长期覆膜加剧农田碳磷共限制：从土壤理化性质到微生物互作机制

《Frontiers in Microbiology》：Long-term plastic mulching exacerbates the co-limitation of carbon and phosphorus in farmland by altering physicochemical properties and microbial interactions

本研究通过分析不同覆膜年限（0-15年）玉米田土壤，揭示长期塑料覆膜通过微塑料（MPs）积累改变土壤理化性质（如降低SOC、TN，提升TP、AP）和微生物群落结构（细菌网络合作增强，真菌竞争加剧），进而加剧微生物碳磷共限制的生态风险，为可持续农业（如推广可降解地膜）提供科学依据。

　　

1 引言

塑料覆膜作为20世纪农业生产的关键技术，在提高土壤保温保湿性能、促进作物增产的同时，也导致残留地膜积累和微塑料（MPs）污染。MPs（直径<5 mm）可通过吸附污染物、改变土壤结构及微生物活动影响养分循环。本研究以吉林西部玉米田为对象，探究不同覆膜年限（0、5、10、15年）下MPs丰度、土壤理化性质、微生物群落及养分限制的变化，为评估长期覆膜对土壤健康的潜在风险提供依据。

2 材料与方法

研究区位于吉林乾安试验站（黑钙土，半干旱季风气候），设置不同覆膜年限处理（CK、Y5、Y10、Y15），采集0–20 cm和20–40 cm土层样品。通过显微镜和傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）鉴定MPs的形态、尺寸和聚合物类型；测定土壤水分、pH、电导率（EC）、有机碳（SOC）、全氮（TN）、硝态氮（NO₃^–-N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、全磷（TP）、有效磷（AP）；分析碳（β-1,4-葡萄糖苷酶BG、β-纤维二糖水解酶CBH）、氮（β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶NAG、亮氨酸氨基肽酶LAP）、磷（碱性磷酸酶ALP）获取酶活性，计算酶化学计量向量长度（VL，表征碳限制）和向量角（VA，>45°表示磷限制）；利用16S rRNA和ITS测序解析微生物群落结构，并通过共现网络和结构方程模型（SEM）揭示多因子互作机制。

3 结果

3.1 MPs特征：覆膜年限显著增加MPs丰度（最高达1136 items·kg^–1），以薄膜状为主（占比20–56%），且随年限延长逐渐破碎为0–0.5 mm小颗粒。聚合物以聚乙烯（PE，95.3%）为主，含少量聚丙烯（PP）和聚酯纤维（PET）。

3.2 土壤性质：长期覆膜提升土壤水分和EC，但降低SOC、TN、NO₃^–-N和NH₄⁺-N，同时增加TP和AP。

3.3 酶活性与养分限制：覆膜降低碳氮获取酶活性，提升磷获取酶活性。VA均大于45°（50.6–64.2°），表明微生物始终受磷限制；且随覆膜年限延长，VL和VA同步上升，暗示碳磷共限制加剧。

3.4 微生物响应：细菌多样性及网络复杂性增强（如放线菌门Actinobacteriota丰度上升），菌群合作加强；真菌网络竞争加剧（担子菌门Basidiomycota占比增加），尤其在表层土壤中负相关性显著。

3.5 驱动机制：SEM表明覆膜年限通过MPs积累直接改变土壤性质，间接调控微生物群落，最终加剧代谢层面的碳磷共限制。

4 讨论

MPs积累通过物理屏障、化学吸附及微生物毒性作用破坏土壤结构，加速SOC矿化并干扰磷转化过程，导致养分失衡。细菌通过增强网络协作适应环境压力，而真菌则因资源竞争加剧转向竞争策略。酶化学计量特征进一步证实碳磷共限制是长期覆膜下微生物代谢的主要瓶颈。

5 结论

长期塑料覆膜通过MPs积累加剧土壤碳磷共限制，改变微生物互作模式，威胁农田生态健康。推广可降解地膜是减缓此类风险的重要途径。