目前，我国地膜使用量超135.7万吨，覆盖面积2.61亿亩，远超其他国家和地区。在西北干旱与半干旱农业区，全膜垄沟覆盖栽培技术具有抑制土壤水分蒸发、提高生长前期土壤温度、防治杂草和病虫害等诸多优点。过去二十多年，全膜覆盖栽培技术达到大面积推广和应用，为国家粮食安全和脱贫攻坚做出了巨大贡献。但长期全膜覆盖带来了新的挑战，残膜、塑化剂和微塑料等次生污染物逐年递增。如何实现地膜减量不减产、提高水分利用效率和土壤健康是重大实践需求，也是新形势下黄河流域高质量发展和生态保护的重大问题。
针对上述问题，兰州大学生态学院熊友才教授联合云南大学、甘肃省农科院和天水师范学院的同行开展合作研究。该研究团队在黄土高原雨养农业区创新性地采用隔沟覆膜和免耕相结合的方法，增加雨水入渗的同时从时间和空间尺度实现地膜减量1/3至1/2。近日，该研究成果以“Reduced plastic film mulching under zero tillage boosts water use efficiency and soil health in semiarid rainfed maize field”为题在Resources, Conservation & Recycling发表。熊友才教授为论文通讯作者，任爱天博士为第一作者，云南大学周睿副教授、兰州大学叶建圣教授、天水师范学院王弋博教授、甘肃省农业科学院张绪成研究员与马明生副研究员、兰州大学肯尼亚籍博士生Kiprotich Wesly等为共同作者。
该研究的主要目标是在地膜减量背景下，既保留部分抑蒸等功能，又通过改善当值生长季雨水利用的办法，改善作物根区土壤水分条件和地气交换过程，从而促进作物生长和水分利用，达到地上和地下部分良性互动，提升土壤质量。由于在生长季尺度上土壤水分有效性提高，土壤AM真菌丰度显著提高，并有效地促进土壤养分循环(C/N/P)和作物吸收利用。该研究首次揭示了地膜减量不减产的关键影响因素和根土系统调控机理。在当前地膜污染防控和生态文明建设背景下，该技术有望成为提高水资源利用效率和稳定作物生产的一种有前景的解决方案，为旱地雨养农业区作物高产稳产和土壤可持续管理提供新的科学依据。
团队还发现利用原位集雨与异位集雨综合系统的应用潜力，揭示了地膜弃用背景下采用沟坡集雨补灌的方法实现粮食生产不下降的目标。它提供土壤水分以满足作物关键生长阶段的水分需求，并调节土壤温度，从而提高玉米的地上部生物量和籽粒产量。这个系统自然地最大化了水分利用效率，异位集雨的方法为地膜减量覆盖方式提供了可行的技术支撑（Agr. Water Manage. 269, 2022, 107672.）。此外，有机立体覆盖可作为一种有潜力的替代地膜的覆盖模式。研究发现，秸秆立体覆盖和活三叶草立体覆盖可以获得与聚乙烯地膜覆盖相似的水分生产力，甚至有机立体覆盖比后者的净经济效益更高。至关重要的是，有机立体覆盖显著改善了微生物群落结构，增加了优势细菌和真菌的比例。进而促进了多环芳烃、苯甲酸和异源生物质的代谢，加速了聚乙烯地膜源污染物的微生物矿化。有机立体覆盖模式展现出保证作物生产力并修复土壤MPs和PAEs污染的巨大潜力，可作为干旱灌区替代聚乙烯地膜覆盖的绿色解决方案（J. Hazard. Mater. 435, 2022, 128981.）。上述有机立体覆盖的优势与植物生物质投入带来的激发效应有关（Ecology. 103, 2022, e3790.）。
熊友才教授领衔的农业生态与可持续性研究团队长期从事农田地膜污染评估与治理方面的基础研究。在2021年，团队首次提出常规聚乙烯地膜和生物降解地膜残留对作物生产效益影响相似的观点。理想的全生物降解膜是一种具有优良性能的高分子材料，废弃后可被环境微生物完全分解，最终被无机化而成为自然界中碳素循环的一部分。然而在实际的农业生产中，全生物降解膜从膜形态到完全降解需要一个过程，在此过程中它们以残膜碎片的形式存于土壤，同样会为作物生产力带来负面影响（J. Hazard. Mater. 414, 2021, 125521.）。同年，团队探索了关于LDPE残膜和PLA生物降解膜残膜在土壤中的命运以及其对土壤结构的影响这一科学问题。研究发现LDPE残膜和PLA降解膜残膜的降解特性存在差异，LDPE残膜的降解率为零。PLA降解膜残膜并未实现完全降解的理想结果，其降解率仅为41.1%。扫描电子显微镜(SEM)显示PLA降解膜残膜在降解过程中形成的裂缝具有多米诺效应。对于土壤团聚体结构稳定性方面，PLA降解残膜比LDPE残膜的负面影响更大（J. Hazard. Mater. 416, 2021, 125954.）。
在上述地膜污染评估工作的基础上，研究团队提出多种地膜污染治理方案。2022年初，团队揭示了自然恢复法（NbS）在农业生态系统中的功能角色，即生物结皮移植可作为一种自然恢复策略，通过土壤固碳和降低侵蚀等方式，修复自然生态系统中由于地膜的使用导致退化的土壤（J. Clean. Prod. 336, 2022, 130378. iScience. 26, 2023, 105773.）。除地膜替代或减量使用的方法外，还可以从减缓地膜污染进程的角度来实现治理。一般来讲，厚的地膜机械性能更佳，可以在使用后较好的被回收。具体来说，地膜的最大拉力、最大抗拉强度和断裂伸长率随着地膜厚度的增加而大幅增加，从而增加残膜回收率，降低残膜土壤遗留率。研究结果说明地膜增厚是增加残膜循环利用的一种很有前途的方法，同时也有利于提高作物生产力（Sci. Total Environ. 858, 2023, 159999.）。系列研究成果被新华社、今日中国、中新网、科学网、中国科学报等多家国内外媒体网站进行了热点追踪报道，多个相关技术已获得中国发明专利授权。
图1 农田残膜和微塑料污染现状
图2 免耕可减少地膜覆盖量及土壤健康优势
图3 沟坡集雨补灌模式示意图