长期塑料大棚栽培条件下土壤原生动物群落衰退与功能丧失的驱动因素

《Applied Soil Ecology》：Drivers of soil protist community decline and functional loss under prolonged plastic greenhouse cultivation

　　

摘要

尽管塑料大棚种植（PGC）能显著提高农业生产率，但其对土壤生态系统的长期影响仍未得到充分理解。本研究系统调查了中国河南省周口市经历0至20年塑料大棚种植处理的土壤。将这些大棚土壤与相邻露地土壤进行比较，以评估土壤环境因子的时间变化、原生生物群落动态及综合土壤功能状态指数（CSFSI）。研究结果表明，长期塑料大棚种植与土壤酸化、盐渍化、有机质流失及邻苯二甲酸酯类（PAEs）积累密切相关，其中最为显著的变化发生在前十年内。长期大棚种植导致土壤原生生物α多样性显著下降（例如，Shannon指数降低了45.59%）。原生生物群落结构发生明显变化，触丝藻门（Cercozoa）减少了84.19%。此外，长期大棚种植还与原生生物共现网络复杂度降低相关。统计分析表明，大棚种植年限是与原生生物群落属性变化及CSFSI下降最相关的因素，其综合效应超过本研究中任何单一土壤性质或污染物（如PAEs）的影响。值得注意的是，原生生物共现网络复杂度的变化与CSFSI下降的相关性比对分类多样性变化的相关性更为敏感。综上所述，这些发现揭示了长期塑料大棚种植与土壤生态系统退化之间的潜在联系，为制定针对性的土壤修复和可持续农业管理策略提供了重要参考。

引言

农田土壤是农业生产的基质基础。它为根系提供物理锚定，并通过微生物分解作用供给植物生长所需的养分（如氮、磷、钾）和腐殖质。近几十年来，塑料大棚种植（PGC）因其卓越的增产能力和农产品多样化优势而被广泛应用于全球农业系统中（Song等，2018；Tong等，2024）。然而，长期塑料大棚种植对土壤性质产生多种不利影响（Wei等，2020）。封闭式大棚系统中过度施用化肥与有限的自然淋洗作用相关联，导致氢离子积累，这与土壤pH降低、养分生物有效性下降以及重金属生物活性增强有关（Boonsong等，2025；Fan等，2020）；封闭的微观气候与犁耕层盐分加速积累同时发生，这与根系吸水受损和植物病害易感性增加有关（Sun等，2019）。此外，过度灌溉和过量施肥会退化土壤结构和透水性，而塑料地膜来源的微塑料和邻苯二甲酸酯类（PAEs）则干扰养分循环并进一步降低土壤肥力（Song等，2018；Wang等，2022；Wang等，2024）。PAEs广泛用作农业塑料生产中的增塑剂（Song等，2018）。由于PAEs与聚合物链的结合较弱（例如通过氢键或范德华力），PAEs在使用中易从塑料中释放，并随着塑料施用时间的增加而在土壤中积累（Wang等，2023）。这种PAEs积累构成了塑料大棚种植对土壤健康造成的长期环境压力的重要维度。

土壤微生物是评估土壤健康的关键生物指示因子，它们通过复杂的地下食物网调控核心生物地球化学过程（Lu等，2024；Ma等，2024；Yue等，2021）。土壤原生生物是微生物群落的重要组成成分，在肥沃土壤中其丰度可达每克10⁶个个体，且具有高度的功能多样性。自养型原生生物通过光合作用固定大气碳，而异养捕食型原生生物主要通过吞噬作用以细菌、真菌和其他微生物为食。这种自上而下的营养调控调节微生物群落，并与有机养分的矿化过程相关联（Fang等，2024；Pang等，2025）。作为土壤微生物食物网中的关键捕食者和调节者，捕食型原生生物影响微生物种群动态和代谢活性，并可通过原生生物养分循环加速氮和磷的矿化，从而有助于土壤肥力和生态系统稳定性（Geisen等，2018；Xiong等，2018）。捕食型原生生物对人为污染物表现出显著敏感性，包括重金属和微塑料（Ma等，2024）。在受污染土壤条件下，原生生物群落的组成和多样性变化与微生物共现网络的重构相关联，暗示潜在互作关系发生了转变。这些转变与土壤有机质分解和氮磷转化等关键生物地球化学过程功能改变相关联（Ma等，2024；Wu等，2022）。

土壤同时提供多种生态功能，而非单一功能。因此，使用综合土壤功能状态指数（CSFSI）将增强我们理解和预测土壤生态系统所提供服务及其对环境变化响应的能力（Fanin等，2018；Lefcheck等，2015）。以往关于长期塑料大棚种植影响的研究主要聚焦于土壤理化性质和细菌群落（Song等，2018）。尽管土壤性质和微生物群变化与大棚种植实践相关联，但大棚种植年限、观测到的环境变化、土壤原生生物群落动态及其与CSFSI的综合联系仍未得到系统表征。为弥补这一知识空白，本研究旨在系统评估长期塑料大棚种植（0-20年）对土壤环境因子和原生生物群落的影响。此外，我们利用共现网络分析研究长期大棚种植下原生生物网络连接度和复杂度的变化，并量化原生生物群落属性（包括多样性、组成和网络结构）及环境因子对CSFSI的相对贡献。我们假设长期塑料大棚种植与土壤环境条件变化相关联，这些变化可能与土壤原生生物群落（多样性、组成和网络）的相应结构性变化相关，且这些变化与较低的CSFSI相关联。为验证这一假设，本研究在中国河南省周口市建立了一个塑料大棚种植时间序列，整合了土壤环境因子测量、原生生物群落分析和CSFSI计算。本工作为理解长期集约化农业管理如何影响土壤微生物生态系统及其功能输出提供了见解。

章节摘要

土壤采样与分析

土壤样品采集于中国河南省周口市（北纬33°59'，东经114°33'）。选择了两种典型农业系统以调查塑料大棚种植的长期影响：15个种植历史分别为2年、5年、10年、15年和20年的大棚（编号为S1-S5，每个年限设有三个独立大棚作为生物学重复，代表塑料大棚种植系统），以及三个相邻露地土壤（0年大棚种植历史，编号为S0，代表自然雨养耕作，作为对照组）。所有

长期大棚种植下土壤基本理化性质的变化特征

在本研究中，大棚种植土壤的含水量波动在32.09%左右（对照组土壤为27.31%）（图1a），这可能归因于大棚中更精确的灌溉管理和减少的水蒸发（Song等，2018）。pH值降低（大棚种植组：6.99，对照组：7.57）（图1b），而电导率（EC）值升高（大棚种植组：0.91，对照组：0.51）（图1c）。此外，随着种植年限的增加，这些变化变得更加显著（图1

结论

本研究发现，长期塑料大棚种植与土壤酸化、盐渍化、有机质耗竭、PAEs积累等土壤变化相关，其中最为显著的变化发生在前十年内，突显了这一关键修复窗口期。长期大棚种植与原生生物多样性降低、群落组建改变以及关键类群（如触丝藻门）显著下降相关，表明集约化管理下土壤微生物食物网发生了实质性重构。

CRediT作者贡献声明

王平：撰写—原稿，调查研究，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。王震：数据整理。焦金兰：数据整理。刘珂：数据整理。刘永辉：数据整理。金德才：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由河南省科技计划项目（项目编号：242102321065）、国家自然科学基金（项目编号：42477402）和河南省大学生创新创业训练计划（项目编号：202410478006）资助。

王平|王震|焦金兰|刘珂|刘永辉|金德才

周口师范学院化学与化学工程学院，周口，中国，466001