生物黑炭與化肥配施對大豆根際氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)功能菌的影響

劉志華，李曉梅，姜振峰，張少良，王嘉翼，劉航，王宏燕*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

生物黑炭與化肥配施對大豆根際氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)功能菌的影響

劉志華1,2，李曉梅1，姜振峰3，張少良1，王嘉翼1，劉航1，王宏燕1*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

研究以玉米秸稈源450℃無氧條件制備的生物黑炭為試驗(yàn)材料，設(shè)5個(gè)處理，即對照（CK，0%）、化肥處理（F，0%生物黑炭+常規(guī)施肥，N 100 mg·kg-1、P 100 mg·kg-1、K 150 mg·kg-1）、低量生物黑炭與化肥配施（1%BF，1%生物黑炭+常規(guī)施肥）、中等生物黑炭與化肥配施（5%BF，5%生物黑炭+常規(guī)施肥）和高量生物黑炭與化肥配施（10%BF，10%生物黑炭+常規(guī)施肥）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）等，研究生物黑炭與化肥配施對大豆根際氮素轉(zhuǎn)化過程中相關(guān)功能菌數(shù)量、pH及速效氮含量的影響。結(jié)果表明，生物黑炭與化肥配施顯著增加大豆根際pH；生物黑炭與化肥配施對根際固氮菌數(shù)量、氨化細(xì)菌數(shù)量和硝化細(xì)菌數(shù)量的影響具有一定劑量效應(yīng)，5%BF處理對大豆根際氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)細(xì)菌數(shù)量、速效氮含量的提升最為有利。為揭示生物黑炭影響?zhàn)B分過程中的微生物機(jī)制提供理論依據(jù)。

生物黑炭；大豆；劑量效應(yīng)；細(xì)菌

我國農(nóng)作物秸稈資源豐富，但資源利用問題突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年各類作物秸稈生產(chǎn)量達(dá)到6.5×109t以上[1]，隨著種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大量秸稈資源未被利用，經(jīng)常發(fā)生就地焚燒秸稈現(xiàn)象。如何處理及利用秸稈受到廣泛關(guān)注。近年來，利用農(nóng)作物秸稈進(jìn)行高溫?zé)o氧條件制備生物黑炭技術(shù)因其產(chǎn)品的環(huán)境友好、具有良好特性日益受到重視，成為秸稈資源化利用新途徑[2-4]。

研究表明，利用作物秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物在高溫?zé)o氧條件下制備生物黑炭具有將大氣CO2轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定碳庫的潛力[5-6]。生物黑炭除擁有固碳減排潛力外，具備農(nóng)用價(jià)值，機(jī)理研究表明，生物黑炭的農(nóng)用價(jià)值主要來自其肥料價(jià)值、對土壤物理?xiàng)l件的改善[7-8]，對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生影響，包括影響土壤酸堿性[9-10]、陽離子交換量[11]及土壤持水性[12]等，影響作物產(chǎn)量[13]。Zwieten等研究表明，生物質(zhì)炭能促進(jìn)茶樹和紫荊樹等生長，提高菜豆、高羊茅草、玉米、水稻、蘿卜等作物生物量，并使菜豆、玉米、水稻等作物增產(chǎn)[14]。

氮是植物生長的必需元素[15]，土壤氮素可利用性受到作物品種、肥料施用等影響[16]。Zhao等通過室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)研究表明生物黑炭對銨態(tài)氮有較強(qiáng)吸附能力，促進(jìn)酸性土壤硝化過程并減少氮的淋失[11]。但生物黑炭對土壤微生物影響的相關(guān)研究表明，短期施用生物黑炭可促進(jìn)土壤固氮菌和纖維素降解菌數(shù)量[17]，說明生物黑炭土壤添加對與土壤氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的微生物存在影響，但仍缺乏全生育期的系統(tǒng)研究報(bào)道。因此，本試驗(yàn)通過研究生物黑炭與化肥配施對大豆根際土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)功能菌數(shù)量及氮素形態(tài)的影響，探討生物黑炭對土壤氮素轉(zhuǎn)化功能菌群的影響，為揭示生物黑炭對土壤微生物的影響機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)采用的是東北黑土，生物黑炭為玉米秸稈炭，經(jīng)450℃無氧條件熱裂解而成，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)。供試作物為大豆（東農(nóng)47），供試土壤與生物黑炭理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，具體處理代號(hào)及施用量見表2。每個(gè)處理15盆，每盆裝土10 kg，將不同比例生物黑炭與化肥混合均勻后穩(wěn)定1周，然后播種。待出苗大豆一對真葉展開后，每盆保留4株長勢一致幼苗，定期定量澆水。在大豆苗期、花期、結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期進(jìn)行取樣，采用抖落取根際土每次取樣3次重復(fù)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤pH測定

采用1∶1水土比浸提，pH計(jì)測定。

1.3.2 氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)細(xì)菌測定

測定參照林先貴方法[18]，具體如下：

氨化細(xì)菌采用蛋白胨-瓊脂培養(yǎng)基，將滅菌后蛋白胨-瓊脂培養(yǎng)基分裝于試管中，每管裝5 mL，從土壤懸濁液的四個(gè)稀釋度（10-6、10-7、10-8、10-9）中吸取1 mL加入培養(yǎng)基中，重復(fù)3次，于28℃下培養(yǎng)7 d，培養(yǎng)結(jié)束后，滴加奈氏試劑，記錄出現(xiàn)棕紅色或淺棕色沉淀的數(shù)量，采用最大或然法計(jì)算土壤樣品中氨氧化細(xì)菌數(shù)。

硝化細(xì)菌采用改良的斯蒂芬遜（Stephenson）培養(yǎng)基，將滅菌后改良的Stephenson培養(yǎng)基分裝于試管中，每管裝5 mL，從土壤懸濁液的四個(gè)稀釋度（10-1、10-2、10-3、10-4）中吸取1 mL加入培養(yǎng)基中，重復(fù)3次，于25～30℃下培養(yǎng)14 d，培養(yǎng)結(jié)束后，滴加格里斯試劑第一、第二液，記錄出現(xiàn)紅色的數(shù)量，采用最大或然法計(jì)算土壤樣品中硝化細(xì)菌數(shù)。

表1 供試黑炭與土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physics characteristics of the biochar and soil

表2 各處理代號(hào)及施用量Table 2 Treatment,code and application rate

固氮菌采用阿須貝培養(yǎng)基，稀釋平板法測定。

1.3.3 土壤速效氮含量測定

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用2 mol·L-1KCl浸提，流動(dòng)分析儀測定，參照魯如坤方法[19]。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及柱狀圖的繪制采用Excel 2003軟件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異顯著性分析采用SPSS Statistics 19.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用單因素方差分析法，多個(gè)均數(shù)間的差異性比較采用Duncan's新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物黑炭與化肥配施對大豆根際pH的影響

生物黑炭與化肥配施對不同大豆生育時(shí)期根際pH的影響如表3所示。從表中可以看出，與CK和F處理相比較，生物黑炭與化肥配施對大豆根際pH具有顯著促進(jìn)作用，且存在劑量效應(yīng)，根際pH呈現(xiàn)隨生物黑炭施用量增加而增加的趨勢，僅在大豆花期10%BF處理與5%BF處理之間、5%BF處理與1%BF處理之間差異未達(dá)到顯著性水平。不同施用數(shù)量生物黑炭與化肥配施間比較，高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）處理大豆根際pH在各生育時(shí)期中為最高（見表3），這可能與生物黑炭本身pH較高有關(guān)。

2.2 生物黑炭與化肥配施對大豆根際固氮菌數(shù)量的影響

圖1是生物黑炭與化肥配施對大豆不同生育時(shí)期根際固氮菌數(shù)量的影響。從圖中可以看出，生物黑炭與化肥配施對大豆根際固氮菌數(shù)量存在一定影響，生物黑炭施用量不同對根際固氮菌數(shù)量的影響存在一定差異（見圖1）。

與CK相比，低量生物黑炭與化肥配施（1%BF處理）除對大豆花期根際固氮菌數(shù)量無顯著影響外，顯著促進(jìn)其余生育時(shí)期大豆根際固氮菌數(shù)量（P＜0.05），根際固氮菌數(shù)量增加15.7%～36.7%；中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）對各個(gè)生育時(shí)期大豆根際固氮菌數(shù)量有顯著促進(jìn)作用（P＜0.05），根際固氮菌數(shù)量增加52.8%～166.0%；高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）對根際固氮菌的影響因大豆生育時(shí)期不同存在差異：對大豆苗期根際固氮菌數(shù)量有顯著抑制作用（P＜0.05），對大豆結(jié)莢期根際固氮菌數(shù)量有顯著促進(jìn)作用，對大豆花期、鼓粒期和成熟期根際固氮菌數(shù)量無顯著性影響（P＞0.05）。

與F處理相比，低量生物黑炭與化肥配施（1% BF處理）除對大豆花期根際固氮菌數(shù)量無顯著性影響外，顯著促進(jìn)苗期、結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期根際固氮菌數(shù)量（P＜0.05），根際固氮菌數(shù)量增加13.3%～31.4%；中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）對各個(gè)生育時(shí)期大豆的根際固氮菌數(shù)量有顯著促進(jìn)作用（P＜0.05），根際固氮菌數(shù)量增加41.9%～75.0%；除對大豆苗期根際固氮菌數(shù)量有顯著抑制作用外，高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）對其余生育時(shí)期大豆根際固氮菌數(shù)量無顯著性影響（P＞0.05）。

表3 生物黑炭與化肥配施對大豆根際pH的影響Table 3 Effects of biochar plus fertilizer on pH for soybean rhizospheric soil

圖1 生物黑炭與化肥配施對大豆根際固氮菌數(shù)量的影響Fig.1 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric nitrogen-fixing bacteria contents in soybean

生物黑炭不同施用量之間比較，在大豆各生育時(shí)期表現(xiàn)相對一致，根際固氮菌數(shù)量呈現(xiàn)5% BF＞1%BF＞10%BF的趨勢，處理間達(dá)到顯著性差異（P＜0.05）。上述結(jié)果說明生物黑炭與化肥配施對根際固氮菌數(shù)量的影響具有一定劑量效應(yīng)，本研究條件下，5%生物黑炭施用量與化肥配施對大豆根際固氮菌數(shù)量提升最為有利；過少施用（1%BF處理）對大豆旺盛生長時(shí)期（花期、鼓粒期和結(jié)莢期）根際固氮菌數(shù)量的增加呈現(xiàn)延遲效應(yīng)，即大豆花期呈現(xiàn)影響不顯著至結(jié)莢期、鼓粒期才表現(xiàn)出顯著促進(jìn)作用；過高施用（如10%BF處理）對大豆根際固氮菌數(shù)量的增加不利（見圖1）。

2.3 生物黑炭與化肥配施對大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量的影響

圖2是生物黑炭與化肥配施對大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量的影響。從圖中可以看出，生物黑炭添加對大豆根際氨化細(xì)菌隨生育時(shí)期的變化規(guī)律無顯著性影響，根際氨化細(xì)菌數(shù)量隨生育時(shí)期呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律（見圖2）。

與CK相比，低量生物黑炭與化肥配施（1%BF處理）對大豆花期根際氨化細(xì)菌數(shù)量無顯著性影響外，對其余各生育時(shí)期大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量有顯著促進(jìn)作用（P＜0.05），根際氨化細(xì)菌增加6.5%～61.9%；中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）顯著促進(jìn)大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量（P＜0.05），根際氨化細(xì)菌增加9.8%～135.1%；高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）顯著抑制大豆生育前期（苗期、花期和結(jié)莢期）大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量（P＜0.05），根際氨化細(xì)菌減少幅度為3.5%～9.7%，對其余生育時(shí)期根際氨化細(xì)菌數(shù)量影響未達(dá)到顯著性水平。

與F處理相比，低量生物黑炭與化肥配施（1% BF處理）對大豆各生育時(shí)期根際氨化細(xì)菌數(shù)量均有顯著促進(jìn)作用（P＜0.05），根際氨化細(xì)菌增加3.9%～39.5%；中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）顯著促進(jìn)大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量（P＜0.05），根際氨化細(xì)菌增加12.6%～102.7%；高量生物黑炭與化肥配施對大豆花期根際氨化細(xì)菌數(shù)量無顯著性影響，對其余生育時(shí)期大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量存在顯著抑制作用（P＜0.05），根際氨化細(xì)菌減少5.2%～19.4%。

圖2 生物黑炭與化肥配施對大豆根際氨化細(xì)菌數(shù)量的影響Fig.2 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric ammonifying bacteria contents in soybean

生物黑炭不同添加數(shù)量之間比較，不同大豆生育時(shí)期表現(xiàn)較為一致（大豆結(jié)莢期除外），不同生物黑炭施用量對根際氨化細(xì)菌數(shù)量的影響呈現(xiàn)5%BF＞1%BF＞10%BF的趨勢，這與根際固氮菌的表現(xiàn)一致（見圖1），說明生物黑炭與化肥配施對土壤氨化細(xì)菌數(shù)量的影響存在一定劑量效應(yīng)，本研究條件下，1%生物黑炭與化肥配施對氨化細(xì)菌數(shù)量表現(xiàn)出促進(jìn)作用的趨勢（花期除外），5%生物黑炭與化肥配施對根際氨化細(xì)菌數(shù)量的提升最為有利，10%生物黑炭與化肥配施對根際氨化細(xì)菌數(shù)量的提升最為不利（見圖2）。

2.4 生物黑炭與化肥配施對大豆根際硝化細(xì)菌數(shù)量的影響

生物黑炭與化肥配施對根際硝化細(xì)菌的影響與生物黑炭施用量有關(guān)，大豆各生育時(shí)期表現(xiàn)較為一致（見圖3）。由圖3可以看出，與CK和F處理相比，低量生物黑炭與化肥配施（1%BF處理）和中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）對各生育時(shí)期大豆根際硝化細(xì)菌有顯著促進(jìn)作用（P＜0.05），根際硝化細(xì)菌較CK分別增加8.0%～80.9%和42.0%～123.3%，較F處理分別增加7.4%～100.0%（平均38.9%）和36.1%～146.9%（平均89.0%）；其中，中量生物黑炭與化肥配施（5%BF）處理根際硝化細(xì)菌數(shù)量在所有處理中為最高，表現(xiàn)出顯著促進(jìn)作用；高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）顯著抑制除成熟期外各生育時(shí)期根際硝化細(xì)菌數(shù)量（P＜0.05），根際硝化細(xì)菌較CK和F處理分別減少5.0%～17.8%和8.2%～15.3%（平均11.0%）。

生物黑炭不同施用數(shù)量之間比較可以看出，高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）對大豆根際硝化細(xì)菌數(shù)量提升不利，較少生物黑炭添加（1%或5%）對大豆根際硝化細(xì)菌數(shù)量提升有利，在本研究范圍內(nèi)，中量生物黑炭與化肥配施（5% BF處理）對根際硝化細(xì)菌具有顯著促進(jìn)作用。

2.5 生物黑炭與化肥配施對大豆根際速效氮含量的影響

2.5.1 生物黑炭與化肥配施對大豆根際銨態(tài)氮含量的影響

生物黑炭與化肥配施對大豆根際銨態(tài)氮含量的影響與大豆生育時(shí)期有關(guān)，且不同生物黑炭施用數(shù)量間存在差異（見圖4）。

與CK相比，低量生物黑炭與化肥配施（1%BF處理）顯著促進(jìn)大豆苗期和花期根際銨態(tài)氮含量（P＜0.05），對大豆結(jié)莢期和鼓粒期根際銨態(tài)氮含量無顯著性影響，對成熟期大豆根際銨態(tài)氮含量存在顯著抑制作用；中量生物黑炭與化肥配施（5% BF處理）顯著促進(jìn)大豆苗期、花期和結(jié)莢期根際銨態(tài)氮數(shù)量（P＜0.05），對鼓粒期和成熟期大豆根際銨態(tài)氮含量無顯著性影響（P＞0.05）；高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）對大豆苗期和鼓粒期根際銨態(tài)氮數(shù)量無顯著性影響，對花期大豆根際銨態(tài)氮數(shù)量具有顯著促進(jìn)作用，對結(jié)莢期和成熟期大豆根際銨態(tài)氮含量有顯著抑制作用（P＜0.05）。

圖3 生物黑炭與化肥配施對大豆根際硝化細(xì)菌數(shù)量的影響Fig.3 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric nitrifying bacteria contents in soybean

圖4 生物黑炭與化肥配施對大豆根際銨態(tài)氮含量的影響Fig.4 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric ammonium nitrogen contents in soybean

與F相比，低量生物黑炭與化肥配施（1%BF處理）顯著促進(jìn)大豆苗期和花期根際銨態(tài)氮含量（P＜0.05），對大豆結(jié)莢期根際銨態(tài)氮含量無顯著性影響，對成熟期大豆根際銨態(tài)氮含量存在顯著抑制作用；中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）顯著促進(jìn)大豆苗期、花期和結(jié)莢期根際銨態(tài)氮數(shù)量（P＜0.05），鼓粒期大豆根際銨態(tài)氮含量無顯著性影響，但顯著抑制成熟期大豆根際銨態(tài)氮含量（P＜0.05）；高量生物黑炭與化肥配施對苗期大豆根際銨態(tài)氮含量無顯著性影響，對花期大豆根際銨態(tài)氮含量有顯著促進(jìn)作用，對結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期大豆根際銨態(tài)氮含量有顯著抑制作用（P＜0.05）。

上述結(jié)果說明，生物黑炭與化肥配施對大豆根際銨態(tài)氮含量的影響因生育時(shí)期不同而不同，從全生育時(shí)期平均水平上來看，低量生物黑炭與化肥配施（1%BF處理）、中量生物黑炭與化肥配施（5% BF處理）對大豆根際銨態(tài)氮含量有一定促進(jìn)作用，高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）對大豆根際銨態(tài)氮含量有抑制作用，說明生物黑炭與化肥配施對大豆根際銨態(tài)氮含量的影響存在劑量效應(yīng)，低量生物黑炭添加對大豆根際銨態(tài)氮的活化有利，本研究條件下，5%生物黑炭與化肥配施對銨態(tài)氮的提升最為有利。

2.5.2 生物黑炭與化肥配施對大豆根際硝態(tài)氮含量的影響

圖5是生物黑炭與化肥配施對不同生育時(shí)期大豆根際硝態(tài)氮含量的影響，從圖中可以看出，生物黑炭與化肥配施對大豆根際硝態(tài)氮含量存在影響，不同生育時(shí)期略有不同（見圖5）。

與CK相比，低量生物黑炭與化肥配施（1%BF處理）對苗期、結(jié)莢期和成熟期大豆根際硝態(tài)氮含量無顯著性影響，顯著促進(jìn)大豆花期和鼓粒期根際硝態(tài)氮含量；中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）對大豆苗期、花期、結(jié)莢期和鼓粒期根際硝態(tài)氮含量有顯著促進(jìn)作用（P＜0.05），對成熟期大豆根際硝態(tài)氮含量無顯著性影響；高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）對大豆苗期、結(jié)莢期根際硝態(tài)氮含量無顯著性影響，對花期、鼓粒期大豆根際硝態(tài)氮含量有顯著促進(jìn)作用，顯著抑制成熟期大豆根際硝態(tài)氮含量（P＜0.05）。

與F處理相比，低量生物黑炭與化肥配施（1% BF處理）對苗期和成熟期大豆根際硝態(tài)氮含量無顯著性影響，顯著促進(jìn)大豆花期、結(jié)莢期和鼓粒期根際硝態(tài)氮含量（P＜0.05）；中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）對大豆苗期、花期、結(jié)莢期和鼓粒期根際硝態(tài)氮含量有顯著促進(jìn)作用，對成熟期大豆根際硝態(tài)氮含量無顯著性影響；高量生物黑炭與化肥配施（10%BF處理）對大豆苗期、結(jié)莢期根際硝態(tài)氮含量無顯著性影響，對花期、鼓粒期大豆根際硝態(tài)氮含量有顯著促進(jìn)作用，顯著抑制成熟期大豆根際硝態(tài)氮含量（P＜0.05）。從全生育時(shí)期平均水平上看，生物黑炭與化肥配施對大豆根際硝態(tài)氮含量的影響存在一定劑量效應(yīng)，過低或過高施用生物黑炭對大豆根際硝態(tài)氮含量的提升不利，本研究條件下，5%生物黑炭與化肥配施對大豆根際硝態(tài)氮含量的提升最為有利（見圖5）。

圖5 生物黑炭與化肥配施對大豆根際硝態(tài)氮含量的影響Fig.5 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric nitrate nitrogen contents in soybean

2.6 氮素轉(zhuǎn)化功能菌與速效氮含量之間的相關(guān)分析

氮素轉(zhuǎn)化功能菌與速效氮含量之間的相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤硝化細(xì)菌數(shù)量與硝態(tài)氮含量之間呈極顯著正相關(guān)（r=0.6938**），說明土壤硝化細(xì)菌數(shù)量增加土壤硝態(tài)氮含量呈增加趨勢；土壤銨態(tài)氮含量與土壤氨化細(xì)菌之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.7850**），說明土壤氨化細(xì)菌數(shù)量增加土壤銨態(tài)氮含量呈增加趨勢（見圖6）。

圖6 土壤氮素轉(zhuǎn)化功能菌與速效氮含量之間的相關(guān)分析(n=90)Fig.6 Correlation analysis between available nitrogen contents and the functional bacteria contents correlated the nitrogen transformation

3 討論

生物黑炭是有機(jī)質(zhì)高溫?zé)o氧下生成的富碳產(chǎn)物[20]。生物黑炭施入土壤后不易降解、能有效固碳，減少人為的CO2排放量[21]。生物黑炭添加對土壤的其他有益影響包括增加作物生產(chǎn)力、減少養(yǎng)分流失。生物黑炭的影響具有可變性，不同來源、不同數(shù)量的生物黑炭對土壤的影響存在差異[22-23]，其影響機(jī)制尚不明確。

生物黑炭具有表面積大、結(jié)構(gòu)疏松等特點(diǎn)，因此對土壤理化性狀，特別是土壤pH產(chǎn)生影響。本研究中，生物黑炭與化肥配施顯著增加大豆根際pH，其中10%BF處理增加土壤pH最為顯著，這與Yuan等結(jié)果[24]一致。Zwieten等研究報(bào)道指出，施入10 t·hm-2生物黑炭可顯著增加土壤pH[14]。其機(jī)理在于生物黑炭表面的-COO-和-O-等有機(jī)官能團(tuán)和生物黑炭中的碳酸鹽主要存在形態(tài)為堿[24]，導(dǎo)致土壤pH升高。

除具有固碳減排的潛力外，生物黑炭是農(nóng)業(yè)友好型產(chǎn)品，影響土壤氮素轉(zhuǎn)化[25]。研究表明，生物黑炭在減少土壤無機(jī)氮的淋溶、N2O排放等方面影響氮素轉(zhuǎn)化。但氮素轉(zhuǎn)化過程中關(guān)鍵菌群數(shù)量影響研究較少[22,26]。Anderson和Kolton等報(bào)道盆栽試驗(yàn)表明生物黑炭土壤添加使養(yǎng)分循環(huán)過程的相關(guān)細(xì)菌組成發(fā)生變化[22,26]。本研究結(jié)果表明，生物黑炭與化肥配施影響氮素轉(zhuǎn)化過程中的固氮菌、氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量，影響程度與生物黑炭施用量、微生物種類及大豆生育期有關(guān)，中量生物黑炭與化肥配施（5%BF處理）顯著促進(jìn)大豆根際固氮菌數(shù)量、氨化細(xì)菌數(shù)量和硝化細(xì)菌數(shù)量。孟穎等研究表明，生物黑炭顯著促進(jìn)土壤固氮菌數(shù)量[17]，這與本研究結(jié)果一致。在森林土壤中也有類似結(jié)果，硝化細(xì)菌數(shù)量隨著生物黑炭的添加而增加，原因在于生物黑炭成分中酚醛樹脂的吸附作用能抑制硝化作用；同時(shí)氨氧化細(xì)菌也增加，并可能影響土壤氨氧化群落組成[27-28]。但Dempster等以0、5和25 t·hm-1添加量研究生物黑炭與不同形態(tài)氮肥配施對微生物菌群的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物黑炭添加抑制微生物菌群的活性，微生物量碳含量顯著下降，造成這種差異原因主要在于生物黑炭的制備條件及來源不同[29]。

生物黑炭可以影響土壤微生物生物量、活性及群落組成[5]，但其機(jī)制尚不明確。李芳芳等研究表明，生物黑炭添加對土壤微生物活性存在一定濃度效應(yīng)[30]，向杉木人工林土壤中分別添加不同用量黑碳，以0、1%和5%添加量時(shí)發(fā)現(xiàn)，除培養(yǎng)1 d之外，土壤微生物量氮和微生物量碳含量呈現(xiàn)5%＞1%＞0的變化。本研究結(jié)果表明，不同施用量生物黑炭與化肥配施對土壤微生物及速效氮含量的影響不同，即生物黑炭對土壤與氮素有關(guān)的微生物數(shù)量的影響具有一定劑量效應(yīng)，生物黑炭對土壤固氮菌數(shù)量、氨化細(xì)菌數(shù)量均存在5%BF＞1%BF＞10%BF的變化趨勢，Anderson和Chen等研究也發(fā)現(xiàn)生物黑炭對土壤氮轉(zhuǎn)化相關(guān)功能菌群的影響因功能菌類型的不同而出現(xiàn)正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)[22-23]，這與本研究結(jié)果一致。Chen等采用T-RFLP、DGGE和qPCR技術(shù)研究生物黑炭對水稻土細(xì)菌和真菌的影響，結(jié)果表明生物黑炭顯著增加細(xì)菌豐富度但減少真菌豐富度，改變微生物群落結(jié)構(gòu)[23]。

生物黑炭對土壤氮素含量影響研究結(jié)果不一致[17,31-33]。郭偉等研究結(jié)果表明，施用生物黑炭提高土壤全氮含量但降低土壤堿解氮含量，即生物黑炭增強(qiáng)對土壤氮固持的同時(shí)，也減少土壤可利用氮的含量[31]。Dempster研究認(rèn)為，施用生物黑炭對土壤微生物量氮的影響不大，但可促進(jìn)土壤有機(jī)氮的礦化[32]。Ding等通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，以竹子為原料生產(chǎn)的生物炭，施入砂質(zhì)粉土后能影響土壤的氮貯存[33]。孟穎等研究結(jié)果表明，短期生物黑炭的施入對銨態(tài)氮含量無顯著性影響，但顯著增加土壤全氮和硝態(tài)氮含量，且增加程度隨生物黑炭施入量的增加而增加[17]。本研究結(jié)果表明，不同比例生物黑炭與化肥配施對大豆根際銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響存在劑量效應(yīng)，5%BF處理對土壤速效氮含量提升更為有利；生物黑炭與化肥配施對土壤速效氮含量的影響因大豆生育時(shí)期不同存在差異：對大豆花期根際銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均有顯著促進(jìn)作用，對其余時(shí)期大豆根際銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量影響較為復(fù)雜，說明生物黑炭與化肥配施可提高大豆旺盛生長時(shí)期土壤速效氮含量。

4 結(jié)論

a.生物黑炭與化肥配施顯著增加大豆根際pH，10%BF處理根際pH最高。

b.生物黑炭與化肥配施對土壤氮素轉(zhuǎn)化功能菌數(shù)量影響存在劑量效應(yīng)，5%BF生物黑炭與化肥配施對大豆根際固氮菌、氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量的提升最為有利。

c.生物黑炭與化肥配施對大豆根際速效氮含量的影響因大豆生育時(shí)期不同存在差異，顯著促進(jìn)大豆花期根際銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

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Effect of biochar plus fertilizer on the rhizospheric functional bacteria related to the nitrogen transformation in soybean

LIU Zhihua1,2,LI Xiaomei1, JIANG Zhenfeng3,ZHANG Shaoliang1,WANG Jiayi1,LIU Hang1,WANG Hongyan1(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China;3.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Biochar made by maize straw at 450℃insulated from oxygen was set as materials. Five experimental treatments were as follows:Control with no fertilizer and biochar application,fertilizer treatment(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with no biochar application),fertilizer with few biochar(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with 1%biochar),fertilizer with moderate biochar(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with 5%biochar)and fertilizer with mass biochar(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with 10%biochar).The present study was proceeded to analyze the amounts of the functional bacteria,pH and available nitrogen related to nitrogen transformation of rhizosphere in soybean.The results showed that pH of rhizosphere increased significantly,and dosage effect was observed in amount of azotobacteria,ammonification bacteria and nitrobacteria when fertilizer plus biochar was applied.Moreover,5%biochar application was favorable to increase the amount of bacteria related to nitrogen transformation in soybean rhizosphere.The results above can offer the evidence to reveal the microbial mechanism of biochar effect on the nutritive substance in soybean rhizosphere.

biochar;soybean;dose effect;bacteria

S513

A

1005-9369（2014）08-0011-09

2014-02-06

國家自然基金（41301316）；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金（LBH-Q13028）；土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（Y412 201418）

劉志華（1979-），女，講師，博士，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)與秸稈資源利用。E-mail:zhihua79@126.com

*通訊作者：王宏燕，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail:why220@126.com

時(shí)間2014-7-18 15:03:54[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140718.1503.012.html

劉志華,李曉梅,姜振峰,等.生物黑炭與化肥配施對大豆根際氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)功能菌的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(8): 11-19.

Liu Zhihua,Li Xiaomei,Jiang Zhenfeng,et al.Effect of biochar plus fertilizer on the rhizospheric functional bacteria related to the nitrogen transformation in soybean[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(8):11-19.(in Chinese with English abstract)