向可持续性转型：在农业生态系统中用可降解薄膜替代塑料的时空评估

《European Journal of Agronomy》：Transitioning to sustainability: A spatiotemporal assessment of replacing plastic with degradable films in agroecosystems

可持续农业中的作物产量与温室气体排放平衡研究。通过黄土高原四地田间试验和DNDC模型模拟，对比了普通塑料薄膜（PM）与可降解薄膜（DM）对作物产量和温室气体排放的影响。结果表明，DM在提高产量（23.9%）的同时显著降低全球变暖潜能（GWP减少14.0%-17.2%），尤其在温暖湿润地区更具气候适应潜力。

　　

赵晨旭|刘志涵|贾志宽|程毅

南京师范大学地理学院，中国南京210023

摘要

在不增加环境成本的情况下提高作物产量是可持续农业面临的关键挑战。塑料薄膜覆盖（PM）因其能有效提升作物产量而被广泛使用，但它也可能导致持续的塑料污染并增加温室气体排放。可降解薄膜覆盖（DM）作为一种有前景的替代方案被提出，但其能否在减少环境负担的同时保持产量优势仍不明确。我们在四个试验地点进行了三种处理方式的对比实验：不使用薄膜（NM）、使用PM和使用DM。我们进一步应用了一个校准过的反硝化-分解（DNDC）模型来预测在PM和DM条件下作物产量和温室气体排放的未来变化。PM和DM分别使作物产量增加了37.3%和23.9%，但同时也使全球变暖潜力（GWP）分别增加了36.2%和11.4%。校准后的DNDC模型表现令人满意。在未来的2021-2100年期间，与PM相比，DM预计能减少14.8-43.7%的产量损失，并且在温度和降水量增加的情况下显示出更大的产量优势。此外，在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下，DM分别使GWP减少了14.0%、15.2%、17.4%和17.2%。这些发现为可降解薄膜覆盖在温暖潮湿地区帮助协调粮食生产和温室气体减排之间的矛盾提供了新的证据，同时有助于提高对未来气候变化的适应能力。

引言

现代农业越来越依赖外部投入来在日益增加的环境压力下稳定作物生产（FAO，2020）。在这些投入中，基于塑料的技术在缓解不利的水热条件并提高集约化农业生态系统的生产力方面发挥了重要作用。塑料薄膜覆盖（PM）因其能够提高土壤温度、保持水分、抑制杂草、减少病虫害压力以及限制土壤侵蚀而被广泛采用（Kornecki等人，2005；Steinmetz等人，2016；Yu等人，2021；Liu等人，2022），从而在多种作物系统中增强了作物生长和产量形成。由于这些农艺优势，PM现已应用于40多种作物的生产，并在欧洲、北美、东亚和南亚得到广泛实施（Hussain和Hamid，2003；Lamont，2005；Munoz等人，2015；Zhang等人，2018）。在中国，过去三十年中使用的农业塑料薄膜数量增加了超过一百万吨，凸显了PM在当代农业生产中的重要性（中国国家统计局，2021）。

尽管PM对作物生产力有显著贡献，但其日益增长的依赖性引发了关于环境可持续性的严重担忧（Liu等人，2025）。传统塑料薄膜的广泛使用导致了持续的“白色污染”，并且严重依赖不可再生的石油资源（Zhang等人，2020）。如果薄膜使用不当，农田中的残留塑料会损害土壤质量，加速养分流失，最终影响作物表现。此外，PM通常与较高的温室气体（GHG）排放相关，表明其农艺效益可能伴随着巨大的环境成本（Steinmetz等人，2016；Liu等人，2023）。可降解薄膜作为一种有前景的替代方案被提出，因为它可以被土壤微生物分解为水、二氧化碳（CO₂）和生物质等产品，从而减少残留薄膜积累和塑料污染问题（Kasirajan和Ngouajio，2012；Steinmetz等人，2016）。最近的一些研究表明，可降解薄膜覆盖（DM）可以改善土壤湿度和温度条件，从而提高作物产量（Gu等人，2020）。DM还可以避免作物根系在生殖后期因高温而提前受损，并且不会降低土壤肥力（Souza等人，2020；Sintim等人，2021）。然而，用DM替代PM在农业生态系统中的可行性仍不够明确。在未来的气候变化背景下，这个问题尤为重要，但目前尚不清楚PM和DM对长期温度和降水变化的响应差异。

反硝化-分解（DNDC）模型非常适合解决这一问题，因为其机制框架能够评估短期田间响应和未来气候情景下的长期趋势。这种能力对于评估在不同环境条件下可能表现不同的管理策略尤为重要。DNDC已被广泛用于估算不同农业管理体制下的作物产量、土壤碳和氮动态、N₂O排放、CH₄通量以及总体温室气体平衡。此外，许多基于PM实践的研究已经验证了该模型的有效性（Zhang等人，2018；Chen等人，2019；Liu等人，2021），表明DNDC为这一领域的进一步研究提供了可靠的工具。

为了解决这些知识空白，我们在中国的黄土高原进行了多地点田间实验，并校准了DNDC模型以模拟作物产量和温室气体排放。我们的目标是（1）研究PM和DM对作物产量和温室气体排放的影响差异；（2）研究在未来气候情景下，研究区域内采用PM和DM实践时作物产量和温室气体排放的时间趋势。我们假设DM的农艺效益可能在更宽的降水量和温度范围内发挥作用，从而赋予更大的气候韧性。我们的研究结果将为可降解薄膜覆盖替代塑料薄膜覆盖的可行性提供依据。

实验部分

田间实验

田间实验在中国黄土高原地区的四个雨养农业地点进行：杨陵（2015-2018年）、长武（2018-2020年）、彭阳（2013-2020年）和安定（2017-2019年）。这四个地点分布在黄土高原的雨养农业区，涵盖了不同的温度和降水量梯度，因此代表了该地区的典型气候变异性（图1a）。在所有四个地点，实验均

田间实验

田间实验显示，PM使作物产量显著增加了37.3%，GWP增加了36.2%。相比之下，DM使作物产量增加了23.9%，GWP增加了11.4%（图1b）。N₂O排放率在四个地点的处理方式中呈现出相似的季节性趋势，峰值通量出现在施肥和降雨量较大之后，其他阶段的排放量较低。与NM相比，累积的N₂O排放量有所增加

不同薄膜覆盖方式下的作物产量和温室气体排放变化

塑料薄膜覆盖是提高作物产量最有效的技术之一（Kasirajan和Ngouajio，2012；Zhang等人，2018；Zhang等人，2020）。同样，我们的多地点田间试验也表明，PM和DM都提高了作物产量（P?

在PM条件下，聚乙烯薄膜

结论

我们的研究结果表明，DNDC模型能够可靠地捕捉不同薄膜覆盖方式下的土壤湿度、土壤温度、温室气体排放和作物产量的差异。在当前气候条件下，PM和DM都提高了作物产量，而DM产生的温室气体排放显著低于PM。在未来气候情景下，所有处理方式下的作物产量都有不同程度的增加，在高排放情景下DM

作者贡献

Z.L.设计了本研究。Z.L.和C.Z.收集数据并进行了数据分析。所有作者都参与了结果讨论、论文撰写和编辑工作。

作者贡献声明

程毅：方法学、调查。贾志宽：资源获取、资金筹集。刘志涵：写作 - 审稿与编辑、可视化、资金筹集、数据管理。赵晨旭：写作 - 初稿撰写、调查、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42407421、U23A2052和42425705）的支持。