李銘軒，吉德昌，王政宇，2，徐英德，賈照杰，李詩彤，常藝，馮良山，張哲，馮晨，丁凡*

（1.沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院，沈陽 110866；2.遼寧農業(yè)職業(yè)技術學院，遼寧 營口 115009；3.遼寧省農業(yè)科學院耕作栽培研究所，沈陽 110161）

農用塑料地膜具有增溫、保墑、防病、抗蟲和抑制雜草等作用。然而，塑料地膜在自然條件下難以降解，常年覆膜會導致土壤殘膜及微塑料的大量累積，嚴重影響土壤孔隙度和透氣性，破壞土壤結構，影響作物出苗、營養(yǎng)吸收及根系的生長發(fā)育。生物降解地膜可以起到與塑料地膜相當?shù)脑鰷乇?、提高作物產量的效果，且在使用后無需回收，能夠在微生物與環(huán)境的共同作用下完全被降解為CO和HO，有望在源頭上解決塑料地膜農業(yè)應用所帶來的環(huán)境污染問題。

生物降解地膜應用于農田后可以直接作為土壤微生物的碳源，也可以通過改變微氣候而間接影響土壤微生物群落及酶活性，從而引起土壤微生物群落的變化。據(jù)報道，生物降解地膜能顯著降低塑料際（即塑料與土壤之間的界面）土壤真菌的多樣性，甚至能招募特定植物病原菌形成生物膜。但也有研究發(fā)現(xiàn)在番茄、玉米、馬鈴薯等作物上覆蓋生物降解地膜并不改變土壤理化性質、酶活性以及氮循環(huán)微生物。除了覆蓋生物降解地膜產生的變異外，地膜顏色也是影響土壤微生物群落的重要因素。有報道認為，地膜顏色可以通過調控土壤溫度影響作物對土壤養(yǎng)分的消耗，進而調控土壤微生物群落結構。但MORENO 等對種植番茄的土壤覆膜進行研究時發(fā)現(xiàn)，覆蓋黑色、綠色或棕色地膜沒有改變土壤微生物生物量碳含量。以上研究說明，覆蓋生物降解地膜對土壤微生物性質的影響尚不清楚。因此，很有必要系統(tǒng)開展不同顏色的生物降解地膜與塑料地膜的對比試驗，探究生物降解地膜對土壤微生物活性、豐度和群落結構的影響。

聚己二酸-對苯二甲酸丁二酯（PBAT）是一種良好的生物降解材料，而且具有良好的機械和熱性能，已被用于新型生物降解地膜的生產。本文通過大田試驗研究黑色和透明的生物降解地膜（PBAT材質）和傳統(tǒng)塑料地膜（聚乙烯材質）覆蓋對微生物活性（土壤呼吸）、豐度（微生物生物量碳氮）和群落結構[磷脂脂肪酸（PLFA）]及土壤水解酶活性[β-葡萄糖苷酶（βG）、半纖維素酶（CB）、N-乙酰葡萄胺糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）和酸性磷酸酶（AP）]的影響差異，為評價生物降解地膜的環(huán)境效應及其未來廣泛應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗設計

本試驗于2018 年春季設立，為大田試驗，玉米品種為鄭單958，耕作方式為壟作連作，一年一熟。采用隨機區(qū)組設計，共計5 個處理，分別為：不覆膜（CK）、透明生物降解地膜（BC）、黑色生物降解地膜（BB）、透明聚乙烯塑料地膜（PC）、黑色聚乙烯塑料地膜（PB）。每個處理設置4 次重復，共20 個小區(qū)。地膜厚度為8～9 μm。PB 和PC 的生產廠家為喜豐塑業(yè)有限公司，其主要成分為聚乙烯：BB 和BC 的生產廠家為巴斯夫（中國）有限公司，其主要成分為PBAT。海城試驗小區(qū)面積為86.4 m（12 m×7.2 m），種植密度約為56 000 株·hm；阜新試驗小區(qū)面積為60 m（10 m×6 m），種植密度約為60 000 株·hm。玉米播種后覆蓋地膜，并取壟溝處土壤壓實地膜兩側及中央。玉米收獲后，塑料地膜進行人工回收，生物降解地膜不進行回收，直接翻耕。玉米施肥信息、播種及覆膜日期見表1。

表1 玉米施肥量以及種植和覆膜日期Table 1 Maize fertilizer amount，and sowing and mulching dates

1.3 土壤采集及指標測定

2019年春季播種前（4月末）和秋季收獲后（10月初），用直徑3.5 cm 的土鉆采集表層土壤（0～20 cm），每個小區(qū)隨機取5 鉆混合。土樣立即帶回實驗室挑出根系后，分成3 份，風干，分別在4 ℃和-20 ℃條件下保存，用于測定土壤基礎理化指標、微生物生物量碳氮及土壤呼吸速率、酶活性和PLFA含量。

土壤呼吸速率采用CO釋放量法測定，本試驗僅測定了兩個地區(qū)的春季土壤。稱取相當于10 g 干土質量的4 ℃保存的土壤，轉入250 mL 的棕色瓶中，調節(jié)土壤含水量至60%田間持水量，于20 ℃密閉條件下預培養(yǎng)7 d。然后，打開一次性橡膠軟塞，將培養(yǎng)瓶放于通風處1 h 以便空氣完全交換。重新調節(jié)含水量，將培養(yǎng)瓶放入恒溫（20 ℃）培養(yǎng)箱中正式培養(yǎng)7 d，培養(yǎng)期內每天用注射器抽取約20 mL 氣體，然后換氣、密閉重新培養(yǎng)，待測氣體中的CO濃度利用EGM-4全自動CO測定儀（PP SYSTEMS，美國）測定。

土壤βG、CB、NAG、LAP、AP 活性采用熒光標記底物法測定。將微孔板置于20 ℃黑暗條件下培養(yǎng)2（βG和AP）、3（CB和NAG）、20 h（LAP）后，利用多功能酶標儀（Spectra Max M2，美國）測定。發(fā)射波長設為365 nm，激發(fā)波長為450 nm，每個樣品設置8個平行。

土壤微生物群落結構測定采用磷脂脂肪酸法，利用美國MIDI 公司開發(fā)的Sherlock Microbial Identification System（MIS）4.5系統(tǒng)進行脂肪酸的比對鑒定。以i15：0、a15：0、i16：0、i17：0、a17：0 表征革蘭氏陽性菌微生物生物量；以16：1ω7c、17：1ω8c、cy17：0ω7c、18：1ω7c、cy19：0ω7c 表征革蘭氏陰性菌微生物生物量；以14：0、16：0、17：0 表征非特異性細菌群落微生物生物量；以15：0DMA 表征厭氧菌群落微生物生物量；以18：2ω6c、18：1ω9c 表征真菌群落微生物生物量；以16：1ω5c 表征叢枝菌根真菌（AM 真菌）群落微生物生物 量；以10Me 16：0、10Me 17：1ω7c、10Me 17：0、10Me 18：0 表征放線菌微生物生物量；同時以所有微生物PLFAs總和表征總微生物生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤微生物生物量碳的計算公式如下：

式中：為各時間段土壤微生物生物量碳含量，mg·kg；為熏蒸條件下KSO提取液中的可溶性有機碳含量，mg·kg；為未熏蒸條件下KSO提取液中的可溶性有機碳含量，mg·kg；為振蕩過濾后的提取液中有機碳轉換成土壤微生物生物量碳的轉換系數(shù)，0.45。

40年來，我國民營經濟已經成為推動我國發(fā)展不可或缺的力量。數(shù)據(jù)顯示，整個經濟體系中，我國民營經濟貢獻了50%以上的稅收、60%以上的國內生產總值、70%以上的技術創(chuàng)新成果、80%以上的城鎮(zhèn)勞動就業(yè)、90%以上的企業(yè)數(shù)量。隨著我國經濟步入高質量發(fā)展軌道，民營企業(yè)發(fā)展面臨著哪些困難和挑戰(zhàn)？在各行各業(yè)刮起紓困民企之風下，如何推動民營經濟轉型升級？本期監(jiān)督沙龍圍繞如何落實各項政策，為民營企業(yè)發(fā)展保駕護航展開探討。

土壤總累積呼吸量和呼吸速率的計算公式如下：

式中：為總累積呼吸量，mg·g；為CO的密度，g·cm；和分別為第次測氣時處理和空白土壤樣品測定的CO濃度，μmol·mol；為土壤培養(yǎng)瓶體積，L；為土壤烘干土質量，g。

式中：為土壤呼吸速率，μg·g·h；為培養(yǎng)時間，h。

試驗數(shù)據(jù)利用SPSS 20.0 進行方差分析，Sigma-Plot 12.5繪制圖表。多重比較采用Duncan法，顯著性水平設為0.05。土壤微生物群落PLFA 數(shù)據(jù)利用CANOCO 4.5進行主成分分析并制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤可溶性有機碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和酶活性

土壤可溶性有機碳和銨態(tài)氮、硝態(tài)氮分別為容易被微生物同化利用的碳源和氮源。與不覆膜相比，覆蓋不同顏色和材質的地膜均未顯著改變土壤可溶性有機碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量（＞0.05，表2）。

表2 不同覆膜處理春秋兩季的土壤可溶性有機碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量（mg·kg-1）Table 2 Soil dissolved organic carbon，NH+4-N and NO-3-N concentrations under different mulching treatments in spring and autumn（mg·kg-1）

土壤酶反映養(yǎng)分的獲取能力，是物質循環(huán)和能量流動中最活躍的生物活性物質。阜新春季黑色生物降解地膜處理下LAP 活性顯著高于其他覆膜及不覆膜處理（＜0.05，表3），此外，其他的酶活性在不同處理間均沒有顯著差異。春季的土壤酶活性普遍高于秋季。

2.2 土壤微生物生物量碳氮含量

土壤微生物生物量碳氮一定程度上反映了土壤微生物的豐度。海城春季透明生物降解地膜條件下微生物生物量碳含量顯著高于其他處理（＜0.05），分別比不覆膜、黑色生物降解地膜、透明塑料地膜、黑色塑料地膜處理高80%、77%、104%和105%（圖1）。在海城秋季，不覆膜處理下微生物生物量碳含量最高，4種地膜處理中只有透明塑料地膜處理的微生物生物量碳含量顯著高于黑色生物降解地膜（＜0.05）。與微生物生物量碳不同，海城試驗站微生物生物量氮含量在各處理之間沒有顯著差異。阜新試驗站所有覆膜處理之間微生物生物量碳氮含量均沒有顯著差異。

2.3 土壤呼吸速率及累積呼吸量

土壤呼吸速率可以用來表征微生物的活性。結果表明（圖2），在兩個試驗站均表現(xiàn)出生物降解地膜處理的土壤呼吸速率高于塑料地膜處理的趨勢，這說明，相對于覆蓋塑料地膜，覆蓋生物降解地膜有提高微生物活性的趨勢。只有阜新土樣在培養(yǎng)第1天各處理之間有顯著差異（＜0.05，圖2b），其他時間的呼吸速率及累積呼吸量在處理之間差異不顯著（＞0.05）。

2.4 土壤微生物群落結構

海城和阜新兩季的不同覆膜處理均未顯著改變土壤的總磷脂脂肪酸豐度（＞0.05，表4），但季節(jié)和地點顯著影響了土壤總磷脂脂肪酸含量，即海城春季的土壤總磷脂脂肪酸含量高于秋季，阜新土壤的總磷脂脂肪酸含量顯著低于海城土壤（表4）。同時，除海城春季各處理土樣的放線菌相對豐度表現(xiàn)出差異外，其他群落微生物的相對豐度均沒有顯著差異（圖3）。

表4 不同覆膜處理下春秋兩季的土壤微生物群落總磷脂脂肪酸豐度（nmol·g-1）Table 4 Soil microbial community abundance（PLFA）under different mulching treatments in spring and autumn（nmol·g-1）

主成分分析表明，海城春、秋與阜新春、秋兩季累計解釋量分別為81.4%、81.6%與85.8%、89.0%（圖4）。無論在海城試驗站還是在阜新試驗站，以及春季或秋季，微生物群落的分布都沒有隨覆膜處理而分開，表明地膜材料和顏色對土壤微生物群落結構沒有顯著影響。分別對海城和阜新試驗站的春、秋兩季的數(shù)據(jù)進行主成分分析，發(fā)現(xiàn)第一主成分將不同季節(jié)的土壤樣品完全分開（圖4e、圖4f），表明季節(jié)是影響土壤微生物群落結構的主要因素。

3 討論

3.1 覆膜對土壤可溶性有機碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響

土壤可溶性有機碳是土壤活性有機質，是評價土壤質量的重要指標，土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量是衡量土壤肥力水平的重要指標。有研究報道，覆膜可能通過阻擋降水來減少可溶性有機碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋溶，從而增加土壤可溶性有機碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。但是本研究表明短期生物降解地膜覆蓋沒有增加土壤可溶性有機碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量（表2）。這可能有兩方面原因：一是在本研究中，傳統(tǒng)塑料地膜在秋季收獲后被回收，而生物降解地膜經過一個生長季后破碎嚴重，所以整個冬季各處理地塊均處于裸露狀態(tài)，這可能減弱了覆膜阻擋可溶性碳氮淋溶的效果；此外，一項基于覆蓋傳統(tǒng)塑料地膜28 a的試驗研究表明，地膜覆蓋不改變土壤養(yǎng)分含量及土壤化學計量學，這意味著短期試驗所造成的影響將更為有限。盡管本試驗中生物降解地膜也會因為土壤微生物降解而產生可溶性含碳化合物，但生物降解地膜含碳量比土壤碳庫小得多，而且地膜短期內不能完全降解從而充分地參與土壤碳循環(huán)，故降解產生的可溶性含碳產物幾乎可以忽略不計，難以影響土壤可溶性有機碳含量。BROWN 等也報道，PBAT塑料大田添加在短期內不改變土壤pH、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等土壤基礎理化性質，這也進一步支持了本試驗結果。

3.2 覆膜對土壤微生物生物量及其活性的影響

土壤酶活性及土壤呼吸速率作為微生物活性指標，對評價土壤有機質穩(wěn)定性和土壤肥力狀況具有重要意義。本試驗中，覆膜未顯著影響微生物生物量碳氮、土壤呼吸強度，以及絕大多數(shù)覆膜條件下與土壤碳、氮、磷循環(huán)相關的土壤酶活性（圖1、圖2、表3），這可能是因為大田試驗開展時間較短，不足以影響土壤微生物活性。值得注意的是，覆蓋生物降解地膜的土壤呼吸速率有高于未覆膜及覆蓋塑料地膜處理的趨勢，這可能是因為生物降解地膜在作物生長中期開始破碎，其殘留在土壤中以及在分解過程中的中間代謝產物增強了土壤呼吸強度。同時，前人研究發(fā)現(xiàn)多年覆蓋傳統(tǒng)塑料地膜可以通過調節(jié)土壤水熱狀況增強微生物活性。生物降解地膜兼顧了傳統(tǒng)塑料地膜保溫保墑的特性，結合其對土壤呼吸速率的增強趨勢，其可能對土壤微生物活性產生促進作用，因此有必要開展長期試驗驗證覆蓋生物降解地膜對土壤呼吸的影響。

圖1 不同覆膜處理下春秋兩季的土壤微生物生物量碳氮含量Figure 1 Soil microbial biomass carbon（MBC）and nitrogen（MBN）under different mulching treatments in spring and autumn

圖2 不同覆膜處理下春季土壤呼吸速率及總累計呼吸量Figure 2 Soil respiration rate and total cumulative respiration under different mulching treatments in spring

表3 不同覆膜處理春秋兩季的土壤水解酶活性（μmol·g-1·h-1）Table 3 Soil hydrolytic enzyme activities under different mulching treatments in spring and autumn（μmol·g-1·h-1）

3.3 覆膜對土壤微生物群落結構的影響

不同顏色地膜覆蓋處理對土壤總磷脂脂肪酸含量和微生物群落結構無顯著影響（表4、圖3）。本課題組前期的研究表明，透明地膜和黑色地膜的地溫只在玉米生長前期比不覆膜田塊高4 ℃左右，且透明地膜的增溫效果更明顯。而在玉米生長中后期，郁閉度的提高嚴重削弱了透明地膜、黑色地膜相對于不覆膜地塊的增溫效果。因此，生長后期的作物對土壤溫度的調控有可能是地膜顏色對土壤微生物群落結構影響微弱的原因。

圖3 不同覆膜處理下春秋兩季的土壤不同微生物群落結構Figure 3 Soil microbial community structure under different mulching treatments in spring and autumn

覆蓋生物降解地膜也沒有改變除海城春季土壤放線菌外的微生物群落結構，這可能是因為當季覆膜量只有約140 kg·hm，短期內土壤中無大量殘膜積累，沒有產生對土壤微生物群落結構的遺留效應。與本研究結果相似，MUROI 等通過室內微宇宙試驗發(fā)現(xiàn)，以0.6%質量比例添加PBAT地膜無法改變土壤微生物群落結構。近期研究發(fā)現(xiàn)，添加地膜雖然不改變土壤整體的微生物群落結構，但有可能改變塑料際相關微生物群落結構和相關基因豐度。ZHOU 等向土壤中添加聚羥基脂肪酸酯（PHA）后，發(fā)現(xiàn)塑料際的微生物活性增強，特定微生物（酸桿菌門和疣狀菌門）的相對豐度也隨之增加。這些研究表明塑料際微生物群落的改變有助于揭示更具體的生物降解地膜降解和土壤響應的微觀機制，未來研究要結合高通量測序等手段進一步獲取更為全面的土壤微生物群落信息。

本試驗中，海城年均溫及年降水量、土壤有機質等均高于阜新，其環(huán)境更有利于微生物生長，故其總磷脂脂肪酸豐度也相對較高（表4）。同時，結合主成分分析結果（圖4）共同說明，季節(jié)和空間因素是影響土壤微生物群落結構的重要因素，這意味著未來的研究應在關注地膜效應的同時注意時空效應對土壤微生物群落結構的影響。

圖4 土壤微生物群落主成分分析Figure 4 PCA analysis for soil microbial community

4 結論

（1）生物降解地膜覆蓋兩年未顯著改變土壤可溶性有機碳、酶活性、微生物生物量碳、氮及微生物群落結構，但覆蓋生物降解地膜處理下土壤呼吸強度有增強的趨勢。

（2）季節(jié)及空間因素在土壤健康變化中可能更為重要，在評價生物降解地膜效用時應予以關注。

（3）由于生物降解地膜可為微生物提供碳源（雖然微弱），長期使用生物降解地膜可能會影響土壤微生物豐度和群落。因此，需要通過長期定位試驗進一步評估覆膜對土壤微生物的影響。