降解膜對高粱根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

摘要：［目的］本研究旨在明確降解膜對農(nóng)田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的影響。［方法］設(shè)置4 個(gè)月降解（4J）、6 個(gè)月降解（6J）、普通黑膜（PT）3 種不同降解膜，以不覆膜為對照（CK），利用高通量測序技術(shù)分析土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化，探討降解膜覆蓋農(nóng)田土壤中微生物群落的變化及其對微生物生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響。［結(jié)果］與不覆膜處理相比，覆膜后土壤中的全氮（PT 處理除外）、速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量均得到了提升。α?蛋白細(xì)菌（Alphaproteobacteria）、放線菌（Actinobacteria）、酸桿菌Gp1（Acidobacteria_Gp1）和伽馬桿菌（Gammmaproteobacteria）為雙季高粱根際土壤中共同優(yōu)勢細(xì)菌類群。主季覆膜處理下土壤中放線菌和酸桿菌Gp1 和酸桿菌Gp2（Acidobacteria_Gp2）的相對豐度均高于不覆膜的土壤；再生季覆膜處理下土壤Deltaproteobacteria 相對豐度均顯著高于不覆膜的土壤，且土壤細(xì)菌群落OTU（OperationalTaxonomicUnit）數(shù)大于2000，具有更高的微生物多樣性。通過KEGG 代謝途徑分析，再生季覆膜處理下土壤中碳水化合物代謝（Carbohydrate metabolism）、氨基酸代謝（Amino acid metabolism）、輔因子和維生素代謝（Me?tabolism of cofactors and vitamins）和萜類化合物和聚酮類化合物代謝（Metabolism of terpenoids and polyketides）高于主季覆膜處理，其中以6J 處理較佳。［結(jié)論］綜上，6 個(gè)月的降解膜（6J 處理）可以有效提升土壤理化性質(zhì)，改善土壤根際細(xì)菌群落生物降解，增加微生物多樣性和豐富度。

關(guān)鍵詞：生物降解膜； 根際土壤； 微生物群落； 高通量測序

中圖分類號：S154.37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1671-8151（2024）03-0066-09

地膜作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上一種提高作物產(chǎn)量的重要覆蓋材料，可以提高土壤表層溫度，減少土壤水份蒸發(fā)，抑制雜草生長，降低土壤下層溫度［1-2］，生產(chǎn)中常用的普通農(nóng)用地膜雖然能夠保溫保濕，但其不通透性會(huì)使雨水難以滲入到土壤中，而且在高溫天氣土壤表層溫度會(huì)有所增加［3］。另外，普通農(nóng)用地膜如果不及時(shí)清理出去，之后會(huì)形成大量的塑料碎片或微塑料殘留在土壤中，影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、水分運(yùn)輸和養(yǎng)分循環(huán)等，最終阻礙作物生長導(dǎo)致減產(chǎn)［4］。

土壤微生物群落在養(yǎng)分循環(huán)、維持土壤結(jié)構(gòu)等方面起著至關(guān)重要的作用，其多樣性是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，能反映土壤的細(xì)微變化，為評價(jià)土壤功能提供信息［5］。不同覆膜方式［6-8］、施肥水平［9-10］、施肥方式［11］及田間栽培、管理措施［12-13］都可能通過影響微生物群落的組成，最終影響作物品質(zhì)。已有研究主要集中在田間管理措施與地膜覆蓋對土壤水分、土壤結(jié)構(gòu)、土壤營養(yǎng)和作物產(chǎn)量的影響，較少報(bào)道其對土壤微生態(tài)環(huán)境和土壤微生物群落演化的影響。本試驗(yàn)使用不同厚度的降解膜覆蓋，研究其對土壤微生物的多樣性和豐度的影響，為探討不同降解膜覆膜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下土壤群落結(jié)構(gòu)的變化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

降解地膜規(guī)格均為寬150 cm、厚0. 006 mm，由山東權(quán)一塑業(yè)公司生產(chǎn)。高粱試驗(yàn)品種為晉糯3 號，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所選育。

1. 2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2022 年5 月15 日-12 月14 日在浙江省金華市蘭溪市梅江鎮(zhèn)高粱試驗(yàn)基地（北緯29°5 ′20 ″至29° 27 ′30 ″，東經(jīng)119° 13 ′30 ″至119°53 ′50 ″）進(jìn)行雙季種植，再生季起始時(shí)間為主季收割時(shí)間（8 月20 日），以地上部留1 個(gè)節(jié)位斜砍再生?；赝寥李愋蜑槿蕾|(zhì)土。試驗(yàn)期間因采用壟作方式，降水可進(jìn)入膜下被利用，且自然降水及人工分批灌溉水量約800 mm，地塊平整，無灌溉條件，排水較好。0～20 cm 土壤含有機(jī)質(zhì)11. 32 g·kg-1、全氮0. 65 g·kg-1 、速效磷4. 81 mg·kg-1 、速效鉀114. 66 mg·kg-1 ，pH 為6. 8 。

1. 3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置4 個(gè)處理，CK：不覆膜（裸地）；4J：4 個(gè)月降解；6J：6 個(gè)月降解；PT：普通黑膜。每處理3 次重復(fù)，共12 個(gè)小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)分布。5 月15 日地膜覆蓋小區(qū)先覆膜后人工移栽高粱苗，采用1 膜4 行種植方式。株距30 cm，行距35 cm，每小區(qū)面積15. 0 m×1. 5 m。田間按大田正常管理。

分別于8 月20 日、12 月14 日通過5 點(diǎn)取樣法采集根際土壤，每組隨機(jī)采集3 份樣品，隨后立即置于干冰中，帶回實(shí)驗(yàn)室并置于?80°C 冰箱中保存，用于后續(xù)測定土壤理化性質(zhì)和細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)變化。

1. 4 土樣分析

1. 4. 1 主要試劑和儀器

DNA 提取試劑盒（PowerSoil DNA IsolationKit），核酸純化試劑盒（Agencourt AMPure XPKit），PCR 純化試劑盒（MinElute PCR PurificationKit），pH 計(jì)，EC 計(jì)，流動(dòng)分析儀與火焰光度計(jì)，紫外可見分光光度計(jì)，PCR 儀，QuantiFluor-ST 熒光定量系統(tǒng)（深圳華大基因科技服務(wù)有限公司，武漢）；MiSeq PE250 高通量測序平臺(tái)。

1. 4. 2 土壤養(yǎng)分測定方法

土壤pH 測定用土壤pH 計(jì)，土壤有機(jī)質(zhì)測定用重鉻酸鉀外加熱法，土壤速效氮測定采用堿解擴(kuò)散法，土壤速效磷測定采用鉬銻抗比色法，土壤速效鉀測定采用火焰光度法。

1. 4. 3 土壤DNA 提取、擴(kuò)增和高通量測序

稱取1 g 土壤樣品提取土壤總DNA，使用引物338-F（5 ′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3 ′）和806-R（5 ′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3 ′）對細(xì)菌16S rRNA V3? V4 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。將PCR擴(kuò)增片段純化和定量分析后進(jìn)行高通量測序，測序由北京華大基因生物科技有限公司完成。

1. 5 統(tǒng)計(jì)分析

KEGG 功能預(yù)測：使用PICRUSt 2019.10 軟件通過比對16S 測序數(shù)據(jù)獲得的物種組成信息，推測樣本中的功能基因組成，并分析不同樣本或分組之間在功能上的差異。

所得到數(shù)據(jù)均利用R 軟件包“vegan”與SPSS22. 0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同降解膜覆蓋土壤養(yǎng)分含量

由表1 可見，與不覆膜處理相比，覆膜后土壤中的全氮（PT 處理除外）、速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量均得到了不同程度的提升。其中全氮含量提升幅度為3. 07%～6. 15%；速效磷含量增加幅度為0. 42%～1. 87%；速效鉀含量提高2. 31%～3. 13%；有機(jī)質(zhì)含量提高2. 83%～7. 51%。

2. 2 不同降解膜覆蓋雙季高粱土壤微生物群落組成

在屬分類水平上，α-蛋白細(xì)菌（Alphaproteo?bacteria）、放線菌（Actinobacteria）、酸桿菌Gp1（Acidobacteria_Gp1）和酸桿菌Gp2（Acidobacte?ria_Gp2）和伽馬桿菌（Gammmaproteobacteria）是主季高粱根際土壤優(yōu)勢細(xì)菌類群（圖1～圖2），在CK、4J、6J 和PT 處理下高粱根際土壤中α-蛋白細(xì)菌的相對豐度分別為14. 00%、16. 11%、16. 78%和13. 46%；放線菌的相對豐度分別為6. 39%、10. 53%、6. 67% 和8. 32%；酸桿菌Gp1 的相對豐度分別為9. 6%、11. 53%、14. 19% 和14. 03%；酸桿菌Gp2 的相對豐度分別為1. 74%、6. 77%、2. 03% 和5. 85%；伽馬桿菌的相對豐度分別為16. 43%、15. 37%、21. 78% 和14. 48%。所有處理間差異不顯著（圖3A）。再生季高粱根際土壤優(yōu)勢細(xì)菌類群有：α-蛋白細(xì)菌、酸桿菌Gp1、伽馬桿菌、放線菌和三角蛋白桿菌（Deltaproteobacteria）。在CK、4J、6J 和PT 處理下高粱根際土壤中α-蛋白細(xì)菌的相對豐度分別為20. 38%、17. 16%、14. 68%和18. 52%；酸桿菌Gp1 的相對豐度分別為11. 52%、7. 88%、7. 80% 和11. 26%；伽馬桿菌的相對豐度分別為9. 21%、10. 03%、3. 65% 和7. 36%；放線菌的相對豐度分別為9. 28%、7. 51%、4. 57% 和6. 63%；三角蛋白桿菌的相對豐度分別為3. 65%、6. 91%、9. 16% 和5. 06%，各處理間均達(dá)到顯著性差異（圖3B）。

2. 3 不同降解膜覆蓋雙季高粱土壤細(xì)菌群落α 多樣性

不同降解膜覆蓋下雙季高粱土壤細(xì)菌群落OTU 豐富度稀疏曲線如圖4 所示，主季成熟時(shí)土壤中的物種數(shù)小于2000，再生季成熟時(shí)土壤中的物種數(shù)明顯超過2000，說明再生季高粱土壤中具有更高的微生物多樣性。可見，隨著樣本量的增加，稀釋曲線趨于平緩，說明測序深度已經(jīng)達(dá)到一定水平，能夠比較真實(shí)地反映各樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成。另外。雙季高粱在不同降解膜覆蓋下土壤中細(xì)菌群落特有OTU 數(shù)差異較大。其中RCKA 特有的細(xì)菌OTU 數(shù)為138 個(gè)，RCKB 為55；R4JA 特有的細(xì)菌OTU 數(shù)為132 個(gè)，R4JB 為104；R6JA 特有的細(xì)菌OTU 數(shù)為59，R6JB 為80；RPTA 特有的細(xì)菌OTU 數(shù)為55 個(gè)，RPTB 為44。但是總的來看，再生季高粱根際土壤具有更豐富的微生物多樣性，總數(shù)量為1707（圖5）。

2. 4 不同降解膜覆蓋雙季高粱土壤細(xì)菌KEGG差異分析

圖6 是基于細(xì)菌群落功能豐度結(jié)果進(jìn)行差異功能分析。從圖中可以看出，輔因子和維生素代謝（Metabolism of cofactors and vitamins）、碳水化合物代謝（Carbohydrate metabolism）、氨基酸代謝（Amino acid metabolism）和萜類化合物和聚酮類化合物代謝（Metabolism of terpenoids andpolyketides）是雙季高粱根際土壤中預(yù)測菌群功能共有的優(yōu)勢菌群代謝功能（圖6）。在主季CK、4J、6J 和PT 處理下高粱根際土壤中輔因子和維生素代謝相對豐度分別為11. 84%、11. 74%、11. 72%和11. 72%；碳水化合物代謝相對豐度分別為12. 92%、13. 03%、12. 95% 和13. 01%；氨基酸代謝相對豐度分別為12. 75%、12. 85%、12. 77% 和12. 78%；萜類化合物和聚酮類化合物代謝相對豐度分別為9. 52%、9. 42%、9. 27% 和9. 57%。再生季CK、4J、6J 和PT 處理下高粱根際土壤中輔因子和維生素代謝相對豐度分別為11. 68%、11. 78%、11. 96% 和11. 61%；碳水化合物代謝相對豐度分別為12. 87%、12. 84%、12. 81% 和12. 88%；氨基酸代謝相對豐度分別為12. 84%、12. 79%、12. 85% 和12. 80%；萜類化合物和聚酮類化合物代謝相對豐度分別為9. 35%、9. 51%、9. 89% 和9. 48%（圖7）。總之，與主季相比，再生季土壤中細(xì)菌群落功能豐度更高。

3 討論

可降解地膜作為一種綠色、環(huán)保的新型地膜，可以有效改善作物生長的水肥環(huán)境，加速作物吸收氮素，提高作物產(chǎn)量，對改善土壤養(yǎng)分可起到良好的促進(jìn)作用［14-15］。本研究結(jié)果表明，與塑料地膜相比可降解地膜提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于降低土壤硝態(tài)氮累積量［16］。由于降解膜在使用一段時(shí)間后，受光和熱等影響會(huì)自降解成CO2 和H2O，最終以還原形式重新進(jìn)入土壤環(huán)境中，增加土壤微生物的多樣性和豐度，不易影響下一步的種植和污染土地［17-18］。目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大力發(fā)展降解膜已成為趨勢［19-20］。本研究中，與不覆膜處理相比，覆膜后土壤中的全氮（PT 處理除外）、速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量均得到了不同程度的提升，可能是降解膜在自然條件下經(jīng)長時(shí)間的風(fēng)吹和暴曬降解成CO2 和H2O，然后活化了土壤中被固定的氮磷鉀養(yǎng)分，最終提高了土壤的養(yǎng)分含量［21-22］。

微生物群落特征是影響土壤質(zhì)量和植物病害的關(guān)鍵因素［23-24］。前人的研究結(jié)果顯示，在長期覆膜的土壤中變形菌的相對豐度低于不覆膜的土壤，放線菌的相對豐度高于不覆膜的土壤［25-27］。與不覆膜相比，麻地膜顯著降低了番茄根際土壤微生物酸桿菌的相對豐度［28］。本研究中，α-蛋白細(xì)菌、放線菌、酸桿菌Gp1 和伽馬桿菌為雙季高粱根際土壤中共同優(yōu)勢細(xì)菌類群。主季覆膜處理下土壤中放線菌和酸桿菌的相對豐度均高于不覆膜的土壤。相比主季土壤，α-蛋白細(xì)菌的相對豐度在再生季土壤得到了不同程度的提升，但R6JB 處理除外，可能是6 個(gè)月的降解膜在再生季時(shí)的土壤溫度較低，再加上雨水的侵入，稀釋了α-蛋白細(xì)菌中的蛋白質(zhì)含量，從而導(dǎo)致α-蛋白細(xì)菌的相對豐度略低于主季。再生季覆膜處理下土壤中三角蛋白桿菌的相對豐度均顯著高于不覆膜的土壤（RPTB處理除外），可能是普通黑膜在降解后有部分未能被土壤中的微生物分解。

在物種數(shù)量方面，再生季土壤中的物種要多于主季土壤，具有更高的微生物多樣性，但是各處理下特有的細(xì)菌OTU 數(shù)目卻低于主季（R6JB 除外）。說明再生季處理生物降解膜的性能最好。主季成熟時(shí)土壤中的物種低于2000，再生季成熟時(shí)土壤中的物種明顯超過2000，且與其它處理比較，6J 處理下明顯增多。表明隨著時(shí)間的延長，降解膜的降解性能更強(qiáng)，高粱土壤中具有更豐富的微生物多樣性。

通過KEGG 代謝途徑分析，觀測不同處理土壤細(xì)菌群落的功能基因在代謝途徑上的差異和變化，發(fā)現(xiàn)再生季覆膜處理下土壤中碳水化合物代謝、氨基酸代謝、輔因子和維生素代謝和萜類化合物和聚酮類化合物代謝高于主季覆膜處理，其中以6J 處理較佳。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，使用降解膜覆膜對土壤的代謝途徑有影響，可增強(qiáng)一部分有益代謝功能。比較各處理，發(fā)現(xiàn)在雙季種植中，6J 處理下可以更有效的提高土壤氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量，從而改善根際細(xì)菌群落生物降解、新陳代謝功能，增加了土壤中微生物的多樣性和豐富度等功能，更好的為高粱生長提供物質(zhì)和能量基礎(chǔ)。

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（編輯：郭玥微）

基金項(xiàng)目：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院金華市院地合作項(xiàng)目（YDHZ2020KY04）；浙江省農(nóng)業(yè)重大技術(shù)協(xié)同推廣計(jì)劃項(xiàng)目（2023ZDXT03-5）