编辑推荐：
土壤碳循环微生物及功能基因受可降解与塑料地膜影响研究。通过田间实验比较BM1（PBAT/PLA）、BM2（PBAT/木质素）和PM对土壤微生物群落及功能基因的影响，发现BM1显著提升α多样性（峰值+32%）和促进碳分解基因（如果胶降解基因增幅87.2%），同时抑制甲烷代谢基因。BM2效应较弱，且所有地膜对β多样性有持续性影响。土壤pH、电导率、有效磷和有机碳为关键环境驱动因素。证实可降解地膜通过改变微环境及群落结构调控碳循环过程。
张海云|于书通|吕卫光|王西龙|卢平|张汉林|张娟琴|白娜玲|徐成龙|朱先普|李双喜
上海农业科学院生态环境保护研究所；农业农村部上海农业环境与耕地保护科学观测实验站；农业农村部中国东南部低碳绿色农业重点实验室，上海201403，中国
摘要
本研究通过田间实验，探讨了两种可降解地膜（BM1、BM2）和一种塑料地膜（PM）对土壤碳循环微生物及其功能基因的影响。可降解地膜在一个月后显著增强了碳循环微生物的α多样性（这种效应在第七个月时消失），群落丰富度的最大增幅超过了32%。由不同成分组成的可降解地膜表现出不同的效果。BM1（PBAT/PLA）抑制了与大多数碳固定途径相关的基因，而BM2（PBAT/木质素）则倾向于增强某些途径。BM1显著提高了碳降解基因的表达（例如，果胶降解基因增加了87.2%），并抑制了甲烷代谢基因，而BM2的效果则较弱。共现网络分析显示，覆膜减少了碳循环微生物的多样性和它们之间的相互作用复杂性，同时增强了微生物之间的协同关系。BM1处理使正向微生物相互作用的比例最高达到了63.28%。土壤pH值、电导率（EC）、有效磷（AP）和土壤有机碳（SOC）被确定为影响碳循环微生物群落的关键环境因素。本研究表明，可降解地膜通过改变土壤微环境和微生物群落结构，显著影响碳循环功能基因的表达和土壤碳转化过程。
引言
由于耐用性、柔韧性和成本效益，塑料地膜（PM）主要由聚乙烯制成，在现代农业中被广泛使用。它们对保持土壤湿度、调节温度、控制杂草以及最终提高作物产量具有显著作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，传统PM的低回收率和持久性导致其在农业土壤中积累。随着时间的推移，这些残留物在紫外线辐射和机械风化作用下会分解成微塑料，对土壤结构、养分动态、植物生长和微生物生态系统产生不利影响[7]、[8]、[9]。
为应对这些环境问题，可降解地膜（BM）作为一种有前景的替代品被引入。在最佳条件下，BM设计为能被土壤微生物完全代谢为二氧化碳和水[10]、[11]。然而，在田间条件下，由于温度、湿度和微生物活动的波动，可能会导致降解不完全，从而迅速积累可降解微塑料颗粒（BMP）。这种部分降解引发了对其潜在生态影响的担忧，但目前对此了解尚不充分[12]。
土壤碳循环是全球生物地球化学过程的核心，主要由微生物活动驱动。土壤微生物不仅推动土壤有机碳（SOC）的转化，本身也构成了一个动态的碳库[13]、[14]。地膜覆盖通过复杂机制影响SOC。一些研究表明，覆膜可以增强微生物活性，从而加速SOC矿化并减少碳储量[15]。相反，其他研究指出，覆膜可以通过促进植物生长和增加生物量来减轻碳损失[16]。BMP的引入进一步增加了复杂性；它们可能与土壤矿物质相互作用形成矿物相关有机碳，从而可能增强碳稳定性[17]。或者，BMP可能作为可利用的碳底物，重塑微生物群落结构和代谢功能，从而改变碳周转过程[18]。例如，胡等人[19]发现BMP通过上调与有氧呼吸、碳分解和碳固定相关的基因，显著改变了微生物的代谢谱型。同样，李等人[20]报告称微塑料刺激了三羧酸（TCA）循环基因的表达，促进了SOC分解和CO?排放。
尽管现有研究已经开始探索可降解地膜对土壤碳库的影响，但大多数研究集中在总体碳指标或整个微生物群落的一般变化上。关于关键碳循环微生物对BM应用的功能响应，尤其是在实际田间条件下的响应，仍存在重要的知识空白。涉及BMP改良的实验室研究可能无法充分捕捉农业土壤中发生的多因素相互作用。因此，本研究进行了基于田间的实验，以探讨不同类型地膜（包括可降解和传统塑料地膜）如何影响土壤物理化学性质、碳循环微生物的丰度和组成以及相关功能基因的表达。通过分析土壤、功能微生物和基因之间的相关性，本研究旨在阐明BM调节土壤碳循环的机制，从而为其可持续性提供科学依据。
实验与采样
本研究中评估的地膜包括两种可降解黑色地膜：BM1（PBAT/PLA/其他成分=80:8:12）和BM2（PBAT/木质素/其他成分=66:20:14），以及一种黑色聚乙烯地膜（PM）。BM1和BM2的其他成分包括塑料添加剂、淀粉以及碳酸钙和着色剂等无机材料。BM1购自上海盛固光电科技有限公司，BM2购自上海长发新材料有限公司。
BM对土壤碳循环微生物的α多样性有短暂增强作用，但对β多样性和功能基因有持久影响
覆膜对土壤碳循环微生物群落α多样性的影响主要取决于覆膜的时间长度。如表1所示，在覆膜土壤中，微生物群落的丰富度和多样性在一个月后显著增加。具体来说，BM2处理下的群落丰富度最高，而BM1处理下的多样性最高。然而，在第七个月时，覆膜土壤的丰富度和多样性与对照组没有显著差异。
BM对碳循环微生物群落的影响
由于土壤微生物对环境变化的高度敏感性[21]，塑料覆膜可以通过改变土壤水热条件，显著改变土壤碳循环微生物的群落结构和功能潜力。然而，随着覆膜时间的延长，薄膜的热保持和水分保持能力逐渐下降，导致其整体覆膜效果减弱。因此，在本研究中，微生物群落的丰富度和多样性也随之减少。
结论
可降解地膜（BM）在应用初期显著增强了参与碳循环的土壤微生物群落的多样性和丰富度。这些变化随时间减弱，表明BM对微生物群落的影响具有时间依赖性。更重要的是，由不同成分组成的BM表现出不同的降解行为和对碳循环功能基因的不同调节作用。BM1（PBAT/PLA）的效果最强，因为它增强了相关基因的表达。
环境影响
可降解地膜（BM）在农业中得到广泛应用，但它们对碳循环微生物和功能基因的影响尚不清楚。我们发现，BM最初增强了微生物多样性，并上调了分解有机物的基因，同时抑制了碳固定和甲烷代谢。这种短期内的土壤碳循环变化是由土壤性质和微生物群落的变化介导的，这突显了一个权衡问题。因此，在评估BM的碳足迹时必须考虑这一点。
CRediT作者贡献声明
卢平：数据整理。吕卫光：资源提供。王西龙：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。朱先普：数据可视化。李双喜：指导。张海云：初稿撰写，资金获取，概念构思。于书通：调查。张汉林：正式分析。张娟琴：验证。白娜玲：项目管理。徐成龙：软件支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42207436）、上海农业科学院农业科技与创新专项计划（Shengkechuang-2023）、中国农业应用技术开发计划（X2022-02-08-00-12-F01121）、上海农业科学院优秀团队计划（Hu-Nong-Ke-Zhuo 2022 (008)）和上海Sailing计划（19YF1443600）的支持。
