盐碱土中盐度、微塑料与微生物群落组装及功能潜力的关联

《Journal of Hazardous Materials》：Associations of Salinity and Microplastics with Microbial Community Assembly and Functional Potential in Saline-Alkali Soils

　　

摘要：土壤盐渍化和微塑料（MP）污染是盐碱生态系统面临的重要压力，但它们沿自然盐度梯度的分布与土壤微生物群落之间的关系尚不清楚。我们利用 MP 表征和高通量测序技术，调查了青海省的低盐度（LS）、中盐度（MS）和高盐度（HS）土壤。MS 位点的 MP 丰度最高（12,660 个/kg），相比之下 LS 为（7,395 个/kg），HS 为（4,660 个/kg），表明这是一种非单调模式。细菌群落组成在盐度组间存在显著差异（ANOSIM, R = 0.7193, P = 0.006），而真菌群落则没有（R = 0.0288, P = 0.391）。细菌群落组装在 LS 条件下主要受确定性过程主导，在 MS 条件下转变为随机性过程主导，在 HS 条件下确定性过程再次增加；真菌群落则主要受确定性过程主导。总土壤盐度和 MP 丰度是与微生物群落变化关联最密切的变量之一。预测的功能概况总体稳定，尽管有几项功能表现出细菌和真菌趋势的对比。这些发现突出了细菌和真菌的不同反应，并支持在盐碱农田中进行针对性的 MP 监测和源头控制。

引言：全球陆地生态系统正面临气候变化和人类活动日益增加的压力，土壤盐渍化已成为 21 世纪的主要环境挑战之一 [1]。根据联合国粮农组织（FAO）的数据，全球约有 13.81 亿公顷土壤受盐碱化影响，占全球陆地面积的近 10% [2]。盐渍土通常具有高盐度、高碱性和营养失衡的特征。通过渗透胁迫和离子毒性，这些条件会改变土壤理化性质，进而影响微生物群落及其介导的生物地球化学过程 [3]，[4]。土壤盐渍化可以使用总可溶性盐（TS）和电导率（EC）等指标进行表征，这些指标在区域间的连续盐度梯度上有所不同。实地调查显示，土壤盐浓度跨度很大。例如，在中国西北干旱内陆地区宁夏平原，已报道的总土壤盐度范围为 0.72 至 231.17 g/kg [5]。由于土壤性质、盐分组成、水文条件和分析方法的差异，不同区域的土壤盐度数值尺度可能有所不同。以往研究表明，盐度可以显著影响土壤微生物多样性、群落组成和生态功能，导致不同盐度水平下微生物反应的不同（[6]；Zhang G et al., 2024）。

土壤微生物对盐胁迫的反应受微生物类群和环境条件的强烈影响，群落多样性、组成、组装和代谢功能的变化可能随土壤性质和盐度范围而异 [7]，[8]。Wang 等人 [9] 发现，土壤盐度增加会降低微生物群落复杂性，而 Ji 等人 [10] 报道在盐胁迫下微生物群落复杂性高于无盐胁迫土壤。这种对比表明，微生物对盐度的反应可能共同取决于土壤性质、盐度范围和微生物类群。与无盐胁迫土壤相比，盐碱土壤通常具有不同组成的微生物群落，并表现出嗜盐类群和高盐耐受类群的选择性富集。由于细胞结构、生理耐受性和资源利用策略的差异，细菌和真菌对盐度的反应可能不同，同时它们的反应也受土壤理化性质、植被和其他环境条件的塑造。因此，长期盐度过滤可能促成了盐碱土壤中具有不同组成和适应特征的微生物群落 [1]，[11]。除了对群落组成的影响外，盐度可能通过环境过滤影响微生物群落组装。随着盐度的变化，环境选择的强度以及确定性和随机性过程的相对贡献也可能发生变化 [12]，[13]。盐胁迫还可以诱导微生物参与渗透调节、活性氧解毒和 DNA 修复的途径，从而有助于维持细胞稳态 [14]，[15]。因此，从群落组成、组装过程和潜在功能等多个角度检查微生物对盐度梯度的反应，可以提供对盐碱土壤中微生物反应更全面的理解。

近年来，作为新兴持久性污染物的 MP 也在盐碱土壤环境中被广泛检出 [16]，[17]。在陆地和盐碱土壤相关生态系统中报道的 MP 包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯和聚氯乙烯，主要形式为碎片、纤维、薄膜和颗粒。由于污染源、粒径检测限和分析方法的差异，其报道的丰度在不同区域和土地利用类型间变化很大。例如，据报道农业土壤中的 MP 丰度范围约为 210 至 2,000 个/kg，其中 PE 和 PP 常被鉴定为优势聚合物 [18]。在青藏高原东北部的青海草地土壤中，MP 含量为 1,125–1,329 个/kg，平均丰度为 1,202 个/kg；PET 是优势聚合物，颗粒是主要形态 [19]。盐碱土壤的实验研究还主要关注 PE 和 PP，因为它们广泛用于农业且具有持久性 [17]。它们的丰度和组成可能随土地利用、农业管理和区域环境条件而变化。因此，田间盐度梯度上 MP 丰度的变化也可能反映土地利用和管理的差异，特别是当这些因素与盐度共变时。盐度也可能影响 MP 在土壤中的运输和分布 [20]，表明天然盐碱土壤中 MP 的发生与多种环境因素有关，而不仅仅是盐度。

一旦存在于盐碱土壤中，MP 可能通过其表面性质和比表面积与盐离子相互作用，从而改变土壤电导率、离子条件和营养可用性，进而改变微生物经历的盐度胁迫和资源环境。实验研究表明，PE、PP 和聚乳酸 MP 可以降低土壤电导率并改变有效营养池，包括无机氮，从而导致微生物多样性和群落组成的相应变化 [17]，[21]。此外，MP 可能改变土壤营养状况和 C:N:P 化学计量比，从而影响微生物相互作用以及土壤、微生物和植物之间的关系，最终改变微生物相互作用网络和群落组装过程 [22]。因此，MP 在盐碱土壤中的微生物效应不仅取决于聚合物类型、粒径和剂量，还取决于背景盐度及相关的环境过滤强度。

尽管盐度和 MP 对土壤微生物群落的影响已受到广泛关注，且近期研究开始考察盐碱土壤中的 MP 污染、微生物群落变化和潜在功能反应，但目前的知识主要来源于受控实验、污染效应研究和土壤修复研究。考察天然盐碱土壤中 MP 实际分布及其与盐度梯度、微生物群落组成和组装过程关系的实地研究仍然有限。这些知识缺口在青海的高原内陆盐碱生态系统中尤为明显，那里不同盐度水平下的 MP 污染特征和微生物反应仍知之甚少。

因此，本研究调查了中国青海省典型的内陆盐碱土壤，选择了代表相对较低盐度（LS）、中盐度（MS）和高盐度（HS）条件的位点。系统评估了土壤 MP 污染特征，并利用高通量测序表征了细菌和真菌群落组成、组装过程和预测功能潜力。具体而言，本研究旨在：（1）表征盐度水平间土壤 MP 分布和微生物群落组成的变化，并考察盐度、MP 和微生物群落变化之间的关系；（2）比较盐度水平间确定性和随机性过程对微生物群落组装的相对贡献；（3）比较功能相关细菌和真菌类群的分布以及盐度水平间预测功能潜力的变化。通过检查田间盐度梯度，本研究为理解青海内陆盐碱土壤中盐度、MP 分布和微生物群落变化之间的关联提供了基于实地的证据。

章节片段

研究区域与土壤采样

本研究在中国青海省典型的盐碱区进行。基于初步实地调查和测量的总可溶性盐（TS），选择了代表 LS、MS 和 HS 条件的采样点。LS 位点是长期用于牧草生产的草地，MS 位点是种植枸杞的农田，HS 位点是长期未利用的荒地。采样点的位置和三种代表性景观

盐碱土壤的理化性质与微塑料分布

如图 2c 所示，LS、MS 和 HS 位点的 TS 含量分别为 0.79 ± 0.34、6.25 ± 1.48 和 17.80 ± 0.81 g/kg，三种盐度水平间存在显著差异（P < 0.05）。土壤 EC 随 TS 一致增加（图 2b），与以往发现一致 [33]，表明 EC 的变化可用于评估土壤盐度 [34]。在本研究中，SOM 随盐度增加呈增加趋势，尽管盐度水平间的差异

结论

MP 丰度在调查的盐度组间表现出非单调模式，在 MS 农业位点观察到最高丰度。与真菌群落相比，细菌群落在调查的田间梯度上表现出更强得多的组成分化。细菌群落组装在 LS 条件下从主要受确定性过程主导转变为 MS 条件下主要受随机性过程主导，而在...的贡献中

未引用参考文献

[65]

CRediT 作者贡献声明

胡文（Wen Hu）：监督、软件、资源。丁彩丹（Caidan Ding）：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、软件、形式分析、数据整理。张振明（Zhenming Zhang）：写作 – 审阅与编辑、验证、监督、软件。何林峰（Linfeng He）：方法论、形式分析。闫秋肖（Qiuxiao Yan）：监督、项目管理。杨秀远（Xiuyuan Yang）：资源、项目管理。莫冠海（Guanhai Mo）：验证、方法论。

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究获得了贵州省百层次创新项目（GCC [2023] 062）、贵州省科技创新人才团队（CXTD [2025] 058）、中国博士后科学基金会区域专项支持计划（证书号：2025MD784102）和贵州省科技计划（批准号：MS[2026]391）的资助。

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争利益或个人关系，这些具有或可能

丁彩丹 | 胡文 | 杨秀远 | 莫冠海 | 何林峰 | 闫秋肖 | 张振明

贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025，中国