減氮配施生物炭對水稻生產(chǎn)力及土壤細菌群落組成的影響

陳海浪，羅家欣，何洋，寧川川，柳瑞，田紀(jì)輝，蔡昆爭*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣州 510642；3.廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點實驗室，廣州 510642）

水稻（Oryza sativaL.）是我國主要的糧食作物之一，種植面積和總產(chǎn)量分別占糧食作物的27%和38%[1]。目前，我國氮肥消費量占世界總量的30%，其中水稻占24%，但氮肥利用率僅有30%～35%，低于世界平均水平46%，而且我國稻田生產(chǎn)施氮量平均為180 kg·hm-2，遠超世界平均水平，不合理施肥現(xiàn)象普遍存在[2]。過量施用氮肥不僅增加水稻生產(chǎn)成本，還會造成土壤養(yǎng)分流失、土壤板結(jié)、微生物區(qū)系失衡等問題[3]。氮肥的不合理施用會顯著影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成，降低微生物多樣性和豐富度[4-6]。此外，作物對氮的利用效率低，氮素容易通過淋溶、滲漏、反硝化和揮發(fā)等途徑損失，加劇農(nóng)業(yè)面源污染[7-9]。

土壤細菌群落是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠分解和轉(zhuǎn)化土壤有機質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤碳氮循環(huán)，推動土壤生物地球化學(xué)過程[10]。氮是調(diào)節(jié)土壤細菌群落組成和功能的基本元素[11]。合理施用氮肥能夠增加土壤的養(yǎng)分有效性，同時改變土壤的理化性質(zhì)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能。這些變化反過來可以通過加快土壤養(yǎng)分循環(huán)、抑制土壤病原菌、降低發(fā)病率來促進植物的生長，保證植株的健康[12-14]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性和豐富程度是土壤養(yǎng)分循環(huán)的基礎(chǔ)[15]。

生物炭（Biochar）是生物質(zhì)在限氧或厭氧的條件下通過高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一種難降解的富碳材料，可以儲存土壤中的碳，具有多孔性和堿性[16]。生物炭能顯著改善土壤肥力、促進土壤養(yǎng)分循環(huán)[17]，同時影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，增加微生物的活性和豐富度[18-21]。研究表明，生物炭通過增加土壤的pH 和土壤的有機碳（TOC）來改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[22-23]；生物炭還能顯著改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，固持土壤養(yǎng)分和增加土壤陽離子交換能力，從而為微生物提供更適合生存的環(huán)境[24]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，生物炭處理能顯著提高稻田土壤TOC、銨態(tài)氮（NH+4-N）、溶解性有機碳、全氮（TN），為微生物提供更多的碳、氮源[25]。生物炭與化肥配合施用可以改善土壤微生物豐富度和群落結(jié)構(gòu)[26-27]、提高土壤質(zhì)量，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[28]。但生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是否可以在保證作物產(chǎn)量的前提下降低氮肥施用量，即生物質(zhì)炭是否具有節(jié)肥效應(yīng)，以及降低肥料施用下土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化研究還相對不足。

本研究通過田間定位試驗，研究減量施氮配施秸稈生物炭對水稻植株干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的影響，為化肥減量化和生物炭的農(nóng)業(yè)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)農(nóng)場（23°09' N，113°21' E），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量1 647.5 mm，年均氣溫21.9 ℃。土壤類型為水稻土，試驗前土壤理化性狀：pH 5.88，電導(dǎo)率（EC）0.16 dS·m-1，陽離子交換量（CEC）5.25 cmol·kg-1，有機質(zhì)36.36 g·kg-1，TN 2.65 g·kg-1，全磷（TP）0.58 g·kg-1，全鉀（TK）11.07 g·kg-1，NH+4-N 2.70 mg·kg-1，硝態(tài)氮（NO-3-N）4.96 mg·kg-1，有效磷（AP）31.0 mg·kg-1，速效鉀（AK）73.42 mg·kg-1。

1.2 供試材料

水稻品種為華航31 號。生物炭的制備材料為水稻秸稈，來源于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，制備溫度為600 ℃。生物炭基本性質(zhì)如下：pH 9.04，含碳量50.55%，含氫量1.79%，含氮量1.89%，含硫量0.17%，碳氮比26.79，碳氫比28.30。

1.3 試驗設(shè)計

2018 年開始進行雙季稻氮肥減量和生物炭配施長期定位試驗。田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置6個處理：不施氮肥（CK）、常規(guī)施氮（N100，施氮180 kg·hm-2）、減氮20%（N80，施氮量144 kg·hm-2）、減氮20%配施生物炭（N80BC）、減氮40%（N60，施氮量108 kg·hm-2）、減氮40%配施生物炭（N60BC）。每個處理3 次重復(fù)，共18 個小區(qū)，每個小區(qū)面積為15 m2（3 m×5 m）。早季4 月份水稻幼苗移栽，7 月份收獲，晚季8 月份移栽，11 月收獲。水稻育苗一個月后移栽，一穴兩苗，株行距均為20 cm。生物炭在每年早稻移栽前15 d施入耕層土壤，施用量為15 t·hm-2。磷肥（過磷酸鈣，75 kg·hm-2）作為基肥，于水稻移栽前一次性施用，氮肥（尿素）和鉀肥（氯化鉀，120 kg·hm-2）則作為追肥，于水稻移栽后第7 天和第14 天各施50%，其他生產(chǎn)管理按常規(guī)進行。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 取樣方法

2021 年分早、晚季采集樣品進行分析。于水稻成熟期，在各重復(fù)小區(qū)隨機選取3 穴水稻，取其地上部分，105 ℃下殺青1 h 后，在80 ℃下烘干，測定水稻地上部的干物質(zhì)量，并進行考種，分析產(chǎn)量性狀。在田間收獲時測定各小區(qū)的實際產(chǎn)量。同時在晚季用五點取樣法采集每個小區(qū)0～20 cm 土樣，一份鮮土進行過篩（2 mm）處理，并放入-80 ℃的超低溫冰箱保存用于后續(xù)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能分析，另一份自然風(fēng)干，研磨過1 mm篩后，用于土壤理化性質(zhì)測定。

1.4.2 土壤細菌測定

使用HiPure 土壤DNA 試劑盒（D3142，廣州美基生物科技有限公司）提取微生物總DNA 后，用帶有barcode 的特異引物擴增16S rDNA 的V3～V4 區(qū)。引物序列為：341F，CCTACGGGNGGCWGCAG；806R，GGACTACHVGGGTATCTAAT。PCR 擴增產(chǎn)物切膠回收，用QuantiFluorTM 熒光計進行定量。將純化后的擴增產(chǎn)物連接測序接頭，構(gòu)建測序文庫，Illumina PE250 上機測序。獲得的測序數(shù)據(jù)采用Uparse（版本9.2.64）對OTU 進行聚類，相似度為97%。應(yīng)用Uchime 軟件區(qū)分和刪除嵌合序列，選擇豐度最高的標(biāo)簽序列作為每個聚類中的代表序列。每個OTU 由RDP分類器根據(jù)Silva參考數(shù)據(jù)庫（版本132）分配。

1.4.3 土壤理化性質(zhì)測定

用pH 計（ST 2100，奧豪斯儀器常州有限公司）測定土壤pH（水土比2.5∶1）；用電導(dǎo)率儀（ZDS-EC）測定土壤EC（水土比5∶1）；土壤TOC 和TN 用vario TOC cube 元素分析儀（Elementar Analyse system GmbH，德國）測定；土壤全磷采用HClO4-H2SO4法消煮-鉬銻抗比色法測定[29]；土壤全鉀采用NaOH 熔融-原子吸收法測定[29]。

1.5 統(tǒng)計分析

水稻地上部干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量構(gòu)成因素采用Microsoft Excel 2016、SigmaPlot 14.0處理及繪圖，采用SPSS 26.0單因素方差分析（ANOVA）進行數(shù)據(jù)檢驗與差異顯著性分析。采用Kru-Wall 檢驗比較處理間土壤細菌群落的α 多樣性指數(shù)的差異。土壤微生物圖形均使用R軟件和Ai軟件（Adobe Illustrator CC 2019）進行繪制。采用R 軟件的Vegan 包進行韋恩圖（VENN）分析、冗余分析（RDA）和環(huán)境貢獻度分析。并利用RDA 分析和Pearson 相關(guān)分析，探究群落結(jié)構(gòu)組成與環(huán)境因子的相關(guān)性，明確顯著影響土壤細菌群落多樣性和組成變化的關(guān)鍵環(huán)境因子。使用PICRUSt2 軟件結(jié)合KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）代謝通路數(shù)據(jù)庫計算各處理的土壤細菌群落功能潛力。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減量配施生物炭對水稻地上部干物質(zhì)積累量的影響

由圖1 可知，晚稻的地上部干物質(zhì)積累量明顯高于早稻。與CK 處理相比，氮肥及生物炭處理均顯著增加地上部干物質(zhì)積累量。與N60 處理相比，早稻N100、N80、N80BC 和N60BC 處理的地上部干物質(zhì)積累量顯著增加13.1%～15.7%；晚稻N100、N80、N80BC處理的地上部干物質(zhì)積累量分別顯著增加15.8%、19.8%、35.1%，而且N80BC 處理比N100、N80 處理分別顯著增加14.3%、12.7%。

圖1 減氮配施生物炭對水稻地上部干物質(zhì)積累量的影響Figure 1 Effects of nitrogen reduction combined with biochar application on aboveground dry matter accumulation of rice

2.2 氮肥減量配施生物炭對水稻產(chǎn)量及性狀的影響

由表1 可知，晚稻的每穴穗數(shù)和實際產(chǎn)量明顯高于早稻，但結(jié)實率有所降低。與CK相比，除了N60處理外，其余處理均顯著增加每穴穗數(shù)和田間實際產(chǎn)量。此外，所有處理之間的每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量沒有顯著差異。結(jié)果還表明，與N60 處理相比，早稻N100、N80、N80BC 和N60BC 處理的每穴穗數(shù)顯著增加17.1%～23.3%，晚稻N100、N80BC 處理的每穴穗數(shù)分別顯著增加25.5%、22.5%。同時，N100 處理與N80、N60、N80BC、N60BC 處理的實際產(chǎn)量均沒有顯著差異。在相同施氮水平下，減氮配施生物炭處理的實際產(chǎn)量有增加的趨勢。例如：早稻N80BC、N60BC 處理的田間實際產(chǎn)量分別比N80、N60 處理增加8.7%、10.3%；晚稻N60BC 處理的田間實際產(chǎn)量比N60處理增加5.8%。

表1 減氮配施生物炭對水稻產(chǎn)量及性狀的影響Table 1 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on yield traits of rice

2.3 氮肥減量配施生物炭對水稻土壤理化性狀的影響

由表2可知，與CK 相比，N80BC和N60BC處理的pH 均顯著增加3.6%，同時，N80BC 處理的土壤pH 比N100 處理顯著增加5.4%，且N60BC 處理的土壤pH比N100、N60 處理顯著增加5.4%、3.6%。單純施氮（N100、N80、N60）處理之間的土壤pH 則沒有顯著差異。此外，與N100 處理相比，N60BC 的土壤TN 含量顯著增加24.0%，N80BC、N60 處理則沒有顯著變化，且N60BC 處理的土壤TN 含量比N60 顯著增加18.3%。結(jié)果還顯示，減氮配施生物炭（N80BC、N60BC）處理顯著增加土壤TOC 含量，N80BC 處理的土壤TOC 含量比CK、N100、N80 顯著增加50.6%、47.7%、49.7%，N60BC 處理的土壤TOC 含量比CK、N100、N60 處理顯著增加62.9%、59.7%、62.1%。單純施氮（N100、N80、N60）處理之間的土壤TOC 含量則沒有顯著差異。不僅如此，減氮配施生物炭（N80BC、N60BC）處理還顯著增加碳氮比，N80BC 的碳氮比比CK、N100、N80 處理顯著增加45.1%、30.5%、56.0%，N60BC 的碳氮比比CK、N100、N60 處理顯著增加45.0%、30.4%、37.4%。而且與N100處理相比，N80處理的碳氮比顯著降低16.4%，N60 處理則沒有顯著變化。所有處理之間的EC、TP和TK沒有顯著差異。

表2 減氮配施生物炭對水稻土壤理化性狀的影響Table 2 Effects of nitrogen reduction combined with biochar on soil physical and chemical properties of rice

2.4 氮肥減量配施生物炭對水稻土壤細菌群落多樣性的影響

選擇3個（表3）具有代表性的微生物多樣性指標(biāo)（Chao1、ACE、Shannon）進行處理間的差異分析。其中，Shannon 指數(shù)用來評價群落的多樣性，Chao1 指數(shù)和ACE 指數(shù)用來評估群落豐富度。由表3可知，減氮及減氮配施生物炭處理較常規(guī)施肥處理小幅度增加土壤細菌多樣性指標(biāo)（Chao1、ACE、Shannon），但影響不顯著，說明氮肥減量配施生物炭對土壤細菌群落多樣性指數(shù)沒有顯著影響。

表3 不同處理土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的α多樣性變化Table 3 Effects of nitrogen reduction combined with biochar application on alpha diversity of rice soil bacterial community structure

韋恩圖（圖2）結(jié)果顯示，6 個處理共同的物種有1 737 個。減氮配施生物炭處理增加了物種的豐富度，且N60BC 處理的獨有物種最多（215 個），其中74個屬于變形菌，11 個屬于綠彎菌，10 個屬于酸桿菌，剩余的屬于其他菌。同時，N80BC 處理的獨有物種（214 個）僅次于N60BC 處理，其中51 個屬于變形菌，23 個屬于平板菌，18 個屬于酸桿菌。N100 處理獨有的物種較少（146 個），其中45 個屬于變形菌，10 個屬于綠彎菌，6個屬于放線菌。

2.5 氮肥減量配施生物炭對水稻土壤細菌群落結(jié)構(gòu)組成的影響

經(jīng)過質(zhì)量篩選，共獲得115 112 個序列，聚類到2 950 個細菌OTU 中。變形菌（Proteobacteria）、綠彎菌（Chloroflexi）、酸桿菌（Acidobacteria）、放線菌（Actinobacteria）、芽單胞菌（Gemmatimonadetes）是所有處理中的優(yōu)勢菌（門水平），占比73.1%～80.3%（圖3a）。由圖3a可知，與N100處理相比，減氮處理（N80、N60）的變形菌、放線菌和芽單胞菌的相對豐度分別增加9.9%～26.0%、13.4%～17.4%和21.7%～29.4%，但綠彎菌、浮霉菌（Planctomycetes）和疣微菌（Verrucomicrobia）的相對豐度分別降低9.7%～21.0%、16.4%～21.2%和30.6%～34.0%。減氮配施生物炭（N60BC、N80BC）處理的變形菌、芽單胞菌的相對豐度比N100 處理分別增加24.8%～36.8%、17.0%～40.7%，而且僅N60BC處理的放線菌相對豐度比N100 增加11.3%。減氮配施生物炭處理（N60BC、N80BC）的綠彎菌、硝化螺旋菌（Nitrospirae）、疣微菌的相對豐度比N100 處理分別降低19.4%～32.5%、12.8%～13.7%、36.9%～49.9%，以及僅N60BC 處理的浮霉菌的相對豐度比N100 處理降低28.62%。在相同的施氮水平下，N60BC 處理的變形菌、芽單胞菌的相對豐度比N60 處理分別增加24.6%、16.1%。

圖3 氮肥減量和生物炭配施對稻田土壤細菌群落組成的影響Figure 3 Stacking diagram of bacterial species distribution

根據(jù)圖3b 可知，與N100 處理相比，減氮處理（N80、N60）的鞘脂單胞菌屬（Sphingomonas）、芽單胞菌屬（Gemmatimonas）的相對豐度分別增加5.4%～55.9%、30.3%～47.8%，同時，減氮配施生物炭（N60BC、N80BC）處理的鞘脂單胞菌屬、芽單胞菌屬的相對豐度比N100 處理分別增加67.2%～68.6%、21.8%～50.9%，而且僅N60BC 處理的馬賽菌屬（Massilia）的相對豐度比N100 處理增加54.0%。在相同施氮水平下，N60BC處理的鞘脂單胞菌屬、芽單胞菌屬、馬賽菌屬的相對豐度比N60 處理分別增加60.4%、15.8%、44.1%。

2.6 氮肥減量配施生物炭對土壤細菌群落功能潛力的影響

功能預(yù)測分析結(jié)果顯示（表4），減氮配施生物炭處理對土壤細菌群落的新陳代謝、遺傳信息處理、細胞進程和環(huán)境信息處理功能均有顯著影響。單純施氮（N100、N80、N60）和減氮配施生物炭（N60BC、N80BC）處理的氨基酸代謝、碳水化合物代謝、輔助因子和維生素的代謝、脂類代謝、能量代謝、聚糖生物合成和代謝、核苷酸代謝、異源生物降解和代謝、其他次級氨基酸的代謝、萜類化合物和聚酮類化合物的代謝與CK 處理相比均無顯著差異。在單純施氮（N100、N80、N60）處理中，僅有N60 處理的其他次級氨基酸的代謝比N100 處理顯著降低13.4%，其他新陳代謝功能均無顯著差異。此外，與N100 處理相比，N60BC處理的氨基酸代謝、碳水化合物代謝、輔助因子和維生素的代謝、脂類代謝、能量代謝、聚糖生物合成和代謝、核苷酸代謝、異源生物降解和代謝分別顯著增加6.0%、3.5%、5.7%、7.6%、5.5%、7.0%、4.1%、12.6%，但是其他次級氨基酸的代謝顯著降低12.1%。同時，在相同施氮水平下，N80BC處理的其他次級氨基酸的代謝比N80處理顯著增加7.5%。

表4 減氮配施生物炭對水稻土壤細菌群落功能的影響Table 4 Effects of nitrogen reduction combined with biochar application on rice soil bacterial community functions

2.7 土壤環(huán)境因子與細菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)組成的關(guān)系

選取11 種土壤理化因子和土壤細菌群落進行相關(guān)性分析。從RDA 分析（圖4）可以看出，第一坐標(biāo)和第二坐標(biāo)分別解釋了樣本差異的89.90%和4.82%。土壤細菌群落結(jié)構(gòu)沿著RDA1 和RDA2 分離。土壤TN、pH 和TOC 在沿第一坐標(biāo)軸的分離有著重要作用，而土壤CEC 和AK 在沿著第二坐標(biāo)軸的分離起著重要作用。土壤TN 對細菌群落變化的貢獻度最高，達到19.4%，土壤TOC、pH、CEC、NO-3-N 的環(huán)境貢獻度依次為7.4%、6.8%、2.8%、1.6%。

圖4 土壤細菌群落與環(huán)境因子的RDA 分析Figure 4 RDA analysis of soil bacterial communities and environmental factors

Pearson 分析（圖5）結(jié)果顯示，土壤pH 與酸桿菌的相對豐度顯著正相關(guān)，同時土壤TN 與變形菌和芽單胞菌的相對豐度呈顯著正相關(guān)，而與綠彎菌和疣微菌的相對豐度呈顯著負相關(guān)。土壤TP與硝化螺旋菌相對豐度呈顯著正相關(guān)，但土壤TOC、AK、C/N則與硝化螺旋菌的相對豐度呈顯著負相關(guān)。土壤NO-3-N 與擬桿菌（Bacteroidetes）的相對豐度呈顯著負相關(guān)。

圖5 土壤細菌群落與環(huán)境因子的相關(guān)性分析熱圖Figure 5 Correlation analysis heatmap between soil bacterial communities and environmental factors

3 討論

3.1 氮肥減量配施生物炭與稻田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力

氮素是影響水稻地上部物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素。水稻的地上部物質(zhì)積累量是水稻產(chǎn)量的前提和基礎(chǔ)[30]。有研究表明，適當(dāng)減氮可以實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)，過量減氮則會造成產(chǎn)量大幅度降低[31]，而施用生物炭能夠為水稻提供養(yǎng)分，改善土壤理化特性，促進水稻干物質(zhì)積累，進而提高水稻產(chǎn)量[32]。本研究表明，氮肥減施配施生物炭處理沒有降低水稻的實際產(chǎn)量，反而有增產(chǎn)的趨勢，這與黃玉珍等[33]的研究結(jié)果一致。這可能是生物炭自身含有豐度的氮素，施用生物炭提高了土壤的氮含量；另外生物炭具有較高的pH 值和多孔隙結(jié)構(gòu)，以及較大的表面積，能夠提高土壤的pH 值，促進吸附土壤氮素，減少氮肥淋溶、揮發(fā)等損失，提高土壤氮素利用效率[34-35]。在本研究中減氮配施生物炭能夠顯著提高土壤的TOC 含量。這可能是土壤中的生物炭表面鈍化后，能夠與土壤相互作用形成一種保護基質(zhì)，從而提高TOC 的氧化穩(wěn)定性，有利于土壤TOC的增加[36]，更有利于水稻以及水稻土壤微生物的生長發(fā)育[37]，所以減氮配施生物炭能夠穩(wěn)定水稻的實際產(chǎn)量。Haefelea 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在肥沃和次肥沃的土壤上施用稻殼生物質(zhì)炭并沒有促使作物增產(chǎn)，但在肥力極低的土壤上作物產(chǎn)量卻有較大提高。本研究中，生物炭沒有顯著增加水稻產(chǎn)量，這與土壤的肥力較高（土壤呈酸性，TOC較豐富，含氮量高達0.265%）有關(guān)[39]。近年來，越來越多的研究表明生物炭的施用可以顯著促進水稻的生長發(fā)育及提高作物的生產(chǎn)力[40]。在相同的施氮肥水平下，配施生物炭處理顯著增加水稻地上部干物質(zhì)的量，同時一定程度提高水稻產(chǎn)量，這與前人的研究結(jié)果一致[41]，這表明在一定范圍內(nèi)減少氮肥的施用量不會嚴(yán)重影響水稻的產(chǎn)量，而且生物炭的添加能夠促進水稻生長，改善土壤養(yǎng)分、增加養(yǎng)分吸收，提高水稻的氮肥利用效率[41-42]。

3.2 氮肥減量配施生物炭能改善水稻土壤細菌群落結(jié)構(gòu)組成

大量研究表明，生物炭可以通過改變土壤的化學(xué)和物理性質(zhì)來影響土壤微生物的豐度。本研究中，添加生物炭處理對細菌多樣性指標(biāo)沒有顯著影響，這可能是因為添加生物炭的比例或者生物炭制備原料的不同所導(dǎo)致的[43]。生物炭孔隙率高，能夠儲存水分和養(yǎng)分，同時生物炭官能團多，可能會形成生物地球化學(xué)界面，而且形成的特異性生物地球化學(xué)界面可以使微生物的生態(tài)位多樣化，為微生物提供更多可棲息生活的微環(huán)境，從而支持多樣化的細菌群落的生長[44-46]。還有研究表明土壤細菌的多樣性增加與生物炭的添加量呈正相關(guān)，生物炭的添加量越大，細菌的多樣性越高[47]。因此，生物炭可改善土壤微生物生長環(huán)境，減氮配施生物炭能在一定程度上保持稻田持續(xù)生產(chǎn)力。

在細菌門水平上，生物炭處理增加了變形菌、放線菌、芽單胞菌的相對豐度（圖3a）。變形菌與碳具有良好的相關(guān)性[48]，生物炭的添加可以增加土壤的TOC 含量（表2），進而增加變形菌的相對豐度。同時，Khodadad 等[49]的研究表明，含生物炭的土壤能增加放線菌和芽單胞菌的相對豐度。放線菌可以有效降解復(fù)雜的芳香類化合物，其在含有較難降解碳的土壤中占有優(yōu)勢[50]。有研究表明，生物炭能夠穩(wěn)定提高土壤pH（表2），較高的土壤pH有利于放線菌、變形菌類群的生長[51]。相反，生物炭施用后綠彎菌、浮霉菌、硝化螺旋菌、疣微菌的相對豐度降低。綠彎菌能夠參與地球碳、氮、硫循環(huán)過程[52]。不同的細菌類群之間可能存在生態(tài)位的競爭[53]，變形菌、放線菌與綠彎菌都能夠利用生物炭的碳，它們共同爭奪生物炭的碳，變形菌與放線菌的豐度增加，從而導(dǎo)致了綠彎菌的豐度降低[54]。浮霉菌是一個獨特的細菌門類，具有不同尋常的特征，但其分布廣泛[55-56]。本研究表明，施用生物炭降低浮霉菌的相對豐度，這與Chen 等[57]的研究結(jié)果不一致，可能與生物炭材料和土壤類型不同有關(guān)。硝化螺旋菌是一種亞硝酸鹽氧化細菌，在陸地環(huán)境中普遍存在，在農(nóng)業(yè)土壤氮的生物循環(huán)中和硝化過程中起著重要作用[58]。

本研究發(fā)現(xiàn)，在細菌屬水平上，生物炭處理增加了鞘脂單胞菌屬、芽單胞菌屬和馬賽菌屬的相對豐度（圖3b）。鞘脂單胞菌屬是革蘭氏陰性菌，能夠利用多種天然存在的以及難降解的芳香化合物中的碳、硫和磷[59]。在高溫?zé)峤鈼l件下形成的生物炭孔隙可為微生物提供棲息地，明顯改善土壤理化性質(zhì)，顯著提高鞘脂單胞菌屬的豐度[60]。芽單胞菌屬是一種聚磷富集菌，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可以通過增加磷肥來提高芽單胞菌的相對豐度[13]。生物炭的施用可增加土壤有效磷的含量，進而可能使芽單胞菌屬的相對豐度提高[61]。馬賽菌屬是革蘭氏陰性菌，是好氧菌，能夠合成多種次級代謝產(chǎn)物和酶，另外還具有溶磷、降解菲和耐受重金屬等多種功能[62]。有研究表明，水稻秸稈生物炭的孔隙體積較大，可以為馬賽菌提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)和空氣，從而增加馬賽菌的相對豐度[63]?？傮w而言，生物炭施用可顯著提高稻田土壤的微生物活性，影響土壤細菌群落的結(jié)構(gòu)和組成，增加有益菌如變形菌、放線菌、芽單胞菌的相對豐度，從而間接促進水稻的生長。

3.3 氮肥減量配施生物炭優(yōu)化水稻土壤細菌群落功能

土壤微生物群落和代謝功能的變化影響植物的生長和發(fā)育。研究表明，生物炭的施用會改變土壤微生物的活性，提高土壤微生物多樣性和增強碳代謝能力[64]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮肥減量配施生物炭顯著增強了土壤微生物的氨基酸代謝、碳水化合物代謝、脂類代謝、能量代謝、聚糖生物合成和代謝、核苷酸代謝（表4）。Wu 等[65]和叢微等[66]的研究表明，土壤微生物中的碳水化合物代謝、核酸代謝和氨基酸代謝的豐度增加有利于減少土壤病害的傳播，增強作物的抗性，促進作物生長。環(huán)境因子與土壤微生物碳源代謝關(guān)系密切，其中土壤TOC 含量是最重要的影響因素[67-68]。生物炭施用時，其孔隙結(jié)構(gòu)能固持土壤養(yǎng)分，增加土壤有機質(zhì)，有利于某些特異性微生物群落的發(fā)展，進而影響不同的土壤微生物代謝途徑[69-70]。Liang 等[71]的研究表明，馬賽菌屬和芽單胞菌屬與碳水化合物代謝和脂類代謝密切相關(guān)。本研究表明，與N100 處理相比，N60BC處理顯著增加馬賽菌屬和芽單胞菌屬的豐富度（圖3a），增加碳水化合物代謝和脂類代謝豐度（表4），這表明生物炭施用能通過增加特異性微生物類群的豐富度來增強土壤細菌的碳水化合物代謝和脂類代謝功能。同時N60BC 處理的土壤微生物核苷酸代謝豐度比N100 處理顯著增加，這表明生物炭處理的微生物細胞壁和核酸合成更強[72]。另外氨基酸代謝的增加可為微生物提供更多的能量和碳源，從而促進細菌群落的生長和代謝[73]。綜合上述結(jié)果，減氮配施生物炭可以改善土壤環(huán)境，影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進而提高土壤微生物的代謝能力，從而維持作物穩(wěn)定的生產(chǎn)力。

4 結(jié)論

（1）氮肥減量配施生物炭能維持和穩(wěn)定水稻作物生產(chǎn)力。

（2）氮肥減量配施生物炭能顯著提高土壤TOC含量，改善土壤細菌群落結(jié)構(gòu)，增加土壤變形菌、放線菌和芽單胞菌等優(yōu)勢菌的相對豐度。

（3）在未來的工作中，氮和生物炭對土壤碳化學(xué)組成的影響以及細菌固碳的分子機制值得進一步研究。