控釋肥殘膜積累對土壤微生物群落組成的影響*

王學(xué)霞,曹 兵,鄒國元,張佳佳,王甲辰,劉東生,陳延華**

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所 北京 100097;2.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心 北京 100097)

包膜控釋肥在調(diào)控肥料養(yǎng)分的釋放速率,提高肥料利用率,降低肥料損失,減少環(huán)境污染等方面發(fā)揮積極作用,已廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在肥料養(yǎng)分釋放完后,殘留在土壤中的高分子膜殼降解緩慢甚至不降解,可能對土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境帶來潛在危險(xiǎn)。殘留的膜殼直徑為4～5 mm,相當(dāng)于微塑料(＜5 mm)級別,隨著包膜肥料常年施用,這些微塑料級別的殘膜積累或降解過程中的產(chǎn)物是否會對土壤環(huán)境安全性產(chǎn)生影響,是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中不能回避的問題,而當(dāng)前關(guān)于此方面的研究還未見系統(tǒng)報(bào)道。

在自然條件下,這些高分子殘膜在光、熱、水、化學(xué)作用、機(jī)械力等多種因素綜合作用下發(fā)生一定程度的降解,但是由于其分子量較大、分子鏈長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不容易被微生物分解,在自然界中降解極慢,殘留性極強(qiáng),對土壤和水體生態(tài)系統(tǒng)的影響長期存在。迄今國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)控釋肥殘膜對土壤環(huán)境的影響主要集中在土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性等方面。鄂玉聯(lián)等發(fā)現(xiàn)聚氨酯殘膜施入土壤后改善了鹽漬化土壤結(jié)構(gòu),增加土壤團(tuán)聚體數(shù)量,尤其增加2.00～0.053 mm 土壤團(tuán)聚體含量。Abobatta研究顯示聚丙烯酰胺類殘膜施入土壤后,短期內(nèi)在周圍土壤形成一個(gè)水分、營養(yǎng)都很充足的微環(huán)境,使得微域中的微生物數(shù)量增加、植物根系變發(fā)達(dá),土壤微生物活動和酶活性得以增強(qiáng)。已有的研究證實(shí)大多數(shù)控釋肥料的高分子包膜具有土壤改良劑和控制養(yǎng)分釋放的雙重作用,這些高分子殘膜短期內(nèi)能改善土壤質(zhì)量,對土壤理化性質(zhì)具有積極影響。

土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中最重要組成部分之一,維系著土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定,在土壤有機(jī)質(zhì)分解和促進(jìn)營養(yǎng)循環(huán)等方面起到積極作用,對其生存的微環(huán)境變化極為敏感。迄今為止,只有少量研究報(bào)道了殘膜在土壤中積累及降解過程中可能形成微塑料、小分子有機(jī)物等中間產(chǎn)物對土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)及功能產(chǎn)生的影響。Liang 等研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸酯殘膜在降解過程中對土壤中優(yōu)勢菌群落組成、多樣性無顯著影響;Huang 等研究表明聚乙烯殘膜降解可改變土壤微生物群落組成,其影響程度受殘膜性質(zhì)和土壤環(huán)境因子的協(xié)同作用;Murugan 等研究表明,聚羥基烷酸酯殘膜降解過程中能提高根際細(xì)菌和真菌數(shù)量和群落多樣性。Pan 等發(fā)現(xiàn)聚氨酯與水溶性丙烯酸酯殘膜累積和降解對黑土微生物群落結(jié)構(gòu)組成與多樣性無顯著影響;Faccia 等發(fā)現(xiàn)生物降解性聚醚聚氨酯殘膜在土壤中的降解主要受細(xì)菌控制,其中假單胞菌科(Pseudomonadaceae)、慢生根瘤科(Bradyrhizobiaceae)與降解速率密切相關(guān);Barratt 等研究聚氨酯膜在土壤中的降解真菌起到主導(dǎo)作用,其影響程度受土壤含水量的影響。但關(guān)于控釋肥殘膜對土壤微生物群落組成的影響研究沒有得出一致性結(jié)論。聚氨酯類包膜控釋肥作為近年來國內(nèi)外廣泛推廣應(yīng)用的控釋肥,有關(guān)其殘膜在土壤中累積和降解對土壤微生物的影響也應(yīng)該得到關(guān)注。因此,厘清土壤微生物群落對不同濃度梯度聚氨酯殘膜的響應(yīng)趨勢及影響因素,對全面了解控釋肥殘膜的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有重要意義?；诖?本研究利用盆栽模擬試驗(yàn),采用Illumina HiSeq 高通量測序技術(shù),探究了5 個(gè)氨酯殘膜量下土壤理化性質(zhì)及細(xì)菌、真菌群落組成和多樣性的變化,揭示了土壤微生物群落組成對不同氨酯殘膜積累的響應(yīng)趨勢和機(jī)制,以期全面了解和評價(jià)控釋肥殘膜的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料制備

選擇北京市農(nóng)林科學(xué)院制備的納米聚氨酯包膜控釋肥[包膜是由異氰酸酯和生物基多元醇(蓖麻油及少量改性纖維素、淀粉、甘油)、少量納米二氧化硅自動反應(yīng)成膜工藝制備],使膜產(chǎn)生細(xì)縫,用自來水浸泡并沖洗掉全部的核芯肥料后,再將殘膜用自來水沖洗3 次,再用蒸餾水漂洗3 次,置于干燥箱中50 ℃烘干,挑選完整溶出肥料核芯的形狀完整的膜殼(殘膜,直徑大小在3.60～4.00 mm),備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

模擬盆栽試驗(yàn)在北京市農(nóng)林科學(xué)院院內(nèi)大溫室進(jìn)行。試驗(yàn)所用盆規(guī)格為25 cm (高)×50 cm (長)×30 cm(寬)。每盆裝入10 kg 土,每盆種植1 株玉米()。試驗(yàn)地土壤為褐土,含全氮1.45 g·kg,速效磷10.36 mg·kg,速效鉀124.27 mg·kg,有機(jī)質(zhì)19.20 g·kg,pH 7.90;黏 粒(＜0.002 mm)占26.87%,粉 粒(0.02～0.002 mm)占43.33%,砂 粒(2.00～0.02 mm)占29.80%。

根據(jù)華北小麥()-玉米輪作地區(qū)施氮水平中值380 kg(N)·hm,計(jì)算出在該施氮水平條件下施入聚氨酯包膜尿素(膜殼含量為3.20%,氮含量為43.00%)所帶入土壤中的包膜含量為28 kg·hm,以0 倍、5 倍、10 倍、20 倍、50 倍的膜殼量為梯度,共設(shè)置5 個(gè)處理,分別為對照(不加膜,CK)、CR1 (施入0.062 g·kg聚氨酯膜殼)、CR2(施入0.124 g·kg聚氨酯膜殼)、CR3 (施入0.620 g·kg聚氨酯膜殼)和CR4 (施入1.24 g·kg聚氨酯膜殼),每個(gè)處理設(shè)20 個(gè)重復(fù)。氮磷鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀,N、P 和K 的施用量分別為380 kg·hm、230 kg·hm和300 kg·hm;尿素施加方式是底肥占40%,大喇叭口和抽雄期2 次追肥分別占30%;所有處理的磷鉀均一次性施入。

1.3 試驗(yàn)方法

4月20日將膜均勻埋入土壤中(深度大于5 cm 處)后,每隔20 d 取樣1 次,直到120 d,每個(gè)處理每次取3 個(gè)重復(fù)(3 盆)。土壤過1 mm 篩將所有殘膜撿出,用自來水沖洗3 次,再用蒸餾水漂洗3 次,放培養(yǎng)皿中50 ℃烘干,稱重。用重量法檢測殘膜的降解速率。

在埋聚氨酯殘膜同時(shí)種植玉米(‘先玉1466’)。8月20日(埋膜后120 d)收獲玉米地上部分與根系,72 ℃烘干稱重,檢測玉米地上部與根的生物量。同時(shí)取非根際土,土壤樣品分為3 部分,一部分風(fēng)干用于分析土壤理化性狀,一部分-20 ℃冰箱保存用于檢測NH-N 和NO-N,一部分-80 ℃冰箱保存檢測土壤微生物群落組成。

土壤pH 利用酸度計(jì)(S210 SevenCompact,Mettler Toledo,瑞士) (水土比2.5∶1)測定,土壤濕度(SM)采用溫濕度探頭(TPJ-21-G,浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)檢測;土壤總有機(jī)碳(TOC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)采用總有機(jī)碳分析儀(Vario EI,Elementar,德國)測定;土壤速效磷(AP)、NH-N 和NO-N 采用流動分析儀檢測分析(AA3,Bran+Luebbe,德國);土壤總氮(TN)采用凱氏定氮法(SKD-200,上海沛歐分析儀器有限公司)測定;土壤速效鉀(AK)采用火焰光度法測定(FP6450,上海精科儀器公司)。

土壤微生物DNA 提取。稱取冷凍土壤樣品0.5 g,采用Power Soil?DNA 提取試劑盒 (MO BIO Laboratories,USA)進(jìn)行土壤總DNA 基因組提取。對提取到的基因組DNA 進(jìn)行瓊脂糖電泳檢測(10 mmol·LTris-HCl,1 mmol·LEDTA pH 8.0),用NanoDrop 2000 (Thermo Scientific,USA)測定DNA 含量與質(zhì)量。

高通量測序。采用Illumina MiSeq 測序分析土壤細(xì)菌群落和真菌群落的組成。分別用引物515F/907R 和ITS1F/2043R 擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA 基因的V3-V5 區(qū)域和真菌ITS 基因。合并擴(kuò)增產(chǎn)物并在2%瓊脂糖凝膠(TBE 緩沖液)上評估,在Illumina MiSeq Genome Sequome PE300 Titanium 平臺(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司,中國)上進(jìn)行測序。

對Illumina MiSeq 測序原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過濾、聚類分析及物種注釋。其中,序列拼接利用FLASH(V1.2.7)、序列過濾利用QIIME (V1.7.0)、聚類利用UPARSE pipeline (V7.0.1001)、物種注釋利用RDP classifier (V2.2)軟件。此外,利用QIIME 計(jì)算不同樣品中細(xì)菌和真菌群落的α 多樣性,包括采用OTU 實(shí)際觀察數(shù)量(OTUs)、辛普森指數(shù)(Simpson)、ACE指數(shù)、Chao 指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)(Shannon)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 22.0 進(jìn)行單因素方差分析(one-way analysis of variance)。利用R (V3.6.1)軟件基于Bray-Curtis 距離算法進(jìn)行主坐標(biāo)分析(principal coordinate analysis,PCoA),利用R (Vegan) Mantel 檢驗(yàn)進(jìn)行微生物與土壤環(huán)境因子間關(guān)系分析(Pearson 相關(guān)系數(shù))。文中數(shù)據(jù)均為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚氨酯殘膜降解分析

聚氨酯殘膜累積降解率隨時(shí)間()的變化如圖1所示,短期內(nèi)聚氨酯殘膜在土壤中可以部分降解,不同殘膜處理間其累積降解率差異不顯著(圖1A)。隨著暴露時(shí)間的增加,平均累積降解率不斷增加,120 d內(nèi)可達(dá)10.02% (圖1B)。

圖1 不同添加量下土壤中聚氨酯殘膜累積降解速率(A)和平均累積降解率(B) (n=12)Fig.1 Cumulative degradation rates under different addition rates (A) and their average (B) of polyurethane residual film in soil(n=12)

2.2 土壤理化性質(zhì)分析

如表1所示,不同處理間土壤理化性質(zhì)差異較小。土壤pH、總氮(TN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、NH-N 含量在不同處理間差異不顯著。土壤含水量(SM)為14.98%～18.24%,呈隨殘膜施加量增加而增加的趨勢,CR4 處理土壤含水量顯著高于CK 處理(＜0.05)。土壤中可溶性有機(jī)碳(DOC)含量也隨殘膜施加量增加而增加,且CR3 和CR4 處理顯著高于CK 處理(＜0.05);CR3 處理土壤中NO-N 含量顯著高于CK 處理(＜0.05),其他處理間差異不顯著。不同處理間玉米地上生物量(AGB)隨殘膜添加量增加而增加,但差異不顯著;聚氨酯殘膜添加處理增加了玉米地下生物量(BGB),CK 和CR4 處理BGB 差異顯著(＜0.05)。由于高分子樹脂殘膜的存在不但提高土壤持水能力,而且增加了土壤孔隙度,因此聚氨酯殘膜添加可提高土壤的含水量和玉米地下生物量。

表1 不同處理下土壤理化性質(zhì)與玉米生物量變化Table 1 Soil physical and chemical properties and maize biomass under different treatments

2.3 土壤微生物測序結(jié)果分析

通過Illumina 高通量測序平臺對細(xì)菌16S rRNA基因V3-V4 區(qū)測序,共得到有效序列943 610 條,統(tǒng)計(jì)各樣品在不同OTUs 中的豐度信息,得到66 175 個(gè)OUTs;與CK 相比,CR2、CR3 和CR4 處理有效序列和OTUs 均顯著增加(＜0.05)。對真菌ITS rRNA 基因測序獲得有效序列486 620 條,6120 個(gè)OUTs;與CK 相比,CR3 和CR4 處理有效序列顯著增加(＜0.05),CR4顯著增加了真菌OUTs 數(shù)量(＜0.05)(表2)。可見,添加聚氨酯殘膜短期內(nèi)增加了細(xì)菌和真菌OUTs 數(shù)量。

表2 不同處理下土壤細(xì)菌和真菌的序列數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of sample sequence of soil bacteria and funge under different treatments

2.4 土壤微生物群落多樣性分析

聚氨酯殘膜添加對土壤細(xì)菌和真菌多樣性的影響如表3所示。按97%相似度聚類,各樣品文庫覆蓋率均在97.4%以上,能夠反映試驗(yàn)土壤微生物群落的真實(shí)情況。殘膜埋入土壤120 d,土壤細(xì)菌群落豐度Ace、Chao 指數(shù)和Shannon 多樣性指數(shù)均隨添加量的增加而增加。與CK 相比,CR4 處理顯著增加這些指數(shù)(＜0.05),其他處理之間差異不明顯。不同處理間土壤真菌群落豐度Ace、Chao 指數(shù)和Shannon 多樣性指數(shù)差異均不顯著。由此,聚氨酯殘膜添加短期內(nèi)提高了土壤細(xì)菌群落豐度和多樣性,而對土壤真菌群落豐度和多樣性影響不明顯。

表3 不同處理土壤細(xì)菌和真菌OTU 及多樣性指數(shù)Table 3 Soil microbial diversity indexes of soil bacteria and funge under different treatments

2.5 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析

微生物統(tǒng)計(jì)分析時(shí)對豐度20 以下及在該水平上沒有注釋結(jié)果的細(xì)菌或真菌歸于Orther。試驗(yàn)土壤樣品中細(xì)菌OTU 隸屬于41 門109 綱280 目479 科915 屬(圖2A)。在門水平上,土壤優(yōu)勢細(xì)菌均為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi),總相對豐度達(dá)74.39%以上,且不同處理差異明顯(圖2A)。

變形菌門相對豐度為26.96%～34.10%,呈現(xiàn)出隨殘膜添加量增加逐漸增加趨勢,與CK相比,CR4 處理其相對豐度顯著增加(＜0.05)。放線菌門相對豐度為15.01%～20.97%,聚氨酯殘膜處理增加了其相對豐度,但不同處理間差異不明顯。綠彎菌門相對豐度在14.53%～18.32%,不同處理間差異不明顯。酸桿菌門相對豐度為10.67%～17.60%,呈現(xiàn)出CR4＜CR3＜CR2＜CR1＜CK,且CK 顯著高于CR4 處理(＜0.05)。芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、己科河菌門(Rokubacteria)、Patescibacteria、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)和疣微菌門(Verrucomicrobia),也是主要的細(xì)菌類群。除了擬桿菌門在CK 處理(1.48%)中的相對豐度顯著低于CR4 處理(4.14%) (＜0.05),異常球菌-棲熱菌門(Deinococcus-Thermus)在CK (1.84%)處理中豐度顯著高于CR2 處理(0.49%) (＜0.05)外,其他細(xì)菌類群門間無顯著差異。

土壤真菌OTU 隸屬于13 門36 綱68 目141 科236 屬,其中擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、子囊菌門(Ascomycota)是優(yōu)勢門,兩者相對豐度占89.60%以上。擔(dān)子菌門相對豐度為73.98%～80.04%,不同處理間差異不明顯;子囊菌門相對豐度為10.20%～18.15%,CR3 處理顯著高于CK 處理(＜0.05) (圖2B)。被孢霉 門(Mortierellomycota,2.33%～3.98%)、球囊菌門(Glomeromycota,0.14%～1.78%)也是主要的真菌類群,其中CK 處理球囊菌門相對豐度顯著高于CR4處理(＜0.05) (圖2B)。

圖2 不同處理土壤細(xì)菌(A)和真菌(B)群落門水平組成變化Fig.2 Characteristics of bacterial (A) and fungal (B) community structures at phylum level under different treatments

不同處理細(xì)菌屬水平的變化如圖3A 所示。優(yōu)勢菌屬主要包括鞘脂單胞菌屬(,1.39%～3.56%)、芽胞桿菌屬(,1.78%～2.97%)、金霉素鏈霉菌屬(,0.98%～1.89%)、根瘤菌屬(,1.03%～1.75%)、(0.58%～0.89%)、壤霉菌屬(,0.68%～0.98%)、黃桿菌屬(,0.33%～0.84%)、硝化螺旋菌屬(,0.32%～0.87%)、假單胞菌屬(,0.21%～0.77%)、伯克氏菌屬(,0.20%～0.62%)等。這些細(xì)菌屬在不同處理中均有分布,但相對豐度有一定差異。聚氨酯殘膜添加逐漸增加了伯克氏菌屬豐度,降低了鞘脂單胞菌屬豐度,與CK 相比,CR4 處理差異達(dá)顯著水平(＜0.05)。

不同處理真菌屬水平的變化如圖3B 所示。優(yōu)勢屬是(16.41%～24.8%)、青霉屬(,4.18%～9.35%)、鏈孢霉屬(,2.12%～4.18%)、枝孢菌屬(,4.33%～6.31%)、鐮刀菌屬(,2.90%～6.73%)、被孢霉屬(,1.07%～5.56%)、鏈格孢屬(,2.15%～4.38%)等。這些真菌屬在不同處理土壤中均有分布,但相對豐度有一定差異。與CK 相比,聚氨酯殘膜添加逐漸降低了相對豐度,但差異不顯著;與CK 相比,CR4 處理被孢霉屬相對豐度顯著增加(＜0.05)。

圖3 不同處理土壤細(xì)菌(A)和真菌(B)群落屬水平組成變化Fig.3 Characteristics of bacterial (A) and fungal (B) community structure at genus level under different treatments

為進(jìn)一步明晰樣本間在群落物種組成上的差異性,采用主成分分析(這rincipal component analysis,PCA)分析5 個(gè)處理間土壤細(xì)菌和真菌群落物種組成的相似度。圖4A 所示,PC1 和PC2 分別解釋細(xì)菌變量方差的40.57%和24.87%,兩者累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)65.44%。這2 個(gè)主成分為坐標(biāo)軸構(gòu)建的二維坐標(biāo)系中,各處理在PC 軸上存在差異,說明聚氨酯殘膜不同添加量處理中土壤細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)特征存在差異。CK 處理與CR2、CR4 處理的土壤細(xì)菌群落組成差異較大。圖4B 所示,PC1 和PC2 分別解釋真菌變量方差的31.39%、24.94%,兩者累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)56.33%。CK 處理與CR4 處理的土壤真菌群落組成差異較大。

圖4 不同處理土壤細(xì)菌(A)和真菌(B)群落分析(PCA)Fig.4 Principal coordinate analysis (PCA) analysis of soil bacteria (A) and fungal (B) communities under different treatments

2.6 環(huán)境因子與微生物的相關(guān)性分析

Mantel 分析微生物群落結(jié)構(gòu)與作物、土壤因子間相互關(guān)系(表4)的結(jié)果顯示,DOC 對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響最大(=0.622,=0.003)。同時(shí),AP、SM 和BGB 對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也具有顯著影響(＜0.05)。真菌群落結(jié)構(gòu)與土壤DOC、TN 和SM 呈現(xiàn)顯著相關(guān)(＜0.05),其中DOC 影響最大(=0.432,=0.008)。進(jìn)一步對優(yōu)勢微生物門與土壤因子進(jìn)行相關(guān)分析(表5),變形菌門與SM、DOC 和BGB 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05 或＜0.01);硝化螺旋菌門與SM、DOC、NO-N 和BGB 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05 或＜0.01);擬桿菌門與DOC、AP 和BGB 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05);放線菌門與DOC 和AP 之間呈顯著正相關(guān)(＜0.05 或＜0.01);浮霉菌門(Planctomycetes)與AK 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05);異常球菌-棲熱菌門與TN 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05);芽單胞菌門與SM 之間呈顯著正相關(guān)(＜0.05);芽單胞菌門、放線菌門與TN 間呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0.05);酸桿菌門與SM、DOC 和AGB 間呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0.05);擔(dān)子菌門與SM、DOC、TN 和NH-N 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05 或＜0.01);子囊菌門與SM、DOC 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05);Cercozoa 門與SM、TN 間呈顯著正相關(guān)(＜0.05);球囊菌門與SM、AGB 和BGB 間呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0.05 或＜0.01)。

表4 Mantel 檢驗(yàn)微生物群落結(jié)構(gòu)與植物、土壤環(huán)境因子的相關(guān)性Table 4 Mantel test showing the correlation among soil microbial community structure similarity and plant,soil environment factors

表5 優(yōu)勢細(xì)菌門、真菌門與土壤因子的相關(guān)分析Table 5 Redundancy analysis of dominant bacterial phylum,dominant fungal phylum and environmental factors

3 討論與結(jié)論

3.1 不同聚氨酯殘膜添加量下土壤微生物群落多樣性的差異

土壤微生物多樣性是反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明,短時(shí)間內(nèi)(120 d)土壤細(xì)菌OTUs 數(shù)量、群落多樣性和豐富度指數(shù)隨聚氨酯殘膜添加量增加而增加,尤其是CR4 處理顯著增加了細(xì)菌群落多樣性;而殘膜添加僅增加了土壤真菌OTUs 數(shù)量,而對其他多樣性指標(biāo)

影響不顯著。由此可見,短期內(nèi)大量聚氨酯殘膜添加到土壤,有助于提高土壤細(xì)菌群落多樣性且對土壤真菌群落多樣性影響較小。這與Huang 等利用聚乙烯類和Murugan 等利用聚羥基烷酸酯殘膜模擬結(jié)果有差異,這可能是不同組分的聚合物殘膜由于膜材性質(zhì)的差異進(jìn)而對土壤環(huán)境影響不同而導(dǎo)致的。

在自然生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌和真菌群落多樣性差異主要由土壤基本理化性質(zhì)和養(yǎng)分差異導(dǎo)致。本研究中聚氨酯殘膜積累造成土壤環(huán)境(含水量、可溶性有機(jī)碳、硝態(tài)氮含量等)差異,影響到土壤微生物多樣性。首先,本研究使用的聚氨酯包膜由聚氰酸酯與生物基多元醇反應(yīng)形成,其主要組分是碳元素,其殘膜在土壤中積累相對增加了碳含量;包膜在制備過程中,使用的生物基多元醇是由蓖麻油、改性纖維素、淀粉、甘油等物質(zhì)組成,這些物質(zhì)很容易被微生物降解和利用,殘膜添加可為細(xì)菌生長和繁殖提供大量的底物,因而促進(jìn)微生物短期內(nèi)大量繁殖;同時(shí)與CK 相比,聚氨酯殘膜添加可能增加了土壤中碳源(如淀粉、甘油等)的種類,因而導(dǎo)致了土壤微生物多樣性的改變,這是由于土壤有機(jī)組分差異可直接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。其次,殘膜作為土壤微生物載體為其提供更多的棲息地和庇護(hù)所,對土壤微生物的生長和繁殖起到積極作用。在適宜的溫濕環(huán)境中,細(xì)菌是低分子等較易分解的有機(jī)物質(zhì)的分解者,而真菌側(cè)重于分解木質(zhì)素、纖維素等土壤中復(fù)雜高碳氮有機(jī)物,由于聚氨酯殘膜添加后增加了淀粉、甘油等低分子有機(jī)物質(zhì),短期內(nèi)為細(xì)菌提供了充足底物,因而提高了細(xì)菌群落多樣性,對真菌群落多樣性影響不明顯。再次,土壤含水量也是影響土壤微生物群落和多樣性的重要因素之一。Jiao 等和Zhou等研究均表明隨土壤持水量增加,土壤細(xì)菌多樣性也逐漸提高,在適宜土壤含水量下,細(xì)菌多樣性最高,而真菌多樣性對土壤含水量響應(yīng)不明顯;Charlotte 等研究表明,在土壤含水量較低條件下,利于真菌生長,真菌多樣性增加。de Souza Machado 等證實(shí)高分子微粒(微塑料)的存在提高土壤持水能力,與本研究結(jié)果一致。這可能是由于聚酯樹脂中含有大量羥基等強(qiáng)親水性基團(tuán),增強(qiáng)了其吸附水分子能力,因此,聚氨酯殘膜添加可提高土壤含水量,進(jìn)而提高了土壤細(xì)菌多樣性,不影響真菌多樣性。

3.2 不同聚氨酯殘膜添加量下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異

土壤微生物能夠敏感地反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的細(xì)微變化及其程度,土壤微生境細(xì)微差異導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化。本研究中,不同處理土壤優(yōu)勢細(xì)菌均為變形菌門、放線菌門和酸桿菌門(圖2A),同時(shí),在多種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)也常檢測到變形菌門、酸桿菌門和放線菌作為優(yōu)勢菌存在,且這些細(xì)菌群落受土壤含水量、土壤養(yǎng)分、作物等多因子綜合影響。不同處理土壤中變形菌占據(jù)絕對優(yōu)勢,豐度隨聚氨酯殘膜添加量增加而增加,CR4 處理中增加明顯。這是由于變形菌門屬于富營養(yǎng)型物種,在養(yǎng)分含量較高的土壤中占據(jù)優(yōu)勢。本研究土壤中相對較高的土壤有機(jī)碳和聚氨酯殘膜自身帶入的有機(jī)質(zhì)保證了該菌生長和繁殖;前人研究表明較低的土壤含水量限制了土壤養(yǎng)分的礦化作用同時(shí)影響變形菌相對豐度,CK 處理土壤含水量較CR4 低,因此導(dǎo)致其變形菌門相對豐度低于CR4 處理。酸桿菌門相對豐度表現(xiàn)出相反趨勢,由于酸桿菌是寡營養(yǎng)型細(xì)菌,適宜低有機(jī)質(zhì)和含水量的土壤環(huán)境,CK處理土壤低含水量和無外源有機(jī)質(zhì)添加,適合酸桿菌生活,導(dǎo)致其酸桿菌相對豐度顯著高于CR4 處理。

本研究中放線菌門、厚壁菌門、硝化螺旋菌門和擬桿菌門也是主要的細(xì)菌類群,這與Wang 等在農(nóng)田系統(tǒng)中得出的結(jié)果一致。放線菌和擬桿菌門廣泛分布在干旱與半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中,偏好營養(yǎng)豐富的土壤環(huán)境,且它們在碳?xì)浠衔锝到膺^程中發(fā)揮重要作用,聚氨酯作為一種碳?xì)浠衔锛尤胪寥?相當(dāng)于增加了外源碳?xì)浠衔?可以解釋本研究中放線菌門和擬酸桿菌門相對豐度隨聚氨酯殘膜添加量增加而增加的現(xiàn)象。芽胞桿菌屬、鞘脂單胞菌屬、金霉素鏈霉菌、根瘤菌屬是土壤細(xì)菌優(yōu)勢屬,這與Pan 等關(guān)于殘膜積累和Fei 等關(guān)于微塑料對土壤細(xì)菌群落組成影響的研究結(jié)果基本一致。聚氨酯殘膜添加和分解短期內(nèi)導(dǎo)致伯克霍爾德菌和芽胞桿菌屬相對豐度增加,說明殘膜添加和分解刺激了與固氮相關(guān)的細(xì)菌的表達(dá),降低了鞘脂單胞菌屬相對豐度,這與Fei 等的研究結(jié)果一致。

本研究中土壤真菌優(yōu)勢菌群均為擔(dān)子菌門和子囊菌門,不同處理間其相對豐度存在一定差異(圖2B),這與低密度聚乙烯(LDPE)和聚丙烯(PP)微塑料短期添加、LDPE 微塑料添加對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)影響結(jié)論相似。擔(dān)子菌和子囊菌是土壤中的重要分解者,其中子囊菌門多為腐生菌,對有機(jī)質(zhì)和纖維素分解起著關(guān)鍵作用。相對于CK 而言,聚氨酯殘膜添加相當(dāng)于增加了土壤有機(jī)物,可促進(jìn)其分解微生物菌群的增加,這可解釋CR3 和CR4 處理子囊菌門的相對豐度高于CK 處理。在屬分類水平上,屬、青霉屬、枝孢菌屬、鐮刀菌屬、鏈孢霉屬、被孢霉屬相對豐度較高,這些類群真菌屬在不同處理土壤中均有分布,但相對豐度有一定差異,殘膜添加增加了被孢霉屬豐度,這與Gao 等的研究結(jié)果一致。這可能是由于聚氨酯殘膜添加后導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)組分存在差異,使真菌類群間的碳源分配不同,導(dǎo)致真菌群落差異。由此,聚氨酯殘膜的添加與分解改變了土壤微生物的微環(huán)境和食物類型,從而影響了微生物群落結(jié)構(gòu)和組成,同時(shí),微生物群落間的相對豐度也發(fā)生變化。

3.3 土壤環(huán)境因子變化對土壤微生物的影響

前人研究表明土壤質(zhì)地、pH、含水量、有機(jī)質(zhì)含量等因素均可通過單因子或多因子綜合作用影響著土壤微生物群落組成。PCA 分析顯示不同聚氨酯殘膜添加處理間土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異(圖4),其主要的驅(qū)動因子是土壤DOC、含水量、總氮、速效磷含量和玉米根生物量(表4),這與前人報(bào)道一致。DOC 是土壤微生物能量和養(yǎng)分的來源之一,可直接影響土壤微生物,而土壤含水量則通過影響?zhàn)B分循環(huán)和植物生長間接改變微生物代謝活性,進(jìn)而間接地影響土壤微生物群落組成。本研究中聚氨酯殘膜添加和分解過程中增加了土壤含水量、DOC 含量及玉米根生物量,為微生物生長創(chuàng)造了有利條件,進(jìn)而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu);此外,隨填埋時(shí)間增加聚氨酯殘膜發(fā)生不同程度的降解,從而改變其碳?xì)浠衔锏慕Y(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì),繼而影響土壤的微生物群落。與CK 相比,CR4 處理,由于殘膜添加量較大對土壤理化性質(zhì)及玉米根生物量的影響更明顯,因而土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異更大。

綜上所述,聚氨酯類控釋肥殘膜短期內(nèi)積累與降解對土壤理化性質(zhì)與微生物群落組成和多樣性產(chǎn)生積極影響。而控釋肥殘膜在土壤中的降解是一個(gè)長期過程,尤其是聚氨酯降解過程中殘膜結(jié)構(gòu)、降解產(chǎn)物以及對土壤生態(tài)環(huán)境的影響還需要系統(tǒng)深入研究,以期全面了解和系統(tǒng)評價(jià)控釋肥殘膜的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

3.4 結(jié)論

1)聚氨酯殘膜添加后,短期內(nèi)對土壤微生物群落多樣性產(chǎn)生積極影響,顯著提高土壤細(xì)菌群落多樣性和真菌OTUs 數(shù)量。

2)土壤優(yōu)勢細(xì)菌門為變形菌門、酸桿菌門和放線菌門,優(yōu)勢屬為芽胞桿菌屬、鞘氨醇單胞菌屬、金霉素鏈霉菌屬。其中變形菌門、擬桿菌門和伯克氏菌屬相對豐度隨殘膜積累而增加,而酸桿菌門和鞘氨醇單胞菌屬相對豐度呈相反趨勢。土壤優(yōu)勢真菌門為擔(dān)子菌門和子囊菌門,優(yōu)勢屬為、青霉屬、枝孢菌屬,其中殘膜添加提高了子囊菌門和被孢霉屬相對豐度,降低了球囊菌門相對豐度。

3)聚氨酯殘膜添加通過影響土壤可溶性有機(jī)碳、全氮、速效磷、含水量及玉米地下生物量而影響了土壤微生物群落組成。