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生物炭对酸化茶园土壤性状和细菌群落结构的影响

王义祥 黄家庆 叶菁 李艳春 林怡 刘岑薇

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生物炭对酸化茶园土壤性状和细菌群落结构的影响

    作者简介: 王义祥E-mail:sd_wolong@163.com;
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0501404-3);福建省科技厅公益项目(2020R1021003);福建省农业科学院创新团队项目(STIT20117-3-9)。

Effects of different amount of biochar application on soil property and bacterial community structure in acidified tea garden

  • 摘要:   【目的】   生物炭作为一种高效、绿色、多功能的土壤调理剂受到了广泛关注,但生物炭对酸化茶园土壤改良的长期效应还缺乏了解。研究施用生物炭5年后对茶园土壤性状和细菌群落结构的影响,为生物炭在酸化土壤改良上的合理应用提供科学依据。   【方法】   茶园生物炭田间试验在福建安溪县进行,茶园种植年限超过7年,茶树品种为铁观音,土壤为黄壤 。试验设生物炭施用量0、2.5、5、10、20和40 t/hm2共6个水平,一次施入土壤,5年后调查了茶园土壤pH、电导率 (EC)、可溶性有机碳含量、细菌群落结构变化及它们间的相关关系。   【结果】   施用生物炭5年后,茶园土壤pH提高了0.16~1.11个单位,可溶性有机碳含量提高了52.6%~92.3%,EC值降低了1.85%~47.77%,其中施用10~40 t/hm2生物炭处理的pH值均显著高于0~5 t/hm2处理。施用生物炭5年对土壤性质的改变,进一步影响了细菌群落结构,细菌群落Chao指数、ACE指数表现为随生物炭施用量增加而增加得趋势,Shannon指数呈现先增加后降低的趋势。施用生物炭促进了适宜酸中性或弱碱性环境的节杆菌属、硝化螺旋菌属、黄色杆菌科细菌相对丰度的增加,降低了嗜酸性细菌如酸杆菌属细菌的相对丰度。细菌群落结构与环境因子的关联分析表明,施用0~10 t/hm2生物炭处理细菌群落结构受pH、EC环境因子的影响较大;施用20~40 t/hm2生物炭处理细菌群落结构受土壤可溶性有机碳等环境因子的影响较大;其中硝化螺旋菌属、α-变形菌门、酸杆菌属、康奈斯氏杆菌属等的相对丰度与土壤pH、EC值间具有显著相关性。   【结论】   在酸化茶园施用生物炭5年后,土壤pH、EC和可溶性有机碳含量发生了显著变化,增加了细菌群落多样性指数,且适宜酸中性或弱碱性环境的细菌丰度增加,嗜酸性细菌丰度降低;其中施用0~10 t/hm2生物炭的处理土壤pH、EC是显著影响细菌群落结构的环境因子,施用20~40 t/hm2生物炭的处理土壤可溶性有机碳含量是显著影响细菌群落结构的环境因子。
  • 图 1  施用不同量生物炭5年后土壤pH和EC值

    Figure 1.  pH and EC values of soil after 5 years of applying different amounts of biochar

    图 2  施用不同量生物炭5年后茶园土壤可溶性有机碳含量

    Figure 2.  Dissolved organic carbon contents of tea garden soils after 5 years of applying different amounts of biochar

    图 3  茶园土壤细菌群落的样本层级聚类分析

    Figure 3.  Hierarchical cluster analysis of bacterial communities of tea garden soils

    图 4  基于相似性 > 97%的属水平上非度量多维度分析

    Figure 4.  NMDS plot on genus level (similarity over 97%)

    图 5  基于属水平丰度的茶园土壤细菌群落主坐标分析 (PcoA)

    Figure 5.  Principal coordinate analysis (PcoA) of bacteria community based on genus abundance

    图 6  属水平上茶园土壤优势细菌种群的组成和相对丰度

    Figure 6.  The composition and relative abundance of the dominant bacteria at the genus level

    图 7  细菌群落在属水平的群落热图

    Figure 7.  The community heatmap of bacterial population at the genus level in tea garden soils

    图 8  土壤细菌群落结构与环境因子的冗余分析

    Figure 8.  Redundancy analysis (RDA) of bacteria community changes with soil parameters

    图 9  土壤细菌与环境因子的Heatmap 相关性分析

    Figure 9.  The heatmap correlation analysis between bacteria and soil parameters

    表 1  施用不同量生物炭5年后茶园土壤细菌多样性指数

    Table 1.  Bacteria diversity indexes of tea garden soils after 5 years of applying different amounts of biochar

    处理
    Treatment
    Chao 指数
    Chao index
    ACE 指数
    ACE index
    Shannon 指数
    Shannon index
    Simpson 指数
    Simpson index
    覆盖率 (%)
    Coverage
    BC01355.33 c1362.90 c5.32 c0.015 a99.38 a
    BC2.51989.92 b1991.78 b5.89 b0.007 b98.95 a
    BC52124.91 ab2113.868 ab6.07 ab0.006 b98.74 a
    BC102320.43 a2304.938 a6.49 a0.003 b99.23 a
    BC202409.19 a2434.058 a6.54 a0.003 b98.69 a
    BC402503.99 a2470.96 a6.47 a0.003 b98.37 a
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-21
  • 网络出版日期:  2020-12-16
  • 刊出日期:  2020-11-25

生物炭对酸化茶园土壤性状和细菌群落结构的影响

    作者简介:王义祥E-mail:sd_wolong@163.com
  • 福建省农业科学院农业生态研究所/福建省红壤山地农业生态过程重点实验室,福建福州 350013
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0501404-3);福建省科技厅公益项目(2020R1021003);福建省农业科学院创新团队项目(STIT20117-3-9)。
  • 摘要:    【目的】   生物炭作为一种高效、绿色、多功能的土壤调理剂受到了广泛关注,但生物炭对酸化茶园土壤改良的长期效应还缺乏了解。研究施用生物炭5年后对茶园土壤性状和细菌群落结构的影响,为生物炭在酸化土壤改良上的合理应用提供科学依据。   【方法】   茶园生物炭田间试验在福建安溪县进行,茶园种植年限超过7年,茶树品种为铁观音,土壤为黄壤 。试验设生物炭施用量0、2.5、5、10、20和40 t/hm2共6个水平,一次施入土壤,5年后调查了茶园土壤pH、电导率 (EC)、可溶性有机碳含量、细菌群落结构变化及它们间的相关关系。   【结果】   施用生物炭5年后,茶园土壤pH提高了0.16~1.11个单位,可溶性有机碳含量提高了52.6%~92.3%,EC值降低了1.85%~47.77%,其中施用10~40 t/hm2生物炭处理的pH值均显著高于0~5 t/hm2处理。施用生物炭5年对土壤性质的改变,进一步影响了细菌群落结构,细菌群落Chao指数、ACE指数表现为随生物炭施用量增加而增加得趋势,Shannon指数呈现先增加后降低的趋势。施用生物炭促进了适宜酸中性或弱碱性环境的节杆菌属、硝化螺旋菌属、黄色杆菌科细菌相对丰度的增加,降低了嗜酸性细菌如酸杆菌属细菌的相对丰度。细菌群落结构与环境因子的关联分析表明,施用0~10 t/hm2生物炭处理细菌群落结构受pH、EC环境因子的影响较大;施用20~40 t/hm2生物炭处理细菌群落结构受土壤可溶性有机碳等环境因子的影响较大;其中硝化螺旋菌属、α-变形菌门、酸杆菌属、康奈斯氏杆菌属等的相对丰度与土壤pH、EC值间具有显著相关性。   【结论】   在酸化茶园施用生物炭5年后,土壤pH、EC和可溶性有机碳含量发生了显著变化,增加了细菌群落多样性指数,且适宜酸中性或弱碱性环境的细菌丰度增加,嗜酸性细菌丰度降低;其中施用0~10 t/hm2生物炭的处理土壤pH、EC是显著影响细菌群落结构的环境因子,施用20~40 t/hm2生物炭的处理土壤可溶性有机碳含量是显著影响细菌群落结构的环境因子。

    English Abstract

    • 茶树是我国热带及亚热带地区重要的经济作物。福建作为中国茶叶生产的主要省份之一,全省茶园面积共有17.33万hm2,占全国茶园总面积的10.5%,居全国第二位[1],但长期以来茶园过度开发,不合理施肥等导致茶园土壤持续退化,茶园土壤酸化日趋严重,福建省pH < 4.5的茶园占比达86.9%,11.2%的土壤有机质低于临界值[2],这些都影响到了茶叶品质和茶园可持续经营。由此,加强茶园土壤管理和及时采取有效措施,阻控或修复茶园土壤退化尤其是酸化是当前茶叶生产中亟待解决的现实问题。

      生物炭是生物质如秸秆、木屑、畜禽粪便、食用菌菌渣等在无氧或低氧状态下高温裂解制备的一种富碳产品,其作为一种高效、绿色、多功能的土壤调理剂近年来备受关注[3]。以往研究表明,生物炭表面含有丰富的–COOH和–OH等含氧官能团,多呈碱性,在酸性土壤改良方面具有良好的作用[4],施入土壤后可以提高酸性土壤pH,增加阳离子交换量和有效养分含量[1,4]。Wang等[5]研究发现,生物炭添加显著增加了茶园土壤有机质含量,提高了土壤 pH和降低了酸化茶园土壤交换性酸含量。生物炭中还含有丰富的P、K、Ca、Mg等矿质元素,可促进土壤养分的循环和作物的生长[3]。江福英等[6]基于3年的田间试验发现,施用生物炭降低了茶园土壤容重,改善了茶园土壤结构,且显著提高了有效磷、速效钾含量,茶叶产量也提高了5.44%~17.05%。此外,生物炭因含碳量较为丰富,施入土壤会引起微生物的大量繁殖,提高土壤微生物活性,丰富的孔隙结构也为土壤有益微生物提供了栖息地[7]。但目前对生物炭的研究仍处于初级阶段,多数研究基于短期试验,对生物炭长期应用效应的研究远远不够[8]。土壤微生物作为土壤生物区系中最重要的功能组分,在调节土壤养分供给和作物养分需求响应与反馈关系中起着十分重要的作用[9]。生物炭添加会直接或间接影响土壤微生物的生长代谢,改变土壤微生物的群落结构组成,从而影响土壤养分循环[10]。Wang等[11]基于短期盆栽试验发现,小麦秸秆、花生壳和水稻秸秆生物炭的添加均显著影响了土壤微生物群落结构。Chen等[12]研究发现施用生物炭1年后,轻度酸化水稻土中细菌基因拷贝数增加28%~64%,真菌基因拷贝数显著降低35%~46%。但也有研究发现,生物炭的添加导致土壤微生物量降低,并降低了微生物群落结构丰富度[13],生物炭对土壤微生物的影响差异较大,这种差异性可能与土壤的类型、利用方式以及生物炭的种类、用量等有关[14],且生物炭对土壤微生物群落结构的影响也会随着时间的推移而发生变化[10,15],这些都需要开展较为系统的研究,以更加深入地了解生物炭对土壤微生物的影响机制,尤其是亟待开展长期效应的研究。因此,本研究通过茶园长期田间试验研究施用生物炭5年后,其不同施用量对土壤理化性状和细菌群落结构的影响,以期为生物炭在茶园酸化改良上的应用提供科学依据。

      • 试验茶园位于福建省安溪县感德镇槐植,北纬25°26′,东经117°86′,该区域属亚热带季风气候,年均气温为15℃~18.5℃,年降水量1700~1900 mm。茶园种植年限在7年以上,茶树品种为铁观音,土壤为黄壤 。土壤基础理化性状为:容重1.1 g/cm3,pH 4.2,有机碳含量18.9 g/kg,全氮1.8 g/kg,有效磷72.8 mg/kg,速效钾101.5 mg/kg。试验用生物炭为500℃下裂解3 h制备的小麦秸秆,其有机碳470.0 g/kg,全氮6.0 g/kg,碱解氮24.4 mg/kg,有效磷254.2 mg/kg,灰分20.1%,pH 9.5。

      • 田间试验采用单因素随机区组设计,共设6个处理,即生物炭田间施用量分别为0 (BC0)、2.5(BC2.5)、5 (BC5)、10 (BC10)、20 (BC20)、40 (BC40) t/hm2,小区面积为15 m2,每个处理4次重复。生物炭施用时间为2014年3月下旬,将生物炭均匀撒在供试小区地表,翻土20 cm,使其与土壤充分混匀,茶园按常规管理,每年施肥量为氮 (N) 300 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 112.5 kg/hm2,以尿素、重过磷酸钙、硫酸钾进行春季、夏季和秋季施肥,春、夏、秋3季施肥量分别占全年总量的40%、30%和30%;生物炭仅在试验时施用1次。

      • 施用生物炭5年后 (2019年10月),在各试验小区内以“S”型多点混合法采集0—20 cm土层样品,去除植物碎屑和碎石,混合样品后放于冷藏箱内带回实验室分析测定。

      • pH采用pH计测定 (水土比2.5∶1浸提),EC值采用电导率仪测定(水土比5∶1浸提)[16],土壤可溶性有机碳是将样品经过水浸提后采用岛津TOC仪测定[17]。生物炭、有机碳和全氮含量是采用元素分析仪 (Vario EL Cube,德国Elementar) 测定。灰分含量是将一定质量的烘干生物炭置于马弗炉中750℃下灼烧6 h,根据重量变化计算而得 (ASTMD1762-84)[18]。碱解氮含量采用碱解扩散—H3BO3吸收滴定法测定;有效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗分光光度法[16]测定。

      • 采用土壤DNA提取试剂盒 (Omega Bio-tekInc,Doravilla,GA,USA) 提取茶园土壤细菌的总DNA,用1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA的质量,然后将茶园土壤细菌的DNA送至上海美吉生物医药科技有限公司,以Illumina MiSeq平台进行高通量测序和分析。茶园土壤细菌高通量测序数据分析均是基于上海美吉生物医药科技有限公司所提供的云服务 (https://www.i-sanger.com) 进行,项目号为MJ20191009200-MJ-M-20191010084。具体的数据分析软件和算法参考上海美吉生物医药科技有限公司官方网站提供的说明。样品的原始序列已经提交至NCBI SRA (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/),登录号为 (SRA accession):PRJNA592881。

      • 试验数据分析基于上海美吉生物医药科技有限公司所提供的云服务进行 (https://www.i-sanger.com),数据分析前以“按最小样本序列数”进行数据抽平处理。其中多样性指数 (alpha-diversity) 利用mothur version v.1.30.1 (http://www.mothur.org/) 计算;样本层级聚类采用UPGMA非加权组平均法;Qiime计算采用beta多样性距离矩阵,以R语言作图;相关性Heatmap图的软件及算法采用R语言pheatmap package提供的方法。数据多组间的比较采用单因素方差分析 (one-way ANOVA) 和克氏秩和检验 (Kruskal-Wallis H test),环境因子关联分析采用欧氏距离 (Euclidean distances) 法,采用SAS 9.0软件计算。土壤基础性质数据处理和图表绘制利用Microsoft Excel 2016和OriginPro 2017 SR2软件。

      • 施用生物炭5年后,茶园土壤pH提高了0.16~1.11个单位,EC值降低1.85%~47.77%。图1a显示,随着生物炭施用量的增加,土壤pH的提高幅度加大,BC10、BC20和BC40处理的pH显著高于BC0、BC2.5和BC5 (P < 0.05)。图1b显示,土壤EC值随着生物炭施用量增加而降低,其中BC10、BC20和BC40等3个处理与BC0、BC2.5、BC5处理间的差异均达到显著水平 (P < 0.05)。

        图  1  施用不同量生物炭5年后土壤pH和EC值

        Figure 1.  pH and EC values of soil after 5 years of applying different amounts of biochar

      • 图2显示,土壤可溶性有机碳含量随着生物炭施用量的增加而增加,其中BC2.5、BC5、BC10、BC20和BC40处理分别比BC0处理增加了52.6%、61.5%、70.2%、89.9%和92.3% (图2),且BC2.5、BC5、BC10、BC20和BC40 等5个处理与BC0处理间差异均达显著水平 (P < 0.05),B10、BC20和BC40等3个处理与BC2.5处理间的差异亦达到显著性水平 (P < 0.05)。

        图  2  施用不同量生物炭5年后茶园土壤可溶性有机碳含量

        Figure 2.  Dissolved organic carbon contents of tea garden soils after 5 years of applying different amounts of biochar

      • 6个处理的细菌覆盖率均大于或等于98.37%,基本覆盖了茶园土壤所有的细菌。表1显示,随着生物炭施用量的增加,茶园土壤细菌的多样性也随之增加,Chao和Ace值持续增大,Simpson指数变小,其中B10、BC20和BC40处理的Chao和Ace指数与BC0处理间的差异达到显著水平 (P < 0.05),B10、BC20和BC40处理与BC2.5处理间的差异亦达到显著水平 (P < 0.05)。Shannon指数随着生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趋势,但BC20和BC40处理间的差异不显著 (P > 0.05)。

        表 1  施用不同量生物炭5年后茶园土壤细菌多样性指数

        Table 1.  Bacteria diversity indexes of tea garden soils after 5 years of applying different amounts of biochar

        处理
        Treatment
        Chao 指数
        Chao index
        ACE 指数
        ACE index
        Shannon 指数
        Shannon index
        Simpson 指数
        Simpson index
        覆盖率 (%)
        Coverage
        BC01355.33 c1362.90 c5.32 c0.015 a99.38 a
        BC2.51989.92 b1991.78 b5.89 b0.007 b98.95 a
        BC52124.91 ab2113.868 ab6.07 ab0.006 b98.74 a
        BC102320.43 a2304.938 a6.49 a0.003 b99.23 a
        BC202409.19 a2434.058 a6.54 a0.003 b98.69 a
        BC402503.99 a2470.96 a6.47 a0.003 b98.37 a
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.

        层级聚类 (hierarchical clustering) 分析 (图3) 显示,在茶园土壤细菌属 (genus) 水平上,BC2.5和BC5,BC20和BC40处理茶园土壤细菌的总能聚合在一起,而BC10则不能直接和其它处理聚合。

        图  3  茶园土壤细菌群落的样本层级聚类分析

        Figure 3.  Hierarchical cluster analysis of bacterial communities of tea garden soils

        非度量多维尺度分析 (non-metric multidimensional scaling analysis,NMDS) 结果 (图4) 显示,茶园土壤细菌的BC5和BC10,BC20和BC40处理分布在同一个象限,而BC0、BC2.5处理均独自分布在一个象限,并且与其它处理保持一定的距离。利用主坐标分析方法 (principal co-ordinates analysis,PCoA) 研究细菌群落组成的相似性和差异性,结果 (图5) 显示,在茶园土壤细菌的属 (Genus) 水平上,第一主坐标 (PC1) 的贡献率为55.82%,第二主坐标 (PC2) 的贡献率为18.23%,二者累积贡献率达到74.05%。BC2.5和BC5,BC20和BC40处理茶园土壤细菌均分布在同一个象限;而BC0和BC10处理独自分布在一个象限,并且与其它处理间有较大的距离。

        图  4  基于相似性 > 97%的属水平上非度量多维度分析

        Figure 4.  NMDS plot on genus level (similarity over 97%)

        图  5  基于属水平丰度的茶园土壤细菌群落主坐标分析 (PcoA)

        Figure 5.  Principal coordinate analysis (PcoA) of bacteria community based on genus abundance

      • 图6显示,属水平上茶园土壤细菌共鉴定48个,占77.38%;不能识别的细菌占22.62%。随着生物炭施用量的增加,未识别的细菌比例增加,从22.62%上升到41.69%。茶园土壤中相对丰度比例 > 1%的主要细菌有JG30-KF-AS9中未分类菌属 (10.92%)、Subgroup_2中未分类菌属 (7.44%)、Elsterales属 (7.35%)、驹形杆菌属 (Komagataeibacter,6.92%)、乳杆菌属 (Lactobacillus,4.00%) 等24个。随着生物炭施用量的增加,黄色杆菌科 (Xanthobacteraceae) 等的相对丰度呈现逐渐增加的规律,Subgroup_2中未分类菌属、Elsterales属、KF-JG30-C25中未分类菌属、WPS-2中未分类菌属、酸热菌属 (Acidothermus)、Subgroup_6中未分类菌属、放线菌门 (Actinobacteria)、伯克氏菌属 (Burkholderia)、SBR1031中未分类菌属、酸杆菌科 (Acidobacteriaceae)、醋酸菌科 (Acetobacteraceae) 等的相对丰度呈先增加后降低的趋势,但均高于BC0处理。而JG30-KF-AS9中未分类菌属、驹形杆菌属 (Komagataeibacter)、乳杆菌属 (Lactobacillus)、柄杆菌科 (Caulobacteraceae)、Roseiarcus属、酸杆菌科 (Acidobacteriaceae)、真杆菌属 (Eubacterium_coprostanoligenes)、摩替亚氏菌科 (Moritellaceae)、莫里特拉氏菌属 (Moritella)、弧菌科 (Vibrionaceae)、弧菌属 (Vibrio)、醋酸菌科 (Acetobacteraceae) 和红球形菌属 (Rhodopila) 等的相对丰度呈现降低的趋势。

        图  6  属水平上茶园土壤优势细菌种群的组成和相对丰度

        Figure 6.  The composition and relative abundance of the dominant bacteria at the genus level

        以茶园土壤丰度值前50的细菌在属水平上构建群落Heatmap图 (图7) 显示,与BC0处理相比,生物炭处理酸杆菌目 (Acidobacteriales)、节杆菌属 (Arthrobacter) 和硝化螺旋菌属 (Nitrospira) 发生显著变化。

        图  7  细菌群落在属水平的群落热图

        Figure 7.  The community heatmap of bacterial population at the genus level in tea garden soils

      • 采用RDA分析土壤环境因子对细菌群落结构的影响表明,RDA1轴和RDA2轴对细菌群落结构差异的解释度分别为56.62%和20.89%。施用生物炭的BC10、BC20和BC40处理与对照 (BC0) 在RDA1轴方向上被分离开,施用生物炭的BC2.5和BC5处理与对照 (BC0) 在RDA2轴方向上被分离开 (图8)。冗余分析显示,BC0、BC2.5、BC5和BC10处理pH、EC对细菌群落结构的影响较大;BC20和BC40处理土壤可溶性有机碳对细菌群落结构的影响较大。Heatmap 相关性分析 (图9) 显示,康奈斯氏杆菌属 (Conexibacter)、硝化螺旋菌属 (Nitrospira)、α变形杆菌纲 (Alphaproteobacteria)、酸杆菌科 (Acidobacteriaceae)、Roseiarcus属与pH具有显著相关性,与EC值和土壤可溶性有机碳 (DOC) 具有极显著相关性。黄色杆菌科 (Xanthobacteraceae) 与pH具有显著相关性,但与EC和土壤可溶性有机碳间没有显著相关性。放线菌门 (Actinobacteria) 与EC和土壤可溶性有机碳具有显著相关性,而与pH无显著相关性。土壤细菌区系和土壤理化指标的Mantel检验分析表明,土壤细菌群落结构与土壤环境因子密切相关,其中DOC (r = 0.962) 和pH (r = 0.859) 与细菌群落结构相关性较大。

        图  8  土壤细菌群落结构与环境因子的冗余分析

        Figure 8.  Redundancy analysis (RDA) of bacteria community changes with soil parameters

        图  9  土壤细菌与环境因子的Heatmap 相关性分析

        Figure 9.  The heatmap correlation analysis between bacteria and soil parameters

      • 施用生物炭 (2.5~40 t/hm2) 显著提高了茶园土壤pH,其原因是生物炭本身含有丰富的碱性基团,能对土壤酸度起到直接中和作用,此外生物炭中还含有可溶态的灰分元素,可提高酸性土壤的盐基饱和度,有利于降低土壤氢离子和交换性铝的含量,从而提高土壤pH[19],这也与以往的许多研究[20-21]结果相一致。本研究还发现,茶园土壤pH、EC的提高幅度随着生物炭施用量的增加而增加,且在施用生物炭5年后仍保持较好的改良效果。可溶性有机碳是易被微生物分解利用的土壤活性有机质,其含量也直接影响土壤养分有效性[22]。本研究表明,施用生物炭5年后,茶园土壤可溶性有机碳得到了不同程度的提高且与生物炭用量成正比,其原因可能是生物炭本身含有一定量的可溶性有机碳[23],是土壤活性有机碳的一部分来源;二是施用生物炭提高了茶园土壤pH,土壤pH的增加可能导致水溶性有机碳中弱酸性官能团的去质子化,提高了活性有机碳的亲水性和电荷密度[24],从而促进固相有机碳的溶解和提高土壤可溶性有机碳含量;三是生物炭中的部分脂肪族和氧化态碳被微生物分解,转化为小分子的可溶性有机碳[25]

        影响土壤肥力的主要因素之一是土壤微生物群落数量与活性,而酸化茶园低产或减产的原因之一就是土壤中大部分适宜于中性环境的有益微生物减少,不利于土壤养分的转化[19]。本研究发现,施用生物炭可提高茶园土壤pH、DOC和细菌群落多样性,这与Demisie等[26]研究结果相一致。生物炭对土壤微生物群落结构的影响主要有两方面,一是生物炭丰富的孔隙结构及其对水肥的吸附作用可为微生物繁殖提供良好的栖息环境,二是生物炭除了本身能提供少量养分外,还可以通过改良土壤性质如提高茶园土壤pH等,间接作用于土壤微生物群落组成[27]。Muhammad等[28]在红壤上的研究也表明,猪粪炭和果皮炭等添加主要通过增加土壤pH、DOC和碳氮养分元素含量,改变微生物群落结构。周凤等[29]通过生物炭用量对土微生物影响的试验表明,当生物炭添加量 ≤ 40 t/hm2时土壤微生物多样性指数并无显著性变化,而当生物炭添加量 ≥ 60 t/hm2时,显著降低了Shannon-Wiener 指数、Simpson 指数。而本研究结果表明,茶园土壤细菌Chao指数、ACE指数随着生物炭用量增加而增加,Shannon指数随生物炭用量增加呈先增加后降低的趋势。本研究茶园土壤酸性极强 (pH为4.04),过度的酸化会抑制细菌、放线菌的繁殖[30],2.5~40 t/hm2生物炭施用处理提高了茶园土壤pH 0.16~1.11个单位,40 t/hm2生物炭处理茶园土壤pH为5.15,土壤酸性条件得到了不同程度的改善,微生物代谢所需的营养物质如可溶性有机碳含量也增加,从而有利于微生物群落结构与功能恢复[31]

        从茶园土壤细菌种群结构来看,不可培养细菌JG30-KF-AS9,酸杆菌门的Subgroup_2、Elsterales属、驹形杆菌属、乳杆菌属、放线菌属、酸杆菌属等是酸化黄壤的主要细菌菌群。随着生物炭用量的增加,黄色杆菌科丰度增加,而酸杆菌属、不可培养细菌JG30-KF-AS9、驹形杆菌属、乳杆菌属、柄杆菌科等的丰度降低。其中酸杆菌属、节杆菌属、硝化螺旋菌属的相对丰度在不同生物炭用量处理间发生明显变化。酸杆菌是土壤微生物的重要成员,在土壤物质循环和生态环境构建过程中起非常重要的作用,酸杆菌属细菌一般具有嗜酸、寡营养、难培养的特点[32],许多研究也表明土壤酸杆菌的相对丰度与土壤pH呈显著负相关关系[33-34],说明茶园土壤酸杆菌属菌群丰度降低,这与生物炭施入提高了土壤pH有关。硝化螺旋菌属细菌与土壤氮循环密切相关,是参与亚硝酸盐氧化和碳氮循环的主要类群,生物炭通过改变土壤性状及在土壤中的降解过程,直接或间接的增加了硝化螺旋菌属的相对丰度[35]。节杆菌属细菌是土壤中最为常见的细菌之一,是一种具有较高遗传适应性的细菌,能利用各种有机物碳源和能源并降解土壤中难分解的物质和多种化学污染物。Chen等[36]通过褐土生物炭田间试验研究发现,施用生物炭显著提高了土壤pH,影响了土壤细菌和真菌群落的组成和共生网络关系,并表明施用生物炭后细菌网络关键物种变为节杆菌属和芽单胞菌科属,施用生物炭促进了这些关键物种与其他微生物之间的竞争作用。本研究也表明施用生物炭提高了茶园土壤节杆菌属细菌相对丰度,但本研究中节杆菌属不是黄壤的主要优势菌群,这可能与土壤类型有关。本研究还发现,提高生物炭施用量能增加茶园土壤细菌的数量,尤其是非优势细菌如黄色杆菌科等。目前人们对黄色杆菌科细菌的了解还非常有限。杨尚东等[37]对甘蔗宿根矮化病感病与非感病株根际土壤细菌群落结构特征的研究发现,感病植株根际土壤中黄色杆菌属细菌占比呈倍数降低。赵晓楠等[38]有关有机肥施用对茶园土壤微生物区系的影响研究也发现,与不施肥相比,施用有机肥处理茶园土壤黄色杆菌科数量显著增加。刘雯雯[39]对喀斯特植被恢复不同阶段土壤微生物组成及土壤酶相关分析表明,土壤碱性磷酸酶活性与黄色杆菌科呈极显著的正相关。本研究发现,随生物炭施用量增加,黄色杆菌科细菌的丰度增大,施用生物炭也提高了茶园土壤碱性磷酸酶活性[19],黄色杆菌科细菌与土壤磷素转化间的关系还有待进一步研究。

      • 施用生物炭5年后,茶园土壤pH和可溶性有机碳含量发生显著变化,土壤性质的变化影响了土壤细菌群落的多样性,Chao指数、ACE指数随生物炭施用量增加而增加,Shannon指数随生物炭施用量增加呈先增加后降低的趋势。施用生物炭显著提高了节杆菌属、硝化螺旋菌属、黄色杆菌科的相对丰度,降低了酸杆菌属的相对丰度。相关分析显示,土壤细菌群落结构与土壤可溶性有机碳、pH和EC间具有显著的相关性。施用0~10 t/hm2生物炭处理中pH、EC是显著影响细菌群落结构的环境因子,而施用20~40 t/hm2生物炭的处理中DOC是显著影响细菌群落结构的环境因子。

    参考文献 (39)

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