兩種新型生物降解地膜對番茄生長及土壤微生物、酶活性的影響

路露，韓熒，劉梓桐，錢晶晶，閆妍，孫玉軍

(1. 安徽科技學院，安徽鳳陽 233100；2. 中國農業科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081)

地膜具有增溫、保墑、防草、抗病等作用，廣泛應用于農業生產實際，自1978 年引入我國以來，對我國的農業生產方式、區域種植結構產生了巨大影響。 預計到2025 年，我國地膜覆蓋面積將達到2340 萬hm2[1]，但普通聚乙烯地膜由于長期不科學的田間操作導致農田土壤環境加劇惡化，殘膜污染問題呈現加重趨勢[2]。 農田殘膜會破壞土壤結構、影響土壤水分運輸和養分循環[3]，導致耕地質量、作物產量和品質下降，危害食品安全[4]。

生物降解地膜是解決地膜殘留污染的重要途徑之一[5]，其在自然環境中可以通過微生物降解成二氧化碳和水等[6]。 腐殖酸是一種抗菌、無毒無害、天然有機土壤改良劑[7]，可以與土壤中的礦物質結合，增加土壤團粒結構。 研究表明，番茄栽培時施用腐殖酸能夠促進番茄生長發育及光合效率，改良土壤理化性質，還能對番茄起到壯苗作用[8，9]。

土壤微生物作為土壤的重要組成部分對于維持土壤生態具有重要作用，其對環境的變化較為敏感，是評價土壤質量、肥力的重要指標[10]。 已有研究顯示，覆蓋降解地膜可增加土壤酶活性和微生物數量，改變土壤微生物群落結構[11，12]；秋季覆蓋地膜在東北雨養區玉米種植中可以顯著增加土壤微生物的豐富度及多樣性[13]，在辣椒種植中覆蓋地膜可以提高土壤細菌豐度和均勻度指數[14]。 以往研究多數集中在地膜覆蓋對作物生長、產量、土壤理化性質的影響上，對土壤微生物、土壤酶活性的研究較少。

本試驗通過研究在日光溫室番茄栽培中覆蓋普通聚乙烯地膜和PBAT/PLA 腐殖酸、PBAT/PLA 木質素生物降解地膜對土壤微生物群落結構、物種豐度、土壤酶活性及番茄植株生長的影響差異，為評價覆蓋生物降解地膜對土壤微生物群落結構的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

試驗于2021 年9 月—2022 年1 月在中國農業科學院南口中試基地日光溫室進行。 番茄品種為甜脆脆(北京富萬家農業科技發展有限公司)。FZS(PBAT/PLA 腐殖酸生物降解地膜)、MZS(PBAT/PLA 木質素生物降解地膜)，山東農業大學化學與材料科學學院協助提供生物降解地膜配方，由山東清田塑工有限公司生產；PE(聚乙烯地膜)，厚度10 μm，購自山東清田塑工有限公司。MZS 配方:PBAT 90 wt%，PLA 5 wt%，木質素5 wt%，厚度10 μm。 FZS 配方:PBAT 90 wt%，PLA 5 wt%，腐殖酸5 wt%，厚度10 μm。

整畦種植，畦寬120 cm，畦長750 cm，每畦種植35 株，株距40 cm，小行距40 cm，大行距80 cm。 每666.7m2種植2600 株。 番茄苗于2021 年9 月4 日定植，期間供水與供肥量均相同。 每個處理3 次重復。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 土壤微生物測序 種植結束時采用“S”形取樣法，對0 ～20 cm 耕層土壤進行樣品采集，每個處理3 個重復，編號封裝帶回實驗室-80℃保存。 使用TGuide S96 磁珠法土壤/糞便基因組DNA 提取試劑盒[天根生化科技(北京)有限公司，型號:DP812]提取土壤DNA。 使用引物27F_(16S-F)(5＇- AGRGTTTGATYNTGGCTCAG-3＇)、1492R_(16S-R) (5＇-TASGGHTACCTTGTTASGACTT-3＇)擴增細菌16S rRNA 序列。 其反應體系(30 μL):基因組DNA 1.5 μL，nuclease-free water 10.5 μL，KOD ONE MM 15 μL，正反引物各1.5 μL。 反應程序:95℃預變性2 min；98℃變性10 s，55℃退火30 s，72℃延伸90 s，循環25 次；72℃延伸2 min。 使用引物ITS1F:5＇-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA - 3＇、 ITS4: 5＇ - TCCTCCGCTTATTGATATGC-3＇擴增真菌ITS 序列。 其反應體系(30 μL):基因組DNA 1.5 μL，nucleasefree water 11.7 μL，KOD ONE MM 15 μL，正反引物各0.9 μL。 反應程序:95℃預變性5 min；95℃變性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸45 s，循環8次；95℃變性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸45 s，循環24 次；72℃延伸5 min。 測序方法:使用PacBio Binding kit(Pacbio，USA)對上機文庫進行上機前的結合，使文庫結合上Primer(Pacbio，USA)及Polymerase(Pacbio，USA)；將最終反應產物進行AMpure PB Beads(Pacbio，USA)純化后置于Sequel Ⅱ(Pacbio，USA)測序儀上進行上機測序，測序工作由北京百邁客生物科技有限公司完成。

使用FUNGuild(Fungi Functional Guild)進行真菌功能預測，使用PICRUSt2 軟件進行細菌功能預測。

1.2.2 土壤酶活性測定 種植結束時，采用“S”形取樣法，對0 ～20 cm 耕層土壤進行樣品采集，每個處理重復3 次。 過氧化氫酶和蔗糖酶活性采用北京盒子生工科技有限公司試劑盒測定。

1.2.3 番茄生長指標測定 株高、莖粗:番茄植株打頂前采用卷尺測量株高、游標卡尺測量莖粗，每個處理選取6 株番茄進行測定。

節間距:采用卷尺測量番茄植株三穗花下的平均節間長度，每個處理選取6 株番茄進行測定。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件處理數據，GraphPad Prism 8.4.2 作圖，DPS 軟件對數據進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物群落OTU 水平的主成分分析

土壤真菌群落PCA 分析顯示，第一、第二軸對各樣本的解釋度分別為76.02%和17.66%。 處理前土壤(CK)和PE、MZS、FZS 地膜的土壤樣本各自聚為一類，說明各地膜處理重復間差異較小(圖1A)。 土壤細菌群落PCA 分析顯示，第一、第二軸對各樣本的解釋度分別為35.82%和19.28%。CK 和PE、MZS、FZS 地膜的土壤樣本各自聚為一類，說明各地膜處理重復間差異較小(圖1B)。

圖1 土壤微生物群落OTU 水平主成分分析

2.2 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜對土壤真菌、細菌門水平物種豐度的影響

土壤真菌門水平物種豐度排名前10 的主要有Ascomycota(子囊菌門)、Chytridiomycota(壺菌門)、Mortierellomycota(被孢霉門)、Basidiomycota(擔子菌門)、unclassified Fungi(未分類真菌)、Rozellomycota(羅茲菌門)、Glomeromycota(球囊菌門)、Calcarisporiellomycota、Olpidiomycota(油壺菌門)、Zoopagomycota(捕蟲霉門)。 覆蓋MZS 地膜Chytridiomycota 的相對豐度高于覆蓋PE 和FZS地膜；覆蓋FZS 地膜的Ascomycota 相對豐度高于覆蓋PE 和MZS 地膜(圖2A)。

圖2 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜土壤真菌、細菌門水平相對豐度

土壤細菌門水平物種豐度排名前10 的為Proteobacteria(變形菌門)、Acidobacteriota(酸桿菌門)、Bacteroidota(擬桿菌門)、unclassified Bacteria(未分類細菌)、Nitrospirota(硝化螺旋菌門)、Gemmatimonadota(芽單胞菌門)、Verrucomicrobiota(疣微菌門)、Planctomycetota(浮霉菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)、Actinobacteriota(放線菌門)。覆蓋FZS 地膜的Verrucomicrobiota 和Bacteroidota相對豐度高于覆蓋PE 和MZS 地膜(圖2B)。

2.3 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜對土壤真菌、細菌群落門類的影響

處理前土壤(CK)和覆蓋PE、MZS、FZS 地膜土壤擁有8 個共有真菌門類，覆蓋PE 地膜擁有1個特有真菌門類(圖3A)。 處理前土壤(CK)和覆蓋PE、MZS、FZS 地膜土壤擁有26 個共有細菌門類，覆蓋PE、MZS、FZS 地膜擁有1 個共有細菌門類(圖3B)。

圖3 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜土壤真菌、細菌群落門類

2.4 土壤真菌FUNGuild 功能預測和土壤細菌PICRUSt2 功能預測

土壤真菌FUNGuild 功能預測Guild 層級排名前10 的有:Undefined Saprotroph(未定義腐生菌)、Wood Saprotroph(木腐生菌)、Dung Saprotroph(排泄物腐生菌)、Plant Pathogen(植物病原菌)、Plant Saprotroph(植物腐生菌)、Ectomycorrhizal(外生菌)、Animal Pathogen(動物病原菌)、Fungal Parasite(真菌寄生菌)、Arbuscular Mycorrhizal(叢枝菌根)、Endophyte(內生菌)，見圖4A。

圖4 土壤真菌FUNGuild 功能預測(A)和土壤細菌PICRUSt2 功能預測(B)

通過與KEGG 數據庫進行比對，土壤細菌level 2 水平排名前10 的功能有:Global and overview maps、Carbohydrate metabolism(碳水化合物代謝)、Amino acid metabolism(氨基酸代謝)、Energy metabolism(能量代謝)、Metabolism of cofactors and vitamins(輔助因子和維生素代謝)、Translation(翻譯)、Nucleotide metabolism(核苷酸代謝)、Membrane transport(膜轉運)、Signal transduction(信號轉導)、Replication and repair(復制和修復)，見圖4B。

2.5 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜對土壤酶活性的影響

覆蓋PE 和FZS、MZS 地膜對土壤過氧化氫酶活性的影響沒有顯著差異；覆蓋FZS 和MZS 地膜的蔗糖酶活性分別達到5.24 U/g 和5.38 U/g，較覆蓋PE 地膜分別顯著提高7.60%和10.47%(表1)。

表1 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜對土壤酶活性的影響

2.6 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜對番茄植株生長的影響

由表2 可知，覆蓋PE 和FZS、MZS 地膜對番茄株高和節間距的影響無顯著差異；莖粗依次為FZS 地膜＞MZS 地膜＞PE 地膜；相較于覆蓋PE 和MZS 地膜，覆蓋FZS 地膜番茄莖粗分別顯著增加5.99%和3.14%。

表2 覆蓋聚乙烯和不同生物降解地膜對番茄植株生長的影響

3 討論

覆蓋生物降解地膜可以通過改變微氣候而間接影響土壤微生物群落[15]。 土壤微生物能將有機質轉化為腐殖質，供植物吸收利用，并改良土壤。 在春玉米種植中不同覆蓋處理可以顯著改變土壤微生物群落結構和多樣性[16]。 春小麥種植中地膜覆蓋處理可顯著改變溫帶半干旱地區土壤真菌群落組成[17]。 已有研究顯示，在鹽脅迫下相較于CK，施用腐殖酸的T1、T2、T3 處理土壤真菌Ascomycota 的相對豐度分別顯著提高28.07%、26.48%、6.41%[18]；與常規施肥+石灰粉處理相比，常規施肥+石灰粉+腐殖酸處理能夠提高土壤細菌Bacteroidota 的相對豐度[19]。 這與本試驗中覆蓋FZS 地膜真菌Ascomycota 和細菌Bacteroidota 物種豐度高于覆蓋PE 和MZS 地膜的結果相一致。 土壤微生物群落結構、相對豐度等的改變可能有以下原因:①在實際生產中環境因素、管理措施等都會直接或間接影響土壤微生物代謝活性；②不同地膜之間的機械性能、保濕性能、光學性能等均有較大的差異，可能會通過改變土壤理化性質、土壤溫濕度進而對土壤微生物代謝活性造成一定的影響；③FZS 地膜添有腐殖酸，在其使用過程中會因膜下凝露將腐殖酸帶出，而腐殖酸可以提高肥料利用率，改善土壤理化性質[20]。 以上說明不同地膜覆蓋對土壤微生物相對豐度、群落結構、多樣性以及土壤微生物功能基因結構組成均有一定影響。

已有研究顯示，在基質中添加2.0 mg/kg 腐殖酸可以有效促進辣椒幼苗生長[21]；當椰糠∶菇渣∶草炭＝1 ∶1 ∶2時，添加4 g/L 腐殖酸番茄幼苗莖粗達到最大值[8]，這與本試驗覆蓋FZS 地膜可以有效促進番茄莖粗生長的結果相一致。 FZS 處理可以有效促進莖粗生長的原因可能是腐殖酸可以促進根系生長發育、增加根系數量、延長根系長度，從而促進作物對養分的吸收，達到促進作物生長的作用。

4 結論

不同地膜覆蓋處理通過影響土壤微生物群落及組成進而影響土壤微生物的功能基因。 相較于覆蓋PE 地膜，覆蓋PBAT/PLA 腐殖酸生物降解地膜(FZS)有助于提高土壤真菌Ascomycota 和細菌Verrucomicrobiota、Bacteroidota 的物種豐度；覆蓋PBAT/PLA 腐殖酸生物降解地膜(FZS)后土壤蔗糖酶活性、番茄莖粗顯著高于覆蓋PE 地膜。