不同水分條件下生物質(zhì)炭添加對(duì)濕地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

于小彥,楊艷芳,張平究①,張 群,杜永固

(1.安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院/ 江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 蕪湖 241003;2.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241003)

生物質(zhì)炭是有機(jī)物料在缺氧條件下,經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的固體殘?jiān)?具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)等特征,這使得生物質(zhì)炭在改善土壤質(zhì)量、阻止污染物質(zhì)遷移、治理環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。土壤微生物是土壤生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,其豐度、多樣性和活性對(duì)于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡、促使養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和污染物遷移等方面起著重要作用[2]。生物質(zhì)炭作為一種新型的土壤改良劑,被施用到土壤后,可以直接或間接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能[2]。MAESTRINI等[3]和KUZYAKOV等[4]采用13C或14C標(biāo)記生物質(zhì)炭的研究發(fā)現(xiàn),4或15 g·kg-1生物質(zhì)炭成分可進(jìn)入土壤微生物。同時(shí),生物質(zhì)炭可通過自身攜帶養(yǎng)分和影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分有效性等途徑影響微生物量、活性和群落結(jié)構(gòu)[2]。蓋霞普等[5]通過短期室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭通過影響土壤pH、有機(jī)碳和全氮含量,進(jìn)而影響土壤微生物量和群落結(jié)構(gòu),而這些影響在不同土壤類型間存在差異。李明等[6]研究發(fā)現(xiàn)秸稈生物質(zhì)炭的添加可提高微生物活性,增加磷脂脂肪酸(PLFAs)總量,且高溫裂解生物質(zhì)炭比低溫裂解生物質(zhì)炭更能促進(jìn)微生物量增加;但也有研究表明生物質(zhì)炭添加降低了土壤PLFAs量,對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也沒有顯著影響[7],低溫裂解生物質(zhì)炭更有利于提高微生物活性[8]。趙蘭鳳等[9]研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭有利于提高土壤微生物的物種豐富度,促進(jìn)微生物種類的均勻分布。ZHU等[10]研究了添加生物質(zhì)炭已2 a的玉米地土壤微生物,發(fā)現(xiàn)低溫(400 ℃)裂解生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物豐富度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)沒有顯著影響,僅增加10～20 cm土壤層微生物的均勻度指數(shù)。因此,生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物量、活性和群落結(jié)構(gòu)的影響研究結(jié)果存在差異,而這些差異與生物質(zhì)炭裂解溫度、生物質(zhì)炭原材料、土壤類型、土壤養(yǎng)分含量以及微生物種類等有關(guān)[2,5-13]。土壤水分是土壤的重要組成部分,且水分條件深刻影響著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性[14],可能會(huì)改變生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的方式或程度,但當(dāng)前尚缺乏相關(guān)方面的研究。

以生物質(zhì)炭為添加劑,以具有干濕交替或長(zhǎng)期淹水的獨(dú)特水文條件的濕地土壤[15]為研究對(duì)象,采用PLFAs表征方法研究不同水分條件下生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,以期豐富生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤性質(zhì)

供試土壤于2014年4月采自巢湖十五里河河口濕地(31°43′56.89″ N,117°21′29.66″ E)表層(0～10 cm)。該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫為16.1 ℃,年降水量為947.0～1 596.5 mm。土樣采集后,自然風(fēng)干,挑去肉眼可見的細(xì)根,過0.85 mm孔徑篩,部分土樣過0.15 mm孔徑篩,以備室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。供試土壤的基本理化性質(zhì):pH值為4.55,w(有機(jī)質(zhì))為58.7 g·kg-1,w(全磷)為1.64 g·kg-1,w(速效磷)為101.6 mg·kg-1,w(堿解氮)為77 mg·kg-1,C/N比值為10.3。

1.2 生物質(zhì)炭制備和室內(nèi)土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

以風(fēng)干蘆葦為原料,將其置于密閉不銹鋼飯盒內(nèi),用馬弗爐隔氧加熱4 h[7],制備溫度分別為350和600 ℃。將生物質(zhì)炭研磨,用過篩方法篩選粒徑為0.60～2.00 mm的生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)見表1。

室內(nèi)模擬土柱為內(nèi)壁直徑7 cm、高度15 cm的PVC圓柱管。每個(gè)土柱內(nèi)裝入7 g生物質(zhì)炭和168 g過0.85 mm孔徑篩的土壤(生物質(zhì)炭量為土壤質(zhì)量的4%)的均勻混合物,形成約10 cm高的土柱。試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)生物質(zhì)炭處理(CK、350B和600B)和3個(gè)水分處理(75、J和Y)。CK表示不添加生物質(zhì)炭的土壤處理,350B和600B分別表示添加制備溫度分別為350和600 ℃生物質(zhì)炭的土壤處理,75表示75%田間持水量,J表示干濕交替,Y表示淹水。同時(shí),用拉伸薄膜覆蓋封閉以防止淹水和75%田間持水量處理的土壤水分蒸發(fā),干濕交替為敞開式培養(yǎng),先保持薄薄水層,直到干到接近原始質(zhì)量,采用稱重法確定后期培養(yǎng)加水量。添加水為超純水,以避免水體不凈帶來污染。培養(yǎng)溫度和光照條件與室內(nèi)一致。試驗(yàn)共設(shè)置9個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),培養(yǎng)時(shí)間始于2014年9月,共培養(yǎng)2 a,分別在添加生物質(zhì)炭培養(yǎng)240和720 d后進(jìn)行破壞性取樣,土樣自然風(fēng)干。培養(yǎng)后土壤基本化學(xué)性質(zhì)見表2。將自然風(fēng)干的土樣進(jìn)行預(yù)培養(yǎng),經(jīng)75%田間持水量培養(yǎng)后風(fēng)干的土樣,重新添加超純水后調(diào)節(jié)至75%田間持水量;經(jīng)干濕交替和淹水培養(yǎng)后的風(fēng)干土樣,均加超純水調(diào)至淹水狀態(tài),最后在25 ℃條件下恒溫培養(yǎng)7 d,促使土壤微生物復(fù)蘇。然后將預(yù)培養(yǎng)后的土樣進(jìn)行冷凍干燥,以備土壤PLFAs測(cè)定分析。

表1 生物質(zhì)炭基本性質(zhì)

Table 1 Basic properties of biochar

制備溫度/℃w(N)/%w(C)/%w(H)/%C/N比值C/H比值pHw(堿解氮)/(mg·kg-1) 3500.68±0.01b66.10±0.79b3.65±0.05a97.21±0.93b18.11±0.47b6.89±0.12b13.86±1.40a 6000.74±0.01a74.50±1.35a2.27±0.02b100.22±0.80a32.77±0.41a7.75±0.06a7.56±0.99b

同一列英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

表2 添加生物質(zhì)炭的土壤基本化學(xué)性質(zhì)及其多因素方差分析

Table 2 Chemical properties of biochar amended soils and multiple factor variance analysis

處理pHw(速效磷)/(mg·kg-1)w(堿解氮)/(mg·kg-1)w(N03--N)/(mg·kg-1)w(NH4+-N)/(mg·kg-1) 240d-CK754.72±0.00g104.4±0.7ef230.3±5.9e13.19±0.06d205.0±7.7d 720d-CK754.99±0.01de101.3±0.5efg391.3±8.9a3.15±0.04fg562.0±3.0a 240d-350B754.57±0.03h96.8±2.9efgh178.9±9.4k13.86±0.16d150.7±0.0ef 720d-350B754.81±0.02f94.5±0.1fghi335.3±6.9b5.45±0.12f488.9±17.8b 240d-600B754.56±0.02h102.2±0.5ef174.7±0.5k21.25±0.52e103.7±6.0g 720d-600B754.35±0.00i102.4±2.0efg208.3±4.5fgh39.14±1.431i202.7±1.5d 240d-CKJ4.95±0.01e126.9±6.6abc248.5±14.9d1.00±0.71g255.6±0.5c 720d-CKJ5.05±0.01cd118.1±0.7cd308.0±15.3c3.32±0.00cd236.8±2.4c 240d-350BJ4.71±0.06g116.6±1.1cd212.5±1.5fg2.18±4.43g197.6±4.4d 720d-350BJ4.26±0.07i125.7±13.8ab172.2±1.0k32.88±13.08i81.9±9.4h 240d-600BJ4.78±0.08fg132.2±9.5a202.7±0.5ghi10.24±12.21g191.3±11.1d 720d-600BJ4.20±0.00j123.1±3.7abc156.8±2.0l20.90±10.74j61.1±2.4i 240d-CKY5.08±0.08cd94.6±1.0efghi219.5±1.5ef0.35±0.02g195.5±19.4d 720d-CKY5.27±0.00a105.1±10.6bc154.0±15.2l0.55±0.06a100.3± 0.9gh 240d-350BY5.05±0.04c83.2±0.8i193.2±1.0ij0.40±0.03g171.5±12.2e 720d-350BY5.16±0.03b108.0±1.4de185.2±6.4jk0.75±0.05b149.3±1.8f 240d-600BY5.04±0.01cd85.1±3.5hi196.7±4.0hij0.85±0.02g157.4±13.7ef 720d-600BY5.29±0.07d102.2±7.8ghi177.5±0.5k0.57±0.02a153.6±12.1ef 時(shí)間<0.0010.008<0.001<0.001<0.001 水分0.863<0.001<0.001<0.001<0.001 生物質(zhì)炭<0.0010.013<0.001<0.001<0.001 時(shí)間×水分<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001 時(shí)間×生物質(zhì)炭<0.0010.009<0.001<0.001<0.001 水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001 時(shí)間×水分×生物質(zhì)炭<0.0010.016<0.001<0.001<0.001

同一列英文小寫字母不同表示不同處理之間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05);表內(nèi)下部數(shù)據(jù)為多因素方差分析顯著性差異P值。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤速效磷、銨態(tài)氮和堿解氮含量的測(cè)定參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]。土壤pH按V(水)∶m(土)=5∶2測(cè)定,生物質(zhì)炭pH按V(水)∶m(炭)=25∶1測(cè)定。硝態(tài)氮含量測(cè)定采用紫外分光光度法[17]。

土壤PLFAs量的測(cè)定和鑒定:采取修正的Bligh和Dyer方法提取PLFAs[18]。具體步驟:取3 g凍干土置于50 mL三角瓶中,用V(磷酸緩沖液)∶V(氯仿)∶V(甲醇緩沖液)為3.2∶4∶8的混合液振蕩提取脂類,通過固相抽提柱層析得到PLFAs,然后經(jīng)堿性甲基化得到磷脂脂肪酸甲脂。PLFAs定量?jī)?nèi)標(biāo)為十九烷酸(上海安譜實(shí)驗(yàn)科技有限公司);PLFAs鑒定標(biāo)準(zhǔn)樣品編號(hào)為1208,碳鏈長(zhǎng)度為C10-C24(美國(guó)MIDI公司);PLFAs送至中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,在氣相色譜儀(美國(guó)Agilent 7890A)上采用MIDI微生物鑒定儀(MIDI,Newark,Delaware,USA)進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)結(jié)合SherlockMIS 6.2系統(tǒng)(Sherlock Microbial Identification System)鑒定分析PLFAs。微生物PLFAs數(shù)據(jù)庫為該系統(tǒng)軟件自帶的PLFAD1。篩選得到47種標(biāo)記物,PLFAs經(jīng)鑒定分為6類[6]:真菌(18∶2 w6c,18∶1 w9c,23∶0)、叢枝菌根(AM)真菌(16∶1 w5c)、放線菌(16∶0 10-methyl,17∶1 w7c 10-methyl,17∶0 10-methyl,18∶1 w7c 10-methyl,18∶0 10-methyl,20∶0 10-methyl)、革蘭陰性細(xì)菌G-(15∶1 w6c,16∶1 w7c,17∶1 w8c,18∶1 w7c,19∶1 w8c,20∶1 w9c,20∶1 w8c,21∶1 w6c,21∶1 w5c,21∶1 w3c,22∶1 w9c,17∶0 cyclo w7c,19∶0 cyclo w9c,19∶0 cyclo w7c)、革蘭陽性細(xì)菌G+(15∶1 iso w6c,17∶1 iso w9c,13∶0 iso,12∶0 anteiso,13∶0 anteiso,14∶0 iso,15∶0 iso,16∶0 iso,17∶0 iso,22∶0 iso,15∶0 anteiso,17∶0 anteiso,17∶1 anteiso w7c)和一般細(xì)菌(12∶0,13∶0,14∶0,15∶0,16∶0,17∶0,18∶0,20∶0,22∶0,24∶0)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和制圖,并計(jì)算Shannon-Wiener豐富度指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)[19]。采用SPASS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析和相關(guān)性分析。采用CANOCO 5軟件進(jìn)行冗余分析(RDA),先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA),由于排序軸梯度長(zhǎng)度(LGA)<3,故選擇RDA方法對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系進(jìn)行分析;RDA方法中蒙特卡羅置換檢驗(yàn)顯著性水平設(shè)置為α=0.05,置換數(shù)(number of permutations)為499。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物PLFAs的影響

多因素方差分析結(jié)果表明培養(yǎng)時(shí)間、水分條件和生物質(zhì)炭添加對(duì)大多數(shù)土壤微生物PLFAs量具有極顯著的主效應(yīng)和交互效應(yīng)(表3)。在75%田間持水量條件下,培養(yǎng)240 d后生物質(zhì)炭添加顯著提高土壤PLFAs表征的土壤微生物量,PLFAs總量和各類群PLFAs量比對(duì)照土壤平均增加49.01%(圖1)。在75%田間持水量條件下培養(yǎng)720 d,添加生物質(zhì)炭的土壤PLFAs總量、AM真菌、放線菌、G-和一般細(xì)菌的PLFAs量與對(duì)照相比,分別平均下降8.32%、25.72%、14.62%、19.77%和8.20%(圖1);干濕交替條件下培養(yǎng)240和720 d生物質(zhì)炭添加處理土壤微生物PLFAs量平均下降38.85%,淹水條件下土壤微生物PLFAs量平均下降12.83%(圖1)。就3種水分處理而言,干濕交替條件下,添加生物質(zhì)炭的土壤PLFAs量下降幅度最大。3種水分條件下培養(yǎng)240 d后,總體上添加裂解溫度為350 ℃ 生物質(zhì)炭的土壤PLFAs總量和各類群PLFAs量高于添加裂解溫度為600 ℃生物質(zhì)炭的土壤,但培養(yǎng)720 d后生物質(zhì)炭裂解溫度對(duì)土壤PLFAs量影響的差異未達(dá)顯著水平或差異較小(圖1)。不同于對(duì)照土壤,添加生物質(zhì)炭培養(yǎng)240和720 d后,土壤PLFAs總量、一般細(xì)菌、真菌、放線菌和G+的PLFAs量表現(xiàn)為干濕交替低于其他兩種水分處理,AM真菌和G-的PLFAs量表現(xiàn)為干濕交替僅小于淹水,與75%田間持水量間無顯著差異性;總體上,土壤PLFAs總量、AM真菌、G+、G-的PLFAs量均以淹水處理為最高,而其他類群PLFAs量在淹水條件下與干濕交替和75%田間持水量條件下無顯著差異。除75%田間持水量處理外,培養(yǎng)240 d生物質(zhì)炭添加處理土壤微生物PLFAs總量和AM真菌、真菌、G+、G-及一般細(xì)菌PLFAs量均大于培養(yǎng)720 d生物質(zhì)炭添加處理。土壤真菌/細(xì)菌和G-/G+比值范圍分別為0.079～0.134和0.33～0.74,生物質(zhì)炭添加顯著降低了干濕交替條件下土壤G-/G+比值,干濕交替條件顯著降低土壤真菌/細(xì)菌PLFAs比值,其他處理下土壤生物質(zhì)炭制備溫度、培養(yǎng)時(shí)間及土壤水分條件對(duì)土壤G-/G+和真菌/細(xì)菌的PLFAs比值均無顯著影響或無明顯規(guī)律性(圖1)。

表3 添加生物質(zhì)炭的土壤微生物PLFAs多因素方差分析(P值)

Table 3 Multiple factor variance analysis of microbial PLFAs in soils amended with biochar under different water conditions

處理總PLFAsAM真菌PLFAs放線菌PLFAs 真菌PLFAsG-PLFAsG+PLFAs一般細(xì)菌PLFAs真菌/細(xì)菌PLFAs比值G-/G+PLFAs比值 時(shí)間<0.001<0.001<0.001<0.0010.001<0.001<0.001 <0.001 0.681 水分<0.001<0.001<0.001 0.059<0.001<0.001<0.001 <0.001 <0.001 生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 <0.001<0.0010.002<0.001 0.031 <0.001 時(shí)間×水分<0.0010.332<0.001 <0.001<0.0010.032<0.001 <0.001 <0.001 時(shí)間×生物質(zhì)炭<0.0010.018<0.001 0.322<0.0010.001<0.001 0.098 0.451 水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 <0.001<0.001<0.001<0.001 0.006 <0.001 時(shí)間×水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 <0.001<0.001<0.001<0.001 0.059 0.001

同一分圖中所有直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.2 生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物群落多樣性指數(shù)的影響

多因素方差分析表明除了少部分Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)外,培養(yǎng)時(shí)間、水分條件和生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物Shannon-Wiener豐富度指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和D指數(shù)具有極顯著的主效應(yīng)和交互效應(yīng)(表4)。在75%田間持水量條件下,添加生物質(zhì)炭可增加土壤H和J值,但降低D值;淹水條件下,僅培養(yǎng)240 d生物質(zhì)炭添加就可降低H和J指數(shù),但增加D指數(shù)(圖2)。在干濕交替條件下,生物質(zhì)炭添加和培養(yǎng)時(shí)間對(duì)土壤微生物多樣性指數(shù)的影響沒有明顯規(guī)律性。生物質(zhì)炭制備溫度和土壤水分條件對(duì)土壤微生物多樣性指數(shù)的影響也沒有明顯規(guī)律性。

表4 添加生物質(zhì)炭的土壤微生物PLFAs多樣性指數(shù)的多因素方差分析(P值)

Table 4 Multiple factor variance analysis of microbial PLFAs diversity indexes in soils amended with biochar(P值)

處理 HJD 時(shí)間0.019<0.0010.037 水分<0.001<0.001<0.001 生物質(zhì)炭<0.001<0.0010.066 時(shí)間×水分<0.001<0.001<0.001 時(shí)間×生物質(zhì)炭<0.001<0.0010.089 水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 時(shí)間×水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001

H為Shannon-Wiener豐富度指數(shù),J為Pielou均勻度指數(shù),D為Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。

2.3 各類群微生物PLFAs與土壤基本性質(zhì)之間的偏相關(guān)性分析

各類群PLFAs與土壤基本性質(zhì)的偏相關(guān)性分析結(jié)果(表5)表明,土壤總PLFAs，真菌、細(xì)菌、放線菌和G-的PLFAs值均與土壤pH值呈顯著正相關(guān),其中,真菌PLFAs值與pH呈極顯著正相關(guān)?？侾LFAs，細(xì)菌和G+的PLFA值均與速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān),而G-/G+PLFA比值和H指數(shù)均與土壤速效磷含量呈顯著正相關(guān)。而真菌、放線菌PLFAs,真菌/細(xì)菌PLFAs比值均與土壤NO3--N含量呈顯著負(fù)相關(guān),而J指數(shù)與土壤NO3--N含量呈顯著正相關(guān)。土壤堿解氮含量與總PLFAs和其他類群微生物PLFAs呈正相關(guān),但僅與放線菌PLFAs值和D指數(shù)呈顯著正相關(guān)。土壤NH4+-N含量與總PLFAs和其他類群微生物PLFAs呈正相關(guān),但僅與放線菌PLFAs值、D指數(shù)呈顯著正相關(guān),而與H和J指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

同一分圖中所有直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

表5 土壤微生物PLFAs量與土壤基本性質(zhì)之間的偏相關(guān)性分析

Table 5 Partial correlation analysis between soil PLFAs and soil basic properties

因子pH速效磷含量堿解氮含量NO3--N含量NH4+-N含量 總PLFAs0.540?-0.576?0.298-0.4080.293 真菌PLFAs0.649??-0.1590.474-0.681??0.492 細(xì)菌PLFAs0.499?-0.568?0.309-0.3890.284 放線菌PLFAs0.607?-0.4810.593?-0.547?0.597? AM真菌PLFAs0.338-0.1040.245-0.3660.171 G+PLFAs0.458-0.755??0.139-0.2880.208 G-PLFAs0.531?-0.1530.287-0.4060.199 G-/G+PLFAs比值0.0610.728??0.104-0.109-0.125 真菌/細(xì)菌PLFAs比值0.3430.4720.400-0.526?0.461H指數(shù)-0.2550.512?-0.4430.367-0.623? J指數(shù)-0.4410.320-0.4230.499?-0.547? D指數(shù)-0.209-0.3780.552?-0.3430.654??

n=18。*表示在α=0.05水平上顯著相關(guān);**表示在α=0.01 水平上顯著相關(guān)。

2.4 土壤微生物PLFAs群落結(jié)構(gòu)與土壤基本性質(zhì)指標(biāo)之間的冗余分析

應(yīng)用RDA方法對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤基本性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果見圖3。圖3中箭頭表示土壤基本性質(zhì)指標(biāo),實(shí)心圓形和三角形表示不同處理土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。箭頭投影到某個(gè)微生物群落與中心連線上的點(diǎn)距離中心越長(zhǎng),表示該土壤性質(zhì)指標(biāo)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響越大。箭頭連線與排序軸夾角表示某一土壤性質(zhì)與排序軸相關(guān)性大小,夾角越小表示相關(guān)性越高。圓圈之間、三角形之間和圓圈與三角形之間的距離越短,表示微生物群落結(jié)構(gòu)越相似。RDA分析結(jié)果顯示,兩個(gè)排序軸解釋量達(dá)59.73%,其中,第1排序軸(橫軸)共解釋50.33%的土壤養(yǎng)分信息,第2排序軸(縱軸)共解釋9.40%的土壤養(yǎng)分信息。從排序圖可以看出,pH、硝態(tài)氮含量和速效磷含量3個(gè)土壤養(yǎng)分因子的箭頭較長(zhǎng),說明它們對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的解釋量較大,且與第1排序軸的夾角較小,說明它們是第1排序軸的主要影響因子,也是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素。這與相關(guān)性分析結(jié)果(表5)一致。生物質(zhì)炭添加可通過改變土壤pH影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[2],土壤硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量強(qiáng)烈影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu),而過多的硝態(tài)氮可抑制微生物生長(zhǎng),降低土壤微生物量[20]。由圖3可知,相同水分條件和相同培養(yǎng)時(shí)間條件下的土壤處理相對(duì)比較集中,表明具有較為相似的微生物群落結(jié)構(gòu),以相同水分條件下表現(xiàn)尤其明顯。這也說明土壤水分條件和培養(yǎng)時(shí)間是左右生物質(zhì)炭添加對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響的重要因子。

RDA1(50.33%)實(shí)心三角形和實(shí)心圓形分別表示培養(yǎng)240和720 d。

3 討論

生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜,生物質(zhì)炭可通過提供微生物生長(zhǎng)所需的碳源、氮源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),改變土壤pH值、通氣性和持水性等理化性質(zhì),自身攜帶或吸附土壤多環(huán)芳烴等抑制微生物生長(zhǎng)的有毒物質(zhì),以及為微生物提供生存棲息地等途徑來影響土壤微生物[3-4,6,21]。筆者研究發(fā)現(xiàn),除75%田間持水量條件下培養(yǎng)240 d,生物質(zhì)炭添加顯著提高土壤PLFAs量外,75%田間持水量條件下培養(yǎng)720 d以及干濕交替和淹水條件下培養(yǎng)240和720 d,生物質(zhì)炭添加均降低土壤PLFAs總量和各類群微生物PLFAs量。這可能是由于生物質(zhì)炭雖然可提供少量養(yǎng)分[2,12],但生物質(zhì)炭可吸附固持土壤有效養(yǎng)分,降低土壤養(yǎng)分生物有效性[7,21],進(jìn)而導(dǎo)致生物質(zhì)炭添加后土壤微生物生物量降低。添加生物質(zhì)炭的土壤堿解氮含量和NH4+-N含量大都低于對(duì)照土壤,而添加生物質(zhì)炭的部分土壤速效磷含量也低于對(duì)照或無顯著差異(表2),且相關(guān)性分析結(jié)果也顯示土壤堿解氮含量和NH4+-N含量與各類群土壤微生物PLFAs量呈正相關(guān)關(guān)系(表5)。土壤硝態(tài)氮過多可抑制土壤微生物生長(zhǎng),降低土壤微生物生物量[20],筆者研究中土壤大多數(shù)類群微生物PLFAs量與硝態(tài)氮含量間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5),因此,生物質(zhì)炭添加使得土壤硝態(tài)氮含量上升可能也是導(dǎo)致土壤微生物PLFAs量降低的原因之一。生物質(zhì)炭還可通過影響土壤pH進(jìn)而影響土壤微生物生長(zhǎng)[2,6]。筆者研究中土壤pH與土壤大多數(shù)類群微生物PLFAs量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5),而生物質(zhì)炭添加促進(jìn)了土壤pH降低(表2),導(dǎo)致土壤多數(shù)類群微生物PLFAs量降低。同時(shí),由于生物質(zhì)炭自身攜帶乙醛、松萜和多環(huán)芳烴等具有毒性的有機(jī)化合物,可抑制微生物的生長(zhǎng)[22],進(jìn)而促使生物質(zhì)炭添加后土壤微生物PLFAs量降低。而75%田間持水量條件下培養(yǎng)240 d,生物質(zhì)炭添加顯著提高土壤PLFAs量,可能是因?yàn)橄鄬?duì)于淹水和干濕交替條件,75%田間持水量條件下土壤微生物活性更高,可促進(jìn)生物質(zhì)炭自身攜帶毒性有機(jī)物分解且毒性降低更快,使得土壤微生物生長(zhǎng)恢復(fù)更快,進(jìn)而使土壤微生物PLFAs量有所提高。

有研究[8]表明與低溫裂解生物質(zhì)炭相比,高溫裂解生物質(zhì)炭更有利于促進(jìn)微生物生長(zhǎng),進(jìn)而更有利于增加土壤PLFAs量[6],也有研究發(fā)現(xiàn)低溫裂解生物質(zhì)炭更有利于提高微生物活性。筆者研究發(fā)現(xiàn)75%田間持水量條件下培養(yǎng)720 d,以及干濕交替和淹水條件下培養(yǎng)240 d,添加低溫裂解生物質(zhì)炭土壤PLFAs含量高于添加高溫裂解生物質(zhì)炭土壤,這可能歸因于低溫裂解生物質(zhì)炭比高溫裂解生物質(zhì)炭含有更多低相對(duì)分子質(zhì)量、易降解的有機(jī)化合物[8],為土壤微生物提供更多的碳源和養(yǎng)分[2,12],因此,添加低溫裂解生物質(zhì)炭更有利于土壤微生物生長(zhǎng)。

生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物影響狀況還受生物質(zhì)炭添加時(shí)間長(zhǎng)短的影響[7,23]。筆者研究發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)時(shí)間對(duì)添加生物質(zhì)炭的土壤微生物影響顯著,培養(yǎng)240 d時(shí)添加生物質(zhì)炭的土壤微生物PLFAs總量和各類群微生物PLFAs量高于培養(yǎng)720 d時(shí),表明培養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng),添加生物質(zhì)炭就越不利于微生物生長(zhǎng)。AMELOOT等[23]也發(fā)現(xiàn),添加生物質(zhì)炭(30 t·hm-2)的土壤培養(yǎng)2 a后,土壤真菌、放線菌、G+和G-的PLFAs量均小于培養(yǎng)7個(gè)月時(shí)土壤上述微生物PLFAs量。這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)炭含有的已被微生物分解礦化的有機(jī)物隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而降低,使得微生物生長(zhǎng)所需的底物減少,從而抑制微生物活性和生物量,促使土壤微生物PLFAs量下降。同時(shí),隨著添加到土壤的生物質(zhì)炭逐漸老化,生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分吸附和固定能力增強(qiáng),可進(jìn)一步抑制土壤微生物生長(zhǎng)。

土壤水分條件一方面通過影響土壤有效養(yǎng)分來影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)或活性,另一方面直接影響對(duì)水分條件敏感的土壤微生物[15]。筆者研究中RDA分析結(jié)果也表明,相同水分條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較為相似(圖3)。牛佳等[24]研究發(fā)現(xiàn)淹水條件下微生物PLFAs總量和各菌群PLFAs含量顯著高于無淹水土壤,這歸因于淹水條件下土壤有機(jī)碳含量和全氮含量顯著高于無淹水土壤。筆者研究發(fā)現(xiàn),總體上干濕交替條件下,添加生物質(zhì)炭的土壤PLFAs量較低,淹水條件下PLFAs量較高。這可能是由于干濕交替條件下土壤環(huán)境變化強(qiáng)烈,導(dǎo)致土壤微生物大量死亡[14],而淹水條件下土壤環(huán)境穩(wěn)定,對(duì)微生物影響小,所以干濕交替條件下土壤微生物PLFAs量較低,淹水條件下PLFAs量較高。在干濕交替條件下添加生物質(zhì)炭的土壤堿解氮、銨態(tài)氮和pH下降相對(duì)于其他2種水分條件更加顯著(表2),因此,生物質(zhì)炭添加加劇干濕交替條件下土壤養(yǎng)分有效性的降低,進(jìn)而促使土壤各類群微生物PLFAs量降低。

生物質(zhì)炭添加影響著土壤各類群微生物,進(jìn)而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。筆者研究生物質(zhì)炭對(duì)土壤G-/G+和真菌/細(xì)菌PLFAs比值的影響沒有規(guī)律性,但生物質(zhì)炭對(duì)土壤多樣性指數(shù)的影響受土壤水分條件所左右,表現(xiàn)為75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加顯著增加土壤微生物豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù),降低優(yōu)勢(shì)度指數(shù);淹水條件下培養(yǎng)240 d時(shí)生物質(zhì)炭添加降低土壤微生物豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù),增加了優(yōu)勢(shì)度指數(shù);干濕交替條件下生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物群落多樣性指數(shù)的影響沒有明顯規(guī)律性。由于75%田間持水量條件下水分和氧氣較充足,生物質(zhì)炭添加增加了土壤微生物生境多樣化[21],促使土壤微生物多樣性增加;而淹水條件屬于厭氧且較為均質(zhì)環(huán)境,生物質(zhì)炭添加促進(jìn)某些微生物種群生長(zhǎng),但抑制了其他類群微生物的生長(zhǎng)[9]。微生物多樣性指數(shù)是表征微生物群落結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo),多樣性指數(shù)越高,土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)就越復(fù)雜,微生物生態(tài)功能就越穩(wěn)定[9]。這說明75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加使得土壤微生物更加豐富和多樣,微生物生態(tài)系統(tǒng)更加復(fù)雜和穩(wěn)定。RDA分析結(jié)果表明,相同水分條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更為相似(圖3),表明生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響深受水分條件所左右。

4 結(jié)論

(1)在75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加促進(jìn)培養(yǎng)初期(240 d)土壤各類群微生物生長(zhǎng),提高土壤各類群微生物PLFAs量,但生物質(zhì)炭添加降低培養(yǎng)后期(720 d)土壤各類群微生物PLFAs量;在干濕交替和淹水條件下,生物質(zhì)炭添加降低整個(gè)培養(yǎng)期土壤各類群微生物PLFAs量,其中干濕交替條件下土壤各類群微生物PLFAs量下降最為顯著;培養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng),生物質(zhì)炭添加促使土壤微生物PLFAs量降低越明顯。這表明生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)影響深受土壤水分條件和培養(yǎng)時(shí)間左右。

(2)75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加提高了土壤微生物群落豐富度和均勻度,降低了土壤微生物優(yōu)勢(shì)度;淹水條件下培養(yǎng)240 d,生物質(zhì)炭添加降低了土壤微生物群落豐富度和均勻度,提高了土壤微生物優(yōu)勢(shì)度;干濕交替條件下,生物質(zhì)炭添加對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響沒有顯著規(guī)律性，相同水分條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更為相似，說明水分條件左右生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

(3)土壤水分條件和培養(yǎng)時(shí)間通過影響生物質(zhì)炭的自身老化和有毒有機(jī)化合物降解,以及通過左右生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤有效養(yǎng)分(硝態(tài)氮、速效磷)含量和pH的影響,進(jìn)而左右生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤微生物類群豐度和群落結(jié)構(gòu)影響的方式和程度。