生物炭對(duì)菜園土壤微生物功能多樣性的影響

趙蘭鳳,張新明, 程 根,張麗娟,劉小鋒,李華興,*

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣州 5106422 環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所健康中心,廣州 510655

生物炭對(duì)菜園土壤微生物功能多樣性的影響

趙蘭鳳1,張新明1, 程 根1,張麗娟2,劉小鋒1,李華興1,*

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣州 5106422 環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所健康中心,廣州 510655

研究生物炭的施用及其與不同肥料混施對(duì)菜園土壤中微生物群落功能多樣性的影響,為農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用和菜園土優(yōu)化培肥提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。以清遠(yuǎn)市連州縣代表性菜園土(屬肥熟旱耕人為土)為研究對(duì)象,通過(guò)盆栽試驗(yàn),利用BIOLOG方法對(duì)10個(gè)施肥處理(對(duì)照CK(0%生物碳+無(wú)肥)、T1(0%生物碳+0.1%商品有機(jī)肥)、T2(0.1%生物碳+無(wú)肥)、T3(0.25%生物碳+無(wú)肥)、T4(0.5%生物碳+無(wú)肥)、T5(1%生物碳+無(wú)肥)、T6(100(N)+30(P2O5)+75(K2O)mg/kg干土)、T7(0.1%生物碳+0.1%商品有機(jī)肥)、T8(0.1%生物碳+100(N)+0(P2O5)+75(K2O)mg/kg干土)、T9(0.1%生物碳+100(N)+30(P2O5)+75(K2O) mg/kg干土)、T10(0.1%生物碳+0.1%商品有機(jī)肥+100(N)+0(P2O5)+75(K2O)mg/kg干土))的土壤微生物群落功能多樣性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：(1)T1和T3處理比其它處理顯著提高土壤微生物對(duì)碳源的利用率(P<0.05),但生物炭施用量增加會(huì)降低平均顏色變化率(AWCD值)；(2)T1處理可以顯著提高土壤微生物的群落物種均勻度(Mclntosh指數(shù)),而T3處理顯著提高土壤微生物的物種豐富度和均勻度(Shannon和Mclntosh指數(shù))；(3)T1和T3處理對(duì)聚合物類、碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類和酚類碳源利用率最高；(4)添加化肥處理中磷肥的施用可以提高土壤微生物活性,增加土壤微生物碳源利用能力,而氮肥和鉀肥的添加顯著降低了土壤微生物的碳源利用能力；(5)主成分分析表明,T1、T2 和T3處理的微生物碳代謝功能群結(jié)構(gòu)相似；單施有機(jī)肥或適量生物炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響較混合施用更為顯著；化學(xué)磷肥的添加及在施用化肥的基礎(chǔ)上配施適量生物炭改變了土壤微生物對(duì)碳源種類的利用。

菜園土；生物炭；微生物群落；功能多樣性；Biolog法

生物炭是在完全或部分缺氧條件下,以及相對(duì)較低的溫度(≤700℃)下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一種含碳量極豐富的物質(zhì),具有高度穩(wěn)定性和一定的吸附能力[1-2]。生物炭技術(shù)的應(yīng)用,不僅可以大大減少二氧化碳等溫室氣體的排放,實(shí)現(xiàn)固碳減排,而且在土壤改良和修復(fù)方面有許多優(yōu)良的特性,可改變土壤生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量[3- 5]。研究表明,生物炭的施用可以降低土壤酸度和有毒元素對(duì)植物的毒性[6-7]；生物炭對(duì)養(yǎng)分元素的保持和提高,對(duì)土壤酸度的改善,對(duì)微生物的物理保護(hù)以及對(duì)有毒物質(zhì)的吸附都利于增加土壤微生物量[8]；稻殼生物炭提高了平邑甜茶土壤微生物群落功能多樣性[9]；單施生物炭和配施氮肥均可提高灰漠土和風(fēng)沙土微生物群落的豐富度[10]；生物炭顯著增加了土壤三大類微生物類群的數(shù)量[11]；小麥秸稈炭中K 量占21%、P 占1.5%、N 占0.64%,還有多種微量元素,這些元素都能不同程度的促進(jìn)土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)[12-13]；施用生物炭會(huì)改變土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)、種類和土壤酶活性[14-15]。近年來(lái)伴隨著可再生能源的不斷減少,生物炭在土壤中的應(yīng)用受到人們的廣泛關(guān)注。眾所周知,土壤微生物是土壤碳庫(kù)中最為活躍的組分,對(duì)環(huán)境的變化最為敏感,其對(duì)生物炭施用的響應(yīng)比其他有機(jī)質(zhì)更快,從土壤微生物的變化情況來(lái)反饋生物炭對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的作用,是研究生物炭施用益處和風(fēng)險(xiǎn)的途徑之一。也有報(bào)道稱生物炭對(duì)土壤改良的影響隨土壤類型及作物種類而有所變化[16]。由于生物炭偏堿性,在酸性土壤上有較好的改良效果,被認(rèn)為可能是未來(lái)有效的秸稈處理方式和改良酸性土壤質(zhì)量的重要途徑[17]。因此,本研究對(duì)生物炭在華南酸性紅壤上的施用劑量及生物炭、有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥配合施用效果進(jìn)行研究,以期闡述生物炭的健康培育引起菜園土壤微生物多樣性變化的規(guī)律,力求為生物炭改良農(nóng)田土壤微生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用提供理論依據(jù),從生態(tài)系統(tǒng)的角度客觀評(píng)價(jià)施用生物炭產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng),從而增強(qiáng)生物炭應(yīng)用的科學(xué)性、廣泛性和有效性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤、生物碳和肥料

供試土壤取自清遠(yuǎn)市連州縣的代表性菜園土,屬肥熟旱耕人為土,供試土壤主要化學(xué)肥力性狀：pH 6.13,有機(jī)質(zhì)28.12 g/kg,堿解氮139.9 mg/kg,有效磷 38.7 mg/kg,速效鉀214.0 mg/kg,交換性鈣4067.9 mg/kg,交換性鎂304.50 mg/kg。

生物炭的成分含量分別為：有機(jī)碳372.40 g/kg,全氮7.09 g/kg,全磷(P2O5)2.23 g/kg,全鉀(K2O)45.03 g/kg,pH值10.09。

商品有機(jī)肥的成分含量分別為：有機(jī)碳19.48 g/kg 全氮12.11 g/kg,全磷(P2O5)12.69 g/kg,全鉀(K2O)12.43 g/kg,pH值7. 83。

化肥為尿素(N,46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O5, 12%)和氯化鉀(K2O, 60%)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

每盆土量(風(fēng)干重)1 kg,供試作物為空心菜,重復(fù)3次。測(cè)定樣品是收獲空心菜后的土壤鮮樣。

1.3 樣品采集及測(cè)定方法

1.3.1 樣品采集

將土壤樣品混合均勻后4℃保存,進(jìn)行微生物Biolog 碳源利用測(cè)定。

1.3.2 測(cè)定方法

土壤細(xì)菌功能多樣性分析采用Biolog Eco 微平板法,具體操作以及多樣性指數(shù)計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[18-19]。選取培養(yǎng)時(shí)間為72 h的OD590 nm計(jì)算微生物群落功能多樣性指數(shù)和微生物利用碳源底物能力,并進(jìn)行微生物群落功能主成分分析,采用Excel 2003和DPS 14.10統(tǒng)計(jì)軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同處理菜園土壤平均顏色變化率

平均顏色變化率(AWCD)表征微生物群落碳源利用率,反映了土壤微生物代謝活性[20],其值越高,土壤中微生物群落代謝活性也就越高,不同生物炭添加量土壤平均顏色變化率見(jiàn)圖1和圖2。由圖1可知,AWCD隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高。從培養(yǎng)處于穩(wěn)定期的72—120 h來(lái)看,各處理土壤AWCD順序?yàn)門(mén)1>T3>T2>T5>T4>CK處理。不同處理的土壤AWCD值在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)均以CK處理對(duì)單一碳源的利用能力最弱,表明有機(jī)肥和生物炭的施用明顯提高了土壤微生物代謝活性。T1、T2和T3的3個(gè)處理無(wú)顯著差異,T4和T5高于CK,明顯低于T1、T2和T3,表明施用適量生物炭和有機(jī)肥可以顯著提高土壤微生物碳源利用能力,并非生物炭施用量越高效果越好。

由圖2可知,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),微生物利用碳源量呈逐漸增加的趨勢(shì)。在培養(yǎng)72—120 h內(nèi),各處理土壤AWCD順序均為T(mén)6>T7>T9>T8>T10處理。T6、T7和T9的3個(gè)處理差異不顯著,T6、T7和T9顯著高于T8和T10,T8顯著高于T10。表明施用3種化肥,有機(jī)肥和生物炭配施及生物炭和3種化肥配施比生物炭和氮鉀肥配施更能顯著提高土壤微生物活性,生物炭、有機(jī)肥和氮鉀肥配施效果最差。T8處理的AWCD值低于T9處理,可以看出磷肥的添加可以提高Biolog微孔板上碳源的利用能力。T8處理的AWCD值高于T10處理,表明生物炭與化肥混合施用,有機(jī)肥的添加反而降低了土壤微生物代謝活性。

圖1 不同生物炭添加量土壤平均顏色變化率 Fig.1 Variation in AWCD of soil bacterial community over time with different applying rate of biochar

圖2 生物炭配合不同化肥用量土壤平均顏色變化率 Fig.2 Variation in AWCD of soil bacterial community over time with biochar and different applying rate of chemical fertilizer

2.2 不同處理菜園土AWCD和多樣性指數(shù)比較

根據(jù)不同處理碳源利用情況,綜合考慮其變化趨勢(shì),選取光密度趨于穩(wěn)定,且不同處理之間有較好分形的72 h 的AWCD值進(jìn)行土壤微生物群落代謝多樣性的分析(表2)。

表2 不同處理菜園土微生物群落功能AWCD值和多樣性指數(shù)比較

表中數(shù)值為5個(gè)樣本的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同列數(shù)據(jù)不同處理凡是有一個(gè)相同小寫(xiě)字母者,表示無(wú)顯著差異(P>0.05,Duncan′s法)

從表2可以看出,T2、T3、T4和T5處理的AWCD值均顯著高于CK處理,表明生物炭的施用能顯著提高土壤中微生物活性；T1和T3處理AWCD值最高,CK和T10處理AWCD值最低,表明施用0.1%的有機(jī)肥和0.25%的生物炭對(duì)提高土壤微生物活性最顯著,生物炭施用量增加會(huì)降低土壤微生物對(duì)碳源的利用,磷肥的添加可以顯著增加土壤微生物對(duì)碳源的利用。T6和T9處理AWCD值差異不顯著,表明施用3種化肥的基礎(chǔ)上添加0.1%生物炭對(duì)土壤微生物代謝活性影響差異不顯著；T8處理的AWCD值顯著高于T10處理,表明生物炭、氮肥和鉀肥混施的基礎(chǔ)上再添加有機(jī)肥,會(huì)顯著降低土壤微生物活性。T7處理的AWCD值顯著高于T10處理,表明生物炭和有機(jī)肥混施再添加氮肥和鉀肥顯著降低了土壤微生物活性；T9處理的AWCD值顯著高于T8處理,表明磷肥的添加可以顯著增加土壤中微生物活性；T1處理的AWCD值顯著高于T7處理,T2和T7處理差異不顯著,表明有機(jī)肥單施比有機(jī)肥和生物炭混施更顯著提高土壤微生物活性。

T3處理AWCD值和Shannon多樣性指數(shù)顯著高于CK和T10處理,表明單施0.25%生物炭增加了土壤微生物代謝活性和利用Biolog 微平板上碳源的微生物種類。T1和T3處理的Simpson指數(shù)最高,T1處理顯著高于T5和T8處理,與其它處理差異不顯著,表明0.1%有機(jī)肥處理顯著提高土壤物種優(yōu)勢(shì)度。T1處理的Mclntosh指數(shù)顯著高于CK、T4、T5、T7、T8、T9、T10處理,表明0.1%有機(jī)肥處理的群落物種均勻度最高。以上結(jié)果表明,T1處理和T3處理的Shannon多樣性指數(shù)、Simpson指數(shù)和Mclntosh指數(shù)差異不顯著,均可提高土壤微生物對(duì)碳源的利用,促進(jìn)了土壤微生物區(qū)系向健康的方向轉(zhuǎn)變。

2.3 不同處理菜園土微生物利用碳源作為底物的能力

Biolog Eco 微平板上含有31種碳源,根據(jù)碳源官能團(tuán)不同將其分為6類:其中聚合物類4 種,碳水化合物類10種,羧酸類7種,氨基酸類6種,胺類2種,酚類2種。各處理土壤微生物群落對(duì)6 類碳源的相對(duì)利用率見(jiàn)表3。

表3 菜園土微生物利用碳源底物能力比較

表中數(shù)值為5個(gè)樣本的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同列數(shù)據(jù)不同區(qū)域凡是有一個(gè)相同小寫(xiě)字母者,表示無(wú)顯著差異(P>0.05,Duncan′s法)

由表3可以看出,T1和T3處理對(duì)聚合物類、碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類和酚類利用率最高,且T1和T3對(duì)碳源的利用較相似,表明施用0.1%的有機(jī)肥和0.25%的生物炭可以顯著提高土壤微生物對(duì)碳源的利用能力,且土壤微生物代謝功能類群相似。生物炭施用劑量研究顯示,T3處理對(duì)聚合物類、碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類和酚類的利用率高于T2、T4和T5處理,且對(duì)各種碳源的利用均以T5處理最低,表明適量生物炭的施用可以增加土壤微生物對(duì)碳源的利用能力。添加化肥處理中,T9處理土壤微生物利用碳源能力顯著高于T8處理,顯著提高土壤微生物對(duì)聚合物類、胺類和氨基酸類碳源的利用,表明磷肥的施用可以提高土壤微生物活性。T2處理的羧酸類、酚類和氨基酸類碳源顯著高于T8處理,表明氮肥和鉀肥的添加顯著降低了土壤微生物的碳源利用能力。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),T1和T3施肥處理最利于以碳水化合物類和羧酸類物質(zhì)為碳源的微生物生長(zhǎng),T9和T6施肥處理最利于以胺類物質(zhì)為碳源的微生物生長(zhǎng)。T6處理對(duì)羧酸類和酚類碳源的利用顯著高于T9處理,表明在施用化肥的基礎(chǔ)上配施適量生物炭顯著降低了微生物對(duì)羧酸類和酚類碳源的利用。T7處理是T1和T2處理的混合施用,T7處理對(duì)聚合物類、羧酸類和氨基酸類碳源的利用顯著低于T1處理,T7處理對(duì)各類碳源的利用與T2處理差異不顯著,T1和T3處理差異不顯著,表明單施0.1%的有機(jī)肥和0.25%的生物炭更有利于微生物對(duì)碳源的利用。

2.4 不同處理菜園土微生物群落功能主成分分析

圖3 不同施肥處理對(duì)菜園土微生物群落功能主成分分析 Fig.3 Analysis of main content of vegetable soil microbial group under different fertilizer treatment

應(yīng)用主成分分析是根據(jù)各種碳源的因子權(quán)重值,可清晰地看出各處理在碳源利用上的具體差異,評(píng)價(jià)引起各處理間土壤微生物群落差異的主要碳源[21]。通過(guò)主成分分析可以在降維后的主元向量空間中,用點(diǎn)的位置直觀地反映出不同土壤微生物群落功能多樣性變化[22]。前10個(gè)主成分占總變異的100%,包含了全部的變異信息。根據(jù)提取的主成分個(gè)數(shù)一般要求累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85% 的原則,共提取了5個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85.53%。其中第1主成分(PC1)的方差貢獻(xiàn)率為48.72%,第2 主成分(PC2)為11.71%。第3—5主成分貢獻(xiàn)率均較小,分別為10.50%、8.10%、6.51%。選取前2個(gè)主成分進(jìn)行分析,以PC1為橫軸,PC2為縱軸,以不同處理在2個(gè)主成分上的得分值為坐標(biāo)作圖來(lái)表征微生物群落碳源代謝特征(見(jiàn)圖3)。

主成分分析解釋了不同處理土壤微生物碳源利用是否存在差異[23]。由圖3可以看出,各處理間的碳源利用得分差異明顯,各象限均有分布。位于同一象限的各處理在第1、2主成分得分值離散較小,沒(méi)有顯著性差異,說(shuō)明這些處理土壤的微生物碳代謝功能群結(jié)構(gòu)相似；位于不同象限各處理的在第1、2主成分得分值差異較大,說(shuō)明不同處理土壤微生物碳代謝功能群結(jié)構(gòu)存在較大差異。T1、T2和T3處理位于第1象限,表明T1、T2和T3處理的微生物對(duì)碳源的利用方式比較接近。T7和T9處理位于第4象限,表明T7和T9處理受PC1上的主要碳源影響較大,PC2上的碳源是其與T1、T2和T3處理區(qū)分的敏感碳源。CK、T6和T10位于第2象限,T4、T5和T8處理位于第3象限。T1和T2位于同一象限,與T7不同象限,表明單施有機(jī)肥或生物炭與混合施用對(duì)土壤微生物碳代謝功能群結(jié)構(gòu)的影響有較大差異。T8和T10處理位于不同的象限,T8的AWCD值顯著高于T10,表明生物炭與氮鉀肥混合施用基礎(chǔ)上添加有機(jī)肥顯著改變了微生物群落結(jié)構(gòu),得出同樣結(jié)論,生物炭與有機(jī)肥單獨(dú)施用效果優(yōu)于混合施用。T6和T9處理位于不同的象限,反映出不同處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生了明顯差異,表明在施用化肥的基礎(chǔ)上配施適量生物炭改變了土壤微生物對(duì)碳源種類的選擇與利用。T8和T9處理位于不同象限,T9處理的AWCD值和碳源利用率均顯著高于T8處理,表明化學(xué)磷肥的施用增加了土壤微生物對(duì)碳源的利用。

3 結(jié)論與討論

除T5處理的胺類碳源外,不同用量生物炭處理的土壤微生物對(duì)單一碳源利用和代謝活性均高于對(duì)照,0.25%的生物炭處理的BIOLOG-ECO微平板中顏色變化孔數(shù)最多,說(shuō)明其土壤微生物群落中利用微孔板孔中不同單一碳底物種類增加,表明其微生物活性最高,土壤微生物活性高,土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和緩沖容量大,功能增強(qiáng),因而土壤對(duì)外來(lái)脅迫所引起的生態(tài)系統(tǒng)波動(dòng)的恢復(fù)能力就會(huì)提高[28]。在一定范圍內(nèi),隨著生物炭施用量的增加,土壤微生物的數(shù)量和活性都顯著提高[29-30]。已有一些研究表明,生物炭可以提高土壤微生物繁殖能力,但尚不明確其機(jī)理為何[31]。Muhammad等[32]對(duì)紅壤的研究則表明,豬糞炭和果皮炭等主要通過(guò)增加土壤pH、DOC和碳氮養(yǎng)分元素含量,改變微生物群落結(jié)構(gòu)。同時(shí),采用13C 或14C標(biāo)記生物炭的手段,Maestrini 等[33]發(fā)現(xiàn),經(jīng)158 d 培養(yǎng)后,僅有0.4%的生物炭組分進(jìn)入微生物體；即使培養(yǎng)20個(gè)月,也只有1.5%的生物炭成分在微生物體中被鑒定[34]。因此,生物炭的添加可能主要是通過(guò)對(duì)諸如土壤養(yǎng)分含量和化學(xué)性質(zhì)(pH,CEC)等的改變[32],間接作用于土壤微生物群落組成,此過(guò)程往往與試驗(yàn)條件、生物炭自身性質(zhì)、土壤質(zhì)地及肥力水平等密切相關(guān),其相互聯(lián)系和內(nèi)在機(jī)制還需要進(jìn)一步探討。

表征微生物活性的AWCD值和微生物功能多樣性指數(shù)僅能反映土壤微生物的總體變化情況,并不能反映微生物群落代謝的詳細(xì)信息。微生物對(duì)不同碳源的利用可以反映微生物的代謝功能類群[35]。本研究顯示,T1和T3處理對(duì)聚合物類、碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類和酚類利用率最高,隨著生物炭施用量的增加,顯著降低了土壤微生物對(duì)聚合物類碳源的利用。Dempster等[36]發(fā)現(xiàn)高量生物炭施用則降低了土壤微生物量,與本研究結(jié)果相似。而陳心想等[11]研究表明,生物炭顯著增加了土壤三大類微生物類群的數(shù)量,其增幅隨用量的增加而增大。土壤微生物活性和對(duì)碳源的利用并未隨生物炭施用量增加而增加,可能的原因是生物炭中也含有一些對(duì)微生物有害的物質(zhì),如乙烯[37]、高鹽類物質(zhì)[38]、重金屬[39]、多環(huán)芳烴和二噁英等污染物[40]等能夠抑制其生長(zhǎng)[41]。另一方面,添加生物炭能促進(jìn)某些微生物種群生長(zhǎng),同時(shí)另一些微生物種群受到抑制,導(dǎo)致微生物群落組成發(fā)生變化[42],也可能降低微生物多樣性[43]。因生物炭的組分及結(jié)構(gòu)特異性,不同微生物群落對(duì)添加生物炭的響應(yīng)往往不同,微生物群落結(jié)構(gòu)的改變程度主要受生物炭性質(zhì)、添加量及土壤類型的影響。不同生物炭施加量,土壤微生物群落發(fā)生不同變化,適宜的生物炭量對(duì)土壤微生物起著重要作用,一定程度上決定了土壤修復(fù)效果。并且,生物炭本身對(duì)土壤微生物存在“抑制濃度”,過(guò)量生物炭可能對(duì)微生物產(chǎn)生毒性。因此,應(yīng)該明確生物炭施用劑量,建立生物炭標(biāo)準(zhǔn)使用方法,有助于生物炭的規(guī)?；瘧?yīng)用,充分發(fā)揮生物炭?jī)?yōu)勢(shì),規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

本研究中,常規(guī)化肥與適量生物炭混合施用顯著降低了微生物對(duì)羧酸類和酚類碳源的利用,原因可能是酚類物質(zhì)是一類主要的化感物質(zhì),生物炭的添加通過(guò)改變根際土壤理化性質(zhì)降低了植物根系對(duì)有毒有害化感物質(zhì)的分泌,也可能是生物炭吸附了部分酚類物質(zhì),因此,降低了以酚類為碳源的微生物活性。磷肥對(duì)土壤微生物利用碳源能力影響較大,磷肥的添加可以顯著提高土壤微生物對(duì)聚合物類、氨基酸類和胺類碳源的利用,而氮和鉀肥的施用顯著降低了土壤微生物對(duì)羧酸類、酚類和氨基酸類碳源的利用,不利于土壤微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。有研究表明,有效養(yǎng)分比例不合適,無(wú)論是過(guò)高還是過(guò)低都會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生不利影響[44]。在生物炭存在的情況下,微桿菌科、間孢囊菌生長(zhǎng)速度增加,從而影響了無(wú)機(jī)磷的生物利用率[45]。Tiessen等[46]認(rèn)為,長(zhǎng)期耕作土壤中大部分可礦化有機(jī)P已被消耗,以至于有機(jī)P礦化與有機(jī)P的形成速率相當(dāng)。因此,作物及微生物生長(zhǎng)顯著受外源P素施用影響,P素是微生物生長(zhǎng)的限制因素[47]。生物炭在土壤中穩(wěn)定性高、分解速度慢,從長(zhǎng)期效應(yīng)來(lái)說(shuō),生物炭配施氮磷鉀肥更有利于提高土壤微生物群落多樣性[48]。

有機(jī)肥與生物炭混合施用結(jié)果表明,混合施用對(duì)碳源的利用能力顯著低于有機(jī)肥單獨(dú)施用,而有機(jī)肥單獨(dú)施用對(duì)土壤微生物類群的作用與0.25%的生物炭處理相似,從養(yǎng)分的角度來(lái)講,有機(jī)肥彌補(bǔ)了生物炭養(yǎng)分低的缺點(diǎn),而生物炭則賦予有機(jī)肥養(yǎng)分緩釋性能的互補(bǔ)和協(xié)同作用[49]。從微生態(tài)角度看,這可能是由于有機(jī)肥和生物炭中微生物群落結(jié)構(gòu)相似,混合施用可能導(dǎo)致一些微生物群體迅速增殖成為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)群落,引起群落組成和結(jié)構(gòu)的變化,不利于保護(hù)土壤有益微生物。陳偉等[9]研究表明,盆栽試驗(yàn)中施用10%有機(jī)肥+3%生物炭處理下微生物對(duì)碳源的利用能力優(yōu)于10%有機(jī)肥+6%生物炭處理,表明有機(jī)肥與生物炭混合施用需要合適的配比,本研究可能有機(jī)肥與生物炭配比沒(méi)有達(dá)到最優(yōu),因此效果不明顯。與此同時(shí),生物炭研究進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)的負(fù)面影響卻不能忽視,生物炭對(duì)環(huán)境并不是完全友好無(wú)害的,怎樣正確使用生物炭(合適的炭類型,適宜的劑量,科學(xué)的施用方法等)以減輕其對(duì)土壤的負(fù)面影響是值得關(guān)注的問(wèn)題。

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Effects of biochar on microbial functional diversity of vegetable garden soil

ZHAO Lanfeng1, ZHANG Xinming1, CHENG Gen1, ZHANG Lijuan2, LIU Xiaofeng1, LI Huaxing1, *

1CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2CenterforEnvironmentalHealthResearch,SouthChinaInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Guangzhou510655,China

Biochar can be effectively used to reduce the release of greenhouse gases and fulfill the consequences of carbon sinks. It can also be used to restore degraded soil and improve the structure of soil microbial communities and enhance their functions. This study investigated the effects of different biochar doses and the combined application of biochar with other fertilizers on soil microbial functional diversity, which would provide a scientific basis and theoretical guidance for the rational use of agricultural waste and optimal management of soil fertility in vegetable gardens. In the present study, the representative vegetable garden soil (Fimi-Orthic Anthrosols) was sampled from Lianzhou County, Qingyuan City. Pot experiments were conducted for 40 days in the laboratory. Ten treatments were performed as follows: CK (0% biochar + 0% fertilizer), T1 (0% biochar + 0.1% commercial organic manure), T2 (0.1% biochar + 0% fertilizer), T3 (0.25% biochar + 0% fertilizer), T4 (0.5% biochar + 0% fertilizer), T5 (1.0% biochar + 0% fertilizer), T6 (100(N) + 30(P2O5) + 75(K2O) mg/kg oven-dried soil), T7 (0.1% biochar + 0.1% commercial organic manure), T8 (0.1% biochar + 100(N) + 0(P2O5) + 75(K2O) mg/kg oven-dried soil), T9 (0.1% biochar + 100(N) + 30(P2O5) + 75(K2O) mg/kg oven-dried soil), and T10 (0.1% biochar + 0.1% commercial organic manure + 100(N) + 0(P2O5) + 75(K2O) mg/kg oven-dried soil), with three replicates each. Soil microbial functional diversity of the harvested soil samples was analyzed using the Biolog method. Significant variations in soil microbial functional diversity were shown in the treatments with different biochar doses. First, the T1 (0.1% organic manure) and T3 (0.25% biochar) treatments significantly increased soil microbial utilization of carbon substrates more than the other treatments (P<0.05), but further increases of biochar (>0.25%) reduced average well color development (AWCD). Second, both T1 and T3 treatments had significantly higher species richness (McIntosh index), and only the T1 treatment had higher evenness of community species (Shannon index) than the other treatments. Moreover, T1 and T3 had the highest utilization of polymers, carbohydrates, carboxylic acids, amino acids, and phenols. For the chemical fertilizer treatments, soil microbial activity and microbial utilization of carbon substrates were increased by phosphate fertilizer, but were significantly reduced by nitrogen and potassium fertilizers. Furthermore, a principal component analysis showed that there were similar soil microbial community functional structures in the treatments of T1, T2 (0.1% biochar), and T3. A single application of organic manure or biochar had stronger effects on the soil microbial community structures than the combined application; however, phosphate fertilizer and the combined application of biochar and chemical fertilizers also changed the soil microbial utilization of carbon substrates. This study indicates that it is necessary to ascertain the treatment doses of biochar and standardize their criteria to promote biochar application at large scales and in different fields. However, the biochar had some negative effects on the eco-environment. Therefore, the biochar sources and amount of biochar doses should be studied to determine the negative effects on soil, to prevent these in future treatments for optimal results.

vegetable garden soil; biochar; microbial community; functional diversity; Biolog method

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012A020100004)；國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(41001150)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40971155)

2016- 04- 22; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604220758

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huaxli@scau.edu.cn

趙蘭鳳,張新明, 程根,張麗娟,劉小鋒,李華興.生物炭對(duì)菜園土壤微生物功能多樣性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(14):4754- 4762.

Zhao L F, Zhang X M, Cheng G, Zhang L J, Liu X F, Li H X.Effects of biochar on microbial functional diversity of vegetable garden soil.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4754- 4762.