2022, Vol. 43
2. 宁波大学植物病毒学研究所, 省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室, 宁波 315211
, XIAO Mou-liang2 , DING Ji-na2 , JI Jian-hong2 , CHEN Jian-ping2 , GE Ti-da1,2 , LU Shun-bao1
2. State Key Laboratory for Managing Biotic and Chemical Threats to the Quality and Safety of Agro-products, Institute of Plant Virology, Ningbo University, Ningbo 315211, China
地膜覆盖由于其良好的保温保墒功能, 是农业生产中的一项有效增产措施, 在我国的农业生产中已被广泛推广和应用.我国从1978年开始引入地膜覆盖技术, 目前地膜的使用量已达到137.9万t·a-1, 总覆盖面积为1 762.8万hm2, 约占农作物总播种面积的10.7%[1], 且仍将长期处于较高水平, 预计到2025年, 我国地膜使用量将达到228万t, 覆盖面积将达到2 340万hm2[2].地膜覆盖后可以改变土壤水热条件、空气和光照等环境因素, 进而导致土壤物理化学和生物学性状发生变化[3].另外, 由于地膜回收率过低, 当季回收率约不到60%, 大量地膜残留在农田中形成残膜[4].残膜在经过紫外光照射和自然风化后, 会形成大量塑料碎片或微塑料, 并进入到土壤当中, 影响土壤团粒结构、土壤容重、土壤水分运输和养分循环等, 进而影响农作物的生长及土壤中动物和微生物的活性[5~7].以往的研究虽有关注覆膜对作物的生长、土壤有机碳动态[8]、土壤养分利用和微生物群落变化等方面的影响[9~13], 但是仍缺乏对长期覆膜生产中农田土壤真菌和细菌群落结构变化及其对农田生态环境效应的影响方面的研究.
微生物是土壤养分循环的主要驱动者, 微生物群落结构和多样性的变化, 将影响土壤养分周转过程.土壤微生物群落的多样性是土壤质量的敏感指标, 反映土壤微生物群落的细微变化, 可以为土壤质量功能评价提供信息.有研究表明, 地膜覆盖可以导致微生物多样性和丰富度显著增加[14].也有研究表明, 塑料残膜碎片在农田土壤中的积累, 会加剧土壤中细菌群落的演替, 降低土壤细菌群落结构的稳定性[15].此外, 地膜碎裂后产生的残膜和微塑料给土壤中的微生物群落提供一个独特栖息地, 在微塑料上定植的细菌群落在结构上与土壤的细菌群落有显著的差异, 塑料残膜上只富集特定的微生物菌群, 因此使微生物群落多样性降低[16, 17].同时, 也有研究发现地膜覆盖降低了北方地区黑土土壤团聚体的稳定性和微生物相互作用[18].然而, 土壤微生物受到各种非生物和生物因素的显著影响, 而覆膜期间引起的土壤水热气等条件的变化, 在休耕期或者揭膜后会消失.因此, 探讨长期覆膜农田土壤真菌和细菌群落结构的变化, 对系统评估地膜覆盖对农田土壤生态效应的影响具有重要意义.
因此, 本研究选取4个不同覆膜年限且处于休耕期的农田土壤, 分析其微生物群落结构的变化, 探究其真菌与细菌群落结构特征及其内在联系, 通过揭示长期地膜覆盖土壤真菌和细菌群落的响应特征和关键物种的变化, 以期为探讨长期覆膜农业生产模式对农田土壤质量和可持续农业生产的影响提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 土壤样品采集供试土壤分别来自4个不同覆膜年限的蔬菜农田, 分别位于湖北省荆州市江陵县秦市乡陆阳台村(29.97°N, 112.61°E), 覆膜年限＜5 a; 湖北省荆州市江陵县白马寺镇王市村(30.15°N, 112.51°E), 覆膜年限5~10 a; 湖北省咸宁市嘉鱼县新街镇马鞍山, 覆膜年限10~20 a; 湖北省咸宁市嘉鱼县新街镇马鞍山, 覆膜年限>20 a. 4个样地中地膜残留量分别为0.69、1.30、2.02和0.28 g·m-2.
于2020年3月, 在这4个研究区分别选取相邻的覆膜和不覆膜样地共8个, 每处样地选取3个田块作为重复, 共采集24个样品, 采用“S”形取样法采集耕作层(0~20 cm)的土壤.将采集的土壤充分混合均匀后, 冷藏带回实验室, 保存于-80℃用于土壤总DNA的提取.具体土壤的施肥量、理化性质和土壤酶活等信息见文献[19].
1.2 DNA提取与扩增子测序按照Power Soil DNA分离试剂盒(MoBio, San Diego, USA)的说明书介绍, 称取0.5 g土壤进行DNA提取, 而后使用NanoDrop Spectrophotometer (Thermo Scientific, Wilmington, USA)对提取的DNA进行浓度和纯度测定, 质量合格的DNA样品送至天津诺禾致源生物信息科技有限公司进行高通量测序, 使用细菌通用引物515F(5′-GTGCC AGCMGCCGCGGTAA-3′)和806R(5′-GGACTACH VGGGTWTCTAAT-3′)[20]对细菌16S rRNA基因V4区域进行扩增, 使用真菌通用引物its1(5′-CTTGG TCATTTAGAGGAAGTAA-3′)和its2(5′-GCTGC GTTCTTCATCGATGC-3′)对真菌ITS1区域进行扩增[21].而后使用QIIME 2平台对原始数据进行数据拼接和质控[22], 使用q2 demux插件进行质量过滤, 使用DADA2[23]进行去噪处理并去除低质量序列和嵌合体, 然后采用100%相似进行聚类, 并且基于数据库silva132 (https://www.arb-silva.de/)[24]进行细菌物种注释, 基于数据库UNITE(https://unite.ut.ee/)进行真菌物种注释.为了获得细菌的ASV表, 又将注释为线粒体、叶绿体及古菌的ASV进行删除.最后为了获得相同的测序深度, 使用R4.1.0的“vagen”包[25]进行抽平.
1.3 数据处理用IBM SPSS Statistics 22软件对数据进行分析, 采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同覆膜年限土壤微生物的α多样性指数差异显著性, 采用独立样本T检验检测同一样地覆膜与不覆膜之间土壤微生物的α多样性指数的差异性.主坐标分析(PCoA)使用R4.1.0基于Bray-Curtis变异系数完成, 用于确定不同覆膜年限及覆膜与不覆膜土壤微生物群落的差异, 并使用R语言的“vegan”包以及相似性分析(ANOSIM)确定分组检验是否有意义.物种堆叠图由R4.1.0进行绘制.线性判别分析(LDA)通过LefSe(http://huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy)对属水平的细菌和真菌进行分析, 保留LDA得分>3.6, P＜0.05的物种.使用R4.1.0的“psych”包对属水平的细菌和真菌基于斯皮尔曼相关性系数进行共生网络分析, 仅保留强正相关和负相关(斯皮尔曼相关性系数, r＞0.8或r＜-0.8)和统计学上显著相关(P＜0.01)的物种, 为避免偏差, 只保留大于样本数60%的物种进行分析.共生网络分析的可视化使用Gephi 0.9.2进行绘图, 并进行拓扑参数的计算.共生网络中节点的作用由模块间连通度(Pi)和模块内连通度(Zi)表征, 根据模块间连通度(Pi)和模块内连通度(Zi)对节点进行分类, 分为外围节点(Zi＜2.5且Pi＜0.62)、连接器(Zi＜2.5且Pi＞0.62)、模块枢纽(Zi＞2.5且Pi＜0.62)以及网络枢纽(Zi＞2.5且Pi＞0.62), 采用R4.1.0软件的“vegan”程序包和“tidyverse”程序包进行微生物群落结构与土壤理化性质、微生物生物量和土壤酶活性的相关性分析及绘图.
2 结果与分析 2.1 地膜覆盖后农田土壤微生物群落多样性表 1为地膜覆盖后农田土壤细菌的α多样性指数, 所有样本总共获得有效序列75 146条.结果表明, 本土壤样本中细菌ASV覆盖度均大于99.9%, 说明此次测序合理, 能够反映地膜覆盖后农田土壤中细菌的种类和群落的真实情况.随着覆膜年限的增加, 覆膜后土壤中细菌的丰富度随之增加, 但是与其不覆膜的土壤相比, 丰富度没有显著差异.本试验中, 覆膜年限＜5 a的土壤细菌Shannon指数与5~10、10~20和>20 a的3个处理相比较, 分别降低了4.95%、8.57%和6.80%.覆膜年限大于5 a的3个处理间土壤中细菌群Shannon指数没有显著差异, 且4个覆膜年限的土壤中, 除了覆膜5~10 a的土壤细菌Shannon指数显著低于不覆膜的, 其他3组覆膜与不覆膜土壤相比, 其细菌Shannon指数均无显著差异.本试验中, Chao1指数随着覆膜年限的增加, 分别比覆膜＜5 a的处理增加了1.04、1.17和1.15倍.与不覆膜的土壤相比, 覆膜5~10 a的土壤其细菌Chao1指数降低至不覆膜的90.48%, 其他3组覆膜与不覆膜土壤中细菌物种数量均无显著差异.另外, ACE指数与Chao1指数的结果相类似.
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表 1 长期覆膜农田土壤细菌α多样性指数1) Table 1 Soil bacteria α diversity index in long-term mulched farmland |
表 2为地膜覆盖后农田土壤真菌的α多样性指数, 所有样本总共获得有效序列75 757条.结果表明, 本土壤样本中真菌ASV覆盖度均大于99.9%, 说明此次测序合理, 能够反映地膜覆盖后农田土壤中真菌的种类和群落的真实情况.结果表明, 覆膜5~10、10~20和>20 a的处理的真菌丰富度分别降为覆膜＜5 a的82.52%、59.42%和58.90%; 与其不覆膜的土壤相比, 覆膜＜5 a的土壤中覆膜的真菌丰富度显著增加了1.26倍, 其他3组覆膜土壤中真菌丰富度分别降低了32.63%、30.99%和32.70%.此外, 与覆膜＜5 a的处理相比较, 覆膜5~10、10~20和>20 a的土壤真菌Shannon指数分别降低33% ~34.48%; 与不覆膜的土壤相比, 覆膜＜5 a的土壤中真菌Shannon指数显著增加了16.63%, 其他3组覆膜土壤中真菌Shannon指数显著降低了20.60% ~33.76%.Chao1指数随着覆膜年限的增加, 土壤中真菌的Chao1指数比覆膜＜5 a的处理降低了17.45% ~41.10%.与不覆膜的土壤相比, 覆膜＜5 a的土壤其真菌Chao1指数显著增加了1.14倍, 其他3组覆膜土壤中的真菌Chao1指数降低了32.56%、31.07%和32.72%.另外, ACE指数与Chao1指数的结果相类似.
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表 2 长期覆膜农田土壤真菌α多样性指数 Table 2 Soil fungal α diversity index in long-term mulched farmland |
对不同覆膜年限中土壤微生物群落进行主坐标分析(PCoA).结果表明, 在细菌β多样性中[图 1(a)], PCoA1轴和PCoA2轴的贡献率分别为29.60%和16.06%, 累计贡献率为45.66%.覆膜与不覆膜、以及不同覆膜年限间细菌群落组成存在显著分异, 说明覆膜处理和覆膜年限均显著改变土壤细菌的群落结构(ANOSIM, R =0.323 6, P＜0.001).真菌β多样性中[图 1(b)], PCoA1轴和PCoA2轴的贡献率分别为27.93%和16.24%, 累计贡献率为44.17%.与细菌结果相类似, 地膜覆盖和覆盖年限均对真菌群落结构特征产生显著影响(ANOSIM, R =0.385 5, P＜0.001).
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图 1 长期覆膜农田土壤微生物PCoA分析 Fig. 1 PCoA analysis of soil microorganisms in long-term plastic film mulching farmland soil |
细菌和真菌的群落组成与地膜覆盖有关(图 2).在所有样本中, 细菌群落以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和拟杆菌门(Bacteroidota)为主[占所有细菌序列的81.18% ~91.80%, 图 2(a)].在覆膜＜5 a和5~10 a时, 覆膜土壤中变形菌门相对丰度(22.18%和32.26%)低于不覆膜的土壤(45.20%和35.12%).覆膜＜5、5~10和>20 a的土壤中放线菌门的相对丰度(51.14%、27.43%和17.39%)均高于不覆膜土壤(28.11%、16.41%和13.60%).覆膜5~10 a和>20 a的土壤中酸杆菌门的相对丰度(8.53%和10.77%)均低于不覆膜的(14.29%和14.79%).在所有样本中, 真菌群落以子囊菌门中的子囊菌纲(Sordariomycetes)、座囊菌纲(Dothideomycetes)、散囊菌纲(Eurotiomycetes)、盘菌纲(Pezizomycetes)和锤舌菌纲(Leotiomycetes), 被孢霉门的被孢霉菌纲(Mortierellomycetes)以及担子菌门的伞菌纲(Agaricomycetes)为主[占所有真菌丰度的86.57% ~95.66%, 图 2(b)].在覆膜＜5 a和10~20 a的土壤中, 子囊菌纲的相对丰度(51.39%和61.99%)高于不覆膜土壤(32.95%和35.36%).在覆膜＜5、5~10和10~20 a的土壤中, 被孢霉菌纲的相对丰度(2.57%、11.63%和4.85%)低于不覆膜土壤(42.35%、22.03%和37.46%); 而在覆膜>20 a以后, 被孢霉菌纲的相对丰度(24.10%)高于不覆膜土壤(14.56%).
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图 2 长期覆膜农田土壤微生物群落的分类组成 Fig. 2 Classification and composition of soil microbial community in long-term plastic film mulching farmland soil |
通过LefSe分析, 评估农田覆膜土壤与不覆膜土壤细菌和真菌的差异物种, 重点关注相对丰度排在前50的物种(LDA得分>3.6, P＜0.05).结果表明, 覆膜土壤中显著富集的细菌物种也随着覆膜时间增加而减少, 覆膜＜5 a时显著富集21个细菌物种, 覆膜5~10 a和10~20 a均为富集13个物种, 覆膜>20 a富集8个物种(图 3).
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(a)＜5 a, (b)5~10 a, (c)10~20 a, (d)>20 a; LDA得分取值范围>3.6(P＜0.05), 下同 图 3 长期覆膜农田土壤细菌群落差异物种线性判别分析(LDA) Fig. 3 Bacterial biomarkers in long-term plastic film mulching farmland soil based on linear discriminant analysis (LDA) |
覆膜＜5 a时在属水平显著富集20个真菌物种, 覆膜5~10 a时富集17个真菌物种, 在覆膜10 a以后, 真菌属水平富集的物种在覆膜10~20 a时为27个, 覆膜>20 a时为9个, 说明覆膜年限的增加可以减少覆膜和不覆膜土壤中的差异物种.而在覆膜10~20 a时, 覆膜土壤中的显著富集的差异物种比覆膜5~10 a显著富集的差异物种要多, 这可能是样品区域不同引起的结果(图 4).
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图 4 长期覆膜农田土壤真菌群落差异物种线性判别分析(LDA) Fig. 4 Fungal biomarkers in long-term plastic film mulching farmland soil based on linear discriminant analysis (LDA) |
与不覆膜的土壤相比, 覆膜土壤中的细菌和真菌都形成各自独特的微生物网络(图 5).不覆膜土壤细菌共生网络中包含735个节点和10 885条边, 其中正相关63.7%, 负相关36.3%; 覆膜土壤细菌共生网络中包含791个节点和9 933条边, 其中正相关67.1%, 负相关32.9%[图 5(a)].说明覆膜土壤中细菌网络比不覆膜的土壤更为复杂, 但是细菌之间的联系较为疏远.此外, 通过共生网络的平均度和模块化程度也能证明这一结果, 不覆膜土壤细菌共生网络的平均度为28.91, 模块化为1.927, 均高于覆膜土壤[平均度为23.1, 模块化为1.305, 图 5(a)].不覆膜土壤真菌共生网络中包含207个节点和1 257条边, 其中正相关72.9%, 负相关27.1%; 覆膜土壤真菌共生网络包含181个节点和1 439条边, 其中正相关75.0%, 负相关25.0%[图 5(b)].说明覆膜土壤中真菌群落变得简单, 但是联系更加紧密, 与细菌正好相反.这一结果也在共生网络的平均度和模块化程度得到证明, 覆膜土壤真菌共生网络的平均度(12.678)高于不覆膜的(12.178), 模块化程度低于不覆膜的(覆膜：1.107, 不覆膜：1.26)[图 5(b)].
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图 5 长期覆膜农田土壤微生物共生网络模式 Fig. 5 Model diagram of microbial co-occurrence network in long-term plastic film mulching farmland soil |
在微生物共生网络中, 节点代表微生物群落中的物种, 而不同节点的拓扑特征可以用来确定关键物种, 一般将节点属性分为4种类型, 包括外围节点(Zi＜2.5且Pi＜0.62)、连接器(Zi＜2.5且Pi＞0.62)、模块枢纽(Zi＞2.5且Pi＜0.62)以及网络枢纽(Zi＞2.5且Pi＞0.62), 其中, 网络枢纽的所有节点为该网络中的关键物种, 而落在连接器和模块枢纽中的节点在模块间和模块内起重要作用.本试验结果表明, 覆膜与不覆膜土壤的细菌及真菌的共生网络中的节点大部分为外围节点, 且细菌和真菌网络中均无节点落在网络枢纽内(图 6).在细菌网络中, 不覆膜的土壤有5个节点落在模块枢纽, 5个节点落在连接器内, 而覆膜土壤中有6个节点落在模块枢纽, 14个节点落在连接器内[图 6(a)].将落在模块枢纽和连接器内的连通度最高的关键物种进行注释, 不覆膜土壤中的主要关键物种为放线菌门中的赖氏菌属(Leifsonia)、高温脱硫弧菌属(Thermodesulfovibrio)和亚硝化螺菌属(Nitrosospira)等, 覆膜土壤中的关键物种为厚壁菌门中的厌氧杆菌属(Anaerobacter)和迈勒吉尔霉菌属(Melghirimyces)等.在真菌网络中, 不覆膜的土壤有1个节点落在模块枢纽, 4个节点落在连接器内, 而覆膜土壤中仅有1个节点落在连接器内[图 6(b)].将落在模块枢纽和连接器内的连通度最高的关键物种找出, 不覆膜土壤中的关键物种为子囊菌门(Ascomycotac)、担子菌门(Basidiomycotac)和壶菌门(Chytridiomycota)中的多个物种, 其中以柔膜菌目(Helotiales)连通度最高(39), 覆膜土壤中的关键物种为子囊菌门中的粪壳菌目(Sordariales)中的未知菌属.以上结果表明, 地膜覆盖后, 提高了农田土壤中的细菌关键物种的数量, 但是降低了真菌关键物种的数量.
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(a)细菌, (b)真菌; 横线表示模块内连通度(Zi)为2.5, 竖线表示模块间连通度(Pi)为0.62 图 6 长期覆膜农田土壤的微生物拓扑角色 Fig. 6 Topological role of microorganisms in long-term plastic film mulching farmland soil |
以细菌和真菌的丰富度、Shannon指数和群落结构(主成分分析一轴)与土壤理化性质、微生物生物量及土壤碳氮磷循环相关酶活性进行相关性分析.如图 7所示, 细菌丰富度和Shannon指数及真菌丰富度和Shannon指数与土微生物量氮、微生物量磷、铵态氮、全氮、全磷和速效磷显著相关, 与碳氮磷循环相关的酶活性无显著相关关系.细菌群落结构和真菌群落结构与土壤理化性质、微生物生物量和酶活性均无显著的相关关系.
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A.细菌丰富度, B.细菌Shannon指数, C.细菌群落结构, D.真菌丰富度, E.真菌Shannon指数, F.真菌群落结构; 1.微生物量碳, 2.可溶性有机碳, 3.微生物量氮, 4.微生物量磷, 5.铵态氮, 6.硝态氮, 7.有机碳, 8.全氮, 9.全磷, 10.速效磷, 11.pH, 12. β-葡萄糖苷酶, 13.几丁质酶, 14.磷酸酶 图 7 微生物群落结构特征与土壤理化性质的相关性分析 Fig. 7 Correlation analysis between soil properties and microbial community |
由于地膜保温保墒等作用, 长期地膜覆盖改变土壤理化性质, 造成微生物生长和活性发生变化, 使地膜覆盖的农田土壤微生物群落结构发生分异[26].同时, 长期地膜覆盖改变土壤中养分含量和生态酶计量比, 改变微生物养分供需关系, 使微生物群落结构发生变化, 改变微生物生存策略, 从而获取养分维持繁殖和生长[19].长期地膜覆盖下, 大量薄膜碎屑残留在土壤中, 可以为微生物提供特殊栖息生境, 形成“微塑料际”热区[7].然而, 薄膜碎屑积累在土壤中, 对土壤细菌群落的多样性影响并不显著[26~28].本试验中, 覆膜年限较短的土壤中真菌群落结构多样性显著增加, 然而随着覆膜年限的增加, 真菌群落结构多样性显著低于不覆膜土壤(表 2).地膜覆盖的保温保墒等作用会加剧土壤呼吸, 造成有机碳的损失, 同时地膜覆盖可以显著促进作物生长, 使根茬和作物残体碳输入增加, 加速土壤有机碳循环[28].一般农作物残体以纤维素和半纤维素等为主[29].多数植物残体的分解酶是由真菌产生, 如磷酸酶、纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶、淀粉酶和氧化还原酶等, 作物残体输入后首先需要真菌分泌大量的酶进行分解, 才能被其它微生物分解利用[30].因此, 作物残体输入的增加有利于真菌生长.另外, 塑料残膜在土壤中积累, 可以改变土壤理化性质, 如促进土壤团聚体形成, 增加土壤通气性, 因此更有利于真菌的繁殖与生长[31, 32]. 由此造成在地膜覆盖前5 a内土壤真菌多样性的增加(表 2).覆膜超过5 a之后, 由于长期驯化的结果, 真菌群落多样性反而降低.然而, 由于微生物的功能冗余性, 多样性的降低并不意味着土壤功能性的降低.因此, 尽管长期覆膜降低农田土壤真菌群落多样性, 土壤氮磷等养分含量仍受真菌群落多样性的显著影响(图 7).在农作物生产过程中, 覆膜可以促进作物生长和提高产量.然而, 覆膜促进旱地土壤温室气体排放, 增加全球增温潜势, 同时促进土壤N2O排放, 使农田氮素损失增加[29].残膜在农田中的积累, 会阻碍土壤水分的运移; 同时, 由于水分的运移受限, 土壤可溶性养分在土壤中传输也会受到阻碍[33].这主要是由于塑料残膜在土壤中会形成物理隔离, 最终会导致对作物根系生长及其对养分的接触性和利用效率的降低[34].这种养分条件的改变势必对参与养分循环的微生物群落结构造成影响.另外, 研究表明覆膜通过改变生态酶计量比, 从而调节养分的有效性[19].本研究结果显示, 微生物物种多样性与土壤养分显著相关, 而生态酶活性受微生物群落结构的影响较小(图 7).表明长期覆膜条件下微生物群落结构和多样性的变化并不是调节土壤养分的主要因素, 而是由于微生物的功能冗余性, 通过调节土壤中的特异性功能微生物物种, 可以实现对土壤养分元素周转的调控[35].
3.2 长期覆膜条件下微生物对农田土壤生态环境的影响与潜在风险一般来讲, 微生物群落多样性指数越高, 群落结构越复杂, 稳定性越好[5].覆膜土壤中细菌网络比不覆膜的土壤更为复杂, 而真菌网络呈现相反结果.说明长期覆膜使土壤细菌群落具有更好的稳定性, 抗胁迫能力较好.同时, 微生物群落的高稳定性是实现生态功能的重要保障[36].因此, 在长期覆膜的农田土壤中, 细菌在保障农田土壤功能过程中发挥重要作用.此外, 微生物群落的个体根据其营养偏好和功能特性在自然生态系统中共存, 而生物地球化学循环的多个过程需要在细菌和真菌等微生物的协同作用下完成.例如, 复杂有机质分解中的水解酶和氧化酶, 多数是由真菌分泌, 将其分解为较简单的物质后, 才能被细菌等其它微生物分解利用[30].因此真菌群落关键微生物种群的减少可能会限制养分循环, 从而引起覆膜土壤有效养分降低[19].本研究还通过共存关系网络的拓扑结构的分析甄别微生物群落的关键物种.这些关键类群通过影响其他类群来改变微生物群落组成, 并与其丰度无关[37].因此, 删除一个关键类群将导致微生物群落结构和功能的急剧变化.本研究中真菌共生网络中只筛选出1个关键物种, 表明长期覆膜使土壤真菌共生网络变得简单脆弱.造成真菌共生网络变得简单化的原因, 还可能是由于长期覆膜条件下, 地膜中众多协同污染物的释放及其在土壤中的积累, 如重金属和邻苯二甲酸酯等有机污染物, 对真菌种群的毒害作用引起[38, 39].而大多数细菌属于r策略者, 对环境适应能力较强, 所以其网络较真菌稳定[40].由此可见, 长期覆膜和大量残膜对农田土壤生物区系的改变, 可能对农田土壤功能和环境造成不利影响.
长期覆膜可以改变土壤微生物的物种组成, 尤其是对土壤中主要优势菌群影响较大, 如降低酸杆菌(Acidobacteriota)的丰度, 提高放线菌(Actinobacteriota)的丰度(图 2).经过长期覆膜以及残膜积累致使某些特异性微生物类群的富集(图 3和图 4), 如细菌中厚壁菌门的芽孢杆菌(Bacillus)、放线菌中的类诺卡氏菌(Nocardioidaceae)和真菌中子囊菌门的曲霉菌(Aspergillus)可以产生水解酶对塑料进行生物降解[41].其中, 芽孢杆菌还可以通过减轻盐碱条件对结瘤表型的影响等作用, 促进作物的生长和产量的提升[42]; 同时, 根际环境中的芽孢杆菌可以对真菌病原体产生拮抗作用, 抑制病原菌的生长和入侵, 降低作物病害的发生[43].然而也有研究表明, 芽孢杆菌与生物胺的产生和耐酸腐败微生物的生长有关, 因此对农业生产和作物健康生长带来潜在风险[44].此外, 有研究表明, 隶属于肉座菌目(Hypocreales)的很多种属为昆虫致病菌, 并被广泛用于林木及农作物有害昆虫病的防治[45].因此覆膜对作物生长和农业增产增收有利, 但同时也会对农业生态系统造成一定的环境风险.
4 结论农业生产中, 长期覆膜改变土壤微生物群落结构, 降低真菌物种多样性.长期覆膜促进了细菌和真菌共生网络中物种间的协同作用, 降低了物种间的相互竞争.长期覆膜农田土壤真菌共生网络中仅有一个关键物种, 使真菌群落和功能更容易受到干扰而发生改变.因此, 尽管农业生产中覆膜可以提高经济效益, 但是不能忽视了其对农田土壤微生物生态环境的潜在风险.
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