摘要
东北黑土区土壤有机质含量高，土地肥沃，有利于作物生长，是我国最重要的商品粮生产基地。近年来，伴随着工业的发展及塑料农膜的普遍使用，邻苯二甲酸酯(Phthalate esters，PAEs)化合物作为增塑剂广泛应用于设施农业生产中，PAEs不断输入并在土壤中累积，最终导致包括东北黑土区在内的农田生态系统出现了一系列污染问题。土壤碳循环是生物地球化学循环中最重要、最复杂的代谢过程之一，碳代谢作为土壤碳循环的重要组成部分在有机碳的循环和固定中起着重要的作用。因此本试验通过研究黑土土壤碳代谢应答过程探究有机污染物PAEs对设施黑土土壤生态系统碳循环的影响，进而了解PAEs污染对农业设施黑土质量的效应机制。 本试验选取东北黑土地区9个典型农业设施土壤地块（嫩江、海伦、哈尔滨、尚志、牡丹江、松原、长春、四平、昌图）为研究对象，通过Biolog Eco平板、宏基因组及qPCR技术研究了碳代谢通路、碳代谢功能基因及相关土壤微生物群落结构和组成，分析了土壤中地理坐标、环境因子和PAEs污染水平与碳代谢功能基因及微生物群落间的相关性。得到的主要结论如下: (1)9个典型设施农业区域土壤的碳素指标含量存在显著差异(P＜0.05)。土壤全碳(TC)和可溶性有机碳(DOC)含量在ST2（海伦）最高，ST3（哈尔滨）最低。TC含量范围5.57～20.44g·kg-1，DOC含量范围为94.40～174.20mg·kg-1。总有机碳(TOC)含量范围为14.31～28.28g·kg-1，ST2（海伦）地区含量最高，ST3（哈尔滨）、ST6（松原）和ST7（长春）地区含量最低且无显著差异。微生物量碳(SMBC)含量范围为180.70～237.63mg·kg-1，ST2（海伦）、ST8（四平）和ST9（昌图）的含量较高，而ST3（哈尔滨）和ST6（松原）地区的SMBC含量较低。四项碳指标与土壤中PAEs污染浓度水平表现为负相关，均随着土壤PAEs污染含量增加而降低。 (2)9个研究区的碳相关酶活性存在差异(P＜0.05)。蔗糖酶和淀粉酶二者酶活性均在ST2（海伦）地区最高，ST3（哈尔滨）地区最低。蔗糖酶活性范围为15.64～87.06mg·g-1·h-1;淀粉酶活性范围为0.193～0.289mg·g-1·h-1;纤维素酶活性范围为0.269～1.145mg·g-1·h-1，ST2（海伦）活性最高且与ST9(昌图）差异不显著，ST6（松原）和ST1（嫩江）、ST3（哈尔滨）的酶活性最低;各个研究区β-葡糖苷酶活性水平表现与纤维素酶活性趋势相似，ST6（松原）酶活性最低，为0.016mg·g-1·h-1，ST2酶活性最高为0.025mg·g-1·h-1。土壤蔗糖酶、纤维素酶、淀粉酶、β-葡糖苷酶活性与TOC、DOC、SMBC三种碳指标显著相关。PAEs浓度与土壤蔗糖酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶表现为显著负相关。 (3)PAEs污染水平影响土壤微生物群落的功能多样性，ST6（松原）地区的微生物群落功能的丰富度、优势度和均匀度指数最低;ST5（牡丹江）则显著高于其他地区。土壤PAEs污染水平与土壤微生物群落的McIntosh指数(r2=0.53，P＜0.05)、Shannon指数(r2=0.47，P＜0.05)、Simpson指数(r2=0.43，P＜0.05)显著负相关，而与Pileou指数相关程度较低;PAEs污染对氨基酸类、胺类和羧酸类微生物可利用碳源影响较大;四种优势PAEs污染物中DEHP的含量对碳源利用率的影响最为显著(P＜0.05)。 (4)污染物PAEs是影响土壤碳代谢基因表达和CAZy家族基因表达的重要因素。结果表明DEHP作为主要优势PAEs与KEGG数据库碳代谢基因呈显著负相关(r=-0.571，P＜0.05);DEHP作为优势PAEs污染物与CAZy基因丰度负相关(r=0.48，P＜0.05)。东北黑土区设施农业土壤共检测出43个门，其中参与碳代谢的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、蓝菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和古菌门(Euryarchaeota)。VPA分析结果表明影响碳循环相关的微生物菌群功能的主要驱动因子包括地理坐标和土壤环境因子及PAEs污染，污染因子PAEs胁迫影响最大，贡献水平达到19.93％。 (5)设施农田土壤碳代谢室内模拟试验发现，四项基础碳素指标中受DEHP胁迫影响较为明显的是DOC和SMBC，且与DEHP胁迫存在明显的剂量效应关系。DEHP胁迫条件下土壤呼吸强度随着培养时间的延长呈先升高后减弱趋势，培养后期DEHP胁迫对土壤呼吸表现为抑制作用。土壤碳代谢作用相关的土壤蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶、β-葡糖苷酶活性在DEHP胁迫下发生不同程度的改变。其中淀粉酶活性无论在任何浓度DEHP胁迫下都表现为促进作用;蔗糖酶和纤维素酶活性表现为低浓度胁迫(5mg·kg-1、10mg·kg-1、20mg·kg-1)下无明显变化，高浓度胁迫(50mg·kg-1、100mg·kg-1)抑制;所有浓度梯度DEHP浓度条件均对β-葡糖苷酶活性表现为抑制作用，且具有剂量效应关系。DEHP胁迫对土壤碳代谢相关基因丰度具有显著影响。碳固定基因cbbM和cbbL相对丰度在高浓度条件下表达丰度受到明显抑制，在低DEHP浓度胁迫条件下，DEHP浓度为5mg·kg-1和10mg·kg-1时无显著变化，但DEHP胁迫浓度为20mg·kg-1时这两种基因丰度显著上调;甲烷代谢基因pmoA的相对表达丰度在不同浓度的DEHP胁迫下始终受到抑制，50mg·kg-1DEHP处理组基因丰度最低，平均丰度为1.383×105·g-1.土壤;代表β-葡糖苷酶降解活性的β-glu基因丰度在受到DEHP胁迫条件为5mg·kg-1时无明显变化，其余条件下表现为低浓度(10mg·kg-1、20mg·kg-1)促进高浓度(50mg·kg-1、100mg·kg-1)抑制的变化趋势。
NETL