综述：一项全球性元分析显示，虽然塑料地膜可以提高作物产量，但会以土壤质量下降和氮循环受阻为代价，而这些问题的根源在于微塑料残留物

《Field Crops Research》：A global meta-analysis reveals that plastic mulch enhances crop yields at the cost of soil quality loss and nitrogen-cycle disruption driven by microplastic residues

塑料地膜在农业中的应用虽提升作物产量18.29%和水分利用效率33.67%，但导致微塑料（MPs）在土壤中累积，影响植物生长和土壤功能，如土壤团聚体减少10.77%、孔隙度下降6.48%，高浓度MPs（>1% w/w）显著增加溶解有机碳（12.08%）和氨态氮（16.77%），抑制氮循环基因nirS表达达85.79%，微生物多样性降低，土壤酶活性受影响。未来需研发可持续替代材料，加强长期田间研究和综合管理策略。

　　

李晓明|冯少远|龚学文|郭宇|卢琦|郭涵|邓倩云|王自建|齐志明|张友良

中国扬州大学水利科学与工程学院，扬州225009

摘要

塑料薄膜在农业中的应用以及由此在土壤中积累的微塑料（MPs）对全球环境构成了重大挑战，这迫切需要我们关注薄膜残留物所带来的生态风险。为了明确这些权衡因素，一项基于134项研究和2229个数据点的荟萃分析评估了塑料薄膜及其产生的微塑料对农作物生长、土壤性质和农业环境中微生物群落的影响。该研究表明，塑料薄膜使用使作物产量增加了18.29%，水分利用效率（WUE）提高了33.67%，但同时也导致了微塑料的积累，这对植物生长和土壤功能产生了负面影响。土壤结构质量下降，团聚体减少了10.77%，孔隙度减少了6.48%。当微塑料浓度超过1%（重量百分比）时，溶解有机碳（DOC）和铵态氮（NH??–N）分别显著增加了12.08%和16.77%，而硝酸盐氮（NO??–N）减少了27.75%。微生物群落结构也发生了显著变化，微生物生物量氮（MBN）增加了93.48%，微生物生物量碳（MBC）增加了21.02%。此外，关键的氮循环基因减少了85.79%，表明氮循环受到了严重干扰。微生物多样性也有所下降，Shannon指数、Simpson指数和Chao1指数分别下降了1.59%、12.54%和2.18%。即使在较低浓度（<1%重量百分比）下，微塑料也会影响土壤酶活性，使过氧化氢酶（+10.74%）、磷酸酶（+4.00%）和尿素酶（+3.46%）的活性增强。未来的研究应重点关注传统塑料薄膜的可持续替代品、长期田间试验以及旨在提高作物生产力和生态系统恢复力的综合管理策略。

引言

塑料污染是一个亟待解决的全球环境问题，近年来受到了广泛关注。据预测，如果不采取实质性措施，到2050年，全球每年产生的塑料废物量可能达到7亿吨（Pottinger等人，2024年）。然而，目前只有9%的塑料废物被回收利用（Materials，2022年）。联合国粮食及农业组织（FAO）估计，全球每年使用的塑料薄膜约为200万吨，覆盖面积约为3000万公顷，其中只有约30%被回收。因此，大量塑料残余物留在农业生态系统中，并随着时间的推移逐渐积累（Wan等人，2025年）。塑料残余物对农业土壤的污染不仅会抑制作物生长，还会对食品安全和公共健康构成严重威胁。此外，塑料残余物通过与土壤生物的复杂相互作用，可能对土壤结构和功能产生毒性影响，从而降低土壤肥力和生物多样性（Huo等人，2022年）。因此，塑料污染已成为一个全球性的威胁，对生态系统和人类健康都构成了危害（Gündogdu等人，2023年）。

关于农业塑料产生的微塑料对作物、土壤和微生物的影响仍存在争议，因为实证研究结果并不一致，有的研究表明有积极作用，有的显示负面影响，有的则认为影响微乎其微（Liu等人，2021年；Qi等人，2020a）。塑料薄膜因其能够改善土壤条件、抑制杂草而广受认可，从而提高作物产量和水分利用效率（WUE）（Berger等人，2013年；Kasirajan和Ngouajio，2012年；Nishimura等人，2012年），这使得它在干旱和半干旱地区成为一种有价值的农业措施（Gu等人，2020年）。每年约有250万吨塑料薄膜用于农业覆盖和温室操作，覆盖全球约250万公顷的耕地（Zhou等人，2023年）。然而，塑料残余物在耕作层中的大量积累会导致土壤压实，阻碍水分和养分的运输，并对土壤生态功能和作物生长产生不利影响（Gao等人，2019年；Wang等人，2021年）。此外，塑料残余物可能从农田传播到相邻的淡水生态系统，进一步加剧环境风险（Bl?sing和Amelung，2018年；Rillig，2012年）。为缓解这些问题，人们提出了可生物降解薄膜（BF）作为替代方案（Kasirajan和Ngouajio，2012年）。这类材料设计为能被微生物分解为对环境无害的副产品，如二氧化碳、甲烷、水和微生物生物质（Filipovi?等人，2020年），从而减轻塑料残余物造成的土壤污染（Li等人，2021年；Sander，2019年；Sintim和Flury，2017年）。然而，可生物降解薄膜在自然条件下很少能在短时间内完全降解（Li等人，2014年；Palsikowski等人，2018年；de Souza Machado等人，2018年）。此外，可生物降解薄膜对农业生态系统的生态影响仍不甚清楚，尤其是在长时间尺度上（Bandopadhyay等人，2018年；Sintim和Flury，2017年）。因此，人们对可生物降解薄膜的环境效益持怀疑态度，因为其总体环境效益可能被生产过程中的环境成本所抵消（Virtanen等人，2017年）。可生物降解薄膜在自然环境中的降解还可能产生微塑料，这些微塑料具有高耐久性、疏水性和较大的比表面积（Ali等人，2023年；Osman等人，2023年），这些特性使它们容易与其它环境污染物相互作用，成为污染的二次载体（Wang等人，2022年）。这些事实凸显了系统评估聚乙烯（PE）和可生物降解塑料薄膜生态影响的紧迫性（Lin等人，2024年）。尽管现有研究主要关注薄膜对土壤湿度、温度制度（Yin等人，2023年）、作物生产力（Wang等人，2021年）、土壤微生物群（Sun等人，2022年）和薄膜降解（Lei等人，2024年）的变化，但仍存在一些关键知识空白。例如，塑料薄膜改变了土壤的垂直和水平结构，影响孔隙度、气体交换和水分运动，可能导致土壤压实、水分渗透减少和根系发育受限，从而损害土壤生态系统的健康和生产力（Qi等人，2020b）。此外，土壤结构的变化还会扰乱根际微生境，进而影响微生物群落（Wu等人，2023年）。尽管相关研究不断增加，但人们对塑料薄膜如何影响作物、土壤物理化学性质、酶活性和土壤微生物群之间的相互作用仍知之甚少。这种知识空白阻碍了对塑料使用所带来的环境和生态威胁的全面理解。尽管PE薄膜、可生物降解薄膜及其产生的微塑料在农业塑料使用中属于不同形式或阶段，但由于其在持久性、降解行为和与土壤生物的相互作用方面的差异，它们可能对农业生态系统产生不同的影响。因此，比较这些材料不仅有助于评估其农艺性能，还有助于确定可生物降解薄膜是否能够在保持作物生产力的同时真正降低传统塑料薄膜的生态风险。这种比较对于理解它们对作物生长、土壤物理化学性质和关键微生物群的不同影响尤为重要。

尽管PE薄膜、微塑料和可生物降解薄膜对土壤环境和作物表现的影响已逐渐得到认可，但比较这些材料独立影响的荟萃分析仍然不足（Qi等人，2020年；Scheurer和Bigalke，2018年）。因此，对其环境安全性和农艺影响的严格评估既紧迫又复杂（Xiong等人，2024年）。鉴于塑料在农业中的广泛应用以及微塑料可能改变作物生长、土壤性质和微生物群落的潜力，有必要对其进行更系统和全面的比较。为此，我们进行了这项荟萃分析，综合了有关塑料薄膜和微塑料对农作物生长、土壤性质及农业生态系统中关键微生物群影响的现有证据。具体而言，本研究旨在：（1）量化并比较不同类型塑料薄膜（包括传统聚乙烯薄膜、可生物降解薄膜和微塑料）对农艺性状（如籽粒产量、植株高度、叶面积指数（LAI）和生物量积累）的影响；（2）阐明土壤物理化学性质、酶活性和微生物群落组成对塑料薄膜的响应，确定受塑料薄膜影响最显著的土壤指标；（3）深入探讨塑料薄膜对作物生长动态和土壤微环境影响的复杂机制，为优化农业生产系统和环境管理提供科学依据。

材料与方法

我们从Web of Science（http://apps.webofknowledge）和中国国家知识基础设施（CNKI）（http://www.cnki.net）中检索了经过同行评审的文章。搜索过程中使用了多个关键词，包括[(“可生物降解薄膜” OR “薄膜” OR “微塑料” OR “塑料薄膜覆盖” OR “MPs”) AND (“作物” OR “生态系统” OR “土壤”) AND (“产量” OR “农产品”) AND (“微生物” OR “生物多样性” OR “微生物学”)]。为了提高结果的可靠性

多种塑料薄膜对水分消耗和作物生长的影响

可生物降解薄膜（BF）显著降低了蒸散量（ET）4.29%（图1a），同时提高了水分利用效率（WUE）20.20%（图1b）。此外，BF还降低了叶面积指数（LAI）62.13%，减少了生物量39.35%，但使产量增加了15.6%。聚乙烯薄膜（PF）使产量增加了28.85%，水分利用效率（WUE）提高了33.62%，但降低了叶面积指数（LAI）55.10%，减少了生物量39.47%（图1）。

元回归分析进一步

薄膜和微塑料对水分消耗和作物生长的影响

塑料改变了土壤的基本物理特性，包括团聚体稳定性、水分保持能力、结构完整性、水分和养分的有效性，这些因素共同调节养分循环，最终影响植物生产力（Boots等人，2019年；Huo等人，2022年；de Souza Machado等人，2019a）。我们的结果表明，塑料薄膜显著提高了水分利用效率（WUE），其中PE薄膜的效果优于BF薄膜4.16%。这些短期效益可能是由于

结论

这项荟萃分析全面评估了塑料薄膜在农业中的双重影响，突出了其农艺效益和环境变化。一方面，塑料薄膜显著提高了作物产量和水分利用效率；另一方面，它导致了微塑料（MPs）的积累，这可能危及植物生长并改变土壤微环境。

作者贡献声明

李晓明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源获取，方法学，调查，数据分析，数据管理。冯少远：可视化，验证，监督，软件使用，资源获取，方法学，资金筹集，数据管理。张友良：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件使用，资源获取，方法学，资金筹集，数据分析，

出版同意

所有署名的作者均同意发表该版本，并承诺对确保工作准确性和完整性的所有方面负责，确保相关问题得到适当调查和解决。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢所有为这项研究做出贡献的个人和资助项目。本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD1500402）、国家自然科学基金（51809225）、中国博士后科学基金（2020T130559、2019M651977）以及江苏省自然科学基金（BK20180929）的财政支持。