【科研进展】我院生态所研究团队在农用地膜对土壤碳循环的成分依赖性调控及健康风险管控研究取得重要进展
近期，上海市农业科学院生态环境保护研究所环境监测团队在农用地膜对土壤碳循环的成分依赖性调控机制方面取得进展。该研究运用宏基因组学技术，揭示了两种不同成分的可降解地膜PBAT/PLA（BM1）、PBAT/木质素（BM2）覆盖1个月（功能期）和7个月（降解期）后土壤碳循环微生物群落和功能基因的差异化响应机制（图1）。相关研究成果发表于Journal of Hazardous Materials（2026, 506: 141616，一区Top，IF=11.3）。
图1 不同成分的可降解地膜对土壤碳循环微生物和功能基因的差异化调控
可降解地膜的推广应用是减少传统聚乙烯地膜残留累积的重要途径，但其对土壤碳循环的生态影响尚不清晰。现有研究多关注整体微生物群落，缺乏对碳循环功能微生物和功能基因的针对性研究。
研究发现，可降解地膜会重塑土壤碳循环，且不同成分的地膜效果截然不同。PBAT/PLA地膜较易降解，使土壤微生物“疯狂分解有机物”却“拒绝固碳”，如土壤碳降解基因丰度显著提升（如半纤维素、纤维素、果胶降解相关基因，最高增加87.2%），但大多数碳固定途径和甲烷代谢基因被抑制。相比之下，PBAT/木质素地膜降解慢，促进了土壤微生物参与的特定碳固定途径（rTCA, DC/4HB, 3HP, CBB），但对碳降解和甲烷代谢的效应较弱，总体维持更平衡的碳循环功能。
覆膜土壤的碳循环微生物α多样性前期提升，后期回落，而碳循环微生物和功能基因的β多样性差异一直持续至7个月，表明地膜降解期虽然物种数量恢复，但群落结构已然改变。具体而言，1个月时，两种可降解地膜均显著提升碳循环微生物的丰富度和多样性（PBAT/木质素组的微生物丰富度最高，PBAT/PLA组的微生物多样性最高），但在地膜降解期的效应消失。PCoA分析显示，所有覆膜处理都显著改变了碳循环微生物和功能基因的分布，并从功能期持续至降解期，差异菌属覆盖细菌、真菌和古菌。
土壤微生物从“复杂竞争”转向“简单协作”，生态系统变得更高效，但韧性可能降低（图2）。覆膜处理减少了土壤碳循环微生物共现网络的节点和边数，降低了微生物互作复杂度，但提高了微生物之间的正向协同比例，PBAT/PLA覆盖的土壤碳循环微生物正相关比例最高（63.28%），PBAT/木质素地膜最低（52.34%），但均高于不覆膜组的正相关比例（50.48%）。
图2 不同覆膜处理的土壤碳循环功能微生物共现网络。节点大小与连通性成正比。红色边线表示物种间正相关，蓝色边线表示负相关。
进一步分析不同覆膜处理的土壤碳循环差异菌属、功能基因和土壤环境因子之间的关联性（图3），发现可降解地膜通过改变土壤环境因子（如 pH、EC、AP、SOC）直接影响碳循环微生物群落结构和功能基因表达。地膜降解产物可作为底物，富集特定功能微生物（如 Nocardioides、Sphingomonas），形成“塑料际”，进一步调控碳固定、碳降解和甲烷代谢。土壤各菌属存在一定的功能分工：细菌是碳循环功能基因表达的主要正向调控者，多数促进碳固定和碳降解，但在甲烷代谢中作用分化，部分放线菌促进产甲烷（乙酸途径）和好氧氧化，而某些细菌（如Pseudomonas、Mesorhizobium）抑制甲基营养型产甲烷；真菌在碳固定和碳降解中主要表现为促进，在甲烷代谢中则表现为抑制产甲烷过程；古菌在碳固定和甲烷氧化中多表现为抑制，在碳降解中作用分化，在产甲烷中则为关键促进者。
图3 不同覆膜处理的土壤碳循环差异菌属与功能基因的关联网络图（a），土壤环境因子与碳循环功能基因的Mantel分析（b），土壤环境因子对碳循环功能微生物影响的RDA分析（c）
综上，可降解地膜的成分决定土壤碳循环的走向，其降解性决定生态扰动的深度，研究结果为“双碳”目标下的农田地膜科学管理，从“看残留”到“观碳流”，提供了重要的科学依据，同时为低碳友好型地膜的源头设计提供了重要靶点。
上海市农业科学院为该研究论文第一完成单位，生态所张海韵副研究员为论文第一作者，李双喜研究员为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、上海市农业科技创新、卓越团队等项目的资助。
近年来，团队成员张海韵围绕农用地膜的安全合理利用开展了系列研究，近期主持结题的上海市农业科技创新技术培育项目《微“塑料地膜”源增塑剂在蔬菜中的累积分布及人体暴露健康风险研究》系统探究了不同温度、光照、时长条件下8种微地膜（<5 mm地膜碎片）中增塑剂（邻苯二甲酸酯，PAEs）的释放规律、蔬菜吸收、烹饪转化及人群暴露风险。研究结果系统阐明了“环境条件-地膜老化-污染物释放-作物吸收-烹饪转化-人体暴露”全链条中的关键规律，明确了环境条件与地膜特性是污染源头释放的核心驱动因素，发现高温与弱光是加剧PAEs污染的关键环境协同因子。项目在不同应用环境条件下，分别筛选出土壤PAEs总量符合要求的地膜1-2种，蔬菜整株和可食部分PAEs累积量分别降低了11.2%-62.8%和12.6%-66.3%，在此基础上，形成了适用于不同蔬菜种植场景的农用地膜安全使用技术规程。此外，研究结果揭示了蔬菜吸收与烹饪方式对人群PAEs健康风险的调控作用，完成了针对儿童、青少年、成人的地膜源增塑剂蔬菜摄食暴露健康风险评估，提出了基于“环境-地膜-作物”多重组合优化的PAEs风险精准管控方案，以及针对儿童等敏感人群的膳食干预建议。验收会评审专家高度关注并充分肯定了项目研究成果，同时也对后续研究提出了针对性建议。
今后，团队将继续聚焦农用地膜在应用和推广过程中的难点问题，开发从源头设计到田间使用到末端优化的全过程调控技术，推动农用地膜从能用→好用→用好转变。