生物降解地膜微塑料的提取方法(图4),明确了生物降解地膜微塑料(>100 μm)在土壤中不会存留很长时间(几年),提出了关注生物降解地膜本身参与的碳循环过程以及其固碳效应的新视角(图5),为生物降解地膜的应用和推广提供科学依据。

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图4 申请人开发的生物降解地膜微塑料提取方法

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图5 生物降解地膜对土壤有机质的间接和直接影响过程

注:“+”表示生物降解地膜覆盖下该指标增加,“?”表示响应未知


3 土壤环境响应

揭示了地膜覆盖条件下元素循环过程及调控机制,改变了覆膜会加快土壤有机质损失的传统认知(图6);明晰了地膜残留的遗留效应,确认了长期覆膜残留对玉米生长和土壤质量没有负面效应,挑战了当前地膜残留抑制大田作物生长的认知(图7)。

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图6 地膜覆盖条件下C、N、P元素循环过程

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图7 33年覆膜对后茬玉米生长和土壤质量没有负面效应

近5年发表的代表性文章:

1. Fan Ding*, Davey L. Jones, David R. Chadwick, PilJoo Kim, Rui Jiang, and Markus Flury. 2022. Environmental impacts of agricultural plastic film mulch: Fate, consequences, and solutions. Science of the Total Environment. 836, 155668.

2. Dechang Ji, Fan Ding*, Feike A. Dijkstra, Zhaojie Jia, Shuangyi Li, and Jingkuan Wang. 2022. Crop residue decomposition and nutrient release are independently affected by nitrogen fertilization, plastic film mulching, and residue type. European Journal of Agronomy. 138: 126535.

3. Shitong Li, Fan Ding*, Markus Flury, Zhan Wang, Li Xu, Shuangyi Li, Davey Jones, Jingkuan Wang. 2022. Macro- and microplastic accumulation in soil after 32 years of plastic film mulching. Environmental Pollution. 300, 118945. (ESI高被引论文)

4. Fan Ding*, Dechang Ji, Kang Yan, Feike A. Dijkstra, XuelianBao, Shuangyi Li, Yakov Kuzyakov, Jingkuan Wang*, 2022. Increased soil organic matter after 28 years of nitrogen fertilization only with plastic film mulching is controlled by maize root biomass. Science of the Total Environment. 10, 152244.

5. Zhengyu Wang, Mingxuan Li, Markus Flury, Sean Schaeffer, Yi Chang, Zhao Tao, ZhaojieJia, Shitong Li, Fan Ding*, Jingkuan Wang, 2021. Agronomic performance of polyethylene and biodegradable plastic film mulches in a maize cropping system in a humid continental climate. Science of the Total Environment. 786, 14746.

6. Fan Ding*, Markus Flury, Sean M. Schaeffer, Yingde Xu, Jingkuan Wang 2021. Does long-term use of biodegradable plastic mulch affect soil carbon stock? Resources, Conservation & Recycling. 175, 105895.

7. Fan Ding*, Shuangyi Li, Xiao-Tao Lü, Feike Dijkstra, Sean Schaeffer, Tingting An, Jiubo Pei, Liangjie Sun, Jingkuan Wang*. 2019. Opposite effects of nitrogen fertilization and plastic film mulching on crop N and P stoichiometry in a temperate agroecosystem. Journal of Plant Ecology. 12(4), 682–692.

8. 李铭轩,吉德昌,王政宇,徐英德,贾照杰,李诗彤,常艺,冯良山,张哲,冯晨,丁凡*,2022. 生物降解地膜对土壤微生物丰度、活性及群落结构的影响. 农业环境科学学报. 41(8): 1758 -1767.

9. 丁凡,严昌荣,汪景宽,2022. 黑土地保护中不容忽视的一个问题:地膜残留与污染. 土壤通报. 53(1): 234-240.

10. 丁凡,吕军,刘勤,郭莹,何文清,王林,严昌荣,2021. 我国棉花主产区变化与地膜残留污染研究. 华中农业大学学报. 40(6): 60-67.

11. 丁凡,李诗彤,王展,冯良山,汪景宽,2021. 塑料和可降解地膜的残留与降解及对土壤健康的影响:进展与思考. 湖南生态科学学报. 8(03): 83-89.

12. 王庆鲁,祝鹏飞,丁凡*. 2020. 地膜覆盖和有机肥施用对农田土壤和作物C、N、P化学计量学的影响. 生态学杂志. 39(4): 1191-1197.


责任编辑:宋潇

校对丨审核:张阳 王农

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