来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/5/21 17:06:20
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FASE  亮文解读:中国农业可持续塑料栽培——长期粮食和生态安全的挑战与实现途径

论文标题:Sustainable plasticulture in Chinese agriculture: a review of challenges and routes to achieving long-term food and ecosecurity

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Samuel J. CUSWORTH , William J. DAVIES, Martin R. MCAINSH, Carly J. STEVENS , Weilu WANG

发表时间:15 Mar 2024

DOI:10.15302/J-FASE-2023508

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中国农业绿色发展:洞察与进展

Agriculture Green Development in China: Insights and Advances

专 辑 文 章 介 绍

· 第十二篇 ·

▎论文ID

Sustainable plasticulture in Chinese agriculture: a review of challenges and routes to achieving long-term food and ecosecurity

中国农业可持续塑料栽培:长期粮食和生态安全的挑战与实现途径

发表年份:2024年

第一作者:Samuel J. CUSWORTH

通讯作者:Samuel J. CUSWORTH

 s.cusworth@lancaster.ac.uk

作者单位:英国兰卡斯特大学兰卡斯特环境中心

Cite this article :

Samuel J. CUSWORTH, William J. DAVIES, Martin R. MCAINSH, Carly J. STEVENS, Weilu WANG. Sustainable plasticulture in Chinese agriculture: a review of challenges and routes to achieving long-term food and ecosecurity. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(1): 155?168 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023508

· 文 章 摘 要 ·

塑料污染是全球关注的问题,影响着全球粮食生产系统。塑料栽培是农业中用于提高作物质量和产量的做法,是塑料污染的重要来源。本综述考察了中国塑料栽培的程度,几十年来使用塑料栽培的影响及用于解决这些问题的立法文书。本文简要评估了这些政策的有效性,并提出了未来可能的创新,以促进长期粮食和生态安全,其中可持续塑料栽培是变革的关键推动因素。虽然塑料栽培在生长受限条件下提高了农业生产力,但农业土壤中的塑料污染在中国已经变得严重。塑料污染对土壤健康产生了有害影响,进而影响了中国的作物生产力。农业中的塑料污染是一个多方面的问题,因此提出的解决方案应考虑到这种复杂性。目前没有解决这一社会生态挑战的整体方法,而是采用自上而下的方法,几乎没有支持机制。未来的建议需要考虑影响农业塑料生产、使用和废物管理的一系列特定条件,具体到每个地点的环境、经济和社会条件。

· 文 章 亮 点 ·

1. 农业土壤中宏观、微观和纳米塑料污染长期威胁着中国作物生产和环境健康。

2. 解决中国塑料栽培的现有问题需要针对生产、使用和废物管理的整体解决方案。

3. 改革机制必须注重教育、激励和发展基础设施,从而加强农用塑料的采购、管理和废物处置。

4. 中国农业生产体系中塑料栽培的可持续集约化是实现中国长期粮食和生态安全的关键。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎塑料栽培:简史

塑料栽培即塑料在农业中的应用,有助于应对日益常见的极端温度、干旱、地缘政治不稳定和供应链中断等事件。然而,塑料薄膜残留物的积累正在对作物生产力和土壤物理化学产生负面影响,危及未来作物生产的可持续性。为解决这一问题,已出台了鼓励使用可重复使用和回收的高质量、较厚的塑料薄膜的法规。然而,在不影响农业生产力的情况下将塑料使用与农业分开日益困难。本文探讨了当前农业系统的状况与中国当前和过去塑料栽培实践的遗留问题。了解与塑料栽培相关的积极和消极因素后,本文推荐了一些技术,以帮助农民在不影响粮食生产的情况下管理农业塑料废物并修复农场和环境中的塑料污染。

▎塑料栽培:中国农业生产力提高的关键因素

塑料覆盖膜通常在种植前或种植后不久铺设在土壤上,以诱导局部土壤变暖、保持水分、控制杂草并加速作物发芽 (图1)。为了监测作物并施用田间改良剂,这些薄膜被短暂地去除并重新铺设,直到作物成熟。众所周知,塑料应用在中国成功地提高了作物生产的数量和质量,但塑料应用的有效性在很大程度上取决于该地区的环境、社会和经济条件。在干旱地区,温室可以防止炎热、暴雨和沙尘暴 (图2)。然而,与更复杂的结构相比,这些结构在保温和缓冲昼夜温度变化方面不那么有效,因此不适合种植对霜冻敏感的作物,也不适合在较冷的地区使用。

塑料温室和地膜的使用对于减轻中国许多半干旱和干旱地区的贫困程度是不可或缺的。然而,传统做法的延续,以及塑料应用的不可持续使用和不适当的废物管理,阻碍了农业几十年来的进步,在某些情况下,甚至开始逆转 (表1)。

图1 中国西北地区玉米栽培用地膜。

图2 用于春秋季水果和蔬菜生产的钢架多层聚氯乙烯覆盖的温室。

表1 中国农业生产和塑料使用年均增长率

▎塑料栽培的问题:生产、使用和废物管理

目前使用的大多数塑料是由化石燃料原料生产的,这必然会导致温室气体排放水平的上升。虽然农用塑料仅占全球塑料年产量的2%–3.5%,但农用塑料在环境中的降解和污染引发了严重的废物管理和污染问题。在全球范围内,16%–50%的农业塑料废物没有得到管理,而这一比例在中国更高。中国的大多数农用塑料的寿命往往不会超过作物生长周期,或者本应回收的塑料被重复使用。相对于欧洲和美国使用的地膜厚度 (0.015–0.20 mm),中国使用的塑料地膜厚度通常较薄 (0.01 mm),地膜在使用后不久就会降解,从田间回收这种材料更加困难、耗时且昂贵。一旦塑料残留物被掺入土壤中,任何进一步的降解都是缓慢的,因为残留物不再暴露在触发光降解的条件下。在这种情况下,塑料残留物可能会持续数十年,直到机械、化学或生物降解。由于废物管理不善和塑料在环境中的降解速度缓慢,塑料残留物已开始在陆地环境中积累,尤其是农业土壤。

▎农用塑料污染对土壤、植物和人类健康的影响

塑料污染对作物生产的影响是多方面的。人们观察到土壤的微生物、物理、化学和结构特性随着污染程度的不同而发生变化。在高度污染的土壤中,大塑料会损害土壤结构,导致养分和水分的运输受到限制,对土壤的持水能力产生负面影响,从而导致土壤缺氧,抑制幼苗出苗和根系网络的建立。在塑料薄膜和温室下,土壤健康和肥力都受到威胁。塑料残留物中浸出的添加剂和增塑剂,以及有毒物质、重金属和农用化学品投入物,往往被作物吸收,进而对水生和陆地食物网并最终对人类健康构成威胁。例如,邻苯二甲酸二乙基己酯 (DEHP) 可以被蔬菜和谷物作物的根部吸收并转移到茎和叶上。塑料污染对农业土壤的影响程度,以及随之而来的机制,在很大程度上仍然未知。然而,由于潜在的不可逆转的土壤退化和对人类健康的影响,已知的影响已经威胁到依赖许多农业系统的长期粮食安全。

▎目前塑料栽培的解决方案

2018年9月,中国政府提出,农业地膜的最小厚度应为0.01 mm,被认为可以减少60%的残留地膜量。作为中国保护和改善农业环境的措施的一部分,该标准与其他强制性国家标准一起,旨在改善农用薄膜的生产、销售、使用、回收和再利用。目前塑料栽培的解决方案主要有以下几种:第一,形成推广和使用塑料地膜的科学原理和规范性指导,以及明确的农用塑料回收权利和责任,并进行适当的治理,将有效控制塑料污染,并在省级层面整合可持续塑料栽培。第二,有效的研究重点是开发可生物降解的、对环境无害的塑料薄膜。此外,如果没有强有力的财务支持和行为措施来支持现有的政策和立法文书,农业塑料行业就不可能实现实质性的变革,且在可预见的未来似乎也不太可能实现。粮农组织建议,新的法律应规范塑料栽培、生产、使用和废物管理的各个方面,以实践可持续农业。

▎可持续塑料栽培在农业绿色发展中的作用

从长远来看,塑料栽培的影响会危及土壤健康、作物质量、粮食安全和农业系统的可持续性。如何更好地管理塑料使用是问题的重中之重。政策、法规和补贴必须既具有预防性又具有实用性,需要科学家和政府之间的合作,以支持农民加强生态系统服务,生产足够数量的新鲜农产品并减少塑料使用的有害影响。本文提出的解决方案依赖于多方面、整体、协作的方法,来解决塑料污染和废物管理方面的现有问题。必须优先考虑从土壤中清除和回收塑料残留物。如果不立即采取行动,塑料污染可能会损害一系列生态系统服务和长期农业生产力。从单个农场到区域规模,变革机制必须相辅相成,注重教育、激励和基础设施。一些与塑料栽培相关的环境问题可以通过广泛传播和采用最佳实践的方法在短期内得到解决。可持续塑料栽培的长期愿景是可取的。中国的政策制定者必须尽快考虑塑料农业如何影响农业系统可能的未来,本文建议对已建立的塑料密集型生产系统进行调整,兼容农业绿色发展技术,从而形成中国未来食物生产的更具包容性和可持续性的方法,以减少农业生产活动中塑料使用对环境的影响。

编辑 | 唐静月 李云舟

审稿 | 许建香

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