《Diversity》：Ecological Impacts of Photovoltaic Infrastructure Construction on Coastal Salt Pan Ecosystems: A Case Study of Microbial Communities in the Tianjin’s “Salt–Solar–Fishery Synergy” System
Haoran Ma,
Yuqing Wang,
Xinlu Zhang,
Yong Dou,
Xingliang Xu,
Wenli Zhou and
Hao Wu
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本文以天津“盐-渔-光”互补系统为例，聚焦光伏（PV）设施建设对滨海盐田湿地底泥微生物群落结构、多样性（α与β多样性）和功能承载体的生态影响。通过季节性（2024年4、7、9月）采样与多维度统计分析（如NMDS、聚类热图），揭示了PV设施主要通过遮蔽效应调节水温、盐度和溶解氧（DO），从而显著影响微生物在门、属水平上的群落组成模式（如促进Desulfobacterota等优势类群的同质化），而对α多样性（Shannon-Wiener, Chao1指数）的直接影响不显著，其变化更多由养殖类型（如南美白对虾养殖输入外源营养）主导。研究强调了在“双碳”目标下评估“渔光互补”模式生态效应的必要性，为滨海湿地生态系统的可持续管理提供了微生物学视角的实证依据。
1. 引言
盐田，亦称盐沼或盐池，是兼具自然盐沼生态功能与人类活动影响的重要人工湿地。其生态系统内繁衍着不同的生物群落，而微生物（包括细菌、古菌、真菌等）是其中的基础，在物质循环、能量流动及生物修复中扮演着关键角色。天津盐田毗邻渤海湾，近年来，在推进“双碳”（碳达峰、碳中和）目标的背景下，“渔-光互补”模式，即整合太阳能发电与盐田生产（制盐、水产养殖），得到了广泛推广。然而，大规模光伏（PV）设施的建设通过遮挡阳光、改变局部小气候、调节水分蒸发等方式，对具有独特生态价值的盐田湿地生态系统产生了复杂影响。目前，关于PV设施对盐田生态系统，特别是对初级生产者和关键环境因子的综合影响的系统性野外研究仍较为缺乏。本研究以天津盐田区四个典型池塘的底泥为对象，旨在阐明在PV设施扰动下，底泥微生物群落的组成、多样性和优势类群的响应规律，揭示PV建设对盐田湿地核心生态功能载体的影响机制。
2. 材料与方法
研究于2024年4月、7月和9月，在天津长芦海晶集团所属盐田的四个典型池塘进行采样。四个池塘基本情况如下：Pond 1（PV+，卤虫养殖区）、Pond 2（PV-，南美白对虾养殖区）、Pond 3（PV+，南美白对虾养殖区）、Pond 4（PV-，卤虫养殖区）。在每个池塘内设立特定采样点（如池中心、进出水口、水深极端处、上/下风向代表性位置）。样品为池塘沉积物（0-10 cm富集层），采集后严格进行无菌处理，并于-80°C保存。通过CTAB或SDS法提取基因组DNA，使用针对16S rRNA基因V4区等引物进行PCR扩增，并在Illumina平台上进行测序。对原始测序数据进行质控、去噪、聚类生成扩增子序列变体（ASVs），并进行物种分类学注释。数据分析包括Alpha多样性指数（Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Chao1指数）统计、Beta多样性分析（基于UniFrac距离的非度量多维标度，NMDS）、门水平堆叠条形图以及属水平物种丰度聚类热图分析。同时，记录了各采样点的水温、盐度和溶解氧（DO）数据。
3. 结果
3.1. Alpha多样性指数统计
分析显示，PV设施的存在并未对微生物群落的Alpha多样性产生一致性的负面影响或规律性影响。在三个采样月份中，物种多样性最丰富的区域出现在配备PV设施的南美白对虾养殖塘（Pond 3），其Shannon-Wiener指数和Chao1指数普遍高于其他区域；而多样性最低的区域出现在未配备PV设施的卤虫养殖塘（Pond 4）。然而，比较相同养殖类型但PV设施状况不同的池塘（如Pond 1 vs. Pond 4，Pond 2 vs. Pond 3），其Alpha多样性指数均无显著差异（p> 0.05）。这表明，PV设施的存在与Alpha多样性指数之间没有简单的相关性，而养殖类型（南美白对虾 vs. 卤虫）对多样性具有更主导的影响，这可能与南美白对虾养殖过程中通过残饵和排泄物输入了更多外源营养物质有关。
3.2. Beta多样性分析（非度量多维标度，NMDS）
NMDS分析（应力值均<0.2，表明排序结果可靠）显示，PV设施对微生物在物种和属水平上的群落组成模式具有显著且相对稳定的影响。在三个采样月份中，PV设施区域（Pond 1和Pond 3）的样品在NMDS排序图上倾向于聚集，表明其群落结构具有较高的一致性（尽管Pond 1在4月表现出一定离散性）。相反，非PV区域（Pond 2和Pond 4）的样品则呈现高度分散的状态，表明在无PV干扰下，不同位点间的物种和属组成差异较大。这证实PV设施的存在改变了群落组成的格局，产生了同质化效应。
3.3. 门水平堆叠条形图
堆叠条形图直观展示了不同区域微生物在门水平上的组成差异。在PV设施区域（Pond 1和Pond 3），核心优势菌门（如4月的Bacteroidota、Verrucomicrobiota、Desulfobacterota；7月的Proteobacteria；9月的Proteobacteria、Cyanobacteria、Bacteroidota）的相对丰度在组内变异较小，颜色组成高度一致，反映了PV设施对群落结构的调节作用。与之形成鲜明对比的是，在非PV区域（Pond 2和Pond 4），不仅优势菌门组成不同，且非优势类群（如Actinobacteriota、Chloroflexota、Spirochaetota）的比例显著升高（局部超过15%），堆叠条形图颜色分散，优势类群比例波动大，体现了无PV干扰下微生物群落的自然分布特征。
3.4. 属水平丰度聚类热图
聚类热图分析揭示了采样站点与微生物属之间聚类关系的季节性变化。4月、7月、9月分别形成了不同数量和构成的站点聚类，且拥有高丰度属的站点在空间上分布不均，无固定模式。在优势属方面，Desulfotignum是唯一一个在三种月份、两种区域类型（PV+和PV-）中均存在的核心优势属。而其他优势属的分布则显著受到PV建设的影响：例如，ArthrospiraPCC-7345、Desulfobacter、unidentified_Marinilabiliaceae等在PV区域更常见或更占优势；而Sulfurovum、Thiohalophilus等则与非PV区域关联更紧密。PV设施通过改变环境，对微生物属产生了选择压力。
3.5. 水温、盐度和溶解氧
数据分析表明，PV设施对研究盐田生态系统的水温无统计意义上的显著影响，但对水盐度和溶解氧（DO）具有明显的调节作用。这种调节主要源于光伏板的遮蔽效应。在盐度方面，PV遮蔽有效降低了盐田水体的表面蒸发速率，从而减缓了水体中盐分的累积，并减弱了盐度的季节性波动幅度。在DO方面，PV设施通过改变水生藻类的生长繁殖以及水面气-水交换效率，引发了明显的季节性差异：在低温季节，PV遮蔽抑制藻类过度增殖，减少了藻类分解的耗氧；在高温季节，则限制了藻类的光合产氧，从而对DO水平产生了依季节而异的双重影响。
4. 讨论
4.1. 光伏（PV）建设与Alpha多样性指数的相关性
本研究中，PV建设并未对微生物Alpha多样性产生一致的调节效应。Alpha多样性的变化主要受养殖物种类型驱动，南美白对虾养殖塘因外源营养输入（残饵、排泄物）更丰富，能支持更多异养微生物，从而表现出比卤虫养殖塘更高的微生物多样性。这与一些在干旱生态系统中关于PV降低土壤微生物多样性的研究结论不同，凸显了盐田生态系统及其内部养殖活动的特殊性，其强烈的环境因子（如盐度、有机质）和生物活动可能掩盖了PV设施对Alpha多样性的直接影响。
4.2. 光伏（PV）建设与Beta多样性分析中非度量多维标度（NMDS）的相关性
NMDS分析表明，PV建设显著影响了微生物属水平的群落组成模式，且这种效应具有时间稳定性。PV设施通过改变地表光照、温度、湿度等条件，使得区域内物种趋向于同质化，在NMDS排序上表现为聚集。而非PV区域由于环境条件更复杂，物种适应性更高，导致微生物属组成变异更大。这为评估PV设施的长期生态影响提供了新的视角。
4.3. 光伏（PV）设施与微生物菌门的相关性
PV设施通过对光照、温度、水分等环境因子的改变，对微生物菌门产生了选择压力。例如，Desulfobacterota对PV覆盖环境表现出更强的适应性，而在自然条件下Bacteroidota等更具优势。PV设施均质化了局部环境，仅有利于少数适应性类群生存，从而可能导致整体多样性的降低，这体现在PV区域群落结构同质性高，而非PV区域类群更丰富、分布更离散。
4.4. 光伏（PV）设施与微生物属的相关性
聚类热图显示微生物属的分布受到PV设施、季节和其他环境因子的综合调控。Desulfotignum作为严格厌氧的硫酸盐还原菌（SRB），其在所有区域和月份的持续存在，证实了沉积物中维持着持续的厌氧微环境，硫酸盐还原过程活跃。其他优势属如Desulfobacter、Sulfurovum等则表现出对PV设施创建的特异性环境的依赖或排斥。unidentified_Marinilabiliaceae在两类区域均有分布但丰度不同，显示其具备适应不同环境条件的能力。PV设施的环境调节效应以季节依赖的方式影响着优势属的组成。
4.5. 光伏设施对水温、盐度和溶解氧的影响
总体而言，PV设施主要通过遮蔽效应调控盐田水体的盐度和溶解氧动态，而对水温的影响不显著。遮蔽降低蒸发，从而减缓盐度升高和波动，有利于维持盐田生态系统稳定。对DO的季节性双重影响（低温季减少耗氧、高温季限制产氧）则与PV改变藻类动态和气-水交换有关。这种调控效应并非恒定，而是受到气候因子季节变化和当地水文条件的综合影响。
5. 结论
本研究通过对比PV设施区与非PV区盐田，明确了PV建设对滨海盐田湿地底泥微生物群落的生态影响。核心结论表明：PV设施的存在与微生物Alpha多样性指数无显著相关性，Alpha多样性主要受养殖类型驱动的生境营养差异主导；PV设施显著影响微生物在属和门水平上的群落组成模式，导致PV区域微生物群落结构同质化，且此效应具有季节稳定性；环境因子方面，PV设施通过遮蔽效应显著调节水体盐度和溶解氧（DO）的季节动态，而对水温影响不大。其中，Desulfotignum作为核心优势属广泛稳定存在，指示了完整的硫循环功能；而其他类群（如ArthrospiraPCC-7345、Sulfurovum）则呈现栖息地特异性聚集。南美白对虾养殖塘（特别是PV+的Pond 3）更高的微生物多样性与外源营养输入有关。综上，微生物与对虾养殖的潜在关联受到PV筛选效应、养殖营养输入、季节动态和水体因子的共同驱动。本研究为“盐-光-渔”复合系统中沉积物微生物资源的利用和对虾养殖优化提供了科学依据，建议未来通过长期监测，进一步探究功能基因与对虾生长的定量关系，以促进滨海养殖的可持续发展。
