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添加生物炭改善菜地土壤氨氧化细菌群落并提高净硝化率

王先芳 任天志 智燕彩 张贵龙 李洁 王知文

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添加生物炭改善菜地土壤氨氧化细菌群落并提高净硝化率

    作者简介: 王先芳 E-mail:wxfde163yx@163.com;
    通讯作者: 任天志, E-mail:rentianzhi@caas.cn ; 李洁, E-mail:lijie@caas.cn
  • 基金项目: 中国农业科学院科技创新工程;国家重点研发计划课题(2018YFD0800404);国家自然科学基金项目(41571292)。

Biochar application improves ammonia oxidation microbial community and increases net nitrification in vegetable soils

    Corresponding author: REN Tian-zhi, E-mail:rentianzhi@caas.cn ;LI Jie, E-mail:lijie@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,对氮循环有着重要影响。本研究通过分析生物炭输入下土壤氨氧化微生物群落的变化,揭示其影响土壤硝化作用的生物学机制。  【方法】  以华北潮土区设施菜地土壤为对象,设置生物炭梯度 (C0、C0.5、C1.5、C4.0) 土壤培养试验,结合PCR和T-RFLP等分析技术,观测生物炭输入下土壤氨氧化细菌群落变化动态,解析生物炭、土壤硝化作用与氨氧化细菌群落之间的关系。  【结果】  添加生物炭明显改变了土壤氨氧化微生物群落结构及氮素硝化过程。与未添加生物炭处理相比,生物炭添加处理培养前期土壤氨氧化细菌群落Shannon、Evenness指数分别升高5.4%~18.8%、26.2%~33.8%,后期Shannon指数降低20.7%~34.2%。生物炭输入对AOA群落没有明显影响,AOB群落256、58 bp代表物种丰度分别增加61.4%~56.0%、60.6%~78.6%,488 bp代表物种丰度降低22.8%~26.9%。21 bp代表物种丰度前期增加后期降低,与491 bp代表物种丰度变化相反。添加生物炭土壤AOB amoA基因丰度增加48.9%~53.2%。土壤NO3-N含量提高1.7%~25.6%,NH4+-N含量下降13.4%~31.1%,土壤净硝化速率提高21.8%~70.2%。  【结论】  生物炭的输入可以改善以AOB为主的土壤氨氧化微生物群落结构,提高amoA酶活性,但是对氨氧化古菌微生物群落结构未产生明显影响。因此,生物炭提高土壤净硝化速率的作用与其对土壤氨氧化细菌群落和组成的影响密切相关。
  • 图 1  生物炭处理下土壤AOB和AOA的限制性酶切片段相对丰度

    Figure 1.  Average relative abundance of AOB and AOA T-RFs in soils applied with biochar

    图 2  生物炭处理土壤在不同培养天数AOA和AOB的amoA基因拷贝数

    Figure 2.  amoA gene copies of AOA and AOB in soils applied with biochar at different incubation days

    图 3  生物炭处理下土壤NH4+-N和NO3-N浓度随培养天数的变化

    Figure 3.  Dynamics of soil NO3-N and NH4+-N concentrations under differnt biochar treatments with incubation days

    图 4  生物炭处理下土壤净硝化速率随培养时间的变化

    Figure 4.  Changes of net nitrification rates in soils applied with biochar with incubation days

    表 1  生物炭的组分分析和化学性质

    Table 1.  Basic properties of peanut shell biochar and mass fraction of surface elements

    pHNH4+-N (mg/kg)CEC (cmol/k)SSA (m2/g)孔隙度 Porosity (nm)灰分 (%) Ash挥发分 (%) Volatile matter固定碳 Fixed C (%)
    7.920.8340.519.360.893.000.6696.3
    相对原子比Relative atomic ratio (%)
    CHOSPMgClKCa
    80.740.9815.430.070.180.480.340.81.05
    注(Note):SSA—比表面积 Specific surface area; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity
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    表 2  qPCR引物和反应条件

    Table 2.  qPCR primers and reaction conditions

    目标基因
    Target gene
    引物
    Primer
    序列(5′–3′)
    Sequence (5′-3′)
    退火温度 (℃)
    Annealing temperature
    产物片段[26] (bp)
    Product fragmentsize
    氨氧化细菌amoA (AOB)amoA-1FGGGGTTTCTACTGGTGGT56491
    amoA-2RCCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC
    氨氧化古菌amoA (AOA)Arch-amoAFSTAATGGTCTGGCTTAGACG55629
    Arch-amoARGCGGCCATCCATCTGTATGT
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    表 3  培养0和90天时AOA和AOB的Shannon指数和Evenness指数

    Table 3.  Shannon and evenness index of soil AOA and AOB at incubation of 0 and 90 days

    培养天数 (d) Incubation dayAOAAOB
    C0C0.5C1.5C4.0C0C0.5C1.5C4.0
    Shannon
    00.76 ± 0.23 a0.81+0.09 a0.77 ± 0.19 a0.84 ± 0.16 a1.28 ± 0.56 c 1.49 ± 0.07 ab1.52 ± 0.08 a1.35 ± 0.01 b
    901.08 ± 0.26 a1.08 ± 0.03 a0.95 ± 0.05 a1.04 ± 0.02 a2.66 ± 0.04 a 2.11 ± 0.10 ab 1.90 ± 0.07 bc1.75 ± 0.10 c
    Evenness
    00.53 ± 0.12 a0.52+0.03 a0.54 ± 0.06 a0.54 ± 0.08 a0.65 ± 0.03 b0.82+0.04 a0.84 ± 0.02 a0.87 ± 0.04 a
    900.68 ± 0.32 a0.61 ± 0.01 a0.61 ± 0.03 a0.69 ± 0.03 a0.86 ± 0.01 a0.79 ± 0.04 a0.84 ± 0.01 a0.78 ± 0.02 a
    注(Note):同行数据后不同字母表示同一时间不同生物炭添加量间差异显著 (P< 0.05) Values followed by different small letters in a row indicate significant difference among different biochar addition amounts at the same time (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-01
  • 网络出版日期:  2020-04-25
  • 刊出日期:  2020-03-01

添加生物炭改善菜地土壤氨氧化细菌群落并提高净硝化率

    作者简介:王先芳 E-mail:wxfde163yx@163.com
    通讯作者: 任天志, rentianzhi@caas.cn
    通讯作者: 李洁, lijie@caas.cn
  • 1. 东北农业大学资源与环境学院,黑龙江哈尔滨 150030
  • 2. 农业农村部环境保护科研监测所/天津市农业环境与农产品安全重点实验室,天津 300191
  • 基金项目: 中国农业科学院科技创新工程;国家重点研发计划课题(2018YFD0800404);国家自然科学基金项目(41571292)。
  • 摘要:   【目的】  氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,对氮循环有着重要影响。本研究通过分析生物炭输入下土壤氨氧化微生物群落的变化,揭示其影响土壤硝化作用的生物学机制。  【方法】  以华北潮土区设施菜地土壤为对象,设置生物炭梯度 (C0、C0.5、C1.5、C4.0) 土壤培养试验,结合PCR和T-RFLP等分析技术,观测生物炭输入下土壤氨氧化细菌群落变化动态,解析生物炭、土壤硝化作用与氨氧化细菌群落之间的关系。  【结果】  添加生物炭明显改变了土壤氨氧化微生物群落结构及氮素硝化过程。与未添加生物炭处理相比,生物炭添加处理培养前期土壤氨氧化细菌群落Shannon、Evenness指数分别升高5.4%~18.8%、26.2%~33.8%,后期Shannon指数降低20.7%~34.2%。生物炭输入对AOA群落没有明显影响,AOB群落256、58 bp代表物种丰度分别增加61.4%~56.0%、60.6%~78.6%,488 bp代表物种丰度降低22.8%~26.9%。21 bp代表物种丰度前期增加后期降低,与491 bp代表物种丰度变化相反。添加生物炭土壤AOB amoA基因丰度增加48.9%~53.2%。土壤NO3-N含量提高1.7%~25.6%,NH4+-N含量下降13.4%~31.1%,土壤净硝化速率提高21.8%~70.2%。  【结论】  生物炭的输入可以改善以AOB为主的土壤氨氧化微生物群落结构,提高amoA酶活性,但是对氨氧化古菌微生物群落结构未产生明显影响。因此,生物炭提高土壤净硝化速率的作用与其对土壤氨氧化细菌群落和组成的影响密切相关。

    English Abstract

    • 生物炭作为一种富碳的多功能材料,输入土壤后可为微生物提供栖息场所,丰富碳氮源,影响其生长繁殖[1-3]。研究表明,水稻土中施用小麦秸秆生物炭 (350℃~550℃),短期内显著改变了黄棕壤和潮土的微生物群落结构,其中黄棕壤的微生物丰富度和多样性显著提高[4]。在红壤、棕壤和盐渍土施用水稻秸秆生物炭不同程度地增加了硫杆菌 (Thiobacillus)、假单胞菌 (Pseudomonas) 和黄杆菌 (Flavobacterium) 在土壤中的相对丰度和分布[5-6]。土壤微生物是农田土壤养分循环的重要驱动者,其中氨氧化细菌 (AOB) 和氨氧化古菌 (AOA) 是氮素转化过程中的关键微生物[7-8]。在森林土壤中,已经发现AOB的amoA基因的丰度和硝化速率随着木屑生物炭的添加而增加[9-10]。有研究结果显示,同时添加尿素和玉米秸秆生物炭显著提高了土壤中AOB、AOA的amoA硝化基因及nirS、nirK、nosZ型反硝化基因的丰度[11]。生物炭还可以通过提高土壤pH等环境因子和催化铵态氮的氧化过程等来促进硝化作用[9,12]。然而,也有研究发现,施加生物质炭对土壤的硝化作用不产生显著影响,甚至产生抑制作用,认为生物炭中含硝化抑制化合物 (α-pine烯)、微生物毒性芳香类化合物 (PHCs) 等物质,对AOB等微生物生长活动造成不利影响[13-14]。不同原料、热解工艺等制备的生物炭的理化性质差异较大[15],如玉米秸秆生物炭、木屑生物炭、花生壳生物炭等不同材料生物炭本身的理化性状[16]、吸附特征[17]、有害物质释放量[18]等存在差异,高温热解生物炭多呈碱性、灰分成分较少,低温热解生物炭多呈中性或弱碱性,灰分成分多[19]。另外,不同的添加量、土壤类型等[5]也可能导致不同的效应。

      菜地作为一种农田利用类型,耕作方式、栽培管理等有别于粮田,土壤养分循环及生物群落结构等性状有一定的特异性[20]。探索生物炭施用条件下菜地土壤微生物群落的变化特征,解析其与氮素循环的关系,对于丰富生物炭影响土壤肥力的认识具有积极意义。本研究以花生壳为原料,在600℃条件下厌氧热解制备生物炭,设置梯度土壤培养试验,结合qPCR和T-RFLP等分析技术,观测生物炭输入条件下华北潮土设施菜地土壤氨氧化关键微生物群落及土壤硝化作用的变化,解析生物炭、氨氧化微生物及硝化作用之间的关系,以揭示生物炭对菜地土壤氮素转化的影响及机制,为生物炭在菜地氮肥优化管理中的应用提供科学依据。

      • 供试土壤取自天津市静海区生宝谷物设施农业园区 (38.48° N、117.16° E) 的设施黄瓜菜地,采样深度为耕层0—20 cm。供试土壤理化性质:pH 7.87、电导率2.68 μS/cm、铵态氮28.6 mg/kg、硝态氮191 mg/kg、有机碳20.31 g/kg、全氮16.96 g/kg、C/N为1.19。将采集的土壤挑去细根和石块,分两部分保存,一部分过2 mm筛用于培养试验;另一部分经风干、研磨,过0.25、1 mm筛后,用于测定其基本理化性质。

      • 以花生壳为原料,研磨过1 mm筛后在600℃条件下高温裂解制成生物炭,后经酸洗再水洗至中性,烘干研磨过2 mm筛,密封保存备用。生物炭基本性质以及表面元素质量分数如表1

        表 1  生物炭的组分分析和化学性质

        Table 1.  Basic properties of peanut shell biochar and mass fraction of surface elements

        pHNH4+-N (mg/kg)CEC (cmol/k)SSA (m2/g)孔隙度 Porosity (nm)灰分 (%) Ash挥发分 (%) Volatile matter固定碳 Fixed C (%)
        7.920.8340.519.360.893.000.6696.3
        相对原子比Relative atomic ratio (%)
        CHOSPMgClKCa
        80.740.9815.430.070.180.480.340.81.05
        注(Note):SSA—比表面积 Specific surface area; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity
      • 将土壤在25℃和55%的持水量 (WHC) 下预培养7天。称取200 g土壤,设置4个梯度生物炭0、0.5%、1.5%、4.0%,分别标记为C0、C0.5、C1.5、C4.0,与等量尿素氮肥 (200 kg/hm2) 混合施入土壤,设置4次重复,放置于玻璃器皿 (高20 cm、直径5 cm) 中,加水至田间最大持水量的55%,置于25℃恒温培养。每隔两天用称重法加水,在第0、3、5、10、15、30、55、90天进行取样,取得的土样分别放置于4℃、–20℃、–70℃保存,用于各种指标测定。

      • 土壤含水量采用烘干法测定,土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定,土壤pH采用电位法 (水土比2.5׃1),土壤全氮含量采用消煮—流动分析仪法测定[21]。土壤硝态氮和铵态氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提—流动分析仪法测定[22-23],并且根据Persson和Wirén等式计算净硝化率 (n)[24]

        $ n\,[{\rm{mg\,/(kg\cdot d)}}\,] = \frac{n_1 - n_2 }{t}$

        式中,t为培养天数,n1为土样NO3-N初始含量,n2培养第t天时土样NO3-N含量。

      • 采用Power Soil TM Total DNA Isolation 试剂盒 (Mo Bio Laboratories,Solana Beach,CA,USA) 提取土壤总DNA。称取0.25~0.50 g保存于–70℃ 冰箱中的土壤样品,按照试剂盒操作说明书进行提取,最后用100 μL ddH2O洗脱获得DNA样品。所获得的土壤总DNA质量采用1.0%琼脂糖凝胶电泳进行检测,并保存于–70℃ 中用于后续试验与分析。

      • qPCR反应体系中含上、下游引物 (10 μmol/L) 各1 μL、2 × PCR Master Mix 10 μL、模板DNA 2 μL、补充ddH2O至20 μL,每个DNA样品各3次重复,并设置无模板对照 (no template control,NTC)。对含有克隆amoA基因的线性化质粒进行10倍梯度连续稀释,得到校准曲线。采用PCR效率为90%~110%,相关系数 > 0.98的标准曲线。qPCR引物信息和反应条件见表2

        表 2  qPCR引物和反应条件

        Table 2.  qPCR primers and reaction conditions

        目标基因
        Target gene
        引物
        Primer
        序列(5′–3′)
        Sequence (5′-3′)
        退火温度 (℃)
        Annealing temperature
        产物片段[26] (bp)
        Product fragmentsize
        氨氧化细菌amoA (AOB)amoA-1FGGGGTTTCTACTGGTGGT56491
        amoA-2RCCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC
        氨氧化古菌amoA (AOA)Arch-amoAFSTAATGGTCTGGCTTAGACG55629
        Arch-amoARGCGGCCATCCATCTGTATGT
      • 采用T-RFLP技术研究土壤AOB和AOA的amoA基因多样性变化,引物分别为 amoA-1F/ amoA-2R[25]和Arch-amoAF/Arch-amoAR[26] (引物信息见表2),其中上游引物amoA-1F和Arch-amoAF的5′端采用6-羧基二乙酸荧光素 (FAM) 标记。PCR反应体系包括:上、下游引物 (10 μmol/L)各1 μL,10 × PCR Buffer (Mg2+ plus) 2.5 μL,dNTP Mixture 2 μL,模板DNA 1 μL,加灭菌水补至25 μL,PCR扩增产物经琼脂糖凝胶电泳后,用Wizard SV Gel and PCR Clean-Up System试剂盒 (Promega,USA) 进行纯化。

        AOB PCR产物纯化后用限制性内切酶MspⅠ (TaKaRa) 进行酶切,AOA PCR产物纯化后用限制性内切酶HhaⅠ (TaKaRa) 进行酶切,酶切条件为37℃ 3 h,酶切产物送生工生物工程 (上海) 股份有限公司进行自动测序分析。数据分析时相差为 ± 1 bp的片段归为同一T-RF[27],参照Lukow等[28]的方法计算相对丰度 (Relative abundance, Ra),所有Ra大于1%的T-RFs为有意义片段并用于T-RFLP分析,Ra大于10%的T-RFs为该样品的优势种群[27-28]。生物多样性用Shannon指数 (H) 和Evenness指数 (EH) 评价。计算公式如下:

        $ \begin{split} & {{{H}} = - \Sigma {{Pi{\rm {ln}}Pi}}}\\ & {{{EH }} = {{ H }}/{\rm{ ln}}S}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad \end{split} $

        式中:H为Shannon指数;EH为Evenness指数;S为不同片段的种类数;Pi为第i条片段峰面积占该样品总峰面积的比率。

      • 采用MxPro-Mx 3005P v 4.00 (Agilent,USA) 软件收集qPCR反应数据,并获得标准曲线。数据采用Origin 9.1和SPSS 22.0软件进行处理,不同土壤样品之间的差异显著性用单因素 (One-Way ANOVA) 的Duncan法进行分析。

      • 施加生物炭显著改变土壤AOB多样性 (表3)。与CK (C0) 相比,生物炭处理 (C0.5、C1.5、C4.0) 培养初期土壤AOB Shannon指数提高5.4%~18.8%,Evenness指数提高26.2%~33.8%,后期Shannon指数下降20.7%~34.2%。土壤AOA指数随生物炭的添加没有发生显著变化,其对生物炭的输入响应不敏感。

        表 3  培养0和90天时AOA和AOB的Shannon指数和Evenness指数

        Table 3.  Shannon and evenness index of soil AOA and AOB at incubation of 0 and 90 days

        培养天数 (d) Incubation dayAOAAOB
        C0C0.5C1.5C4.0C0C0.5C1.5C4.0
        Shannon
        00.76 ± 0.23 a0.81+0.09 a0.77 ± 0.19 a0.84 ± 0.16 a1.28 ± 0.56 c 1.49 ± 0.07 ab1.52 ± 0.08 a1.35 ± 0.01 b
        901.08 ± 0.26 a1.08 ± 0.03 a0.95 ± 0.05 a1.04 ± 0.02 a2.66 ± 0.04 a 2.11 ± 0.10 ab 1.90 ± 0.07 bc1.75 ± 0.10 c
        Evenness
        00.53 ± 0.12 a0.52+0.03 a0.54 ± 0.06 a0.54 ± 0.08 a0.65 ± 0.03 b0.82+0.04 a0.84 ± 0.02 a0.87 ± 0.04 a
        900.68 ± 0.32 a0.61 ± 0.01 a0.61 ± 0.03 a0.69 ± 0.03 a0.86 ± 0.01 a0.79 ± 0.04 a0.84 ± 0.01 a0.78 ± 0.02 a
        注(Note):同行数据后不同字母表示同一时间不同生物炭添加量间差异显著 (P< 0.05) Values followed by different small letters in a row indicate significant difference among different biochar addition amounts at the same time (P < 0.05).
      • 土壤AOB群落结构随生物炭的输入变化明显 (图1),与CK相比,生物炭处理256、58 bp片段代表物种丰度培养前期 (0天) 分别增多61.4%~56.0%、60.6%~78.6%,后期 (90天) 分别增多14.8%~65.1%、2.6%~65.7%,488 bp片段代表物种丰度前期降低22.8 %~26.9 %,后期中高量生物炭处理 (C1.5、C4.0) 检测不到丰度。中高量生物炭处理491 bp片段代表物种前期检测不到丰度后期增加。21 bp片段代表物种丰度前期增多1.7%~53.2%,后期检测不到丰度。施用生物炭对土壤AOA群落结构的影响没有明显的规律性。

        图  1  生物炭处理下土壤AOB和AOA的限制性酶切片段相对丰度

        Figure 1.  Average relative abundance of AOB and AOA T-RFs in soils applied with biochar

      • 添加生物炭提高土壤氨氧化菌氨单加氧酶基因amoA丰度 (用基因拷贝数表示) (图2)。培养初期 (0天),生物炭处理显著增加土壤氨氧化古菌 (AOA) amoA基因的丰度,与CK (C0) 相比,添加生物炭0.5%、1.5%和4.0%处理分别增加26.3%、37.3%、40.2%;随培养时间延长,施加生物炭对AOA amoA基因丰度的增加作用减弱,而对AOB amoA基因丰度增加作用逐渐增强;培养后期 (90天),生物炭处理土壤氨氧化细菌 (AOB) amoA基因丰度增加48.9%~53.2%,较CK平均增加6.23 × 106 copies/g土,添加中低量生物炭 (0.5%、1.5%) 处理的基因丰度显著高于高量生物炭 (4.0%) 处理。

        图  2  生物炭处理土壤在不同培养天数AOA和AOB的amoA基因拷贝数

        Figure 2.  amoA gene copies of AOA and AOB in soils applied with biochar at different incubation days

      • 图3可见,随着培养天数的延长,各处理的土壤硝态氮 (NO3-N) 含量增加而铵态氮含量急速下降,添加生物炭的处理较C0处理NH4+-N下降了13.4%~31.1%。C0.5~C4.0处理土壤NO3-N含量始终高于C0,提高了 1.7%~25.6%,且呈现随生物炭施用量增加而升高的趋势,其中,C4.0处理在整个培养期间的NO3-N含量始终明显高于对照处理,而C0.5和C1.5从第3天后开始明显高于对照处理。C4.0处理的NO3-N含量除第5天时与其他生物炭处理无明显差异外,其余培养天数均与其他生物炭处理有明显差异。培养期间土壤NO3 -N含量呈“抛物线”式变化,前期升高,中期稳定在一定水平,后期下降。

        图  3  生物炭处理下土壤NH4+-N和NO3-N浓度随培养天数的变化

        Figure 3.  Dynamics of soil NO3-N and NH4+-N concentrations under differnt biochar treatments with incubation days

      • 施用生物炭显著加快土壤净硝化速率,但不同时期生物炭用量处理效果不同 (图4)。土壤净硝化速率随培养时间呈先升后降“单峰”曲线变化。培养早期 (3~5天),C0.5~C4.0处理土壤净硝化速率平均较C0提升21.8%~70.2%,C0.5和C1.5处理提升的幅度较大;培养中期 (10~30天),施加生物炭处理净硝化速率平均提升35.3%~42.1%,3个施生物炭处理间没有显著差异;培养后期 (55~90天),C4.0处理土壤净硝化速率仍显著高于C0.5和C0,而C1.5与C0.5和C0没有显著差异。

        图  4  生物炭处理下土壤净硝化速率随培养时间的变化

        Figure 4.  Changes of net nitrification rates in soils applied with biochar with incubation days

      • 氨氧化作用是土壤氮素硝化作用的第一步,也是氮素转化的关键环节,其中,氨氧化细菌 (AOB) 和氨氧化古菌 (AOA) 是主要驱动者,近年来,科学家又发现一类全程硝化菌 (Comammox),可直接将氨氧化为硝酸盐[29],相关文献已经报道 Comammox 在自然和人工系统环境中分布广泛[30]。生物炭含少量易分解有机物质,输入土壤可为微生物活动提供碳、氮源。施加生物炭极大地丰富了土壤孔隙结构,也可为菌根和细菌等微生物提供生存和繁殖场所,促进特殊类群土壤微生物栖息生长[31],提高了土壤AOA和AOB的基因丰度,并在一定程度上改变AOA和AOB群落结构[32-33]。农田土壤中施入花生壳生物炭,显著增加土壤AOB的基因丰度和群落多样性[34-35]; 但也有研究表明, 生物炭输入会增加油菜地土壤和红砂土中的AOB的丰度,抑制AOA丰度或增加AOA丰度,降低AOB的丰度[36-37]。本研究中生物炭施用仅明显改变了土壤AOB多样性和群落结构,但没有引起AOA群落发生显著的规律性变化。说明不同土壤环境对生物炭的输入响应趋势不同,一般认为AOB群落较适应碱性环境[34],AOA较适应酸性环境[35],另外不同原料生物炭、施用量及土壤不同等也影响作用效果[38-39]。因此,本研究中施加生物炭对硝化过程的促进,主要还是由于生物炭输入刺激土壤氨氧化关键酶活性,改变了氨氧化细菌群落结构。

        本试验中,AOA的amoA基因丰度仅在添加生物炭初期有一定的增加,但AOB amoA基因丰度在整个培养期间均显著增加,这与陈晨等[11]和刘杏认等[40]在菜地土壤中施加玉米秸秆生物炭的研究结果类似,初期AOA amoA基因丰度增加可能与生物炭输入引起土壤短期内微环境变化有关,如带入少量易分解物质[41],土壤含水量[42]、通气性[43]等的变化。He等[44]在酸性氧化土壤中施加花生壳生物炭,发现土壤硝化潜势 (PNR) 与AOB的amoA基因丰度显著正相关,但与AOA不相关。土壤的酸碱性、土壤与生物炭接触及生物炭老化程度等也是影响生物炭作用的主要因素,在中碱性氧化土中添加生物炭提高AOA amoA基因的丰度,高量 (11.3 t/hm2) 添加增加AOB amoA基因丰度,低量 (2.25 t/hm2) 添加没显著影响[44],AOB amoA基因丰度在生物炭附近的土壤中高于远离生物炭的土壤,而AOA amoA基因的丰度没有显著变化[46]。Duan等[5]发现,在碱性土壤中施用老化生物炭增加AOA amoA基因的丰度。有研究认为,生物炭多呈碱性,输入后通过调节土壤pH,引起AOA amoA和AOB amoA丰度变化,AOA amoA/AOB amoA丰度值与土壤pH呈显著负相关,随着土壤 pH的增加,AOB amoA的丰度相应增加,而AOA amoA丰度逐渐降低[45-46]。可见,不同条件下,生物炭的输入引起AOA amoA和AOB amoA丰度响应趋势存在差异。

        添加生物炭后土壤NH4+-N的含量在培养初期急剧下降,NO3-N的累积增加,加快土壤净硝化速率,Chen等[6]和刘杏认等[40]的研究也有类似的结果,表明生物炭的输入显著促进了土壤氨氧化作用。这主要是生物炭输入改变了AOB群落多样性,增加了AOB amoA基因丰度。王晓辉等[39]研究表明,在设施栽培土壤的耕层土中施加水稻秸秆生物炭,使氨氧化细菌的丰度增加,导致了硝化潜势的增加。此外,NO3-N的累积也可以进一步提高AOB的活性[47],进而提升净硝化速率。有研究认为,生物炭的添加吸附并富集土壤NH4+-N,一定程度丰富了硝化作用的底物[48],进而提高硝化势,并且有研究表明,生物炭的孔隙结构有利于NO3-N在土壤中停留[49],土壤和作物根系对NO3-N的吸收促进了土壤有机氮的矿化[50],丰富了氨氧化微生物作用的底物NH4+-N增加,进而提升AOB丰度,形成良性的循环[51]。土壤中NO3 -N的累积上升除了硝化作用的来源外,也可能由于施加生物炭后,生物炭老化过程中,表面官能团断裂,暴露较多H键,增加了对NO3-N化学吸附,减少土壤NO3-N的损失[52],表现NO3-N净累积增加。氮素在土壤中的迁移转化过程十分复杂,明确其具体机制还需要形成一个完整体系。

      • 经过90天的培养后,添加生物炭主要改变了土壤AOB群落多样性与组成,增加了AOB数量,促进了硝化作用,而对AOA群落无明显影响。因此AOB的丰度增加及其群落结构的改变是生物质炭促进菜地土壤硝化作用的主要原因。

    参考文献 (52)

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