稻殼基生物炭對千屈菜不同類型底泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

何小麗，朱 義，張 帥，張 群，崔心紅*

(1.上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232； 2.上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232)

稻殼基生物炭對千屈菜不同類型底泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

何小麗1,2，朱 義1,2，張 帥1,2，張 群1,2，崔心紅1,2*

(1.上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232； 2.上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232)

在完全淹水條件下，利用桶栽實(shí)驗(yàn)，研究了不同添加量稻殼基生物炭對不同營養(yǎng)水平底泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，生物炭用量按質(zhì)量比設(shè)置0%、2.5%、5%、10%和20% 5個水平。結(jié)果表明,3種類型底泥中，生物炭的添加促進(jìn)了中營養(yǎng)底泥細(xì)菌數(shù)量的增加，其他兩種類型底泥細(xì)菌總量有所降低；3種類型底泥中，酸桿菌門、放線菌門豐度依次降低，其中生物炭促使低營養(yǎng)底泥藍(lán)菌門數(shù)量的增加；生物炭施入低營養(yǎng)和中營養(yǎng)底泥后對千屈菜生長有一定促進(jìn)作用，但差異不顯著，高營養(yǎng)底泥施入生物炭后對千屈菜生長產(chǎn)生明顯抑制作用。

千屈菜； 稻殼基生物炭； 底泥； 細(xì)菌

生物炭(biochar)是指在低氧或厭氧的條件中，將含碳量豐富的生物質(zhì)在相對較低的溫度(<700 ℃)下熱解得到的一種碳質(zhì)材料[1-2]，其具有堿性、微孔結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、吸附力強(qiáng)等特點(diǎn)[3-5]，在土壤改良、受污染環(huán)境修復(fù)等方面都展現(xiàn)出較大潛力，成為近年來的研究熱點(diǎn)[6-7]。在土壤改良方面，相關(guān)學(xué)者通過盆栽實(shí)驗(yàn)[8-9]，探討了生物炭對土壤養(yǎng)分狀況和作物生長的影響，以期提高土壤養(yǎng)分的有效性，增加植物吸收養(yǎng)分的效率，達(dá)到增產(chǎn)的目的。在環(huán)境修復(fù)方面，由于生物炭有著強(qiáng)大的吸附能力，可有效吸附水體中的氮、磷及有機(jī)物，并將其固持于底泥中，而將其作為底泥覆蓋材料，以達(dá)到原位修復(fù)富營養(yǎng)水體和污染底泥的目的[10-11]。

當(dāng)前隨著城市化進(jìn)程的加快，城市濕地逐步萎縮，結(jié)構(gòu)和功能遭到嚴(yán)重破壞，城市濕地的恢復(fù)與重建，是促進(jìn)城市環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要手段[12]，水生植物兼具生態(tài)和景觀功能，水生植被的恢復(fù)往往成為城市濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的前提，對底泥進(jìn)行適當(dāng)改良，營造適宜的環(huán)境條件，是生態(tài)恢復(fù)的必要手段[13]。然而關(guān)于生物炭對不同營養(yǎng)底泥和水生植物生長影響的研究較少。本研究通過模擬實(shí)驗(yàn)，分析了不同生物炭添加量對不同營養(yǎng)水平底泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，通過微生物水平的變化特征來進(jìn)一步驗(yàn)證生物炭促進(jìn)植物生長、改善底泥營養(yǎng)狀況和環(huán)境修復(fù)的功能，為其在受損濕地中植被恢復(fù)與環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用千屈菜扦插苗全部來源于上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院水生植物資源圃及上海植物園內(nèi)的千屈菜幼嫩枝條。2015年9月初多次從上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院水生植物資源圃及上海植物園內(nèi)剪取莖稈基本一致且沒有蟲害的千屈菜嫩枝，帶回實(shí)驗(yàn)室。去除千屈菜嫩枝的全部葉片，并分剪成20 cm長的一段，然后將分剪的千屈菜段插入上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院水生植物資源圃大棚內(nèi)的扦插池中。

底泥類型分別為低營養(yǎng)(LT)、中營養(yǎng)(MT)、高營養(yǎng)(HT)3種(表1)，其中低營養(yǎng)型取自上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院水生資源圃內(nèi)底泥；高營養(yǎng)型取自上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院河道內(nèi)采集的新鮮底泥，待其自然風(fēng)干，期間撿取底泥中肉眼可見的動植物殘體、結(jié)核(鐵、錳)、石塊等雜質(zhì)。最后將所有土樣碾碎過3目篩，制備實(shí)驗(yàn)所需栽植土類型，以備實(shí)驗(yàn)所用；中營養(yǎng)型為低營養(yǎng)類型與高營養(yǎng)類型按照1∶1混合后制得。選用自然風(fēng)干后的稻殼基生物炭。

表1 底泥及稻殼基生物炭特征

1.2 方法

1.2.1 處理設(shè)計

將稻殼基生物炭分別按照2.5%、5.0%、10%、20%的質(zhì)量比與低營養(yǎng)底泥、中營養(yǎng)底泥、高營養(yǎng)底泥混合，設(shè)空白對照，分別得到LT0～LT4、MT0～MT4、HT0～HT4包括空白在內(nèi)的12個處理，配置底泥穩(wěn)定1 d后栽植千屈菜幼苗，每桶栽3株，栽后繼續(xù)加自來水至種植基質(zhì)以上水深5 cm，每個試驗(yàn)處理設(shè)置3個重復(fù)。試驗(yàn)周期為2015年10月下旬至2016年3月下旬，2016年3月下旬采樣測試。

1.2.2 土壤細(xì)菌總量測定

準(zhǔn)確稱取土壤樣品10 g，加入含90 mL生理鹽水并裝有玻璃珠的三角瓶中混勻作為原液。原液依次按照10-1、10-2、10-3……濃度梯度進(jìn)行倍比稀釋，分別接種于含有1.5%瓊脂粉的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上，28 ℃倒置培養(yǎng)48 h后，計算平板菌落數(shù)。

1.2.3 基因組DNA提取、細(xì)菌宏基因組16S rDNA測序及OTU生物學(xué)聚類分析

以O(shè)MEGA土壤提取試劑盒進(jìn)行基因組DNA提??；利用Qubit2.0 DNA檢測試劑盒對基因組DNA精確定量，以確定PCR反應(yīng)應(yīng)加入的DNA量。PCR所用的引物已經(jīng)融合了Miseq測序平臺的V3～V4通用引物：341F引物：5’-CCCTACACG ACGCTCTTCCGATCTG, CCTACGGGNGGCWGCAG-3’；805R引物5’-GACTGGAGTTCCTTGGCACCCG AGAATTCCAGACTACH VGGGTATCTAATCC-3’。擴(kuò)增體系和程序見文獻(xiàn)[9]。基于OTU聚類分析，將多條序列根據(jù)其序列之間的距離來進(jìn)行聚類，后根據(jù)序列之間的相似性作為域值分成操作分類單元(OTU)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對不同底泥類型細(xì)菌總量的影響

由圖1可以看出，生物炭的添加促進(jìn)了中營養(yǎng)底泥的細(xì)菌總量，對低營養(yǎng)底泥(LT0～LT4)和高營養(yǎng)底泥(HT0～HT4)細(xì)菌總量沒有促進(jìn)作用，反而出現(xiàn)較弱的抑制作用。

圖1 不同處理底泥的細(xì)菌總量

2.2 生物炭對不同類型底泥細(xì)菌多樣性的影響

由表2可以看出，低營養(yǎng)和中營養(yǎng)底泥細(xì)菌多樣性高于高營養(yǎng)底泥，對于中營養(yǎng)底泥來說，生物炭的添加導(dǎo)致底泥細(xì)菌多樣性有所降低，生物炭對其他兩種營養(yǎng)底泥細(xì)菌多樣性影響較小。

由phylum水平菌群分布(圖2)可以看出，稻殼基生物炭的添加影響了千屈菜栽培介質(zhì)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成。由空白可以看出，3種類型栽培介質(zhì)(LT0、MT0、HT0)的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在差異，低營養(yǎng)(LT0)、中營養(yǎng)(MT0)的酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)較高營養(yǎng)(HT0)豐度高，但高營養(yǎng)(HTO)、中營養(yǎng)(MT0)中的厚壁菌門(Firmicutes)較低營養(yǎng)(LT0)豐度高。其中生物炭對栽培介質(zhì)類型為河道底泥(HT0～HT4)的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)類型影響較大，低濃度(2.5%)生物炭添加促進(jìn)其變形菌門(Proteobacteria)的增殖，高濃度(5%、10%、20%)生物炭的添加抑制了變形菌門細(xì)菌的增殖。低營養(yǎng)底泥中，生物炭的添加促進(jìn)了土壤藍(lán)菌門(Cyanobacteria)豐度的增加，但生物炭的濃度對藍(lán)菌門(Cyanobacteria)豐度增加影響不明顯，藍(lán)細(xì)菌的增加，有助于其通過光合產(chǎn)物積累增加土壤有機(jī)質(zhì)，從而促進(jìn)濕生植物的生長，但20%生物炭濃度抑制藍(lán)菌門細(xì)菌生長?？傮w來說，生物炭的添加對中營養(yǎng)底泥(MT0～MT4)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響較小，對低營養(yǎng)(LT0～LT4)和高營養(yǎng)底泥(HT0～HT4)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響較大。

表2 不同類型底泥的細(xì)菌多樣性

圖2 Phylum水平的菌群分布

2.3 不同營養(yǎng)底泥下千屈菜生長特征變化

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)(Samples T test)分析及單因素方差分析(One-Way ANOVA)表明，LT系列千屈菜各項(xiàng)生長指標(biāo)與空白組LT0相比，不存在顯著性差異，各實(shí)驗(yàn)組間萌芽指標(biāo)有顯著性差異，其他各項(xiàng)指標(biāo)也沒有顯著差異，萌芽數(shù)與地下部生物量隨稻殼生物炭施入量的增加呈上升趨勢；MT系列千屈菜各項(xiàng)生長指標(biāo)與空白組MT0相比，也沒有顯著性差異，各實(shí)驗(yàn)組間不存在顯著性差異；HT系列千屈菜各項(xiàng)生長指標(biāo)與空白組HT0相比，株高增長量、萌芽存在顯著性差異，且隨稻殼生物炭的施入呈下降趨勢，生物量與空白組相比不存在顯著性差異，但低于空白組，各實(shí)驗(yàn)組間不存在顯著性差異，表明HT處理施入稻殼生物炭以后對千屈菜的生長有抑制作用。比較3種不同底泥下千屈菜的各項(xiàng)指標(biāo)，MT處理千屈菜生長狀況最好，LT處理施入稻殼生物炭以后促進(jìn)了千屈菜生長，HT處理施入稻殼生物炭以后抑制了千屈菜的生長。

3 小結(jié)與討論

通過對不同底泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析及千屈菜生長統(tǒng)計結(jié)果表明，低營養(yǎng)底泥在添加生物炭之后，底泥中有機(jī)質(zhì)增加，同時藍(lán)菌門(Cyanobacteria)數(shù)量增加更進(jìn)一步促進(jìn)低營養(yǎng)底泥中有機(jī)質(zhì)的積累，從而促進(jìn)千屈菜生長。中營養(yǎng)底泥中，生物炭的添加顯著促進(jìn)細(xì)菌總量的增殖，加速底泥中各種營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)千屈菜的良好生長。高營養(yǎng)底泥由于本身就含有很高的有機(jī)質(zhì)成分，生物炭的添加，抑制了高營養(yǎng)底泥細(xì)菌的活性，從而導(dǎo)致細(xì)菌總量有所降低，但細(xì)菌多樣性變化差異不明顯，高營養(yǎng)底泥與其他兩種類型底泥相比，酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)等功能菌群顯著減少，高營養(yǎng)底泥中千屈菜生長受到抑制。因此，生物炭在用于水生環(huán)境底泥改良中，應(yīng)對底泥基本性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查分析，宜選用中低營養(yǎng)底泥進(jìn)行施用。此外，應(yīng)結(jié)合不同種類生物炭、底泥營養(yǎng)元素變化特征、不同濕生植物種類進(jìn)行進(jìn)一步的綜合分析評價。

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(責(zé)任編輯：張 韻)

2017-09-16

上海市科委科技創(chuàng)新行動計劃(14DZ1206002)；上海市理化和市容管理局科技基金(B150204)；上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技基金(B150204)

何小麗(1983—)，女，安徽蕪湖人，工程師，碩士，從事土壤微生物研究工作，E-mail：xiaoliheshnu@163.com。

崔心紅(1965—)，男，湖北秭歸人，教授級高級工程師，博士，從事植物生態(tài)學(xué)工作，E-mail：kysxinhongcui@163.com。

文獻(xiàn)著錄格式：何小麗，朱義，張帥，等. 稻殼基生物炭對千屈菜不同類型底泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(11)：1940-1943.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171125

X32

A

0528-9017(2017)11-1940-04