有机蔬菜连续三年使用可生物降解地膜覆盖：促进作物产量却不改变土壤有机质含量

　　土壤有机质 (SOM) 是重要的碳储存库，对维持土壤健康至关重要。种植作物通常会导致土壤有机质减少。然而，有机农业系统常采用能够部分缓解这种损失的管理措施。可生物降解塑料薄膜覆盖 (PFM) 能够通过改善土壤水热条件、提高氮素利用效率和抑制杂草来增加作物产量。它也可能加速土壤有机质分解并引起土壤微生物群落的变化。此外，来自PFM种植作物的根际沉积物和作物残茬的碳归还增加可以补偿土壤有机质的分解，尽管其结果因农业和环境条件而异。为解决这些不确定性，本研究在英国一家有机农场开展了为期三年的蔬菜轮作田间小区试验，测定有无可生物降解PFM、施用禽粪或绿色废弃物堆肥、以及是否种植越冬绿肥等处理下的土壤有机质含量。可生物降解PFM使所有种植作物 (43%46%) 和越冬绿肥 (18%) 的产量显著增加，导致更多有机质进入土壤。尽管如此，三年内可生物降解PFM覆盖地块与非覆盖地块的土壤有机质含量并无显著差异，土壤细菌多样性也无显著变化。相比之下，绿色废弃物堆肥与禽粪施用量的大幅差异使三年后土壤有机质增加了15%。可生物降解PFM对土壤细菌群落的多样性 (Shannon指数) 和多样性均无显著影响。

　　土壤碳储量超过大气与地上生物量之和，其动态变化对温室效应至关重要。农业活动通过耕作、施肥和作物选择等途径影响土壤碳循环，因此提升土壤碳固存是应对气候变化的重要策略。有机农业重视土壤健康，采用堆肥、绿肥、多样化轮作等措施增强土壤碳库，但矿物氮肥的限制降低了产量，且机械除草未必优于化学除草，这些因素对高肥力需求的集约化园艺作物影响尤为显著。

　　塑料薄膜覆盖 (PFM) 能有效控草、增产并提高氮素有效性，但其环境风险不容忽视：传统塑料残留污染严重，而可生物降解PFM虽能缓解此问题，却可能加速土壤有机质分解，导致碳库损耗。土壤碳平衡受多因素调控PFM虽促进有机质分解，但作物生长增强带来的残茬与根系归还或可补偿损失。可生物降解PFM对土壤碳库的直接输入有限，其效应与传统PE地膜相近，但亟需长期试验验证。此外，PFM可通过改变微气候及薄膜碎片、添加剂的物理化学作用影响土壤生物，已有研究表明其能提升细菌丰度与多样性。

　　现有研究多集中于中国东北和北美平原的常规玉米、小麦等作物，温带海洋性气候区的有机园艺系统研究匮乏。本研究韦德官方网站假设：可生物降解PFM在增产的同时会加速土壤有机质分解，导致三年内土壤碳下降，并提高微生物多样性。为此，本研究在英国威尔士开展三年有机蔬菜轮作试验，设置PFM与无覆盖对照，并纳入绿色废弃物堆肥/禽粪两种肥源及绿肥/编织覆盖两种越冬处理，以探究PFM与不同管理措施的交互效应及其对土壤碳动态的影响。

　　图1 试验第一年 (2021年) 韭菜产量：(a) 修剪后可上市产品产量，(b) 单株地上部总干物质生物量。处理包括有无可生物降解PFM及施用绿色废弃物堆肥或禽粪。

　　图2 试验第二年 (2022年) 甜玉米产量：(a) 可上市产品 (鲜穗)，(b) 单株穗干重，(c) 单株剩余地上部干物质生物量。处理包括有无可生物降解PFM、施用绿色废弃物堆肥或禽粪，以及越冬编织聚丙烯覆盖或黑麦-箭筈豌豆绿肥。

　　图3 试验第三年 (2023年) 生菜产量：(a) 每公顷可上市产品产量，(b) 单株地上部总干物质生物量。处理包括有无可生物降解PFM、施用绿色废弃物堆肥或禽粪，以及越冬编织聚丙烯覆盖或黑麦-箭筈豌豆绿肥。

　　可生物降解PFM对分解速率常数k无显著影响，但第一年和第二年显著降低稳定化系数S (p 0.001)，第三年无显著差异 (图4)。肥源对两个指标均无显著影响。越冬绿肥仅第二年显著降低k，对S无显著影响。

　　图4 试验三年生长季茶包指数早期分解速率常数k (a) 和稳定化系数S (b)。处理为有无可生物降解PFM。

　　土壤有机质含量春季高于秋季，随深度递减。三年间010 cm土层平均灼烧失重由12.6%增至13.4% (增幅0.82% 0.35%)。可生物降解PFM在三年试验期内对土壤有机质无显著影响。绿色废弃物堆肥较禽粪显著提高土壤有机质：2023年秋和2024年春表层10 cm分别高9%和15% (p 0.001)，1020 cm层高7% (p 0.005)；三年间堆肥处理表层土壤有机质显著增加1.5%，禽粪处理无显著变化 (图5)。越冬绿肥仅最后一年春季对禽粪地块表层土壤有机质有显著促进作用。

　　图5 三年蔬菜生产中有无可生物降解PFM的土壤有机质 (灼烧失重) 变化。

　　多样性 (Shannon指数) 和多样性在各处理间均无显著差异。优势菌群为酸杆菌门 (28.4%)、变形菌门 (25.5%)、疣微菌门 (13.8%)、放线.0%) (图6)。可生物降解PFM显著降低硝化螺旋菌门及硝化螺旋菌属相对丰度，但提高假单胞菌属丰度；堆肥较禽粪及绿肥较覆盖处理均提高拟杆菌门及拟杆菌纲相对丰度。

　　图6 土壤细菌门水平OTU相对丰度：(a) 有无可生物降解PFM及施用绿色废弃物堆肥或禽粪，(b) 越冬黑麦-箭筈豌豆绿肥，(c) 越冬编织聚丙烯覆盖。

　　可生物降解PFM持续提高所有供试作物产量，与以往不同气候条件下的研究结果一致，这主要归因于土壤水热条件改善及养分有效性提高。有机投入物效应因年份而异：第一年禽粪增产，第三年堆肥占优，第二年两者交互显著PFM覆盖缓解了禽粪的负面效应，可能通过减少氨挥发或淋溶损失保蓄了其快速释放的矿质氮。越冬绿肥在第三年显著增产，可能源于其提供了易矿化的额外肥源。

　　部分研究表明PFM显著影响细菌多样性，但本研究未发现可生物降解PFM对土壤细菌多样性和多样性有显著影响，与部分田间试验结果一致。采样时间 (2022年8月) 作物冠层已郁闭，土温差异可能已消退；且试验地土壤有机质含量高 (12.5%13%)，微生物群落健康多样，对扰动抗性强，PFM的碳源效应在此条件下可能冗余。此外，试验前该农场曾长期使用可生物降解PFM，可能存在残留适应。PFM降低硝化螺旋菌属丰度、提高假单胞菌属丰度的结果与部分研究相反，反映了田间实际应用与实验室高浓度添加试验的差异。

　　可生物降解PFM直接碳输入有限，但净初级生产显著提高，作物残茬归还量随之增加。绿色废弃物堆肥年碳输入较禽粪高395 gm-2，是三年间最大的有机碳贡献者；PFM通过增加甜玉米秸秆产量使碳输入提高约50%；绿肥 (仅二年) 贡献约为堆肥的25%。尽管茶包指数显示PFM在第12年促进了较稳定有机质的分解，但作物残茬、根系分泌物及绿肥的增量归还补偿了该损失，使土壤有机质含量维持平衡。本试验三年时间尺度及采样强度仅能检测较大差异 (如堆肥效应)，尚不足以揭示PFM的微小影响。未来需长期监测并结合有机碳组分分析，以区分活性碳库与稳定碳库的变化。

　　本研究未发现可生物降解PFM对土壤有机质含量和微生物多样性有显著负面影响，缓解了人们对PFM导致土壤碳库损耗的担忧，但需长期试验验证。可生物降解PFM在显著提高作物产量的同时不损害土壤碳库，结合绿色废弃物堆肥的增碳效应和越冬绿肥的增产效益，为有机农业可持续发展提供了有前景的技术策略。

　　由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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