連續(xù)炭基肥替代化肥對菜園土壤性質(zhì)和細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

葉菁, 王義祥,2*, 劉岑薇, 林怡, 黃家慶, 翁伯琦

連續(xù)炭基肥替代化肥對菜園土壤性質(zhì)和細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

葉菁1, 王義祥1,2*, 劉岑薇1, 林怡1, 黃家慶1, 翁伯琦1

(1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，福州 350013；2. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州 350013)

為了解生物炭基肥替代化肥減量施用的田間長期效應(yīng)，利用定位試驗研究連續(xù)5 a炭基肥替代化肥對蔬菜產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)和細菌群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，連續(xù)5 a實施炭基有機肥替代化肥，土壤pH提高了0.13～0.25，土壤有機質(zhì)、堿解氮和有效磷含量也分別提高了2.1%～62.2%、5.8%～86.0%和0.4%～103.1%，炭基肥替代化肥處理的薺菜()產(chǎn)量提高了4.0%～14.8%，但75%替代處理較50%替代處理有所降低。炭基肥替代化肥處理的土壤菌群Sobs、Shannon、Ace和Chao指數(shù)均高于單施化肥處理，且均以75%替代處理最高。炭基肥替代化肥顯著降低了土壤中硝化菌屬()、擬無枝酸菌屬()、芽單胞菌屬()等的豐度，增加了纖維素降解菌菌群(、)的豐度。芽單胞菌屬、Ilumatobacteraceae、Methyloligellaceae等的豐度與土壤全氮、全磷、有機質(zhì)間具有顯著的相關(guān)性?？梢?，連續(xù)炭基肥替代化肥明顯改善了菜地土壤的理化性質(zhì)，從而影響了土壤細菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性，適量替代可以提高蔬菜產(chǎn)量，但應(yīng)注意長期連續(xù)施用對土壤pH、碳/氮的影響，避免過量施用抑制作物對養(yǎng)分的吸收利用。

菜園；生物炭基肥；化肥；土壤；細菌群落

我國是化肥生產(chǎn)和使用大國，2019年我國農(nóng)用化肥施用折純量為5.404×107t。近年來隨著化肥減量增效政策的實施，我國化肥施用總量首次呈現(xiàn)略微降低的態(tài)勢，但與發(fā)達國家相比仍存在較大的差距。尤其是對蔬菜作為高耗肥農(nóng)作物，1997—2018年我國蔬菜平均化肥施用量為602.6 kg/hm2，是主糧作物的1.8倍[1]。在“雙碳”目標下，為保障蔬菜生產(chǎn)，改善施肥種類以減少化肥使用和提高養(yǎng)分利用率是現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需解決的重要問題。

生物炭基肥作為一種新型肥料，通過改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤微生物活性，有利于提高植物對養(yǎng)分的利用效率以及減少土壤中養(yǎng)分流失，近年來備受農(nóng)業(yè)與環(huán)保領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和研究應(yīng)用[2]。生物炭基肥的類型有炭基無機肥、炭基有機肥、炭基復(fù)混肥等，可用于大田作物水稻()、玉米()、小麥()以及設(shè)施蔬菜等，作物應(yīng)用上總體表現(xiàn)為正調(diào)控效應(yīng)，具有增產(chǎn)提質(zhì)、節(jié)肥增效及固碳減排等作用[3]，但目前多數(shù)生物炭基肥的研究中應(yīng)用年限相對較短，其田間應(yīng)用評價仍亟待加強[4]。生物炭基肥對作物生長、土壤改良效果與其種類、組成成分、土壤類型等因素有關(guān)，需進一步研究[5–6]。微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機質(zhì)分解以及土壤結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用[7]，其多樣性指數(shù)的變化也是反映土壤健康狀態(tài)的敏感指標[8]。有研究表明，生物炭施用提高了土壤pH和養(yǎng)分利用水平[9]，生物炭的多孔性結(jié)構(gòu)可為微生物提供適宜的生存環(huán)境[10]，還可通過吸附養(yǎng)分或改良土壤性質(zhì)間接影響微生物群落[11],但生物炭自身養(yǎng)分有限，不能滿足作物生長的需要[12]。炭基有機肥可以發(fā)揮生物炭和有機肥的互補或協(xié)同作用，有利于提高肥效和彌補生物炭養(yǎng)分不足[13]，因此，本文研究生物炭基肥替代化肥減量施用對菜園土壤性質(zhì)和細菌群落結(jié)構(gòu)的影響，旨為蔬菜生產(chǎn)中科學(xué)應(yīng)用生物炭基肥提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗地位于福建省福清市漁溪鎮(zhèn)(25°25′ N, 119°36′ E)，屬亞熱帶海洋氣候，年均溫18.8 ℃, 年均無霜期365 d，年降水量1 350～1 500 mm。土壤為黏質(zhì)土，有機質(zhì)含量1.37%，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.09%、0.06%和2.51%，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為42.0、35.2和193.04 mg/kg, pH值6.85。試驗用生物炭由花生殼在500 ℃下裂解制備，其有機碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為566.1、10.2、2.5和4.7 g/kg，pH值9.31。炭基有機肥由花生殼生物炭、腐熟有機肥復(fù)配而成，其中生物炭、氮、P2O5和K2O的質(zhì)量分數(shù)分別為9%、1.4%、3.4%和1.8%，pH 7.8。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗采用單因素隨機裂區(qū)設(shè)計，共設(shè)4個處理，即炭基肥替代化肥氮量分別為0 (HF)、25% (B1)、50% (B2)和75% (B3)，每處理3個小區(qū)重復(fù)，小區(qū)面積為8 m2。各處理等氮量設(shè)計，氮素施用量為180 kg/hm2?；史謩e為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。HF處理的化肥用量分別為尿素390 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、氯化鉀220 kg/hm2。B1、B2和B3處理分別利用相應(yīng)量的炭基有機肥替代尿素氮,磷、鉀不足部分用過磷酸鈣和硫酸鉀補足。試驗開始于2017年3月下旬，每年種植蔬菜兩茬, 第一茬(3月—7月)種植葉用甘薯()，第二茬(9月—次年1月)種植薺菜(), 每茬施肥1次。

1.3 蔬菜產(chǎn)量測定

于2021年1月，采收每個小區(qū)全部當季種植的薺菜，稱取質(zhì)量進行產(chǎn)量測定。

1.4 土壤采集和理化性質(zhì)分析

連續(xù)5 a炭基肥替代化肥后，于2021年4月在各試驗小區(qū)內(nèi)以“S”型多點混合法采集0～20 cm土樣，去除植物碎屑和碎石，混合樣品后放于冷藏箱內(nèi)帶回實驗室。

pH采用pH計以水土比2.5:1浸提測定，全氮含量采用凱氏定氮儀測定，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀和硫酸亞鐵滴定法，堿解氮含量采用堿解擴散- H3BO3吸收滴定法；全磷和速效磷采用鉬銻抗比色法，全鉀采用火焰光度法測定[14–15]。

1.5 土壤菌群結(jié)構(gòu)分析

采用土壤DNA提取試劑盒(Omega Bio-tek Inc, Doravilla, GA, USA)提取菜園土壤細菌的總DNA,用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的質(zhì)量，然后送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，以Illumina MiSeq平臺進行高通量測序和分析。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析基于上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司提供的云服務(wù)(https://www.i-sanger.com)進行。參照王義祥等[16]的方法，分析前以“按最小樣本序列數(shù)”進行數(shù)據(jù)抽平處理，其中多樣性指數(shù)(-diversity)利用mothur version v.1.30.1 (http://www.mothur.org/)計算；Qiime計算采用-多樣性距離矩陣，以R語言作圖；相關(guān)性Heatmap圖的軟件及算法采用R語言pheatmap package提供的方法。數(shù)據(jù)組間的比較采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和克氏秩和檢驗(Kruskal-Wallis H test)。菌群結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)與模型預(yù)測采用Network共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析和單因素相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析進行分析。環(huán)境因子關(guān)聯(lián)分析采用歐氏距離法?；赟pearman等級相關(guān)系數(shù)制作了豐度前50屬與環(huán)境因子的相關(guān)性Heatmap圖[17]。

2 結(jié)果和分析

2.1 薺菜產(chǎn)量的變化

HF、B1、B2和B3處理的薺菜產(chǎn)量分別為27.93、29.06、32.07和30.94kg/hm2。炭基有機肥替代處理較單施化肥處理(HF)均不同程度提高了薺菜產(chǎn)量, 為4.0%～14.8%，其中以B2處理的增幅最大, 且B2處理顯著高于HF處理(<0.05)，但HF、B1和B3處理間的差異均不顯著(>0.05)。B2處理比B3處理高3.7%，但兩者間的差異不顯著(>0.05)。

2.2 土壤理化性質(zhì)的變化

連續(xù)施用炭基肥5 a后，菜園土壤的pH值比單施化肥處理提高了0.13～0.25，其中B1和B2處理與HF處理間的差異達顯著水平(<0.05)。從表1可見,隨著炭基肥替代量的增加，土壤中全氮、有機質(zhì)、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量呈上升趨勢, 其中土壤有機質(zhì)含量增加了2.1%～62.2%，全氮增加了13.3%～48.9%，堿解氮含量提高了5.8%～86.0%, 有效磷含量提高了0.4%～103.1%，B2和B3處理與HF間的差異均達顯著水平(<0.05)，HF與B1處理間的差異不顯著；但各處理間的全鉀含量變化不大。

表1 土壤的理化性質(zhì)

HF、B1、B2、B3分別表示炭基肥替代化肥氮量為0、25%、50%、75%；同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。下同

HF, B1, B2 and B3 represent 0, 25%, 50% and 75% nitrogen replacement of biochar-based fertilizer, respectively. Data followed different letters within column indicate significant differences at 0.05 level. The same below

2.3 土壤菌群多樣性的分析

多樣性分析結(jié)果表明(表2)，土壤菌群的Sobs、Shannon、Ace和Chao指數(shù)均以B3處理最高，且各指數(shù)均為B3>B2>B1>HF。Simpson指數(shù)以B1處理最高，且B1與B2、B3處理間的差異均達顯著水平(<0.05)。覆蓋度以HF處理最高，且與B3處理間的差異達顯著水平(<0.05)。

對于-多樣性，基于Bray-Curtis距離的PCoA分析表明，施肥處理顯著影響了土壤菌群的分布(PERMANOVA,<0.05)。施肥處理能夠解釋菌群組成總體差異的29.1% (圖1: A)。根據(jù)炭基肥中生物炭的用量對樣本進行分組，炭基肥中生物炭的用量對解釋菌群組成總體差異的34.0% (圖1: B)。

2.4 土壤菌群的物種組成分析

在門水平上(圖2: A)，各處理土壤中主要的優(yōu)勢菌有放線菌門(Actinobacteriota)、變形桿菌門(Proteo- bacteria)、厚壁菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acido- bacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacte- roidota)、芽單胞菌門(Gemmatimonadota)、Myxoco- ccota和Patescibacteria，其中放線菌門、變形桿菌門、厚壁菌門、酸桿菌門的豐度占80.7%以上。B2與B3處理的放線菌門相對豐度較HF處理分別降低了17.4%和15.3%，而酸桿菌門、厚壁菌門和Myxoco- ccota的相對豐度分別提高了61.5%和38.4%、40.4%和48.4%、20.0%和34.9%。

表2 土壤細菌的物種豐富度和多樣性指數(shù)的變化

圖1 土壤菌群的PCoA+Adonis分析。A: 施肥處理; B: 生物炭用量。

在屬水平上，所有土壤樣品中共注釋到790屬(圖3: A), 各處理包含菌屬的排序為B3>B2>B1>HF。其中4個處理的共有菌有517屬，HF處理獨有的20屬，B1為16屬，B2為18屬，B3為31屬。諾卡氏菌屬(, 5.33%～8.66%)、鞘氨醇單胞菌屬(, 4.04%～7.42%)、JG30-KF-CM45 (3.35%～6.00%)均是主要的優(yōu)勢菌屬。除此之外, HF處理的優(yōu)勢菌屬還有(3.35%)、大理石雕菌屬(, 2.86%)和鏈霉菌屬(, 2.77%)等(圖3: B); B1處理的還有節(jié)桿菌屬(, 3.24%)、Roseiflexaceae(3.13%)和KD4-96 (2.96%)。B2和B3處理的還有蓋勒氏菌屬(Gaiella, 2.94%～2.98%) (圖2: B)。HF和B1處理豐度最高的菌屬為諾卡氏菌屬、鞘氨醇單胞菌屬和JG30-KF-CM45；B2處理豐度最高的為諾卡氏菌屬、JG30-KF-CM45B3和KD4-96；B3處理為諾卡氏菌屬、和鞘氨醇單胞菌屬。在屬水平上的單因素方差分析(One-Way ANOVA)和Tukey- Kramer檢驗表明，4個處理間的硝化菌屬()、薄壁芽孢桿菌屬()、擬無枝酸菌屬()、、、、JG30-KF-CM45和的豐度存在顯著差異(<0.05)，而芽單胞菌屬()和的豐度存在極顯著差異(<0.01)。

圖3 基于屬水平的菌群的venn圖(A)和共有物種組成餅圖(B)

2.5 土壤菌群結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)與模型預(yù)測分析

共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析表明，屬水平上所有物種共有2 643個有效節(jié)點(圖4: A)，HF、B1、B2和B3處理分別有617、655、686和685個節(jié)點。與4個處理均共線的屬約有55.3%，至少有75.4%的屬在2組以上的處理中共線。4個處理中有11屬的共線率超過2%, 其中(6.93%)、(5.99%)、JG30-KF-CM45 (4.99%)、(4.62%)、(2.86%)、Vicinamibacteraceae (2.84%)、Rosei- flexaceae(2.55%)、(2.42%)和(2.23%)；有9屬共線率超過1%，其中(1.71%)、(1.58%)、Gemmati- monadaceae (1.46%)、(1.23%)和(1.01%)。以上20屬確定為菜地土壤細菌群落的核心菌群。相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析表明(圖4: B)，網(wǎng)絡(luò)中顯示有19個節(jié)點和111條邊，說明土壤菌群存在較高的連接性。Latescibacterota、Armatimonadota、Deinococcota、Acidobacteriota、Dadabacteria、NB1-j、Nitrospirota、Entotheonellaeota、RCP2-54、Myxoco- ccota等門的相關(guān)性較大，在整個菌群網(wǎng)絡(luò)中起關(guān)鍵作用，其中Deinococcota與其他門呈負相關(guān)。

2.6 與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)分析

環(huán)境因子對菌群結(jié)構(gòu)影響的RDA分析表明, RDA1軸和RDA2軸對菌群結(jié)構(gòu)差異的解釋度分別為36.63%和16.69%。較高炭基肥替代量的B2和B3處理與HF和B1處理在RDA1軸方向上被分離開(圖5: A)。Heatmap相關(guān)性分析表明(圖5: B),的豐度與土壤pH、全氮、全磷、有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮間均具有顯著的相關(guān)性(<0.05);、Ilumatobacteraceae、Methyloligellaceae的豐度與土壤全氮、有機質(zhì)和全磷含量有顯著相關(guān)性(<0.05)；、、、、Xanthobacteraceae的豐度與土壤有機質(zhì)含量具有顯著的相關(guān)性(<0.05); Xanthobacter- aceae、、、、Roseiflexaceae、、Vicinamibacteraceae的豐度與土壤全磷含量有顯著相關(guān)性(<0.05); 但大多數(shù)菌屬與土壤全鉀含量無顯著相關(guān)性(>0.05)。

圖4 共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)(A)和相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖(B)

圖5 土壤菌群結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的冗余分析(A)和相關(guān)性分析(B)。TN: 全氮; SOM: 有機質(zhì); AN: 堿解氮; AP: 有效磷; AK: 速效鉀; TP: 全磷; TK: 全鉀。

3 結(jié)論和討論

炭基肥替代化肥連續(xù)施用5 a后，土壤理化性質(zhì)發(fā)生了較大變化, 菜地土壤pH提高了0.13～0.25，土壤有機質(zhì)含量增加了2.1%～62.2%，且土壤中的堿解氮、有效磷和速效鉀等速效養(yǎng)分含量的增幅高于全量養(yǎng)分含量的增幅，這可能是炭基肥有機肥中生物炭等具有大的表面積與良好的介孔結(jié)構(gòu)，可吸附固定養(yǎng)分以降低土壤氮磷鉀的流失[18]。生物炭基肥也能夠抑制硝化細菌[19]、氨氧化變形桿菌[20]的活性，從而影響氮的硝化循環(huán)，降低氮素的損失。也有研究表明，生物炭基肥可提高土壤中磷溶解細菌、鉀溶解細菌的活性，從而顯著增加土壤中速效磷和速效鉀的含量[2,21]。從對薺菜產(chǎn)量的影響來看，炭基肥替代化肥處理的薺菜產(chǎn)量均有不同程度的提高，但隨著替代量的增加薺菜產(chǎn)量逐漸下降，這可能是因為薺菜適宜生長的土壤為微酸性或中性, 連續(xù)5 a的炭基肥施用導(dǎo)致土壤pH不斷升高，而土壤過酸或過堿都不利于提高養(yǎng)分的生物有效性[22]。已有研究表明，土壤中C、N、P化學(xué)計量比決定著植物、微生物的養(yǎng)分可利用性，土壤C/N又是影響微生物活動導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有效性變化的關(guān)鍵因素[23]。本試驗初始時的土壤C/N相對較低，可供微生物利用的碳源較少，微生物活性降低，從而影響?zhàn)B分的有效性，進而不利于植物的生長發(fā)育[24]，但隨著炭基肥投入量的逐年累積，土壤C/N增大。當土壤C/N較高時，土壤微生物的繁殖要消耗一部分氮素，出現(xiàn)微生物與植物共同競爭土壤氮素，進而影響植物的生長[25]。因此，炭基肥連續(xù)施用應(yīng)注意土壤類型以及對土壤pH、C/N的影響，避免過量施用抑制作物對養(yǎng)分的吸收利用。

土壤微生物群落與土壤理化性質(zhì)關(guān)系密切，如土壤養(yǎng)分、pH、C/N等的改變都可能引起群落結(jié)構(gòu)的變化。本研究結(jié)果表明，相對單施化肥處理，不同炭基肥處理的土壤菌群的Sobs、Shannon、Ace和Chao指數(shù)均有不同程度的提高；施肥處理顯著影響了土壤菌群的分布，且能夠單獨解釋菌群組成總體差異的29.1%，炭基肥中生物炭用量對解釋菌群組成總體差異的34.0%。環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)分析表明，芽單胞菌屬、Ilumatobacteraceae、Methyloligellaceae等與土壤全氮、全磷、有機質(zhì)含量間具有顯著的相關(guān)性，但與土壤全鉀含量間無顯著相關(guān)性。碳、氮和磷是微生物生長繁殖必需的營養(yǎng)物質(zhì)，除了炭基肥中所含生物炭為微生物提供良好的棲息場所外，炭基肥是以生物炭與有機肥料配比制得，含有豐富的C、N、P等營養(yǎng)成分，能夠直接為微生物生長提供所需的養(yǎng)分[26]。從土壤菌群結(jié)構(gòu)來看，放線菌門、變形桿菌門、厚壁菌門、酸桿菌門、厚壁菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門等是土壤中主要的優(yōu)勢菌門；諾卡氏菌屬、鞘氨醇單胞菌屬是主要的優(yōu)勢菌屬。共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析表明，諾卡氏菌屬、鞘氨醇單胞菌屬、是本研究菜地土壤最為核心的菌群。已有研究表明，諾卡氏菌屬、鞘氨醇單胞菌屬中一些菌株對土壤除草劑具有生物降解作用[27–28]；還可促進植物抵抗多種植物病原菌，如對引起黃萎病的真菌有拮抗作用[29]。從菌群的物種組成來看，相較于單施化肥處理，炭基肥處理顯著降低了土壤中硝化菌屬、擬無枝酸菌屬、芽單胞菌屬、盧德曼氏菌屬、的豐度，增加了薄壁芽孢桿菌屬、扁平絲菌蘇黎世桿菌屬、的豐度。硝化菌屬是土壤氮素轉(zhuǎn)化的功能菌群之一，主要是參與把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的過程[30]。炭基肥的施用通過改變土壤性狀和影響土壤中氮素轉(zhuǎn)化，直接或間接地影響了硝化菌屬的相對豐度[16]。本研究結(jié)果還表明，隨著炭基肥替代量的增大，土壤中纖維素降解菌群(如、[31])的豐度呈升高的趨勢，而嗜酸性菌群(如、)[32]的豐度則降低。

綜上，炭基肥引發(fā)土壤性狀改變(土壤pH、全氮、全磷、有機質(zhì)含量提高)，進而導(dǎo)致土壤菌群結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生變化，改善了土壤微生物生態(tài)，本研究為炭基肥應(yīng)用于菜園土壤培肥改良提供了重要的科學(xué)參考。

[1] Tao Y, Zhou Y X, Hu J L. Research on decomposition of driving factors of chemical fertilizer application intensity in China and control paths [J]. Acta Agric Zhejiang, 2021, 33(10): 1956–1970. [陶源, 周玉璽, 胡繼連. 中國化肥施用強度的驅(qū)動因素分解與控制路徑研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2021, 33(10): 1956–1970. doi: 10.3969/j.issn. 1004-1524.2021.10.20.]

[2] ZHAO Z Z, WANG X L, LI H B, et al. Slow-release property and soil remediation mechanism of biochar-based fertilizers [J]. J Plant Nutr Fert, 2021, 27(5): 886–897. [趙澤州, 王曉玲, 李鴻博, 等. 生物質(zhì)炭基肥緩釋性能及對土壤改良的研究進展[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2021, 27(5): 886–897. doi: 10.11674/zwyf.20472.]

[3] LI Y M, ZHANG X C, LIAO S Q, et al. Research progress on synergy technologies of carbon-based fertilizer and its application [J]. Trans Chin Soc Agric Mach, 2017, 48(10): 1–14. [李艷梅, 張興昌, 廖上強, 等. 生物炭基肥增效技術(shù)與制備工藝研究進展分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2017, 48(10): 1–14. doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.001.]

[4] ZAMA E F, REID B J, ARP H P H, et al. Advances in research on the use of biochar in soil for remediation: A review [J]. J Soils Sedi, 2018, 18(7): 2433–2450. doi: 10.1007/s11368-018-2000-9.

[5] CHEW J, ZHU L L, NIELSEN S, et al. Biochar-based fertilizer: Super- charging root membrane potential and biomass yield of rice [J]. Sci Total Environ, 2020, 713: 136431. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.136431.

[6] LI Y L, CHENG J Z, LEE X Q, et al. Effects of biochar-based fertilizers on nutrient leaching in a tobacco-planting soil [J]. Acta Geochim, 2019, 38(1): 1–7. doi: 10.1007/s11631-018-0307-2.

[7] WANG S Q, LI T X, ZHENG Z C, et al. Soil aggregate-associated bacterial metabolic activity and community structure in different aged tea plantations [J]. Sci Total Environ, 2019, 654: 1023–1032. doi: 10. 1016/j.scitotenv.2018.11.032.

[8] SUN L, XUN W B, HUANG T, et al. Alteration of the soil bacterial community during parent material maturation driven by different fertilization treatments [J]. Soil Biol Biochem, 2016, 96: 207–215. doi: 10.1016/j.soilbio.2016.02.011.

[9] STEINBEISS S, GLEIXNER G, ANTONIETTI M. Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity [J]. Soil Biol Biochem, 2009, 41(6): 1301–1310. doi: 10.1016/j.soilbio.2009.03. 016.

[10] LEHMANN J, RILLIG M C, THIES J, et al. Biochar effects on soil biota: A review [J]. Soil Biol Biochem, 2011, 43(9): 1812–1836. doi: 10.1016/j.soilbio.2011.04.022.

[11] CHEN K, XU X N, PENG J, et al. Effects of biochar and biochar-based fertilizer on soil microbial community structure [J]. Sci Agric Sin, 2018, 51(10): 1920–1930. [陳坤, 徐曉楠, 彭靖, 等. 生物炭及炭基肥對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51(10): 1920– 1930. doi: 10.3864/j. issn.0578-1752.2018.10.011.]

[12] SOHI S P, KRULL E, LOPEZ-CAPEL E, et al. A review of biochar and its use and function in soil [J]. Adv Agron, 2010, 105: 47–82. doi: 10.1016/S0065-2113(10)05002-9.

[13] YANG J F, JIANG T, HAN X R, et al. Effects of continuous appli- cation of biochar-based fertilizer on soil characters and yield under peanuts continuous cropping [J]. Soils Fert Sci China, 2015(3): 68–73. [楊勁峰, 江彤, 韓曉日, 等. 連續(xù)施用炭基肥對花生土壤性質(zhì)和產(chǎn)量的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2015(3): 68–73. doi: 10.11838/sfsc. 20150312.]

[14] BAO S D. Soil Agrochemical Analysis [M]. Beijing: China Agriculture Press, 2007: 1–495.鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2007: 1–495.

[15] WANG H H, REN T B, YANG H J, et al. Research and application of biochar in soil CO2emission, fertility, and microorganisms: A sustainable solution to solve China’s agricultural straw burning problem [J]. Sustainability, 2020, 12(5): 1922.

[16] WANG Y X, HUANG J Q, YE J, et al. Effects of different amount of biochar application on soil property and bacterial community structure in acidified tea garden [J]. J Plant Nutr Fert, 2020, 26(11): 1967–1977. [王義祥, 黃家慶, 葉菁, 等. 生物炭對酸化茶園土壤性狀和細菌群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2020, 26(11): 1967–1977. doi: 10.11674/zwyf.20237.]

[17] CAO P X, LIU Y X, XU G Q, et al. Bacterial diversity in the root system soil of[J]. Acta Ecol Sin, 2020, 40(14): 4954–4965. [曹鵬熙, 劉怡萱, 許國琪, 等. 冰川棘豆()根系土壤細菌多樣性特征[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2020, 40(14): 4954–4965. doi: 10.5846/stxb201907311624.]

[18] ZHANG X L, LIAO H, LI C W, et al. Effects of simultaneous application of biochar and chemical fertilizer on the vertical migration of nitrogen and phosphorus, lettuce yield and quality and soil microbial quantity under field conditions [J]. Acta Sci Circum, 2021, 41(1): 21– 28. [張雪蓮, 廖洪, 李昌偉, 等. 田間條件下生物炭與化肥配施對土壤氮磷縱向遷移、結(jié)球生菜產(chǎn)量品質(zhì)及土壤微生物數(shù)量的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2021, 41(1): 21–28. doi: 10.13671/j.hjkxxb.2020. 0564.]

[19] ZHANG Q Q, SONG Y F, WU Z, et al. Effects of six-year biochar amendment on soil aggregation, crop growth, and nitrogen and phosphorus use efficiencies in a rice-wheat rotation [J]. J Clean Prod, 2020, 242: 118435. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.118435.

[20] BERGLUND L M, DELUCA T H, ZACKRISSON O. Activated carbon amendments to soil alters nitrification rates in Scots pine forests [J]. Soil Biol Biochem, 2004, 36(12): 2067–2073. doi: 10.1016/j. soilbio.2004.06.005.

[21] ZHENG H F, ZENG Y R, WANG C J, et al. Effects of biochar on phosphate solubilizing bacteria number and soil available P content in red soil tea plantation [J]. Chin Agric Sci Bull, 2018, 34(18): 114–118. [鄭慧芬, 曾玉榮, 王成己, 等. 生物炭對紅壤茶園溶磷細菌數(shù)量和土壤有效磷含量的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2018, 34(18): 114–118.]

[22] SPRINGOB G, KIRCHMANN H. Bulk soil C to N ratio as a simple measure of net N mineralization from stabilized soil organic matter in sandy arable soils [J]. Soil Biol Biochem, 2003, 35(4): 629–632. doi: 10.1016/S0038-0717(03)00052-X.

[23] SCHIPPER L A, SPARLING G P. Accumulation of soil organic C and change in C?N ratio after establishment of pastures on reverted scrubland in New Zealand [J]. Biogeochemistry, 2011, 104(1/2/3): 49– 58. doi: 10.1007/s10533-009-9367-z.

[24] GE S F, XU H G, JI M M, et al. Effects of soil C:N on growth and distribution of nitrogen and carbon ofseedlings [J]. Chin J Plant Ecol, 2013, 37(10): 942–949. [葛順峰, 許海港, 季萌萌, 等. 土壤碳氮比對平邑甜茶幼苗生長和碳氮分配的影響[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 2013, 37(10): 942–949. doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00097.]

[25] FARRELL M, KUHN T K, MACDONALD L M, et al. Microbial utilisation of biochar-derived carbon [J]. Sci Total Environ, 2013, 465: 288–297. doi: 10.1016/j.scitotenv.2013.03.090.

[26] DU H J, YU L Y, ZHANG Y Q. Recent advance on the genus: A review [J]. Acta Microbiol Sin, 2012, 52(6): 671–678. [杜慧竟, 余利巖, 張玉琴. 類諾卡氏屬放線菌的研究進展[J]. 微生物學(xué)報, 2012, 52(6): 671–678. doi: 10.13343/j.cnki.wsxb.2012.06.010.]

[27] HU J, HE X H, LI D P, et al. Progress in research of[J]. Chin J Appl Environ Biol, 2007, 13(3): 431–437. [胡杰, 何曉紅, 李大平, 等. 鞘氨醇單胞菌研究進展[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報, 2007, 13(3): 431–437. doi: 10.3321/j.issn:1006-687X.2007.03.030.]

[28] BERG G, BALLIN G. Bacterial antagonists toKleb [J]. J Phytopathol, 1994, 141(1): 99–110. doi: 10.1111/j.1439-0434. 1994.tb01449.x.

[29] XU J Y, MAO Y P. From canonical nitrite oxidizing bacteria to complete ammonia oxidizer: Discovery and advances [J]. Microbiol China, 2019, 46(4): 879–890. [徐建宇, 毛艷萍. 從典型硝化細菌到全程氨氧化微生物: 發(fā)現(xiàn)及研究進展[J]. 微生物學(xué)通報, 2019, 46(4): 879–890. doi: 10.13344/j.microbiol.china.180194.]

[30] DING Y, HUANG Y, RUAN J S, et al. Selective isolation and diversity of acidophilic filamentous actinomycetes from acidic soils [J]. Acta Microbiol Sin, 2009, 49(6): 710–717. [丁蕓, 黃英, 阮繼生, 等. 嗜酸絲狀放線菌的選擇性分離與多樣性 [J]. 微生物學(xué)報, 2009, 49(6): 710–717. doi: 10.3321/j.issn:0001-6209.2009.06.005.]

[31] ZHANG X M, XIAN H Q, LI Y H, et al. Functional detection of key microorganisms in tomato stalk composting by high-throughput mass spectrometer [J]. Shandong Agric Sci, 2020, 52(4): 73–78. [張小梅, 咸洪泉, 李雅華, 等. 高通量質(zhì)譜檢測番茄秸稈好氧堆肥中關(guān)鍵微生物的功能[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2020, 52(4): 73–78. doi: 10.14083/ j.issn.1001-4942.2020.04.013.]

[32] WANG G Y, YANG Y, KONG Y L, et al. Key factors affecting seed germination in phytotoxicity tests during sheep manure composting with carbon additives [J]. J Hazard Mater, 2022, 421: 126809. doi: 10. 1016/j.jhazmat.2021.126809.

Effects of Continuous Biochar-based Fertilizer Replacement on Soil Properties and Bacterial Community Structure in Vegetable Garden

YE Jing1, WANG Yixiang1,2*, LIU Cenwei1, LIN Yi1, HUANG Jiaqing1, WENG Boqi1

(1. Agricultural Ecology Institute, Fujian Academy of Agricultural Science, Fujian Key Laboratory of Agricultural Ecological Process of Red Soil Mountain, Fuzhou 350013, China; 2. Institute of Soil and Fertilizer,Fujian Academy of Agricultural Science,Fuzhou 350013, China)

In order to understand the field long-term effect of biochar-based fertilizer instead of chemical fertilizer, the vegetable yield, soil physical and chemical properties and bacterial community structure with biochar-based fertilizer replacement for 5 consecutive years were studied by localization experiment. The results showed that soil pH increased 0.13-0.25 after 5 years, and the contents of organic matter, alkali-hydrolyzable nitrogen and available phosphorus in soils increased 2.1%-62.2%, 5.8%-86.0% and 0.4%-103.1%, respectively. The yield ofwith biochar-based fertilizersincreased by 4.0%-14.8% than that of the control, but the yield under 75% replacement was lower than that of 50% replacement. The indexes of Sobs, Shannon, Ace and Chao of soil bacteria with biochar-based fertilizer were higher than those of chemical fertilizer, and those under 75% replacement were the highest. Compared to chemical fertilizer, the abundances ofandwith biochar-based fertilizer decreased significantly, and the abundances of cellulose-degrading bacterial increased, such asand. There were significant correlations between the abundances ofIlumatobacteraceae, Methyloligellaceae, and soil total nitrogen, total phosphorus, organic matter. Therefore, the replacement of continuous biochar-based fertilizer significantly improved soil physical and chemical properties, and caused the changes in bacterial community structure and diversity. Appropriate replacement of biochar-based fertilizers could increase vegetable yield, but the effect of long-term continuous application on soil pH and C/N should be paid attentions, so as to avoid excessive application inhibiting nutrients uptake and utilization by crops.

Vegetable garden; Biochar-based fertilizer; Chemical fertilizer; Soil; Bacterial community

10.11926/jtsb.4624

2022-02-04

2022-05-27

中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(2021L3021)；福建省科技廳公益項目(2020R1021003)；福建省農(nóng)科院協(xié)同創(chuàng)新工程(XTCXGC2021010)資助

This work was supported by the Project for Central Government Guides Local Science and Technology Development (Grant No. 2021L3021), the Project for Public Welfare Scientific Research in Fujian (Grant No. 2020R1021003), and the Project for Collaborative Innovation of Fujian Academy of Agricultural Sciences (Grant No. XTCXGC2021010).

葉菁(1985年生)，女，助理研究員，研究方向為紅壤保育與生態(tài)修復(fù)。E-mail: anna_0266@163.com

通訊作者 Corresponding author.E-mail: sd_wolong@163.com