论文标题：Plastic film mulching and microplastics impact soil nitrogen processes

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Jinrui ZHANG, Kai WANG,Tong ZHU,Tao CHENG, Rui JIANG,Xuejun LIU

发表时间：30 Jun 2025

DOI： 10.15302/J-FASE-2025642

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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

· 第八篇 ·

▎论文ID

Plastic film mulching and microplastics impact soil nitrogen processes

地膜覆盖与微塑料对土壤氮素过程的影响

文章类型：Review

发表年份：2025年

第一作者：张金瑞

通讯作者：王锴，刘学军

Email: kaiwang_ly@cau.edu.cn, liu310@cau.edu.cn

作者单位：中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院，养分资源高效利用全国重点实验室

Cite this article :

Jinrui ZHANG, Kai WANG, Tong ZHU, Tao CHENG, Rui JIANG, Xuejun LIU. Plastic film mulching and microplastics impact soil nitrogen processes. Front. Agr. Sci. Eng., 2026, 13(1): 25642 DOI:10.15302/J-FASE-2025642

· 文 章 摘 要 ·

地膜覆盖可通过提高土壤温度、减少水分蒸发、优化养分循环，显著提升了作物产量与品质。然而，不恰当的地膜回收管理导致农田微塑料污染，成为农业可持续发展的重大挑战。微塑料在土壤中的累积不仅影响土壤结构，还通过改变微生物活动和氮素循环过程，对作物生长和生态系统稳定性产生深远影响。本文综述了地膜覆盖和微塑料对土壤氮素去向和氮循环的影响，探讨了其对植物氮吸收、微生物固定、气体排放 (如NH₃和N₂O) 以及氮转化过程 (如固氮、矿化、硝化和反硝化) 的作用机制。研究表明，地膜覆盖和微塑料通过改变土壤理化性质和微生物群落结构，显著影响氮素行为，但其效应因塑料类型、环境条件和作物生长阶段而异。未来研究需进一步探索微塑料在复杂自然环境中的长期生态效应，并结合先进统计方法和模型，量化其对氮循环的动态影响。

· 文 章 亮 点 ·

1. 地膜覆盖可促进作物氮素吸收，但会增加氧化亚氮排放风险。

2. 不同研究中微塑料对氮素的影响效应存在显著异质性。

3. 地膜覆盖和微塑料对土壤氮素的影响随塑料类型、环境条件及作物生育期的不同而变化。

4. 未来研究应将长期定位试验与统计模型相结合开展。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

地膜覆盖作为一项重要的农业生产促进技术，在全球范围内尤其是干旱和半干旱地区得到广泛应用。具体而言，覆膜可以提高土壤温度、减少水分蒸发、优化土壤养分循环，为作物生长发育提供稳定的环境，还可以降低土壤侵蚀风险、抑制土传病害，全方位提升作物产量与品质。然而，不恰当的地膜回收管理导致的农田塑料污染一直是农业可持续发展的一个严重阻碍。地膜覆盖可显著增加土壤微塑料丰度，贡献了农田微塑料的10%–30%。由于地膜塑料降解缓慢，农田中微塑料会随着地膜使用年限的增加而逐年累积。

在农业生态系统里，土壤氮素变化对作物生长、土壤肥力与生态稳定意义重大。土壤中氮素行为包括氮素去向和氮素转化。氮素去向主要包括植物吸收、土壤残留、微生物固定、气体 (NH₃和N₂O) 排放、径流和淋洗。氮转化主要涵盖固氮、矿化、同化、硝化和反硝化等关键环节，这些共同构成了土壤氮循环系统。越来越多的研究开始关注地膜覆盖和微塑料对土壤氮素行为的影响。但由于土壤氮素行为的复杂性和地膜和微塑料种类的多样性，不同研究结果间存在较大的异质性。微塑料的出现加快了微生物对无机氮的利用，这导致了固氮作用和矿化作用的增强，但却抑制了硝化作用和反硝化作用。而微塑料通过增加反硝化基因丰度和提高反硝化速率导致了N₂O排放的增加。在本综述中，将阐述地膜覆盖和微塑料对土壤氮素行为的影响，旨在归纳出新的研究挑战和方向。

▎地膜覆盖和微塑料对土壤氮素去向的影响

氮是植物需求量最大的无机营养元素，对推动植物生长和作物产量至关重要。土壤中地膜覆膜和微塑料残留会影响氮素去向，包括植物吸收、土壤氮残留、微生物固定和气体损失等。

图1 地膜覆盖与微塑料对土壤氮素去向的影响。

1. 地膜覆盖对土壤氮素去向的影响

地膜覆盖已被证实可以提高作物的氮吸收和氮利用效率。地膜覆盖后，土壤水分可用性的增加可以通过促进植物养分吸收和地上生物量生产来刺激作物根系生长并提高氮素利用率。微生物对周围环境的变化高度敏感。一方面，地膜覆盖可以通过改善土壤水热条件来刺激土壤微生物活性，加速C和N矿化过程。另一方面，地膜覆盖通过增加营养物质含量来影响微生物结构和多样性，从而改变微生物N循环相关基因丰度。研究发现，PFM处理下微生物生物量氮 (MBN) 平均含量比裸地高23.59%。

2. 微塑料对土壤氮素去向的影响

长期覆膜但不充分的回收管理会导致土壤中塑料碎片残留，残膜和微塑料会改变土壤结构和特性，从而抑制作物根系的水平和垂直分布，干扰作物对养分的吸收，甚至降低作物产量。将水稻植株暴露在残留塑料薄膜环境中，发现作物氮代谢途径受到抑制，植株净光合速率显著降低。在土壤中加入1%的PP和1%的橡胶颗粒后，发现花生根细胞遭到破坏，且花生的营养生长和氮吸收受到抑制，最终导致花生地上和地下生物量的显著降低。此外，可生物降解地膜产生的微塑料对土壤DON和土壤速效氮 (NH₄⁺-N和NO₃⁻-N) 的影响比传统塑料地膜更强，因为可生物降解塑料会在土壤中更快分解，为微生物提供额外的碳源，进而促进微生物对有机氮的分解转化。此外，高浓度的聚乙烯 (PE) 微塑料可以吸附更多的阳离子，这可能会降低NH₄⁺的可利用性，从而降低总硝化作用和微生物氮固定化率。总体而言，塑料残膜可以直接或间接地影响土壤-根际微生物-植物系统，并且普遍认为微塑料比大塑料具有更多的负面影响。

▎地膜覆盖和微塑料对土壤氮循环的影响

农田土壤氮循环主要包括固氮、矿化、微生物固定、硝化和反硝化等氮转化过程，这些氮转化过程均由相应的微生物和酶的催化来驱动。地膜覆盖和微塑料残留可通过改变土壤理化性质来影响土壤微生物丰度和多样性以及酶活性，从而对相应的氮转化过程产生影响。微塑料还可以吸附环境中的有机物质和无机养分，为微生物提供相对稳定的栖息地，从而改变微生物群落的结构和多样性。

图2 地膜覆盖与微塑料对土壤氮转化的影响。

1. 地膜覆盖对土壤氮素循环的影响

许多研究表明，传统聚乙烯地膜覆盖可加快土壤的氮转化过程，这源于地膜对土壤的水热条件的改善，以及对微生物活性的增强。传统地膜覆盖可增加土壤本体中反硝化、厌氧氨氧化、固氮以及异化硝酸盐还原 (DNRA) 基因的丰度，而可降解地膜覆盖却降低了这些氮转化相关基因的丰度。

2. 微塑料对土壤氮素循环的影响

环境中微塑料可为微生物提供新的生长附着点，研究表明0.1%的聚乙烯微塑料富集了用于硝酸盐还原、硝酸盐呼吸、亚硝酸盐呼吸和硝酸盐氨化的细菌类群，而1%的聚乳酸微塑料则富集了固氮细菌。微塑料还会通过改变土壤理化性质来影响细菌群落的多样性和丰富度，如高剂量的聚乙烯 (PE) 和聚苯乙烯 (PS) 颗粒会导致土壤pH下降，而聚乳酸 (PLA) 和聚羟基丁酸酯 (PHB) 可能会使土壤pH值升高。此外，微塑料分解释放的含碳化合物可作为碳源为微生物提供额外的能量和营养，并刺激它们的生长和活性。这种能量支持导致细菌细胞中gdhA基因的表达增强，从而增加了参与氨同化的酶 (例如谷氨酸脱氢酶) 的活性，并最终加快了氨同化的速率。

· 结 论 ·

地膜覆盖和微塑料对土壤氮素行为的影响具有复杂性和多样性。地膜覆盖通过改善土壤水热条件，促进作物氮吸收和微生物活性，但同时也增加了N₂O排放风险。微塑料的累积则通过改变土壤结构、微生物群落和酶活性，显著影响氮素转化过程，但不同研究结果间呈现更明显的异质性。尽管部分实验室研究揭示了微塑料对氮循环的潜在机制，但其在自然环境中的长期效应仍需进一步探究。未来研究应结合多学科方法，延长观测时间尺度，综合考虑土壤性质、气候变化等复杂因素，以全面评估地膜覆盖和微塑料对农业生态系统的生态风险，为制定可持续的农田管理策略提供科学支持。