论文标题：Dynamics of residual film mass and microplastic abundance in long-term plastic-mulched cotton fields

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Shufeng ZHANG, Xiaoqing LIAN, Xiao YANG, Yachuan ZHAO, Can HU, Haichun ZHANG, Xufeng WANG

发表时间：27 May 2025

DOI：10.15302/J-FASE-2025627

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农业塑料的应用与问题

Agricultural plastics application and problems

Volume 13 · Number 1 · February 2026

专 辑 文 章 介 绍

· 第六篇 ·

▎论文ID

Dynamics of residual film mass and microplastic abundance in long-term plastic-mulched cotton fields

长期覆膜棉田中残膜质量与微塑料丰度的动态变化

文章类型：Research Article

发表年份：2025年

第一作者：张树峰1,2,3

通讯作者：胡灿1,2,3，张海春4

Email: 120140004@taru.edu.cn, njhs@xaas.ac.cn

作者单位：1. 塔里木大学机械电气工程学院；2. 新疆维吾尔自治区教育厅现代农业工程重点实验室；3. 新疆生产建设兵团南疆特色农林产品利用与装备重点实验室；4. 新疆农业科学院农业机械化研究所。

Cite this article :

Shufeng ZHANG, Xiaoqing LIAN, Xiao YANG, Yachuan ZHAO, Can HU, Haichun ZHANG, Xufeng WANG. Dynamics of residual film mass and microplastic abundance in long-term plastic-mulched cotton fields. Front. Agr. Sci. Eng., 2026, 13(1): 25627 DOI:10.15302/J-FASE-2025627

· 文 章 摘 要 ·

本研究调查了新疆棉田覆膜5–30年后，残留地膜与微塑料的动态变化。长期覆膜不仅导致残膜和微塑料持续累积，还触发了非线性累积动力学。当残膜质量超过160–200 kg·ha^-1的临界阈值时，微塑料产生速率显著增加 (增幅 85%)，这一现象称为临界效应。随覆膜年限增加，人工捡拾的残膜与密度分离提取的微塑料均呈累积性增长。覆膜30年后，0–10、10–20和20–30 cm土层残膜量分别达127、85.8和67.9 kg·ha^-1；微塑料丰度分别达每千克10.8×10³、9.75×10³和6.34×10³个碎片。微塑料在表层富集，但也向下迁移，其中<1 mm碎片比例随深度增加从7.9% 升至22.6%，而>2 mm碎片比例从49.2%降至13.8%。强线性相关性 (R² = 0.85–0.94) 证实残膜是微塑料的主要来源。超过200 kg·ha^-1阈值后，微塑料累积速率急剧加快，凸显了干旱土壤中碎片化风险与垂直迁移的加剧。在残膜量达临界阈值前及时清理，对减轻土壤微塑料污染至关重要。这些发现为塑料密集型农业生态系统管理提供了可行策略，强调通过主动干预来阻断临界效应及其级联环境影响。

· 文 章 亮 点 ·

1. 残膜质量与微塑料丰度密切相关，超过200 kg·ha^-1阈值后相关性加剧。

2. 长期覆膜使< 1 mm微塑料增加近三倍，并扩展至30 cm深度，揭示了粒径动态变化。

3. 30年田间试验首次量化了残膜量 (281 kg·ha^-1) 与微塑料在干旱区的垂直迁移。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎主要内容

随着新疆棉花产业向规模化、集约化快速发展，塑料地膜覆盖技术已成为干旱区农业生产的重要支撑。覆膜能够显著提升土壤保墒增温能力，提高水分利用效率，从而保障棉花稳产增产。然而，在长期高强度使用的背景下，塑料地膜难以完全回收，残膜逐年累积，并不断破碎形成微塑料颗粒，正在成为干旱区农田土壤污染的重要来源。残膜与微塑料不仅会改变土壤结构和水分运移过程，还可能吸附农药和重金属，并通过垂向迁移进入深层土壤，带来持续性的生态风险。因此，厘清长期覆膜条件下残膜累积规律及其驱动的微塑料生成机制，已成为农业绿色发展亟需解决的关键科学问题。

针对这一问题，塔里木大学农田残膜污染综合治理研究团队基于新疆典型覆膜棉田，开展了覆盖5–30年的长期田间调查研究，系统揭示了残膜质量与微塑料丰度的动态变化过程。研究首次在长达30年的时间尺度上量化了残膜累积及微塑料扩散特征，并提出了一个重要发现：当残膜质量超过160–200 kg·ha?¹时，微塑料生成速率将显著加快，呈现出明显的“临界阈值效应 (critical effect)”。这一结果为农业塑料污染治理提供了关键预警窗口。

传统研究多集中于短期试验或实验室模拟，虽然揭示了塑料膜在紫外辐射和机械扰动下的碎化过程，但缺乏长期田间条件下残膜向微塑料转化的实证数据。相比之下，本研究依托60个独立采样点，对0–10 cm、10–20 cm和20–30 cm三个土层进行分层采样，通过残膜人工称重与微塑料密度分离—FTIR鉴定相结合的方法，建立了残膜累积与微塑料生成之间的定量关系，从而弥补了长期尺度田间证据不足的空白。

研究结果显示，残膜质量随覆膜年限显著增加，并呈现加速累积趋势。覆膜5年的棉田残膜质量约为46 kg·ha^-1，而覆膜30年后已累积至281 kg·ha^-1。尤其在20年之后，残膜增长速度明显加快，表明长期覆膜并非简单线性累积，而是具有“滚雪球式”加速特征。残膜的大量残留不仅影响土壤通透性，也为微塑料持续生成提供了物质基础。

伴随残膜累积，土壤微塑料丰度同样大幅上升。30年覆膜条件下，表层土壤微塑料丰度达到10,084 fragments·kg^-1，而20–30 cm深层土壤也达到4,636 fragments·kg^-1。虽然微塑料在表层富集最为明显，但其在深层土壤中的比例从23.6%逐渐上升至32.6%，表明长期覆膜促进了微塑料向下迁移扩散，污染范围不断扩大。

此外，研究还揭示了微塑料粒径结构的显著演化规律。随着覆膜年限增加，小粒径微塑料比例持续上升，20–100 μm颗粒占比从7.9%增加到22.6%，而> 1000 μm颗粒比例则从49.2%下降至13.8%。这一趋势表明，在干旱高温与机械扰动共同作用下，残膜不断碎化，形成越来越细小、迁移能力更强、生态风险更高的“隐形微塑料”。

研究最重要的创新贡献在于识别了残膜累积的阈值效应。数据表明，残膜质量与微塑料丰度之间存在显著线性相关关系 (R²=0.85–0.94)，且当残膜超过200 kg·ha^-1时，微塑料累积速率由每增加1 kg·ha^-1残膜产生约86–93 fragments·kg^-1微塑料，跃升至161 fragments·kg^-1，呈现出明显的非线性加速特征。这意味着残膜污染一旦跨越临界点，将进入微塑料快速爆发阶段，治理难度显著提升。

总体而言，该研究通过30年长期田间证据揭示了干旱区覆膜棉田残膜累积、微塑料生成及垂向迁移的关键机制，并提出了“200 kg·ha^-1临界阈值”这一重要管理预警指标。研究强调，应在残膜达到临界阈值之前加强回收与治理干预，否则微塑料污染将呈现不可逆的加速扩散趋势。该成果为新疆棉田塑料污染防控和农业绿色转型提供了重要科学支撑，也为全球干旱区塑料农业管理提供了可借鉴的治理窗口。

▎主要图表

图1 连续覆膜30年条件下残膜质量动态变化。

图2 不同覆膜年限下土壤三层深度微塑料丰度 (fragments·kg^-1) 的垂向分布：在不同覆膜持续时间条件下，微塑料丰度在土壤剖面中的时序变化特征。(a–f) 分别对应覆膜5、10、15、20、25和30年。

图3 不同覆膜持续时间条件下残膜质量与微塑料丰度的相关关系。(a–f) 分别对应覆膜5、10、15、20、25和30年。

【作者团队介绍】

农田残膜污染综合治理研究团队依托塔里木大学机械电气工程学院，立足新疆南疆典型干旱区农业生产实际，面向国家农业绿色发展与生态文明建设重大需求，长期聚焦农田残膜污染防控、微塑料生态风险评估及残膜回收装备与资源化利用关键技术研究。团队围绕“残膜污染形成机理—监测评价方法—高效回收装备—综合治理模式”开展系统创新研究，致力于为新疆乃至全国塑料覆盖农业的可持续发展提供科技支撑。

团队负责人王旭峰教授长期从事现代农业装备与农田残膜污染治理技术研究，在残膜回收机械结构设计、关键部件优化及田间作业模式构建等方面积累了丰富经验，主持和参与多项国家及省部级科研项目，推动了南疆特色农作物残膜污染治理装备的研发与应用，为区域农业机械化与生态治理协同发展作出了重要贡献。

团队骨干胡灿副教授主要聚焦农田微塑料污染过程与生态效应研究，围绕残膜碎化机制、微塑料迁移规律及其对土壤环境的影响开展深入探索，在长期覆膜棉田残膜累积与微塑料动态演化方面取得了系列研究成果。团队相关研究发表于国际农业与环境领域重要期刊，为干旱区农田塑料污染的科学评估与治理窗口识别提供了关键依据。

目前，团队成员来自农业工程、机械设计、环境科学与资源利用等多个学科方向，形成了以装备研发与环境过程研究相结合的交叉创新体系。团队积极推进产学研合作，与新疆农业科学院、新疆生产建设兵团相关单位保持密切交流，研发成果已在南疆棉田残膜回收与污染防控实践中得到应用验证。

未来，团队将继续以服务国家农业绿色转型和新疆生态安全屏障建设为目标，深化残膜污染综合治理理论与装备技术创新，推动高效回收装备推广应用与资源化利用模式构建，为农田微塑料污染防控和塑料农业可持续管理提供系统解决方案。