聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯生物降解膜對土壤細菌群落的影響

摘 要 為探究聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯[（Poly（butylene adipate-co-terephthalate），PBAT]生物降解膜對土壤細菌群落的影響，選取甜菜、番茄、玉米、馬鈴薯、花生和棉花6種作物，分別鋪覆PBAT膜和傳統PE膜種植，收獲期前采集膜下土壤，測定理化性質，通過16S rDNA高通量測序解析土壤細菌群落結構差異和菌群組成及預測群落功能。結果表明：同一作物（除棉花外）2種膜下的土壤理化性質之間無明顯差異。所有處理土壤細菌群落多樣性豐富，同一作物2種膜下的多樣性指數（棉花組譜系多樣性例外）均無顯著差異（Pgt;" 0.05）。細菌群落中豐度占比較高的門有Proteobacteria、Bacteroidetes、Acidobacteria、Actinobacteria等，屬有H16、Pontibacter、Arenimonas等。多數細菌門、屬豐度占比在同一作物2種膜下無顯著差異（Pgt;0.05）。化能異養、需氧化能異養、硝化作用、好氧氨氧化、含硫化合物的呼吸作用等菌群功能豐度相對較高。多數細菌群落功能相對占比在同一作物2種膜下無顯著差異（Pgt;0.05）。部分土壤理化性質和優勢細菌菌群呈極顯著（Plt;0.01）相關或顯著（Plt;0.05）相關。同種作物鋪覆PBAT生物降解膜和PE膜對土壤的理化性質和細菌群落的影響基本無顯著差異。

關鍵詞 聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯；地膜；生物降解；細菌群落；高通量測序

地膜覆蓋因具增溫保墑、除草、促早熟、增產等優點[1]，是農業生產的關鍵措施。中國自1978年引入地膜覆蓋技術以來[2]，在干旱、半干旱和半濕潤地區，尤其在無法灌溉和春季氣溫較低的地區得到迅速推廣和應用[3]，是地膜用量、覆蓋作物種類最多，覆蓋面積最大的國家[4]。據統計，2016-2020年中國地膜年均用量 1.379×106 t，作物覆膜面積1.797×107 hm 占中國作物種植總面積的10.8%[5]。

聚乙烯（polyethylene，PE）因具有高柔韌、耐久、易加工、無味和安全等特點，是地膜生產的首選材料[6]。然而，PE具有很高的化學穩定性，在自然環境中不但很難降解[7]，且難以從土壤清除而造成白色污染[8]。據報道，地膜的使用和殘留物會改變土壤理化性質和土壤微生物群落組成[9-10]，潛在地改變生物地球化學過程和土壤生態功能[11]。此外，土壤中的聚乙烯微塑料對跳蟲具有毒性作用，通過改變其腸道微生物群落，使其出現回避行為，并抑制繁殖[12]，甚至可以通過農場土壤-蚯蚓-雞的途徑，將塑料污染轉移到食物鏈中[13]。面對土壤生態系統的塑料污染，可降解地膜替代傳統地膜是最有效的策略之一，因巨大的市場需求，在農業生產中發展迅速，逐步推廣并應用[14]。

聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯[Poly（butylene adipate-co-terephthalate），PBAT]是一種化學合成、有良好機械性能且可生物降解的聚合物，是可以替代聚乙烯的常用生物降解地膜[15]。有研究表明，與傳統PE膜相比，PBAT膜覆蓋處理的甘藍，在農藝和營養品質性狀方面無顯著差異，但生產總成本更低且鋪覆PBAT膜降低了土壤pH，增加了土壤有機質含量及變形菌門、子囊菌門類細菌的相對豐度[16]。而另有研究表明，與低密度聚乙烯薄膜微粒相比，PBAT薄膜微粒抑制擬南芥的生長，嚴重破壞擬南芥的光合系統，上調藥物轉運相關通路中基因的表達水平，增加了塊狀土壤和根際土壤中慢生根瘤菌、嗜氫菌和節桿菌的相對豐度，且被微生物降解后可能產生對植物具有高毒性的化學物質[17]。因此，更全面了解生物降解塑料膜對土壤理化性質及微生物活性的影響，是評估使用生物降解膜的重要工作。

新疆是中國重要的優質棉花基地、糧食生產后備基地[18]。PBAT地膜在新疆的棉花、玉米、番茄[19-20]等作物上開展了應用研究，具有一定可行性。然而，新疆地貌復雜，氣候極端干旱少雨，屬于干旱半干旱生態區，在該環境下，PBAT地膜的使用與土壤生態環境之間的關系尚不清楚。為此，本研究開展PBAT生物降解膜與傳統PE地膜對甜菜、番茄、玉米、馬鈴薯、花生和棉花6種作物膜下土壤的理化性質和細菌群落影響的研究。

1 材料與方法

1.1 材" 料

作物選取和覆膜設計：2017年選取新疆農業科學院拜城試驗站（41°24′N，81°54′E），土壤類型為砂壤土，種植甜菜（記為Sb，播種、收獲日期分別為4月26日和10月10日，下同）、番茄（記為T，5月10日—9月10日）、玉米（記為C，4月20日—10月10日）、馬鈴薯（記為P，4月20日—8月8日）和花生（記為Pn，5月10日—10月10日）；選取新疆喀什岳普湖縣（39°12′N，76°40′E），土壤類型為砂壤土，種植棉花（記為Cot，4月10日—11月10日）。共6種作物各667 m 播種時分別鋪覆PBAT生物降解膜（記為PBAT，由新疆康潤潔環保科技有限公司生產）和PE膜（記為PE），同種作物施肥、耕作管理方式相同。在每種作物成熟后收獲前3 d，兩種薄膜已破損情況下，每種作物每個處理取6個點，避開路邊、溝邊和田埂等部位，除去土壤中的雜物，采用3點土柱法采集各處理膜下0～30 cm耕作層土，每樣點采集土樣0.5 kg，將同作物同處理下土樣充分混勻，按四分法淘汰至0.5 kg，隨后分為兩份，填寫土樣信息標簽，各處理名稱記為作物與膜的組合。一份置于車載冰箱4 ℃運回實驗室測定土壤含水量，剩余樣品風干后測定理化性質，一份迅速冷凍于液氮中，用于高通量測序。

1.2 方 法

1.2.1 土壤基本理化性質的測定 按照國家/行業/地方標準測定：土壤pH采用HJ 962-2018 pH計測量；土壤水分采用GB 7172-1987烘干法進行測定；總鹽采用DB 65/T 602.11-2001質量法測定；有機質采用DB 12/T 961-2020高溫外加熱重鉻酸鉀氧化法測定；速效氮采用DB 13/T 843-2007堿解氮法測定；速效磷采用NY/T 1848-2010鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NY 889-2004火焰光度法測定。

1.2.2 高通量測序 按照Omega E.Z.N.A.土壤 DNA 試劑盒（D5625-02）說明書，將液氮冷凍的土壤樣品提取總DNA，電泳檢測合格后，委托北京諾禾致源生物科技有限公司進行后續工作。使用帶Barcode引物（338F/806R）和高效高保真酶，對細菌16S rDNA進行PCR擴增。通過Illumina-hiseq平臺測序，拼接樣本reads，獲得高質量Tags數據和有效序列。確定操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs），對OTU 在97%的相似性水平進行物種組成、Alpha多樣性（物種數目、香農指數、辛普森指數、Chao1指數、Ace指數、覆蓋度和譜系多樣性）和物種差異等生物信息統計分析。使用FAPROTAX軟件鑒定出作物鋪覆不同地膜土壤細菌群功能。

1.3 統計分析

利用WPS Excel 2023進行數據整理及柱狀圖繪制，IBM SPSS Statistics 20.0進行統計分析，采用Duncan法進行差異顯著性檢驗，采用R語言4.0.3繪制韋恩圖及相關性熱圖。

2 結果與分析

2.1 不同作物2種膜下土壤理化性質

對照土壤pH、鹽漬化和養分分級標準[21]，由表1可見，棉花鋪覆PBAT膜處理為堿性土壤（pH為8.6～9.5），其余處理均為微堿性土壤（pH為7.5～8.5）。棉花鋪覆PE膜土壤除外，其余土壤總鹽含量較低，處于非鹽漬化（lt;3"" g/kg）和輕度鹽漬化（3～6 g/kg）水平。土壤有機質含量十分貧瘠，為缺乏（6～10 g/kg）和很缺乏（lt;6 g/kg）等級。速效鉀養分含量在棉花膜下土壤為中等（50～100 mg/kg）水平，在其余處理為豐富" （100～150 mg/kg）和很豐富（150～200 mg/kg）水平。總體評價，試驗樣地土壤有機質貧瘠，呈堿性。在作物成熟后，2種地膜已崩解，拜城實驗站5種作物在2種膜下的土壤7種理化性質之間無明顯差異，而棉花兩種鋪覆試驗地因基礎條件差異較大，理化性質差異明顯[22]。

2.2 PBAT膜與PE膜對土壤細菌群落的影響

2.2.1 作物鋪覆不同地膜土壤細菌OTU分布 為明確作物鋪覆不同地膜土壤間細菌的相同與差異物種，使用維恩圖呈現不同地膜覆蓋土壤樣品中共有和特有OTU的數量。由圖1可見，同一作物下共有OTU數量居多，在3 357～4 021，在不同地膜處理下也有數量可觀的特有OTU，在829～1 178，同時，PBAT處理土壤的特有OTU均高于PE處理土壤。

2.2.2 PBAT膜與PE膜對土壤細菌群落Alpha多樣性的影響 作物鋪覆不同地膜土壤中細菌群落Alpha多樣性見表2。所有處理的覆蓋度均在0.98以上，說明微生物檢出概率高，可反映樣本真實情況。同一作物不同地膜處理下的細菌群落Alpha多樣性指數均無顯著差異（棉花譜系多樣性指數例外），說明PBAT地膜替代PE地膜沒有對土壤細菌群落多樣性產生顯著影響。Chao 1和Ace指數相近，兩種算法下估計樣本中細菌物種數在3 058.65～4 457.15，實際物種數目在" 2 801.33～3 591.33，說明不同作物對土壤細菌群落豐富度的影響較高。Shannon指數均高于9，Simpson指數均接近1，譜系多樣性指數高于260，均說明各處理土壤細菌群落多樣性豐富。除馬鈴薯外，同一作物下，PBAT膜覆蓋的土壤細菌群落物種數目高于PE膜覆蓋（Pgt;0.05）。

2.2.3 PBAT膜與PE膜對土壤細菌群落結構的影響 不同作物鋪覆2種地膜的土壤，在不同分類水平上共檢測出細菌門59個，綱163個，目217個，科399個，屬802個。由表3可知，花生鋪覆兩種地膜在門水平下檢測數目有顯著差異（Plt;0.05），其余同一作物鋪覆兩種地膜土壤細菌所有分類水平數目相近無顯著差異（Pgt;" 0.05）。

2.2.4 門水平細菌群落結構分析 由圖2可知，細菌門豐度占比前10的為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）、浮霉菌門（Planctomycetes）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、厚壁菌門（Firmicutes）和硝化螺旋菌門（Nitrospirae）。變形菌門是各作物土壤中絕對優勢菌門，在Cot.PE處理下占比高達58.99%，Acidobacteria、Actinobacteria和Gemmatimonadetes是各作物土壤中次優勢菌門，多數處理下占比在10%以上。T.PE與T.PBAT中Actinobacteria、Nitrospirae豐度占比有顯著差異（Plt;0.05），Sb.PE與Sb.PBAT中Actinobacteria豐度占比有顯著差異（Plt;0.05），Cot.PE與Cot.PBAT中Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Verrucomicrobia和Nitrospirae豐度占比有顯著差異（Plt;0.05）。其余細菌門豐度占比在同種作物鋪覆2種膜下無顯著差異" （Pgt;0.05）。

2.2.5 屬水平細菌群落結構分析 由圖3可知，細菌屬豐度占比前10的有其他（Others）、H16屬、海洋桿菌屬（Pontibacter）、砂單胞菌屬（Arenimonas）、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、酸桿菌RB41屬（RB41）、貪噬菌屬（Variovorax）、金色桿菌屬（Chryseobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和偽杜搟氏菌屬（Pseudoduganella）。其他屬是各作物土壤中絕對優勢菌屬，占比高達88.74%以上，酸桿菌RB41屬、鞘氨醇單胞菌屬和H16是各作物土壤中次優勢菌屬，多數處理下占比在1%以上。" C.PE與其他處理中Salinimicrobium豐度占比有顯著差異（Plt;0.05），T.PBAT與其他處理中Pseudoduganella、Chryseobacterium、Variovorax豐度占比有顯著差異（Plt;0.05），而Pseudomonas的豐度占比在P.PE與P.PBAT間、T.PE與T.PBAT間、Cot.PE與Cot.PBAT間有顯著差異（Plt;0.05）。其余細菌屬豐度占比在同種作物鋪覆兩種膜下無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.2.6 PBAT膜與PE膜對土壤細菌群落功能的影響 通過FAPROTAX軟件鑒定出作物鋪覆不同地膜土壤細菌群落功能有91個（功能相對豐度大于0.01%），圖4為相對豐度占比前30的功能。相對豐度占比較高的功能是化能異養" （8.76%～16.67%），在番茄2種膜下呈顯著差異" （Plt;0.05）；需氧化能異養（6.59%～14.88%），在番茄、棉花2種膜下呈顯著差異（Plt;0.05）；硝化作用（1.45%～5.85%），在番茄、甜菜和棉花2種膜下呈顯著差異（Plt;0.05）；好氧氨氧化" （0.97%～4.23%），在棉花2種膜下呈顯著差異（Plt;0.05）；含硫化合物的呼吸作用（0.87%～" 3.27%），在馬鈴薯、花生2種膜下呈顯著差異" （Plt;0.05）；其中塑料降解功能相對豐度為" 0.01%～2.71%，排名第八，在番茄2種膜下呈顯著差異（Plt;0.05）。在前三十的功能中，P.PE與" P.PBAT有5種功能相對豐度呈顯著差異（Plt;" 0.05），T.PE與T.PBAT有 9種功能相對豐度呈顯著差異（Plt;0.05），Pn.PE與Pn.PBAT有6種功能相對豐度呈顯著差異（Plt;0.05），Sb.PE與Sb.PBAT有2種功能相對豐度呈顯著差異（Plt;0.05），Cot.PE與Cot.PBAT有9種功能中相對豐度呈顯著差異（Plt;0.05）。其余細菌群落功能相對豐度占比在同種作物鋪覆2種膜下無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.3 土壤理化性質與優勢菌群的相關分析

進一步，將作物鋪覆不同地膜下土壤理化性質與菌群前10的菌門與菌屬相對豐度進行相關分析，探究內在聯系。圖5皮爾遜相關系數顯示，土壤理化性質間，速效磷和速效鉀與速效氮、含水量和pH呈極顯著相關（Plt;0.01）或顯著相關" （Plt;0.05）。速效氮與多數菌門、菌屬呈極顯著相關（Plt;0.01）或顯著相關（Plt;0.05），是關鍵理化因子。門水平中，Proteobacteria與前10的其他多數菌門呈極顯著負相關（Plt;0.01）或顯著負相關（Plt;0.05）。屬水平中，Arenimonas，Pseudomonas，Pontibacter，RB41和H16與土壤理化性質、前10的其他多數菌屬呈極顯著（Plt;0.01）或顯著相關（Plt;0.05）。

3 討" 論

本研究發現，相同作物覆蓋2種膜下土壤間理化性質和細菌群落的多樣性及群落組成基本無顯著差異，相對豐度較高的預測細菌群落功能在多數作物2種膜下也沒有顯著差異，而多數優勢菌群的相對豐度與部分土壤理化性質，尤其是速效氮呈極顯著或顯著相關性。類似的，前期研究工作發現，淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶和脲酶的活性[22]，以及氨氧化細菌AOB-amoA基因、氨氧化古菌AOA-amoA基因與反硝化nosZ基因豐度[23]在同種作物鋪覆PBAT與PE地膜土壤中無顯著差異。已有研究表明，干旱、土壤含水量、pH強度和植物香濃多樣性指數是細菌群落聚集變化的關鍵驅動因素[24]。由于干旱半干旱的氣候特點，降雨和土壤營養物質有限，堿性土壤更限制了磷的流動性和生物利用度，覆膜處理能提高作物對氮磷鉀的吸收效率[25]，從而促進根系向土壤中分泌酶的數量，改善土壤酶活性，是應對營養短缺、提高產量的有效策略[26]。新疆多地對比使用PBAT生物降解地膜與PE地膜的研究也明確二者在作物產量、土壤保溫保濕、土壤養分等方面無顯著差異[19-20]，說明2種地膜覆蓋均有效保證了土壤含水量，在酸堿程度較為均勻的土壤覆膜種植作物，PBAT替代PE地膜不會引起土壤微生物群落及功能的差異，但有效實現了PBAT膜與PE膜相同的覆蓋功能及生物降解的環保作用。

變形菌門、擬桿菌門以及放線菌門在不同干旱地區鹽堿土中均為主要菌群[27]，本文研究結果與之相近。有研究發現變形菌門生長迅速，能利用不穩定、易分解的碳組分生長代謝，具有固碳、固氮和解磷等生態功能，參與養分礦化，加速土壤有機質分解，在土壤貧瘠養分含量低的環境其數量更占優勢，更能適應不利條件[28]。擬桿菌門參與有機碳的礦化過程，對耕作方式具有顯著敏感性，是土壤中碳氮循環的主要貢獻者，也是判斷農業土壤利用效率是否充分的生物學指標[29]。放線菌參與有機質的分解和腐殖質的形成，并產生多種抗生素，保護植物免受病原微生物侵害[30]。此外，本研究在門、屬水平還有其他適應貧瘠環境，促進作物生長的優勢菌群。如酸桿菌門是一種生長緩慢的寡營養生物，參與轉運蛋白和分泌多種高分子量蛋白質，可很好適應寡營養、干燥的環境[31]。芽單胞菌門在植物根際中比較常見[32]，具有更好的適應惡劣環境的能力[33]。浮霉菌門是促進植物生長的關鍵細菌類群，其常與植物根際相關，在營養循環或病原體控制中發揮關鍵作用[34]。鞘氨醇單胞菌屬可以適應惡劣的葉際環境，有促進植物生長和提高植物抗逆性的作用，是潛在的農作物生長促進劑[35]。貪噬菌屬具有在極端環境適應和生存的能力，并可代謝芳香化合物[36]。假單胞菌屬是常見的作物病害生防菌[37]。由此可見，覆膜處理下土壤主要菌群在適應土壤養分貧瘠、參與養分循環和促進植物生長和抗逆中起到重要作用，而與鋪覆何種地膜無關，進一步驗證了PBAT生物降解膜的可替代性。

4 結" 論

使用PBAT生物降解膜與傳統PE膜對新疆6種作物覆蓋種植，二者在土壤理化性質、微生物群落結構和功能之間基本無顯著差異，數據間的差異與不同種植地和作物有關，而與鋪覆何種地膜無關。覆膜處理是應對營養短缺、提高產量的有效策略，本研究PBAT生物降解膜實現了與PE膜相同的覆蓋功能并兼具生物降解的環保作用，為PBAT生物降解膜替代PE膜，制定綠色農業生產策略提供理論依據。

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Effect of Poly （butylene adipate-co-terephthalate） Biodegradable Mulching on Soil Bacterial Community

LIN Qing， ZENG Jun，GAO Yan， SHI Yingwu， YANG Hongmei， CHU Min， LOU Kai" and HUO Xiangdong

（Institute of Microbiology， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences/Xinjiang Laboratory of Special Environmental Microbiology， Urumqi 830091，China）

Abstract To" investigate the effect of poly （butylene adipate-co-terephthalate，PBAT） biodegradable mulching on soil bacterial communities， six crops （sugar beet， tomato， corn， potato， peanut， and cotton）were cultivated using both PBAT and traditional PE mulching.Soil samples beneath the mulches was collected before harvest， and their physicochemical properties were analyzed.The differences in soil bacterial community structure， composition， and function were analyzed using 16S rDNA high-throughput sequencing.The results showed no significant differences in soil physicochemical properties between mulches for the same crop （except cotton）.Soil bacterial community diversity was high across all treatments， with no significant difference in diversity indices between the two mulches for the same crop （except for the cotton PD whole tree index） （Pgt;0.05）.The dominant phyla included Proteobacteria， Bacteroidetes， Acidobacteria， Actinobacteria，while the dominant genera were H16， Pontibacter， and Arenimonas.There were no significant differences in the abundance ratio of most bacterial phyla and genera between the two mulches for the same crop （Pgt;0.05）.Predicted functions with relatively high abundance included Chemoheterotrophy， aerobic chemoheterotrophy， nitrification， aerobic ammonia oxidation， and sulfur compound respiration， with no significant differences in the relative proportions of most bacterial community functions between the two mulches for the same crop （Pgt;0.05）.Certain soils physicochemical properties were significantly correlated with dominant bacterial taxa （Plt;0.01 or Plt;0.05）.This study found no significant difference in soil physicochemical properties or bacterial community composition and function when planting the same crop with PBAT biodegradable or PE mulch， providing a theoretical basis for replacing PE with PBAT film and developing green agricultural production strategies.

Key words Poly （butylene adipate-co-terephthalate）;Mulch;Biodegradation;Bacterial community; High throughput sequencing

Received 2024-04-24 Returned 2024-05-29

Foundation item The Key Research and Development Program of Xinjiang Uygur Autonomous Region （No.2016B02017-4）; the National Natural Science Foundation of China （No.31160027）.

First author LIN Qing，female，associate research fellow.Research area：microbial ecology.E-mail：qinglinxj@163.com

Corresponding"" author LOU Kai，male，research fellow.Research area：microbial resources.E-mail：loukai@tsinghua.org.cn

HUO Xiangdong， male， associate research fellow.Research area：microbial resources.E-mail：xiangdonghuo@163.com

（責任編輯：史亞歌 Responsible editor：SHI Yage）

收稿日期：2024-04-24 修回日期：2024-05-29

基金項目：新疆維吾爾自治區重點研發計劃（2016B02017-4）；國家自然科學基金（31160027）。

第一作者：林 青，女，副研究員，研究方向為微生物生態。E-mail：qinglinxj@163.com

通信作者：婁 愷，男，研究員，研究方向為微生物資源。E-mail：loukai@tsinghua.org.cn

霍向東，男，副研究員，研究方向為微生物資源。E-mail：xiangdonghuo@163.com