生物炭對土壤微生物C源代謝活性的影響

周 鳳,許晨陽,金永亮,付子騰,閆恒年,陳文怡,陳思默,耿增超

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生物炭對土壤微生物C源代謝活性的影響

周 鳳,許晨陽,金永亮,付子騰,閆恒年,陳文怡,陳思默,耿增超*

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,陜西楊凌 712100)

為了探究外源生物炭輸入量對根際、非根際土壤微生物功能多樣性的影響,通過田間試驗,采用Biolog-ECO檢測法,分析了不同量生物炭輸入下,根際、非根際土壤微生物C源代謝的平均顏色變化率(AWCD)、豐富度指數(shù)、Shannon-Winner指數(shù)、均勻度指數(shù)、Simpson指數(shù)等指標的變化.結(jié)果表明:外源生物炭的輸入提高了根際土壤微生物的C源代謝活性,當輸入量340t/hm2時,達到顯著水平;對非根際土壤微生物的C源代謝活性沒有顯著影響.同時,對根際、非根際土壤微生物的豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、均勻度指數(shù)均沒有顯著影響.外源生物炭的輸入提高了根際土壤微生物對糖類、氨基酸類、羧酸類C源的利用能力;對非根際土壤微生物利用C源的能力無顯著影響;有機碳是影響微生物C源代謝活性的主要因素,40t/hm2生物炭是供試土壤適宜的輸入量.

生物炭；根際、非根際土壤；Biolog-ECO檢測法；主成分分析；冗余分析

土壤微生物多樣性是衡量土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)力的重要指標[1-2],其對環(huán)境的作用主要是由群落代謝功能的差異引起的.根際指圍繞于植物根系表面的土壤微域,是植物-土壤-微生物進行物質(zhì)循環(huán)與能量流動的場所,其土壤的理化性質(zhì)、微生物特性與非根際土壤有較大的差異[3-6].

近年來,生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體、碳封存劑等備受關(guān)注,其施入土壤后能夠有效的改善土壤理化性質(zhì),它的多孔隙結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供了有利的棲息環(huán)境,促進了土壤微生物的生長和繁殖[7].Jin[8]對農(nóng)田不同區(qū)域分別施用0,1,12,30t/hm2由木材制成生物炭的試驗結(jié)果表明,隨著生物炭施用量的逐漸增加,土壤微生物組成出現(xiàn)明顯差異,尤其是生物炭施用量高的根際土壤變化明顯.Jiang等[9]的盆栽試驗顯示,添加生物炭可以增加可培養(yǎng)微生物的豐度、促進細菌基因結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變.而Grossman等[10]對森林土壤及武愛蓮等[11]對褐土施用生物炭的研究結(jié)果與之差異較大.Nielsen等[12]通過調(diào)查26種微生物種群生態(tài)學(xué)特性的研究也證實,外源生物炭的輸入能夠改變土壤C循環(huán).外源生物炭的輸入對細菌和菌根真菌存在影響,但僅通過生物炭對部分微生物的作用而推斷其整體效果是不夠的,而且大多數(shù)研究都為生物炭的盆栽和短期田間試驗,較長的也僅有2~3年,而生物炭在環(huán)境介質(zhì)中的自然衰減過程可長達世紀之久[13],本研究以陜西關(guān)中塿土為供試土壤,通過田間試驗,采用Biolog-ECO檢測法探討了根際、非根際土壤微生物C源代謝活性對不同量生物炭輸入3a后的響應(yīng),以期為生物炭改良塿土的研究提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗田(34°16′N,108°04′E,海拔458.6m)進行,其基本理化性質(zhì)見表1.試驗區(qū)地勢平坦,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫11~13℃,年降水量500~700mm,年均日照時數(shù)2196h,無霜期210d.土壤類型為褐土類,塿土亞類,紅油土屬,黃土母質(zhì),系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土,屬石灰性土壤.

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

供試生物炭(廢棄果樹樹干、枝條在450℃裂解爐中,限氧條件下裂解所得)由陜西億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司提供,其基本理化性質(zhì)見表2.

表2 供試生物炭基本理化性質(zhì)

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,根據(jù)生物炭(于2012年4月27日田間試驗開始前,磨細過1mm篩,一次性撒施于耕層土壤中并與之充分混勻,之后不再施用)的不同添加量,共設(shè)置5個處理,分別為B0(0t/hm2)、B20(20t/hm2)、B40(40t/hm2)、B60(60t/hm2)、B80(80t/hm2),每個處理3次重復(fù),共15個小區(qū),小區(qū)面積為1.35m×3.50m,各個小區(qū)之間均設(shè)有0.5m隔離保護帶.2012年4月~2015年10月供試土壤共進行了7季作物的種植,分別為玉米-小麥-玉米-小麥-玉米-辣椒,2015年10月15日播種小麥(供試的品種為西農(nóng)509,西北農(nóng)林科技大學(xué)選育), 播種量為150kg/hm2,行間距為15cm,2016年6月3日收獲.

1.4 土壤樣品的采集與分析

土壤樣品于冬小麥收獲期,采用根系抖落法(挖取其完整根系并去除根系周圍較大的非根際土壤團塊,輕輕抖動附著于根系周圍的土壤顆粒,并用鑷子輕輕將殘落根系揀出.)采集其根際土壤;采用對角線5點法采集0~20cm土層的非根際土壤.隨后將新鮮土壤樣品混合均勻,放入無菌袋中,于4℃冰箱中保存,測定其微生物功能多樣性.

土壤微生物功能多樣性采用Biolog-Eco檢測法測定,取相當于5.0g風(fēng)干土壤樣品的新鮮土壤樣品,加入裝有45mL無菌生理鹽水(0.85%)的三角瓶中,用無菌封口膜封口后在搖床(轉(zhuǎn)速160r/min)上振蕩30min,得到土壤樣品的微生物懸浮液.靜置片刻后吸取其上清液,在超凈工作臺上,采用十倍稀釋法,用無菌生理鹽水(0.85%)稀釋濃度至10-3,隨后用8通道加樣器將稀釋1000倍的土壤微生物懸浮液接種于Biolog-ECO微平板(ECO Micro Plate,美國Marix Technologies Corporation)上,每孔150μL.將接種后的Biolog- ECO微平板放入28℃生化培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)240h,(每個土壤樣品均做3次重復(fù))每24h用Biolog微生物自動讀數(shù)裝置讀取Biolog-ECO微平板在590nm波長下的吸光值.

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤微生物代謝活性采用反應(yīng)孔顏色的平均變化率(AWCD)表示,代表可培養(yǎng)微生物對不同底物(C源)的利用能力,計算公式如下:

AWCD= Σ (C-) /31

式中:AWCD為反應(yīng)孔顏色的平均變化率;C為各反應(yīng)孔在590nm下的吸光值;為Biolog-ECO 微平板對照孔A1的吸光值;C-<0的反應(yīng)孔,計算中默認為零,即C-30.

土壤微生物群落豐富度指數(shù)()采用反應(yīng)孔(吸光值>0.25,則代表該孔的C源被利用,該孔為反應(yīng)孔)的數(shù)目表示.

土壤微生物群落Shannon-Wiener指數(shù)(),代表微生物群落物種和個體分布的均勻程度.

= -Σ (P× lnP)

式中:為土壤微生物群落Shannon-Wiener指數(shù);P為第個生物量占總生物量的比率,其中P= (C-) /Σ(C-),表示C源孔與對照孔A1的吸光值之差與整板總差的比值.

土壤微生物群落均勻度指數(shù)()采用微生物群落Shannon-Wiener指數(shù)與生物量總量對數(shù)的比值表示.

=/ln

式中:為土壤微生物群落均勻度指數(shù);為土壤微生物群落Shannon-Wiener指數(shù);為生物量總量,即豐富度指數(shù).

土壤微生物群落Simpson指數(shù)(),又稱為優(yōu)勢度指數(shù),用于評估某些最常見種的優(yōu)勢度.

= 1-ΣP2

式中:為土壤微生物群落Simpson指數(shù);P為第個生物量占總生物量的比率.

采用培養(yǎng)168h的吸光值進行土壤微生物功能多樣性的主成分分析.數(shù)據(jù)矩陣包括15行、31列,分別代表實驗設(shè)計中5個處理的15個樣地、Biolog-Eco微平板上的31種C源.

采用種植作物前土壤有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳這5個指標的數(shù)據(jù)作為典型變量,也就是環(huán)境變量,進行冗余分析(RDA).

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013、SPSS 20.0 (采用Duncan多重比較檢驗法分析不同處理之間各指標的顯著性差異,顯著性水平設(shè)定為=0.05)、Canoco 5.0整理分析,圖形采用Origin 9.0、Canoco 5.0繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 根際、非根際土壤微生物C源代謝活性

由圖1可知,隨著培養(yǎng)時間的延長,根際與非根際土壤微生物的AWCD值逐漸上升,表明其C源代謝活性逐漸增加.24h內(nèi)各處理的AWCD值無明顯變化,24h后快速上升,直至168h后變化趨于平緩,此時,根際土壤B20、B40、B60、B80的AWCD值分別為1.198、1.353、1.382、1.338,與B0的AWCD值1.099相比,分別增大了8.98%、23.14%、25.76%、21.76%, B40、B60、B80與B0的差異達到顯著水平;非根際土壤B20、B40、B60、B80的AWCD值分別為0.9164、1.010、1.0195、1.089,與B0的AWCD值1.150相比,分別減小了20.28%、12.07%、11.32%、5.26%,但處理間的差異不顯著,表明生物炭輸入后,根際土壤微生物的C源代謝活性增加,從而提高了其對不同C源的利用效率,而非根際土壤微生物的C源代謝活性下降.根際土壤與非根際土壤相比,B20、B40、B60、B80的AWCD值分別增加了30.68%、33.87%、35.56%、22.87%,僅B40達到顯著水平,B0的AWCD值則減小了4.60%,但差異不顯著.隨著生物炭輸入量的增加,根際與非根際土壤微生物C源代謝活性之間的差異呈先上升后下降的變化趨勢.這可能是由于生物炭輸入土壤后,作物生長狀況的改變會導(dǎo)致根系生長及其分泌物的變化,打破了原有的植物-土壤-微生物相互作用的平衡[14],從而引起根際、非根際土壤微生物之間的差異,Kuzyakov等[15]的研究表明,生物炭在根際可能主要通過共代謝的方式被微生物礦化,而Bais等[16]的研究顯示,酸性的根系分泌物還會參與生物炭的非生物礦化過程.

圖1 根際、非根際土壤微生物平均顏色變化率 (N=96)

2.2 根際、非根際土壤微生物功能多樣性指數(shù)

培養(yǎng)168~240h,不同處理根際、非根際土壤微生物AWCD值的升高幅度逐漸趨于平緩,表明土壤微生物生長減慢且步入了穩(wěn)定期(圖1).因此可以確定培養(yǎng)時間168h是所研究土壤微生物生長對數(shù)期和穩(wěn)定期的臨界值[17],因此,采用此時的吸光值進行土壤微生物功能多樣性指數(shù)的計算.

由表3可知,隨著生物炭輸入量的增加,根際土壤微生物的豐富度指數(shù)呈現(xiàn)降低-升高-降低的變化趨勢,Shannon-Wiener指數(shù)呈先升高后降低的趨勢,B40的豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)均為最高,但處理間的差異不顯著,這與韓光明等[18]對白漿土、潮土、灰漠土和棕壤土中輸入玉米芯生物炭的研究結(jié)果有差異,可能是由于生物炭類型、輸入時間、土壤質(zhì)地、所種植作物不同導(dǎo)致的.生物炭的輸入對根際土壤微生物的均勻度指數(shù)、Simpson指數(shù)沒有顯著影響;但降低了非根際土壤微生物的豐富度指數(shù)、Shannon- Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù),其中處理間的豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)差異不顯著,B20的Simpson指數(shù)較B0降低了1.26%,達到顯著水平,其它處理間差異不顯著;同時生物炭的輸入增加了其均勻度指數(shù),處理間差異也不顯著.這可能是由于土壤微生物功能多樣性指數(shù)變異性較大, 處理間未達到顯著性差異.

表3 不同量生物炭輸入下根際、非根際土壤微生物功能多樣性指數(shù)

注:數(shù)值均為平均值±標準差,不同小寫字母表示差異顯著(<0.05),=3.

根際土壤各處理的微生物豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)均高于非根際土壤,生物炭的輸入則提高了差異的幅度,B40為根際土壤微生物豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)與非根際土壤差異最大的處理,但差異未達到顯著水平.根際土壤B0、B40、B60、B80的微生物均勻度指數(shù)分別高于非根際土壤,B60為差異最大的處理,差異未達到顯著水平;根際土壤B20的微生物均勻度指數(shù)則低于非根際土壤,差異也未達到顯著水平.說明土壤微生物功能多樣性在根際、非根際土壤間存在一定的差別,生物炭的輸入會對差異產(chǎn)生明顯的促進作用,同時揭示了生物碳輸入后,缺少植物根系生長的非根際土壤可能會導(dǎo)致土壤微生物群落種類降低或活性減弱.這可能是由于缺少作物根系的土壤環(huán)境中,生物炭本身的毒性或其吸附周圍環(huán)境中的有毒物質(zhì)得不到緩減,只能作用于土壤微生物,從而影響其活性.

2.3 根際、非根際土壤微生物的C源代謝類型

根據(jù)Biolog-Eco微平板上C源官能團的不同將其分為6大類:其中糖類10種、氨基酸類6種、羧酸類7種、多聚物類4種、多酚化合物類2種、多胺類2種[19],通過對6大類C源吸光值的計算,可以明確土壤微生物對不同C源的利用率.采用培養(yǎng)168h的吸光值進行土壤微生物C源代謝類型分析.由表2可知,B0的吸光值均以氨基酸類C源的最高,根際土壤中,微生物對6大類C源的利用程度由大到小依次為氨基酸類>糖類>多聚物類>羧酸類>多胺類>多酚化合物類;非根際土壤微生物對6大類C源的利用程度則為氨基酸類>糖類>多胺類>羧酸類>多聚物類>多酚化合物類,表明氨基酸類、糖類是塿土中微生物比較偏好、利用率較高的C源.

外源生物炭的輸入增加了根際土壤微生物對糖類、氨基酸類、羧酸類C源的利用能力,隨著生物炭輸入量的增加,根際土壤微生物對糖類C源的利用能力呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,B40、B60的土壤微生物對糖類C源的利用能力與B0相比均達到顯著水平,B60的土壤微生物對其利用能力最強;根際土壤微生物對氨基酸類C源的利用能力呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,當生物炭輸入量340t/hm2時,與B0相比差異顯著,B80的土壤微生物對其利用能力最強;根際土壤微生物對羧酸類C源的利用能力呈現(xiàn)上升-下降-上升的趨勢,當生物炭輸入量340t/hm2時,與B0相比差異顯著,B40的土壤微生物對其利用能力最強.外源生物炭輸入的根際土壤中,微生物對多聚物類、多酚化合物類、多胺類C源的利用能力與對照相比沒有顯著差異.說明外源生物炭的輸入改變了根際土壤微生物對六大類C源的利用情況,在一定程度上改變了根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu),提高了微生物群落對糖類、氨基酸類、羧酸類C源的利用能力,增加了利用這2種C源的微生物數(shù)量、種類或活性.

表4 不同量生物炭輸入下根際、非根際土壤微生物的C源類型分析

注:數(shù)值均為平均值±標準差,不同小寫字母表示差異顯著(<0.05),=3.

當生物炭輸入量為20t/hm2時,非根際土壤微生物對6大類C源的利用能力均有所降低,隨著生物炭輸入量的繼續(xù)增加,非根際土壤微生物對糖類、氨基酸類、羧酸類、多聚物類、多酚化合類C源的利用能力逐漸提高.當生物炭輸入量增加為80t/hm2時,僅有羧酸類、多聚物類C源的利用能力高于對照,但處理間的差異均不顯著.這可能是因為生物炭除了直接提供微生物生長場所以外,還引起了土壤理化性質(zhì)的改變、養(yǎng)分含量及有效性增減[20-22],這些改變均會誘發(fā)不同微生物做出不同的生長代謝反饋,從而導(dǎo)致所利用C源類型的改變.

2.4 根際、非根際土壤微生物功能多樣性主成分分析

對根際土壤微生物的C源代謝情況進行主成分分析,提取主成分相對應(yīng)特征值大于1的前9個主成分,累積貢獻率為90.052%.其中第1主成分(PC1)的特征根和貢獻率分別為7.100和22.903%,第2主成分(PC2)的特征根和貢獻率分別為4.608和14.865%,第3~9主成分的特征根和貢獻率較小,分別為1.162~3.796和3.749%~ 12.245%,其中對PC1貢獻較大的C源有10種,分別為氨基酸類4種(L-苯丙氨酸、甘氨酰-L-谷氨酸、L-天門冬酰胺、L-蘇氨酸)、糖類2種(β-甲基-D-葡萄糖苷、D-木糖/戊醛糖)、羧酸類2種(衣康酸、D-葡糖胺酸)、多聚物類1種(吐溫80)、多胺類1種(腐胺),對PC2貢獻較大的C源有6種,分別為糖類3種(D-纖維二糖、α-D-乳糖、i-赤蘚糖醇)、羧酸類2種(α-丁酮酸、D-蘋果酸)、多酚化合物類1種(2-羥基苯甲酸)主要C源的利用類型為氨基酸類、糖類、羧酸類(表5);對非根際土壤微生物的C源代謝情況進行主成分分析,提取主成分相對應(yīng)特征值大于1的前9個主成分,累積貢獻率為90.939%.其中第1主成分(PC1)的特征根和貢獻率分別為8.222和26.522%,第2主成分(PC2)的特征根和貢獻率分別為4.030和13.002%,第3~9主成分的特征根和貢獻率較小,分別為1.040~3.643和3.356%~ 11.751%,其中對PC1貢獻較大的C源有7種,分別為糖類3種(D-木糖/戊醛糖、D-纖維二糖、α-D-乳糖)、氨基酸類2種(L-蘇氨酸、甘氨酰-L-谷氨酸)、羧酸類2種(D-半乳糖醛酸、D-蘋果酸),對PC2貢獻較大的C源有4種,分別為糖類1種(i-赤蘚糖醇)、氨基酸類1種(L-天門冬酰胺)、羧酸類1種(α-丁酮酸)、多胺類1種(腐胺)主要C源的利用類型為糖類、氨基酸類、羧酸類(表5).說明區(qū)分不同處理下,根際、非根際土壤微生物群落代謝差異的主要原因是對于糖類、氨基酸類、羧酸類利用的不同,土壤微生物的C源代謝類型分析中也表明糖類、氨基酸類是土壤微生物偏好、利用率較高的C源,土壤微生物對這兩大類C源中的具體某一種或某幾種C源的代謝差異也可能是導(dǎo)致根際、非根際土壤微生物C源代謝活性之間差異的原因.

表5 與PC1和PC2 相關(guān)性高的主要碳源

由圖2可知,PC1、PC2軸將不同處理分為3類,根際土壤中,B60、B80分布在第1象限,B20、B40分布在第2象限, B0分布在第3象限;非根際土壤中,B0分布在第1象限,B20、B40分布在第2象限, B60、B80分布在第4象限;說明B20和B40、B60和B80土壤微生物C源代謝模式或功能具有相似性,這也揭示了生物炭的輸入量對土壤微生物群落多樣性具有不同的生態(tài)效應(yīng),在實際應(yīng)用中要綜合考慮土壤改良、環(huán)境修復(fù)與微生物群落結(jié)構(gòu)組成及其主導(dǎo)的生物地球化學(xué)過程來確定生物炭的輸入量.綜合本課題組試驗前期對土壤理化性質(zhì)、植物生長狀況、溫室氣體排放等[23-24]的研究和現(xiàn)有的結(jié)果表明, 40t/hm2生物炭是供試土壤-陜西關(guān)中塿土適宜的輸入量.

圖2 根際、非根際土壤微生物功能多樣性主成分分析

2.5 根際、非根際土壤微生物功能多樣性冗余分析

外源生物炭的輸入改變了土壤中原有的有機碳組分[25],選取5個與有機碳組分相關(guān)的指標作為環(huán)境變量(本季作物種植前測定其化學(xué)性質(zhì),表6)來評價其與土壤微生物功能多樣性的關(guān)系.

表6 環(huán)境變量的化學(xué)性質(zhì)

虛線代表31種C源(用A1~4~H1~4表示);實線代表環(huán)境因子(用正體漢字表示);B0~80代表不同處理;向量越長,表明因子越重要,各向量之間的夾角余弦值代表各向量之間的相關(guān)系數(shù),夾角越小,表明相關(guān)性越強;二者方向相同表明具有正相關(guān)關(guān)系,方向相反則具有負相關(guān)關(guān)系,垂直表示不相關(guān)

由圖3可知,有機碳與易氧化有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳之間均呈正相關(guān)關(guān)系,與水溶性有機碳呈負相關(guān)關(guān)系,原因可能是:①生物炭表面含有的功能基團可以通過專性吸附作用有效吸附土壤水溶性有機碳,為土壤微生物提供了豐富的食物來源,這也是生物炭的多孔結(jié)構(gòu)能成為微生物良好棲息地的重要原因;②生物炭中含有大量的鈣離子[26],能夠絡(luò)合水溶性有機碳[27],導(dǎo)致土壤中水溶性有機碳降低,從而使水溶性有機碳與易氧化有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳所呈現(xiàn)的結(jié)果不同,本課題組的前期研究[25]結(jié)果表明,在生物炭輸入土壤后前三季作物種植期內(nèi),生物炭顯著降低了土壤水溶性有機碳,而在第四季作物收獲后,生物炭對土壤水溶性有機碳的影響已不顯著,這說明生物炭對土壤水溶性有機碳的影響會隨時間的推移逐漸減弱.

根際土壤微生物功能多樣性RDA分析顯示,Axis1與Axis2的累積解釋率達到54.69%,特征根分別為0.3828和0.1641,相關(guān)系數(shù)分別為0.9788 和0.7829,其中Axis1與水溶性有機碳呈正相關(guān),與有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳均呈負相關(guān); Axis2與有機碳、顆粒有機碳呈正相關(guān),與易氧化有機碳、微生物量碳、水溶性有機碳呈負相關(guān),且有機碳對根際土壤微生物C源代謝水平具有極顯著影響,水溶性有機碳則對其具有顯著影響.非根際土壤微生物功能多樣性RDA分析顯示,Axis1與Axis2的累積解釋率達到41.84%,特征根分別為0.2628和0.1557,相關(guān)系數(shù)分別為0.9556和0.8367,其中Axis1與有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳呈正相關(guān),與水溶性有機碳呈負相關(guān); Axis2與有機碳、水溶性有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳均呈正相關(guān).且有機碳對非根際土壤微生物C源代謝水平具有顯著影響.說明土壤微生物C源代謝受環(huán)境變量的綜合影響較大,其中有機碳是主要的環(huán)境變量.

2.6 討論

本試驗中,根際、非根際土壤微生物的C源代謝活性(AWCD)、豐富度指數(shù)、Shannon- Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)、C源代謝類型均存在一定的差異,導(dǎo)致這種差異的原因主要有以下兩點:①作物通過根系作用釋放的糖類、氨基酸、多聚物等小分子有機物及其它有益分泌物,為土壤微生物提供了生長基質(zhì)和有利的生長環(huán)境[28];②根系誘導(dǎo)根際土壤養(yǎng)分產(chǎn)生變化[29-31],大量試驗表明,“根際效應(yīng)”對土壤微生物群落、生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分動態(tài)的分布與循環(huán)等具有重要影響[32-34],采用4種微生物功能多樣性指數(shù)分析不同量生物炭輸入下根際、非根際土壤差異的結(jié)果顯示,除B20的均勻度指數(shù)低于非根際土壤外,根際土壤各處理的微生物豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)均高于非根際土壤,說明根際比非根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定[35].這與李春格等[36]的大豆連作試驗與滕應(yīng)等[37]的盆栽試驗結(jié)果相近.外源生物炭的輸入會促進根際、非根際土壤微生物的差異是因為:①生物炭能夠影響微生物參與的與土壤有機碳庫周轉(zhuǎn)相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程,其對根際、非根際土壤環(huán)境條件的改變間接影響了土壤微生物的數(shù)量及種類[38-39],本文RDA分析中各處理環(huán)境變量化學(xué)性質(zhì)的不同也證實了生物炭對微生物參與的與土壤有機碳庫周轉(zhuǎn)相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程的影響;②輸入生物炭后,植物生長狀況的改變導(dǎo)致根系分泌物和脫落物的變化,而影響到植物-土壤-微生物三者之間的相互作用[40],這在本課題組對生物炭輸入量與植物生長狀況相關(guān)關(guān)系的研究中得到了證實.③施加生物炭有助于叢枝菌根真菌及外生菌根真菌的定殖和孢子形成[41].Solaiman等[42]研究發(fā)現(xiàn),每年輸入0.6~6t 桉木生物炭的土壤兩年后,小麥根部叢生菌根(AM)提高了20%~40%,而未添加生物炭土壤中的AM僅提高了5%~20%,生物炭對小麥叢生菌根的促進作用也可能是導(dǎo)致根際、非根際土壤微生物C源代謝活性差異的原因.根際與非根際土壤微生物功能多樣性主成分分析結(jié)果顯示,糖類、氨基酸類、羧酸類是控制C源代謝利用發(fā)生分異的主要C源,根際、非根際土壤微生物的C源代謝類型分析也得出相同的結(jié)果,但不同處理下,根際、非根際土壤微生物對上述三種C源中具體的代謝種類具有較大差異,這可能是由于非根際-根際的過程中,作物與微生物之間通過這些凋落物和根系分泌物建立起了新的平衡,導(dǎo)致微生物與植物協(xié)同進化,促進了根際土壤微生物多樣性[43-44].生物炭的不同輸入量將土壤微生物的C源代謝模式或功能分為3類,這可能是由于土壤微生物群落酶鏈反應(yīng)速度和最終能達到的程度與群落內(nèi)能利用單一C源微生物的數(shù)目和種類相關(guān)[45],相近的C/N也許是促成分類的主要原因,C/N通過限制土壤微生物的活性和其代謝的速率來影響其C源代謝模式或功能.根際、非根際土壤微生物功能多樣性冗余分析結(jié)果表明,有機碳是影響土壤微生物C源代謝活性的主要環(huán)境變量,這與裴振等[46]研究鹽生植被演替對土壤微生物C源代謝活性影響的試驗結(jié)果相似.對水溶性有機碳而言,其對根際土壤C源代謝水平的顯著性影響也說明了根際、非根際土壤微生物對土壤有機碳易變組分的利用形式也存在差異.鑒于Biolog-ECO檢測法僅能檢測可培養(yǎng)的微生物,不能全面反映土壤微生物的多樣性,其內(nèi)在的作用機制還需進一步研究.

3 結(jié)論

3.1 外源生物炭的輸入提高了根際土壤微生物的C源代謝活性,當輸入量340t/hm2時,達到顯著水平;對非根際土壤微生物C源代謝活性沒有顯著影響.外源生物炭的輸入促進了根際、非根際土壤微生物C源代謝活性之間的差異.

3.2 外源生物炭的輸入對根際、非根際土壤微生物的豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、均勻度指數(shù)沒有顯著影響,但增大了根際、非根際土壤微生物豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)之間的差異.

3.3 氨基酸類、糖類是塿土中微生物比較偏好、利用率較高的C源;外源生物炭的輸入提高了根際土壤微生物對糖類、氨基酸類、羧酸類C源的利用能力;對非根際土壤微生物利用C源的能力無顯著影響.

3.4 外源生物炭輸入后,土壤有機碳是影響微生物C源代謝活性的主要因素.

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Effect of biochar on metabolic activity of soil microbial carbon.

ZHOU Feng, XU Chen-yang, JIN Yong-liang,FU Zi-teng, YAN Heng-nian, CHEN Wen-yi, CHEN Si-mo, GENG Zeng-chao*

(Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)., 2017,37(11)：4202~4211

Field experiment was conducted to investigate the effect of biochar application on the functional diversity of microbial community in rhizosphere and bulk soils. The average well color development (AWCD) during microbial carbon metabolism, Richness index, Shannon-Wiener index, Evenness index, Simpson index of microorganisms in rhizosphere and bulk soils were analyzed by the biolog-ECO method under application of different amounts of biochar. Results showed that the metabolic activity of microbial carbon in rhizosphere soil was increased due to biochar application. When the biochar addition was equal or above 40t/hm2, the metabolic activity of microbial carbon was increased significantly. Biochar application had no significant effect on the metabolic activity of microbial carbon in bulk soil. Meanwhile, the Richness index, Shannon-Wiener index, Evenness index of microbial communities in both rhizosphere and bulk soils were not significantly affected. Biochar application enhanced the ability of soil organisms in rhizosphere to utilize carbohydrates, amino acids and carboxylic acids as carbon sources, while it did not significantly influence the carbon utilization ability of soil organisms in bulk soil. Organic carbon was the main factor that controlled the metabolic activity of microbial carbon.Biochar addition of 40t/hm2was the most suitable application amount.

biochar；rhizosphere and bulk soils；biolog-ECO method；principal component analysis；redundancy analysis

X53

A

1000-6923(2017)11-4202-10

周 鳳(1992-),女,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市人,西北農(nóng)林科技大學(xué)土壤學(xué)專業(yè)碩士研究生,主要研究方向為土壤微生物.發(fā)表論文1篇.

2017-05-04

楊凌示范區(qū)科技計劃項目(2015SF-03);西北農(nóng)林科技大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目(2201610712021)

* 責(zé)任作者, 教授, gengzengchao@126.com