连作条件下熏蒸剂导致土壤团聚体稳定性下降的机制

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Mechanisms of fumigant-induced decline in soil aggregate stability under continuous cropping

　　

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  熏蒸会影响某些地区的土壤团聚体和水分保持能力，这取决于土壤类型和熏蒸剂种类。
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  威百亩和氯化苦通过改变微生物和多糖成分来增加微团聚体。
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  二甲基二硫丰富了产多糖的微生物，增强了土壤基质中颗粒间的粘结。
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  熏蒸虽然能抑制病原菌，但不可避免地会对团聚体稳定性产生一定影响；有益微生物有助于土壤恢复。

引言

在设施农业和高附加值农业系统中，连作经常导致土壤退化，包括土壤传播病原菌的积累、微生物群落结构的破坏以及土壤理化性质的恶化（Wang et al., 2024b, Yan et al., 2025）。因此，土壤熏蒸作为一种有效的病害防治管理策略被广泛使用（Ji et al., 2026）。然而，虽然熏蒸剂能有效控制目标病原菌，但它们也可能干扰非目标微生物群落并改变土壤生态功能（Li et al., 2026b）。近年来，熏蒸对土壤生物过程和养分转化的非目标效应受到了越来越多的关注（Wang et al., 2026）。相比之下，熏蒸对土壤结构，特别是土壤团聚体稳定性的影响，目前仍缺乏深入了解。

土壤团聚体是调节孔隙连通性、水分保持、通气性和养分动态的基本结构单元（Tang et al., 2011, Morris et al., 2019）。团聚体粒径分布的变化，特别是向较小颗粒的转变，通常与土壤结构变差和水力学性能下降有关（Regelink et al., 2015, Kravchenko and Guber, 2017）。在安徽省潜山生姜种植土壤的初步实地观察中，威百亩（DZ）和氯化苦（CP）熏蒸伴随着土壤持水能力降低和微团聚体比例升高。这些观察结果表明，除抑制病原菌外，熏蒸还可能影响土壤结构组成。然而，这种团聚体不稳定现象是否在不同土壤和熏蒸剂中普遍存在，或者其响应幅度是否高度依赖于土壤背景和熏蒸剂类型，目前尚不清楚。这种土壤依赖性响应可能源于土壤理化性质，特别是pH值、有机质含量和质地，可以影响熏蒸剂的转化、滞留和持留，从而改变微生物扰动的强度。因此，熏蒸可能对具有不同理化背景的土壤中的微生物介导粘结过程和团聚体稳定性产生不同的影响。

土壤团聚体的形成和稳定依赖于微生物、有机物质和矿物表面之间的协同作用。在这些因素中，微生物过程对短期扰动可能尤为敏感。真菌菌丝可以物理性地包裹土壤颗粒并促进较大团聚体的形成（Leifheit et al., 2014），而微生物胞外聚合物（EPS），特别是胞外多糖，作为重要的有机粘结剂，可以增强颗粒间的内聚力（Spohn and Giani, 2010, Costa et al., 2018, Guhra et al., 2019）。与丛枝菌根真菌相关的球囊霉素相关土壤蛋白（GRSP）也与某些土壤中的团聚体稳定性相关。相比之下，相对稳定的腐殖质组分对短期扰动的响应可能更为缓慢，但它们对于长期团聚体持久性仍然具有重要意义（Ndzelu et al., 2021）。矿物相关因素，特别是铁和铝氧化物，可能通过介导粘土颗粒、有机质和微生物产物之间的相互作用来进一步影响团聚体组成（Tisdall and Oades, 1982, Lin et al., 2022, Guo et al., 2024）。然而，在熏蒸扰动下，这些候选生物因素和矿物相关因素对早期团聚体响应的相对重要性仍未解决。

为解决这一问题，我们结合多地区实地调查与受控培养实验。实地调查用于确定在生产条件下是否能检测到与熏蒸相关的团聚体粒径分布变化。受控培养实验则用于在标准化条件下考察团聚体分布、持水能力和选定粘结相关因素的短期变化。受控实验进一步包括三种具有不同理化背景的土壤：酸性的潜山壤土、近中性的昌平粉粘壤土和碱性的安丘壤土。在表现出显著结构响应的土壤中，进一步考察了可见真菌菌丝网络、微生物丰度、GRSP、胞外多糖、腐殖质组分以及铁/铝氧化物组分。随后，应用随机森林模型识别与熏蒸后团聚体变化相关的重要预测因子，而非推断直接因果关系。此外，还进行了熏蒸后接种长枝木霉（Trichoderma longibrachiatum）的实验，以初步评估150天培养期内有益微生物的修复潜力。

我们提出以下假设：(i) 熏蒸将导致土壤团聚体粒径分布从大团聚体向微团聚体转变，且该响应的幅度取决于土壤性质和熏蒸剂类型；(ii) 在短期熏蒸扰动下，团聚体稳定性的下降主要受微生物介导的粘结过程变化控制，特别是真菌菌丝网络和胞外多糖，而非相对稳定的腐殖质组分的快速改变；(iii) 熏蒸后接种有益真菌将在150天熏蒸后培养期内仅实现团聚体结构的局部恢复。据此，本研究的目的是确定团聚体不稳定化是否为一种与熏蒸相关但具有土壤依赖性的现象，识别短期扰动下与该响应相关的关键生物因素和矿物相关因素，并评估功能性微生物接种在熏蒸后结构修复中的初步潜力。

摘要要点

熏蒸剂

本研究使用以下熏蒸剂：98%威百亩（DZ），由南通世庄化工有限公司（中国南通）提供；99%烯丙基异硫氰酸酯（AITC），购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）；99.5%氯化苦（CP），由大连绿峰化工有限公司（中国大连）供应；99%二甲基二硫（DMDS），购自建鑫化工有限公司（中国浙江临海）。

熏蒸相关团聚体响应的实地调查

本研究由两个互补部分组成：(i) 一

实地熏蒸后土壤团聚体粒径分布的区域差异

在施用不同熏蒸剂后，各地区土壤团聚体粒径分布表现出明显的差异（图1a、b）。在安徽省潜山（壤土），DZ和CP处理均显著增加了微团聚体（<0.25 mm）的比例，分别从对照（CK）的17.08%和16.48%上升至27.38%和19.43%。在云南省文山（粉粘壤土）和海南省陵水（壤土）的DZ处理中也出现了类似的趋势，其中

结论

本研究结合多地点实地调查与实验室受控培养，评估了连作土壤中熏蒸相关的干团聚体粒径分布变化。结果表明，熏蒸并不会普遍改变土壤团聚体结构；相反，其响应幅度强烈依赖于土壤背景和熏蒸剂类型。在受控条件下，安徽省潜山壤土最为敏感，威百亩（DZ）和

作者贡献声明（CRediT）

王新（Xin Wang）：撰写——初稿。张伟（Wei Zhang）：概念构思。刘雪梅（Xuemei Liu）：数据管理。陈新华（Xinhua Chen）：调查研究。王宏宇（Hongyu Wang）：实验方法。郭爱民（Anmin Guo）：软件。闫东东（Dongdong Yan）：形式分析。方文生（Wensheng Fang）：验证、软件。李媛（Yuan Li）：软件。曹傲成（Aocheng Cao）：资源。王晓霞（Qiuxia Wang）：撰写——审稿与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能被认为影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（32372607）资助。

Xin Wang|Wei Zhang|Xuemei Liu|Xinhua Chen|Hongyu Wang|Anmin Guo|Dongdong Yan|Wensheng Fang|Yuan Li|Aocheng Cao|Qiuxia Wang