《Journal of Hazardous Materials》：Biodegradable mulch films divergently regulate soil carbon cycle by reshaping microbial communities and functional genes
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土壤碳循環(huán)微生物及功能基因受可降解與塑料地膜影響研究。通過田間實驗比較BM1（PBAT/PLA）、BM2（PBAT/木質(zhì)素）和PM對土壤微生物群落及功能基因的影響，發(fā)現(xiàn)BM1顯著提升α多樣性（峰值+32%）和促進碳分解基因（如果膠降解基因增幅87.2%），同時抑制甲烷代謝基因。BM2效應(yīng)較弱，且所有地膜對β多樣性有持續(xù)性影響。土壤pH、電導(dǎo)率、有效磷和有機碳為關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動因素。證實可降解地膜通過改變微環(huán)境及群落結(jié)構(gòu)調(diào)控碳循環(huán)過程。
張海云|于書通|呂衛(wèi)光|王西龍|盧平|張漢林|張娟琴|(zhì)白娜玲|徐成龍|朱先普|李雙喜
上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護研究所；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保護科學(xué)觀測實驗站；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部中國東南部低碳綠色農(nóng)業(yè)重點實驗室，上海201403，中國
摘要
本研究通過田間實驗，探討了兩種可降解地膜（BM1、BM2）和一種塑料地膜（PM）對土壤碳循環(huán)微生物及其功能基因的影響。可降解地膜在一個月后顯著增強了碳循環(huán)微生物的α多樣性（這種效應(yīng)在第七個月時消失），群落豐富度的最大增幅超過了32%。由不同成分組成的可降解地膜表現(xiàn)出不同的效果。BM1（PBAT/PLA）抑制了與大多數(shù)碳固定途徑相關(guān)的基因，而BM2（PBAT/木質(zhì)素）則傾向于增強某些途徑。BM1顯著提高了碳降解基因的表達（例如，果膠降解基因增加了87.2%），并抑制了甲烷代謝基因，而BM2的效果則較弱。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析顯示，覆膜減少了碳循環(huán)微生物的多樣性和它們之間的相互作用復(fù)雜性，同時增強了微生物之間的協(xié)同關(guān)系。BM1處理使正向微生物相互作用的比例最高達到了63.28%。土壤pH值、電導(dǎo)率（EC）、有效磷（AP）和土壤有機碳（SOC）被確定為影響碳循環(huán)微生物群落的關(guān)鍵環(huán)境因素。本研究表明，可降解地膜通過改變土壤微環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)，顯著影響碳循環(huán)功能基因的表達和土壤碳轉(zhuǎn)化過程。
引言
由于耐用性、柔韌性和成本效益，塑料地膜（PM）主要由聚乙烯制成，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中被廣泛使用。它們對保持土壤濕度、調(diào)節(jié)溫度、控制雜草以及最終提高作物產(chǎn)量具有顯著作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，傳統(tǒng)PM的低回收率和持久性導(dǎo)致其在農(nóng)業(yè)土壤中積累。隨著時間的推移，這些殘留物在紫外線輻射和機械風(fēng)化作用下會分解成微塑料，對土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分動態(tài)、植物生長和微生物生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[7]、[8]、[9]。
為應(yīng)對這些環(huán)境問題，可降解地膜（BM）作為一種有前景的替代品被引入。在最佳條件下，BM設(shè)計為能被土壤微生物完全代謝為二氧化碳和水[10]、[11]。然而，在田間條件下，由于溫度、濕度和微生物活動的波動，可能會導(dǎo)致降解不完全，從而迅速積累可降解微塑料顆粒（BMP）。這種部分降解引發(fā)了對其潛在生態(tài)影響的擔(dān)憂，但目前對此了解尚不充分[12]。
土壤碳循環(huán)是全球生物地球化學(xué)過程的核心，主要由微生物活動驅(qū)動。土壤微生物不僅推動土壤有機碳（SOC）的轉(zhuǎn)化，本身也構(gòu)成了一個動態(tài)的碳庫[13]、[14]。地膜覆蓋通過復(fù)雜機制影響SOC。一些研究表明，覆膜可以增強微生物活性，從而加速SOC礦化并減少碳儲量[15]。相反，其他研究指出，覆膜可以通過促進植物生長和增加生物量來減輕碳損失[16]。BMP的引入進一步增加了復(fù)雜性；它們可能與土壤礦物質(zhì)相互作用形成礦物相關(guān)有機碳，從而可能增強碳穩(wěn)定性[17]。或者，BMP可能作為可利用的碳底物，重塑微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能，從而改變碳周轉(zhuǎn)過程[18]。例如，胡等人[19]發(fā)現(xiàn)BMP通過上調(diào)與有氧呼吸、碳分解和碳固定相關(guān)的基因，顯著改變了微生物的代謝譜型。同樣，李等人[20]報告稱微塑料刺激了三羧酸（TCA）循環(huán)基因的表達，促進了SOC分解和CO?排放。
盡管現(xiàn)有研究已經(jīng)開始探索可降解地膜對土壤碳庫的影響，但大多數(shù)研究集中在總體碳指標或整個微生物群落的一般變化上。關(guān)于關(guān)鍵碳循環(huán)微生物對BM應(yīng)用的功能響應(yīng)，尤其是在實際田間條件下的響應(yīng)，仍存在重要的知識空白。涉及BMP改良的實驗室研究可能無法充分捕捉農(nóng)業(yè)土壤中發(fā)生的多因素相互作用。因此，本研究進行了基于田間的實驗，以探討不同類型地膜（包括可降解和傳統(tǒng)塑料地膜）如何影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)、碳循環(huán)微生物的豐度和組成以及相關(guān)功能基因的表達。通過分析土壤、功能微生物和基因之間的相關(guān)性，本研究旨在闡明BM調(diào)節(jié)土壤碳循環(huán)的機制，從而為其可持續(xù)性提供科學(xué)依據(jù)。
實驗與采樣
本研究中評估的地膜包括兩種可降解黑色地膜：BM1（PBAT/PLA/其他成分=80:8:12）和BM2（PBAT/木質(zhì)素/其他成分=66:20:14），以及一種黑色聚乙烯地膜（PM）。BM1和BM2的其他成分包括塑料添加劑、淀粉以及碳酸鈣和著色劑等無機材料。BM1購自上海盛固光電科技有限公司，BM2購自上海長發(fā)新材料有限公司。
BM對土壤碳循環(huán)微生物的α多樣性有短暫增強作用，但對β多樣性和功能基因有持久影響
覆膜對土壤碳循環(huán)微生物群落α多樣性的影響主要取決于覆膜的時間長度。如表1所示，在覆膜土壤中，微生物群落的豐富度和多樣性在一個月后顯著增加。具體來說，BM2處理下的群落豐富度最高，而BM1處理下的多樣性最高。然而，在第七個月時，覆膜土壤的豐富度和多樣性與對照組沒有顯著差異。
BM對碳循環(huán)微生物群落的影響
由于土壤微生物對環(huán)境變化的高度敏感性[21]，塑料覆膜可以通過改變土壤水熱條件，顯著改變土壤碳循環(huán)微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能潛力。然而，隨著覆膜時間的延長，薄膜的熱保持和水分保持能力逐漸下降，導(dǎo)致其整體覆膜效果減弱。因此，在本研究中，微生物群落的豐富度和多樣性也隨之減少。
結(jié)論
可降解地膜（BM）在應(yīng)用初期顯著增強了參與碳循環(huán)的土壤微生物群落的多樣性和豐富度。這些變化隨時間減弱，表明BM對微生物群落的影響具有時間依賴性。更重要的是，由不同成分組成的BM表現(xiàn)出不同的降解行為和對碳循環(huán)功能基因的不同調(diào)節(jié)作用。BM1（PBAT/PLA）的效果最強，因為它增強了相關(guān)基因的表達。
環(huán)境影響
可降解地膜（BM）在農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但它們對碳循環(huán)微生物和功能基因的影響尚不清楚。我們發(fā)現(xiàn)，BM最初增強了微生物多樣性，并上調(diào)了分解有機物的基因，同時抑制了碳固定和甲烷代謝。這種短期內(nèi)的土壤碳循環(huán)變化是由土壤性質(zhì)和微生物群落的變化介導(dǎo)的，這突顯了一個權(quán)衡問題。因此，在評估BM的碳足跡時必須考慮這一點。
CRediT作者貢獻聲明
盧平：數(shù)據(jù)整理。呂衛(wèi)光：資源提供。王西龍：撰寫 – 審稿與編輯，資源提供。朱先普：數(shù)據(jù)可視化。李雙喜：指導(dǎo)。張海云：初稿撰寫，資金獲取，概念構(gòu)思。于書通：調(diào)查。張漢林：正式分析。張娟琴：驗證。白娜玲：項目管理。徐成龍：軟件支持。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系。
致謝
本研究得到了國家自然科學(xué)基金（42207436）、上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技與創(chuàng)新專項計劃（Shengkechuang-2023）、中國農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)計劃（X2022-02-08-00-12-F01121）、上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)秀團隊計劃（Hu-Nong-Ke-Zhuo 2022 (008)）和上海Sailing計劃（19YF1443600）的支持。
