竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥對(duì)毛竹林土壤磷有效性的影響及其微生物學(xué)機(jī)理

朱青和，馬 壯，裘 立，董 達(dá)*

（1 浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 311300；2 浙江傳超環(huán)?？萍加邢薰?，浙江杭州 311122；3 浙江玉禾相約農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，浙江杭州 311300）

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，參與植物體內(nèi)的各種生物化學(xué)過(guò)程，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝起著不可替代的作用[1]。為了促進(jìn)作物生長(zhǎng)，保障糧食安全，化學(xué)肥料特別是磷肥被大量使用。據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)“展望2030世界肥料趨勢(shì)”報(bào)告指出，2019年全球磷肥消耗量為5135萬(wàn)t，并且以每年2%的速度增長(zhǎng)。但是，磷在土壤中極易被固定，向土壤中施加的磷會(huì)與土壤礦物結(jié)合，造成作物對(duì)磷利用率的降低，通常土壤中磷的當(dāng)季利用率只有10%～25%[2–4]。此外，磷肥的大量使用也極易增加土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)，造成目前日益嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[5–7]。

土壤中的磷素轉(zhuǎn)化過(guò)程主要由微生物介導(dǎo)，涉及多種功能基因，包括參與無(wú)機(jī)磷溶解和有機(jī)磷礦化基因，磷吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的基因和磷饑餓反應(yīng)調(diào)節(jié)的基因[8]。土壤中大量的有機(jī)磷只有當(dāng)其被酶礦化成無(wú)機(jī)磷后，才能被植物吸收和利用。酶主要由土壤微生物分泌，在土壤磷元素代謝過(guò)程中起著非常重要的作用。含有編碼堿性磷酸酶基因(phoD、phoA和phoX)和C-P裂解酶基因(phnGHIJLM)的微生物具有礦化土壤有機(jī)磷的能力[9]。與phoD相比，我們對(duì)phoX和phoA了解并不多[10]。其中，phoD基因被認(rèn)為是土壤中最重要的磷酸酶基因，在酸性、堿性和中性土壤中均可以被檢測(cè)到[10–12]。因此，phoD基因常被選擇作為研究土壤磷酸酶狀況的功能基因。微生物同化無(wú)機(jī)磷也需要相應(yīng)的功能基因參與。其中，含有編碼磷吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酶的pst和pit分別可以在低磷和富磷條件下同化無(wú)機(jī)磷[13]。參與磷饑餓反應(yīng)調(diào)節(jié)基因(phoU、phoR和phoB)使微生物能夠利用外部磷源[8]。這些基因，在pst基因的調(diào)控下緊密相連，并控制堿性磷酸酶基因(phoD)的表達(dá)[14]。

毛竹是我國(guó)栽培歷史最為悠久、面積最廣和經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的亞熱帶主要林分，廣泛分布于我國(guó)長(zhǎng)江流域和南方各省區(qū)。然而，南方丘陵地帶土壤普遍缺磷少鉀[15]。大部分農(nóng)林土壤中有效磷的含量?jī)H為10 mg/kg，遠(yuǎn)低于世界農(nóng)林土壤的平均水平。為了提高我國(guó)農(nóng)林土壤的磷素水平，在毛竹林的經(jīng)營(yíng)過(guò)程中往往采用集約化的經(jīng)營(yíng)管理模式[16]。竹林生態(tài)系統(tǒng)中有效磷含量已成為制約毛竹增產(chǎn)的主要限制因子。生物炭是植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下，經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生高度芳香化的固態(tài)物質(zhì)，具有高度的穩(wěn)定性，巨大的比表面積和孔隙率等特性，在改良土壤、固碳減排和緩解土壤養(yǎng)分流失等方面具有巨大的潛力，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[17–19]。但是，生物炭單獨(dú)施用，養(yǎng)分供應(yīng)不足，與常規(guī)肥料相比存在作物減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)[20–21]。因此，以常規(guī)肥料為基質(zhì)，采用生物炭包膜制備而成的生物炭包膜肥應(yīng)運(yùn)而生。生物炭包膜肥施入土壤后可以使肥料養(yǎng)分緩慢釋放，具有改善土壤理化性質(zhì)[22]，提高作物養(yǎng)分利用率[23]和減少土壤氮磷流失[24]的作用，已引起了科學(xué)界的關(guān)注。但是，目前有關(guān)生物炭和生物炭包膜肥輸入對(duì)毛竹林土壤phoD功能菌和磷循環(huán)功能基因的研究還鮮有報(bào)道。

因此，本研究通過(guò)野外林地實(shí)驗(yàn)，研究竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥施用對(duì)土壤磷素有效性的影響。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Miseq和宏基因組測(cè)序技術(shù)，研究其施用對(duì)毛竹林土壤phoD功能菌群落結(jié)構(gòu)和磷循環(huán)功能基因相對(duì)豐度的影響，從而為竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥在林業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于浙江省杭州市(30°14'N、119°42'E)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫16.4℃，降雨量1629 mm，全年日照時(shí)數(shù)1847 h。土壤類型為紅黃壤，基本理化性質(zhì)如下：容重1.18 g/cm3、pH 5.03 (土水比 1∶5)、有機(jī)碳 20.13 g/kg、總氮 1.61 g/kg、總磷 0.51 g/kg、有效磷 5.87 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，分別為單施復(fù)合肥(CK)、竹炭包膜復(fù)合肥(BF)和復(fù)合肥+竹炭(SC)。每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)9個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)。竹炭、復(fù)合肥和竹炭包膜復(fù)合肥均勻撒入各試驗(yàn)小區(qū)，翻入0—20 cm土壤中。供試復(fù)合肥 (15–15–15)施用量為 300 kg/hm2，竹炭包膜復(fù)合肥 (9–9–9)添加量為 490 kg/hm2，CK 和 BF 兩個(gè)處理施磷量基本一致。竹炭包膜復(fù)合肥的包膜材料由竹炭、腐殖質(zhì)、膨潤(rùn)土和改性淀粉制成，膜材料中竹炭的添加量為25%，肥芯為復(fù)合肥。SC處理竹炭添加量為5 t/hm2。在施肥后的第30和100天，測(cè)定土壤pH、容重、總碳、總氮、總磷和有效磷含量。在施肥后100天，采集土壤使用Miseq擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)測(cè)定毛竹林土壤中phoD功能菌的群落結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，采用宏基因組技術(shù)測(cè)定土壤磷循環(huán)功能基因的相對(duì)豐度。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 土壤pH采用玻璃電極法測(cè)定，土水比為1：5。

土壤研磨過(guò)0.15 mm篩，土壤全氮、全碳含量使用元素分析儀 (Flash EA1112, Thermo Finnigan,Italy)測(cè)定，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定[25]，有效磷采用鹽酸–氟化銨提取—鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.3.2 土壤DNA提取和高通量測(cè)序 土壤總DNA 使用 Fast DNA Spin Kit for Soil (MP Biomedicals,USA)試劑盒提取。采用添加了不同標(biāo)簽(barcode)的phoD基因特異性引物ALPS-F730(5′–CAGTGGG ACGACCACGAGGT–3′)和 ALPS-1101(5′–GAGGC CGATCGGCATGTCG–3′)[26–28]進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增，純化產(chǎn)物使用Illumina MiSeq-PE250平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序分析。同時(shí)，對(duì)獲取的DNA樣品直接使用Illumina NovaSeq高通量測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行宏基因組測(cè)序。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理和分析 使用QIIME 2軟件，調(diào)用USEARCH工具，對(duì)phoD基因的原始測(cè)序數(shù)據(jù)，進(jìn)行質(zhì)控、去噪、拼接和去嵌合體。在97%的序列相似度水平聚類，得到操作分類單元(OTU)，將OTU代表序列在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)注釋，得到OTU的分類學(xué)信息。對(duì)于宏基因組的數(shù)據(jù)，首先對(duì)質(zhì)控后的序列采用Megahit軟件進(jìn)行拼接，對(duì)不小于200 bp的Contigs序列，采用MetaGeneMark軟件進(jìn)行基因預(yù)測(cè)，并獲得對(duì)應(yīng)的蛋白序列。然后，使用Diamond軟件將獲得的蛋白序列集與KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)并獲得功能基因注釋信息，閥值設(shè)置為0.00001。最后，參照Dai等[8]和Liu等[29]方法篩選出與磷循環(huán)相關(guān)的功能基因，并使用Salmon軟件計(jì)算各功能基因的相對(duì)豐度。phoD功能基因擴(kuò)增子和宏基因組原始測(cè)序數(shù)據(jù)已上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)，生物項(xiàng)目編號(hào)分別為PRJNA746410和PRJNA775002。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 20.0軟件對(duì)竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥添加對(duì)毛竹林土壤理化性質(zhì)的影響進(jìn)行LSD單因素方差分析(α=0.05)。以phoD功能菌抽平后的OTU數(shù)據(jù)，使用R軟件中Stats包計(jì)算Bray-Curtis距離矩陣，并進(jìn)行層次聚類分析。使用R軟件繪制毛竹林土壤phoD功能菌屬水平和磷循環(huán)功能基因的相對(duì)豐度水平。利用Heatmap的顏色梯度來(lái)反映其微生物和功能基因的豐度差異，綠色越深代表豐度越大，咖啡色越深代表豐度越小。采用Canoco 5.0軟件，將土壤phoD功能菌相對(duì)豐度作為響應(yīng)變量，土壤理化性質(zhì)作為環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析，并繪制相應(yīng)的分析圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥添加對(duì)毛竹林土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，在施肥后的第30和100天，與CK相比，SC處理顯著增加了毛竹林土壤的pH、總碳和有效磷的含量，降低了土壤的容重。SC處理雖然一定程度上增加了土壤總氮和總磷的含量，但是均沒(méi)有達(dá)到顯著性差異水平(P>0.05)。與CK相比，竹炭包膜復(fù)合肥的添加對(duì)土壤pH、容重、總碳、總氮、總磷和有效磷含量均沒(méi)有顯著的影響(P>0.05)。

表1 竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥添加后第30和100天毛竹林土壤的理化性質(zhì)Table 1 Soil properties as affected by biochar and biochar-coated slow-release fertilizer at 30 and 100 days after application

2.2 竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥施用對(duì)phoD功能菌多樣性和組成的影響

采用Miseq測(cè)序技術(shù)對(duì)毛竹林土壤phoD功能菌進(jìn)行測(cè)序分析，不同樣品獲得有效序列47350～93883條，分布于4個(gè)門7個(gè)綱，覆蓋度>99% (表2)，樣品測(cè)序深度滿足要求。從Venn圖(圖1)可知不同處理共有phoD功能菌OTU數(shù)目為1312個(gè)，其中CK處理的獨(dú)有OTU數(shù)目最多(491個(gè))，而B(niǎo)F處理的獨(dú)有OTU數(shù)目最少(446個(gè)) 。在此基礎(chǔ)上，對(duì)毛竹林土壤phoD功能菌進(jìn)行alpha多樣性分析，分析發(fā)現(xiàn)BF和SC處理對(duì)phoD功能菌Chao1、Simpson和Shannon指數(shù)均沒(méi)有顯著性的影響(P>0.05)。

表2 不同處理土壤phoD功能菌多樣性指數(shù)Table 2 The diversity indices ofphoD functional bacteria in soil under different treatments

圖1 不同處理毛竹林土壤phoD功能菌共有和獨(dú)有OTU數(shù)目Fig. 1 Shared and unique OTU numbers ofphoD functional bacteria in Moso bamboo forest soil under different treatments

由圖2可知，毛竹林土壤中phoD功能菌優(yōu)勢(shì)菌科為 Bradyrhizobiaceae (慢生根瘤菌科)、Bukholderiaceae (伯克氏菌科)、Labilitrichaceae、Hyphomicrobiaceae (生絲微菌科)和 Oxalobacteraceae (草酸桿菌科) (圖2)。此外，相對(duì)豐度較低的科為Phyllobacteriaceae (葉桿菌科)、Halomonadaceae (鹽單胞菌科)、Methylobacteriaceae (甲基桿菌科)和 Rhizobiaceae (根瘤菌科)等。與CK相比，SC處理顯著增加了毛竹林土壤Bradyrhizobiaceae，顯著降低Bukholderiaceae的相對(duì)豐度(P<0.05)。BF處理則顯著增加了Labilitrichaceae和Hyphomicrobiaceae的相對(duì)豐度(P<0.05)。層次聚類分析則表明，SC或BF處理可以改變土壤的phoD功能菌群落結(jié)構(gòu)組成。

圖2 phoD功能菌層次聚類分析Fig. 2 Hierarchical cluster analysis ofphoD functional microorganisms

進(jìn)一步分析表明，毛竹林土壤共測(cè)得23個(gè)屬，百分含量較高的為α-變形菌綱中的Bradyrhizobium(慢生根瘤菌屬)、Mesorhizobium(中慢生根瘤菌屬)、Pseudolabrys(假雙頭斧形菌屬)、Sinorhizobium(中華根瘤菌屬)、Rhodoplanes(紅游動(dòng)菌屬)、Methylobacterium(甲基桿菌屬)，β-變形菌綱中的Ralstonia(羅爾斯頓菌屬)，δ-變形菌綱中的Labilithrix，以及放線菌綱中的Streptomyces(鏈霉菌屬)、Micromonospora(小單孢菌屬)和Saccharopolyspora(糖多孢菌屬)。其中，Bradyrhizobium、Mesorhizobium、Labilithrix和Sinorhizobium是毛竹林土壤中主要的phoD功能菌屬，占了7.5%以上的注釋微生物。由圖3可知，BF處理明顯增加了Micromonospora、Methylobacterium和Streptomyces的相對(duì)豐度，降低了Rhodoplanes的相對(duì)豐度，對(duì)Bradyrhizobium和Labilithrix影響不明顯。SC處理則增加了Bradyrhizobium屬的微生物。但是，與對(duì)照相比，SC處理降低了Mesorhizobium的相對(duì)豐度，對(duì)Sinorhizobium的影響不明顯。

圖3 不同處理下毛竹林土壤phoD功能菌屬水平的相對(duì)豐度Fig. 3 The relative abundance ofphoD functional microorganisms at genus level in Moso bamboo forest field as affected by different treatments

在此基礎(chǔ)上，將土壤phoD功能菌相對(duì)豐度作為響應(yīng)變量，土壤理化性質(zhì)作為環(huán)境因子進(jìn)行RDA分析。結(jié)果表明，各處理均有較好的聚類表現(xiàn)(圖4)。pH對(duì)phoD功能菌的相對(duì)豐度的解釋度最高為43.7% (P=0.026)。其次分別為總氮(9.7%)和總磷(8.4%)，但是均沒(méi)有達(dá)到顯著性的水平。其中，第一標(biāo)準(zhǔn)軸(RDA1)和第二標(biāo)準(zhǔn)軸(RDA2)分別解釋了土壤phoD功能菌相對(duì)豐度變化的71.8%和15.8%。

圖4 不同環(huán)境參數(shù)與毛竹林土壤phoD功能菌RDA分析Fig. 4 RDA analysis of different environmental parameters and soilphoD functional microorganisms in Moso bamboo forest soil

2.3 竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥施用對(duì)磷循環(huán)功能基因的影響

通過(guò)宏基因組測(cè)序共獲得15.1億條Reads，平均每個(gè)樣品1.67億條。經(jīng)序列組裝后，每個(gè)樣品的平均Contigs數(shù)為453.7萬(wàn)條。其中，涉及到磷循環(huán)功能基因占總Contigs數(shù)的0.57%～0.70%，包含了編碼無(wú)機(jī)/有機(jī)磷酸鹽特異轉(zhuǎn)運(yùn)酶的基因，三磷酸甘油脫氫酶的基因，C-P鍵裂解酶基因，以及堿性磷酸酶和酸性磷酸酶的功能基因等。由圖5可知，與對(duì)照CK相比，SC處理顯著增加了毛竹林土壤三磷酸甘油脫氫酶單元(ugpAEC)、C-P鍵裂解酶(phnGHIJL)、有機(jī)磷酸鹽特異轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(phnCD)、無(wú)機(jī)磷酸鹽特異轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(pstCAB)和堿性磷酸酶(phoA和phoD)基因的相對(duì)豐度(P<0.05)。但是，BF處理僅顯著增加了ugpE、pstA和phoD基因的相對(duì)豐度。SC處理對(duì)土壤酸性磷酸酶基因具有不確定性。與對(duì)照CK相比，酸性磷酸酶基因(phoN)在SC中得到了富集 (P<0.05)，但是酸性磷酸酶基因(aphA和alpA)在SC中顯著下降。此外，與對(duì)照CK相比，SC處理增加了磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)調(diào)控蛋白(phoU)、組氨酸蛋白激酶(phoR)和磷酸鹽調(diào)控反應(yīng)因子基因(phoB)的相對(duì)豐度，但是沒(méi)有顯著性的影響(P>0.05)。

圖5 毛竹林土壤磷循環(huán)功能基因的相對(duì)豐度熱圖Fig. 5 The heatmap of the relative abundance of phosphorus cycling genes in Moso bamboo forest soil

3 討論

3.1 竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭作為一種高效的土壤改良劑，施入土壤后會(huì)顯著改變土壤的理化性質(zhì)[30–31]。本研究發(fā)現(xiàn)，竹炭的輸入顯著增加了毛竹林土壤的pH、總碳和有效磷的含量。該研究結(jié)果與王典等[32]和陳心想等[33]研究結(jié)果基本一致，即施用生物炭還有助于提高土壤pH和有效磷的含量。生物炭表面含有豐富的堿性基團(tuán)，內(nèi)部含有豐富的礦質(zhì)元素形成的碳酸鹽，其在土壤老化過(guò)程中會(huì)逐步釋放堿性物質(zhì)[34–35]，增加土壤的pH。施用竹炭增加土壤有效磷的含量可能主要有以下3方面的原因：1)竹炭自身攜帶的磷素可以直接提高土壤有效磷的含量[36]；2)土壤中Al3+、Ca2+、Mg2+和Fe3+等離子可能被竹炭表面官能團(tuán)吸附，從而減少了礦物離子對(duì)磷的吸附固定[37]。3)竹炭的輸入可以通過(guò)影響土壤磷循環(huán)功能基因的豐度來(lái)促進(jìn)土壤有效磷含量的增加[38]。此外，竹炭的輸入降低了土壤容重，這主要是由于竹炭的密度較小，孔隙較多。然而，與對(duì)照相比，竹炭包膜復(fù)合肥的輸入對(duì)毛竹林土壤各理化性質(zhì)均沒(méi)有產(chǎn)生顯著的影響。這可能是因?yàn)樵摪し手兄裉康奶砑恿枯^少。當(dāng)然，竹炭包膜復(fù)合肥添加對(duì)毛竹林土壤理化性質(zhì)的影響還需要進(jìn)一步研究。

3.2 竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥施用對(duì)毛竹林土壤phoD功能菌的影響

由圖2和圖3可看出，Proteobacteria (變形桿菌門)中根瘤菌包括Bradyrhizobium(慢生根瘤菌屬)、Mesorhizobium(中慢生根瘤菌屬)和Sinorhizobium(中華根瘤菌屬)是毛竹林土壤中最為重要的phoD功能菌。Ragot等[39]測(cè)定了澳大利亞和瑞士6種不同氣候條件下的土壤性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)Rhizobiales是土壤phoD功能菌的優(yōu)勢(shì)菌目，占18%～27%。這一方面可能與固氮菌具有較強(qiáng)的解磷能力[40]，毛竹林等低磷土壤中有利于其生長(zhǎng)；另一方面固氮微生物具有較強(qiáng)的耐酸性[41–42]，有利于其在南方酸性的毛竹林土壤中生長(zhǎng)。Luo等[28]研究也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施肥的稻田中最重要的phoD功能菌為Micromonospora、Streptomyces(鏈酶菌屬)、Bradyrhizobium、Burkholderia和Lysobacter。其中，Bradyrhizobium占了phoD功能菌的50%以上。有研究也發(fā)現(xiàn)，phoD功能菌在提高土壤有效磷的同時(shí)，也有助于土壤根瘤菌的生長(zhǎng)[43]。

此外，土壤環(huán)境條件的改變也可能會(huì)影響phoD功能菌的群落結(jié)構(gòu)。Wang等[44]通過(guò)對(duì)不同土壤中生長(zhǎng)的小麥根際微生物的研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH是phoD功能菌群落的重要驅(qū)動(dòng)因素。本研究RDA分析結(jié)果也揭示了環(huán)境參數(shù)pH與土壤phoD功能菌之間具有顯著的相關(guān)性(P<0.05)。方差分析表明，pH解釋了43.7%的群落變異度。如圖4所示，pH值與土壤Bradyrhizobium和Labilithrix具有正相關(guān)關(guān)系，與Ralstonia、Mesorhizobium和Saccharopolyspora具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。該研究結(jié)果與Luo等[28]和Ragot等[39]的研究一致，即土壤pH驅(qū)動(dòng)著土壤phoD功能菌群落。但是，總磷與土壤phoD功能菌相關(guān)性不明顯，僅解釋了8.4%的群落變異度。這可能與毛竹林的磷素大部分為難溶性的無(wú)效磷，難以被微生物利用有關(guān)。Jorquera等[45]觀察到，在智利Andisol牧場(chǎng)，單獨(dú)施用磷肥不會(huì)影響phoD功能菌群落結(jié)構(gòu)，而氮磷聯(lián)合施用才會(huì)改變phoD功能菌群落結(jié)構(gòu)。本研究中，竹炭或者竹炭包膜復(fù)合肥的添加也確實(shí)沒(méi)有顯著影響土壤總氮含量(P>0.05) (表1)。此外，與CK相比，Micromonospora、Methylobacterium和Streptomyces在BF處理中具有較高的相對(duì)豐度。相關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3.3 竹炭和竹炭包膜復(fù)合肥添加對(duì)磷循環(huán)功能基因的影響

微生物介導(dǎo)的磷素轉(zhuǎn)化過(guò)程主要包含三類微生物基因群，即無(wú)機(jī)磷溶解和有機(jī)磷礦化基因，磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)基因，以及磷饑餓反應(yīng)調(diào)節(jié)基因。在土壤中，尤其在磷素缺乏的土壤中，無(wú)機(jī)磷素轉(zhuǎn)運(yùn)基因(pstSCAB)非常重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S微生物和植物的競(jìng)爭(zhēng)中奪取生物有效磷[46–47]。Bergkemper等[48]研究發(fā)現(xiàn)缺磷的森林土壤中pstSCAB基因具有較高的豐度。本項(xiàng)目研究中也發(fā)現(xiàn)，與CK相比，添加竹炭的處理有助于增加無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)基因(pstCAB)的相對(duì)豐度。這可能是由于竹炭的添加增加毛竹林根系的生物量，增強(qiáng)根系與微生物對(duì)無(wú)機(jī)磷的競(jìng)爭(zhēng)，從而提高了毛竹林土壤中無(wú)機(jī)磷素轉(zhuǎn)運(yùn)基因(pstCAB)的相對(duì)豐度[8]。竹炭的添加也有助于增加毛竹林土壤中phoU、phoR和phoB基因的豐度。這些功能基因參與了P-饑餓反應(yīng)調(diào)節(jié)，并且與無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)基因(pst)密切相關(guān)[14]?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)表明，phoR和phoB雙組分系統(tǒng)有效調(diào)控?zé)o機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)基因(pstSCAB)的表達(dá)，使其在低磷條件下有效利用磷源[49]。此外，竹炭也可調(diào)控毛竹林土壤有機(jī)磷的礦化和轉(zhuǎn)運(yùn)。無(wú)論是土壤三磷酸甘油脫氫酶單元(ugpAEC)，C-P鍵裂解酶基因(phnGHIJL)，還是有機(jī)磷酸鹽特異轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(phnCDE)在SC處理中均有較高的相對(duì)豐度。這可能與竹炭的添加提高了土壤的pH有關(guān)。Dai等[8]的研究也發(fā)現(xiàn)，土壤pH與磷素的溶解、礦化、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)等基因具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。長(zhǎng)期施用氮肥降低了土壤pH，影響了土壤磷酸單酯和磷酸二酯的潛在礦化作用。這可能是竹炭包膜復(fù)合肥添加對(duì)土壤磷循環(huán)功能基因的影響不明顯的原因。進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn)，同時(shí)添加復(fù)合肥和竹炭提高了土壤堿性磷酸酶(phoA和phoD)基因的相對(duì)豐度。這一方面是由于竹炭含有較高的C和N，其輸入提高了土壤的C/P和N/P化學(xué)計(jì)量比，增加了土壤微生物對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷的需求；另一方面，竹炭可以促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)，從而提高了土壤堿性磷酸酶基因的豐度。

4 結(jié)論

同時(shí)施用竹炭和復(fù)合肥可顯著增加毛竹林pH、總碳和有效磷含量，降低了土壤的容重。但是，將竹炭作為包膜材料制備成竹炭包膜復(fù)合肥施入土壤后，其有益效果不再顯著。pH是毛竹林土壤phoD功能菌的重要驅(qū)動(dòng)因素。因此，施用竹炭改變了土壤中phoD功能菌的群落結(jié)構(gòu)，提高了參與毛竹林土壤磷素溶解、礦化、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)功能基因的相對(duì)豐度。從土壤磷的有效性及相關(guān)微生物基因的表達(dá)角度，竹炭不宜作為包膜材料施用。