不同秸稈生物炭對貴州黃壤細菌群落的影響

侯建偉，邢存芳，盧志宏，陳芬，余高

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不同秸稈生物炭對貴州黃壤細菌群落的影響

侯建偉，邢存芳，盧志宏，陳芬，余高

（銅仁學院烏江學院，貴州銅仁 554300）

【目的】表征不同生物炭處理的黃壤細菌群落結構特征和組成差異，探討引起黃壤細菌群落變化的主控環(huán)境因子，為土壤改良和秸稈資源的合理利用提供理論參考?！痉椒ā恳杂衩?、水稻和油菜秸稈500℃炭化得到的生物炭為添加材料，以貴州省地帶性黃壤為供試土壤，通過室內培育試驗，采用高通量測序（Illumina HiSeq）技術，研究不同生物炭處理的黃壤細菌的菌群變化，并對細菌群落結構與環(huán)境因子進行相關性分析和因子分析。試驗共設4個處理：對照（CK）、添加玉米秸稈生物炭（BC1）、水稻秸稈生物炭（BC2）和油菜秸稈生物炭（BC3）。【結果】細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)與土壤全氮、pH和全碳呈極顯著或顯著正相關關系（分別為0.78**、0.62*和0.66*）。施用生物炭增加了細菌門和綱水平上的優(yōu)勢菌群的豐富度和多樣性，且與pH和C/N具有較強的正相關性。Actinobacteria（放線菌門）、Cyanobacteria（藍藻菌門）和Chloroflexi（綠彎菌門）為黃壤的3大優(yōu)勢菌門，占所有菌門的68.5%。因子分析顯示，土壤全氮、C/N、pH、有效磷和陽離子交換量（CEC）總共解釋了80.8%的群落變化，成為黃壤細菌群落結構變化的主控環(huán)境因子，貢獻率依次為：土壤C/N＞pH＞有效磷＞全氮＞CEC?！窘Y論】生物炭改變了細菌的群落構成和化學性質，土壤全氮、C/N、pH、有效磷和CEC對細菌群落結構變化貢獻較大，其中全氮和pH是提高土壤細菌群落多樣性和豐富度的主控環(huán)境因子。

生物炭；黃壤；高通量測序；細菌群落；土壤化學性質

0 引言

【研究意義】土壤酸化是土壤退化的一個重要方面，土壤酸化會造成土壤質量和肥力的下降，營養(yǎng)元素的流失，從而對生長的作物產生嚴重危害[1]。黃壤是貴州省面積最大的地帶性土壤，面積共738.43萬hm2，分別占貴州省土壤面積和全國黃壤面積的46.4%和25.3%。pH小于5.5的強酸性黃壤面積占貴州省黃壤總面積的41.2%[2]。生物炭改變土壤理化性質的同時，也對土壤微生物群落結構產生影響，土壤微生物能夠促進土壤有機質的分解以及土壤養(yǎng)分的轉化，對維持土壤質量和土壤的健康有十分重要的作用[3]。其中，細菌在微生物數(shù)量中占有絕對優(yōu)勢，可決定土壤微生物總量的分布和有機物的分解與轉化[4]。開展不同秸稈生物炭對酸性黃壤細菌群落影響的研究，分析細菌群落結構特征、組成以及引起細菌群落變化的主控環(huán)境因子，有利于進一步認識黃壤細菌群落的結構變化?！厩叭搜芯窟M展】秸稈生物炭不僅是富含碳的有機物質，還包括氮、氧、硫等多種養(yǎng)分元素和無機碳酸鹽成分，其輸入可以增加黃壤有機碳含量水平，提供微生物可利用組分[5]。同時，秸稈生物炭具有一定的離子交換能力和吸附特性，其對營養(yǎng)元素（如NO3--N，NH4+-N，PO43-）的吸附和截留，可以降低肥料養(yǎng)分的流失，提高養(yǎng)分利用率[6]。此外，生物炭還可以通過對土壤pH、CEC等環(huán)境的改變，間接地改變微生物群落多樣性及氮素轉化過程[7]。周桂玉等[8]研究發(fā)現(xiàn)，添加玉米秸稈生物炭可以提高草甸黑土有機碳和有效養(yǎng)分含量；但張晗芝等[9]則報道，秸稈生物炭的添加對砂漿水稻土有效磷和pH沒有顯著影響。生物炭類型和炭化溫度可決定生物炭的組分及特性[10]，隨著裂解溫度的升高，C、N元素富集，表面吸附特性及孔度也發(fā)生變化[10]，都會影響其對土壤養(yǎng)分狀況的改變程度。微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動過程中扮演著重要的角色，它可以直接或間接參與生物炭在土壤中的降解、遷移和轉化過程[11]。生物炭作為一種性質獨特的物質，其孔隙結構及對水肥的吸附作用可直接為土壤微生物提供良好的棲息環(huán)境和生長所需養(yǎng)分[12]。KOLB等[13]指出，秸稈炭較木質炭可能含有更為豐富的微生物可利用組分以及適宜的棲息環(huán)境，更能提高微生物數(shù)量和生物量水平。不同來源的生物炭因結構特性及組分差異，往往會被不同的微生物群體所利用[14]，其引起的微生物群落結構變化也會有差異。生物炭對土壤微生物活性和群落結構組成的改變往往與試驗條件、生物炭自身性質、土壤質地及肥力水平等密切相關[13]。【本研究切入點】黃壤是貴州省喀斯特地區(qū)主要的農業(yè)土壤類型，具有質地黏重，比水容量小，養(yǎng)分含量低和酸性強等特點，已限制了農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[15]?；凇顿F州統(tǒng)計年鑒》（2004—2013年）全省以水稻、玉米和油菜秸稈產量最大，分別為300×104—480×104t、260×104— 382.2×104t和200×104—260×104t[16]。近年來，秸稈廢棄物轉化生物炭還田改良酸性土壤，并從生物分類學的角度準確描繪數(shù)量龐大的微生物群體，一直以來都是備受關注的焦點問題[17]。但是不同秸稈生物炭對酸性黃壤細菌群落結構特征和組成的影響并未見廣泛報道；不同秸稈生物炭引起細菌群落變化的主控環(huán)境因子還不十分清楚?！緮M解決的關鍵問題】本研究以玉米、水稻和油菜秸稈500℃炭化得到的3 種生物炭為添加材料，以貴州省地帶性黃壤為改良對象，通過室內培育試驗，研究不同秸稈生物炭對黃壤細菌群落結構特征和組成的影響，分析土壤菌群與環(huán)境因子的相關關系和主控環(huán)境因子，以期為黃壤改良和秸稈資源的合理利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

生物炭：玉米秸稈生物炭、水稻秸稈生物炭和油菜秸稈生物炭，由遼寧金和福有限公司生產（炭化溫度500℃，炭化時間6 h）。

土壤：取自銅仁學院試驗田耕層土壤（0—20 cm土層）。土樣在實驗室自然風干并過2 mm的土壤篩。供試土壤和生物炭的理化性質見表1。

1.2 試驗設計與樣品采集

試驗于 2017 年5—12月室內進行。稱取 4 kg 風干，按照 2%添加量將玉米秸稈生物炭（BC1）、水稻秸稈生物炭（BC2）和油菜秸稈生物炭（BC3）分別與土壤充分混勻裝入塑料培養(yǎng)盆（直徑：20 cm；高：22 cm）中。補加蒸餾水至田間飽和持水量的 60%，同時做無生物炭空白對照（CK），無菌膜封口，保持一定的透氣性，培養(yǎng)盆底部中心打直徑1 cm小孔，置于（25±1）℃培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)試驗。每個處理3次重復，每隔5 d稱重法補水一次。培養(yǎng) 186 d 后，于培養(yǎng)盆中均勻、分散的選取3點（培養(yǎng)盆半徑中點）用土鉆直通盆底取樣（土層厚度20 cm）、混勻，即為該處理的1個樣品。土壤樣品儲存于保鮮自封袋中，一部分于-80 ℃冰箱保存，用于土壤微生物群落分析；另一部分室溫風干研磨，分別過 2 mm篩和 0.15 mm篩，用于測定土壤化學性質。

表1 供試土壤和生物炭的理化性質

生物炭pH：水﹕炭=10﹕1；土壤pH：水﹕土=5﹕1

The pH value of biochar was determined under the condition of water and carbon ratio of 10:1; pH value of soil was determined under the condition of water and carbon ratio of 5:1

1.3 測試項目與方法

生物炭：pH用復合電極電位法測定[18]；全碳和全氮用CHN元素分析儀（德國elementar，Vario Macro）測定[18]；有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-分光光度計法測定[19]；速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法測定[19]；孔容積、孔徑、比表面積采用全自動氣體吸附儀（ASAP2020）測定[18]。

土壤：全氮用開氏定氮法測定；全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀用NaOH熔融-火焰光度法測定；全碳用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮用堿解擴散法測定；有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-分光光度計法測定；速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法測定；陽離子交換量（CEC）用乙酸鈉-火焰光度法測定；pH用復合電極電位法測定；C/N用全碳與全氮的比計算得出。上述測試方法參見《土壤農化分析》[19]。

土壤DNA的提取與高通量測序[20]：具體測試方法包括基因組DNA的提?。ú捎肅TAB方法對樣本的基因組DNA 進行提取，之后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度，取適量的樣品于離心管中，使用無菌水稀釋樣品至1 ng·μL-1）→PCR擴增（以稀釋后的基因組DNA 為模板，根據(jù)測序區(qū)域的選擇，使用帶Barcode 的特異引物，New England Biolabs公司的Phusion? High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer和高效高保真的酶進行PCR，確保擴增效率和準確性。細菌針對V4區(qū)的16SrRNA基因（引物為515F和806R））→PCR產物的混樣和純化（PCR產物使用2%濃度的瓊脂糖凝膠進行電泳檢測；根據(jù)PCR產物濃度進行等量混樣，充分混勻后使用2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物，對目的條帶使用qiagen公司提供的膠回收試劑盒回收產物）→建庫測序策略（采用IllunimaHiseq PE 測序平臺對16s rRNA的V4 高變區(qū)進行測序）→文庫構建和上機測序（使用TruSeq? DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建庫試劑盒進行文庫構建，構建好的文庫經(jīng)過Qubit和QPCR定量，文庫合格后，使用Hiseq2500 PE250進行上機測序）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理利用SAS9.0進行主分量分析（Principal component analysis）和方差分析（ANOVA）；用EXCEL2007計算數(shù)據(jù)置信區(qū)間、繪制圖表，使用CANOCO4.5軟件對土壤化學性質和細菌群落結構進行冗余分析（RDA）；利用軟件mothur 計算Alpha 多樣性指標，包括豐度指數(shù)（ACE和Chao1）和多樣性指數(shù)（Shannon和Simpson）。

2 結果

2.1 細菌16s rRNA基因拷貝數(shù)

不同生物炭處理的細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)為2.76×105—4.66×105copies/g soil（圖1）。其中，BC3處理的細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)最多，為4.66×105copies/g soil，比CK處理增加了68.8%；其次是BC2處理，為3.99×105copies/g soil，比CK處理增加了44.6%；BC1處理最少，為3.95×105copies/g soil，比CK處理增加了43.1%。BC1處理與BC2處理間的細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)沒有顯著性差異，其他處理間均達顯著差異水平（＜0.05）。

不同生物炭處理的細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)與黃壤化學性質的相關性分析表明（表2），細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)與土壤全氮呈極顯著正相關關系（=0.78**）；與pH和全碳均呈顯著正相關關系（分別為0.62*和0.66*）；而與其他化學性質間無顯著的相關性。

圖柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）

表2 黃壤化學性質及其與細菌16s rRNA基因拷貝數(shù)的相關性分析

樣本數(shù)為12個；*表示差異顯著（＜0.05），**表示差異極顯著（＜0.01）；同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）

The number of sample is 12; * means significant difference at＜0.05, ** means significant difference at＜0.01; The data followed bydifferent small letters in the same line mean significant difference at 0.05 level among treatments

2.2 不同生物炭處理細菌多樣性分析

將序列相似性達到97%的序列作為一個OTU，在4個土壤處理中，細菌群落分析共獲得有效序列657 762條，覆蓋率達96.3%，可以滿足解釋土壤細菌多樣性的需要。由表3可知，4個處理的OTU數(shù)為2 621—3 431，生物炭處理顯著高于CK處理（＜0.05）。BC3處理的OTU數(shù)最高，較CK處理增加了30.9%；BC2處理最低，較CK處理增加了8.1%。各土壤處理的Richness指數(shù)和Diversity指數(shù)（表3）表明，生物炭能夠影響細菌群落的豐富度和多樣性，但其影響程度因生物炭的種類而差異顯著，其中BC3處理最有利于提高土壤細菌群落的豐富度和多樣性。

2.3 黃壤中細菌群落組成

由門水平的細菌群落組成（圖2）可知，Actinobacteria（放線菌門）相對豐度最高，占19.3%— 43.0%，平均為32.7%，其次為Cyanobacteria（藍藻菌門），占9.0%—39.0%，平均為20.4%，隨后依次為Chloroflexi（綠彎菌門，6.4%—22.4%）、Proteobacteria（變形菌門，5.8%—20.5%）、Firmicutes（厚壁菌門，6.4%—22.4%）、Gemmatimonadetes（芽單胞菌門，0.7%—3.8%）、Crenarchaeota（泉古菌門，0.6%— 3.0%）、Acidobacteria（酸桿菌門，1.2%—1.6%）、Armatimonadetes（裝甲菌門，0.7%—2.1%）和Bacteroidetes（擬桿菌門，0.4%—3.0%）。CK處理中只有Acidobacteria（酸桿菌門）的相對豐度均高于其他3個處理，而其余菌門在BC1、BC2和BC3處理間的響應不同。具體表現(xiàn)為，BC1處理有利于增加Cyanobacteria、Chloroflexi、Crenarchaeota和Armatimonadetes的相對豐度；BC2處理有利于增加Firmicutes、Proteobacteria、Gemmatimonadetes和Bacteroidetes的相對豐度；而BC3處理有利于增加Actinobacteria、Chloroflexi、Firmicutes、Proteobacteria、Crenarchaeota、Bacteroidetes和Armatimonadetes的相對豐度。說明在細菌群落組成前10 的菌門中，BC1處理增加了相對豐度較大（Cyanobacteria和Chloroflexi）和較小（Crenarchaeota和Armatimonadetes）的菌門豐度；BC2處理增加了相對居中的菌門豐度；而BC3處理幾乎提高了整體優(yōu)勢菌門的相對豐度。

表3 16S rRNA基因OTU數(shù)、Read數(shù)、豐富度和多樣性指數(shù)

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）

The data followed bydifferent small letters in the same column mean significant difference at 0.05 level among treatments

圖2 不同處理相對豐度前10的菌門

由綱水平的相對豐度（表4）可知，只有Actinobacteria（放線菌綱）和Anaerolineae（厭氧繩菌綱）的相對豐度表現(xiàn)為CK最高，而其余菌綱在CK、BC1、BC2和BC3處理間的響應不同。具體表現(xiàn)為：BC1處理增加了Oscillatoriophycideae（顫藻亞綱）、Ellin6529、Chloroflexi（綠彎菌綱）和Thermomicrobia（熱微菌綱）的相對豐度，較CK分別提高了65.8%、64.8%、108.9%和234.7%；BC2處理增加了Thermoleophilia（嗜熱油菌綱）、Bacilli（芽孢桿菌綱）、Alphaproteobacteria（α-變形桿菌綱）和Gammaproteobacteria（丙型變形菌綱）的相對豐度，較CK分別提高了92.1%、83.8%、92.5%和3197.%；而BC3處理增加了Thermoleophilia、Bacilli、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Chloroflexi的相對豐度，較CK分別提高了155.6%、27.8%、87.4%、92.9%和22.9%。說明細菌群落組成對不同生物炭的響應不同，BC2處理和BC3處理在提高細菌群落綱水平影響上有很大的相似性，均主要集中在Thermoleophilia、Bacilli、Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria四個綱上。

2.4 影響黃壤細菌群落的因子分析

由土壤化學性質參數(shù)與細菌群落組成的主分量分析（圖3-a）可知，相同處理的土壤都聚集在一起，且生物炭處理土壤彼此較為接近并與對照土壤區(qū)分開。說明生物炭的添加改變了土壤的細菌群落組成，且不同生物炭對土壤細菌群落組成的影響具有差異性。根據(jù)土壤環(huán)境因子間的相關性分析剔除相關性較高的變量，最終選出土壤全氮、碳氮比、有效磷、陽離子交換量和pH等5個因子來替代原有10個土壤環(huán)境因子變量覆蓋的82%的土壤環(huán)境信息。第Ⅰ軸（PCA1）的特征值為6.94，且土壤全氮、陽離子交換量與第Ⅰ軸有顯著的相關性，證明在水平方向影響了土壤細菌群落的分布，將玉米秸稈生物炭處理土壤（BC1）與其他土壤處理區(qū)分開。第Ⅱ軸（PCA2）的特征值為1.26，土壤pH、速效鉀、有效磷與第Ⅱ軸有顯著的相關性，證明這些因素的共同作用影響了垂直方向土壤細菌群落的組成，將對照土壤（CK）與生物炭處理土壤（BC1、BC2 和 BC3）區(qū)分開。

表4 不同生物炭處理細菌綱水平的相對豐度（前10的菌綱）

同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）

The data followed bydifferent small letters in the same line mean significant difference at 0.05 level among treatments

TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；TC：全碳；AN：堿解氮；AP：有效磷；AK：速效鉀；CEC：陽離子交換量；C/N：碳氮比；BC1：玉米秸稈生物炭；BC2：水稻秸稈生物炭；BC3：油菜秸稈生物炭

通過對各土壤細菌群落多樣性與土壤環(huán)境關系冗余分析（圖3-b）發(fā)現(xiàn)，pH對細菌群落的豐度指數(shù)（ACE 和Chao1 ）和多樣性指數(shù)（Simpson和Shannon）均呈現(xiàn)較強的正相關性，且土壤碳氮比與ACE和Simpson相關性也較好，說明土壤pH和C/N是改變土壤細菌群落多樣性和豐富度的主控因子。CEC與土壤細菌群落豐度和多樣性均呈現(xiàn)負相關，單一的陽離子交換量水平增加是不利于土壤細菌菌群變化的。所有理化因子總共解釋了80.8%的群落變化，影響順序依次為：土壤C/N＞pH＞全氮＞有效磷＞CEC，因此土壤全氮、碳氮比、有效磷、陽離子交換量和pH是改變黃壤細菌群落結構的主控環(huán)境因子。

黃壤中優(yōu)勢細菌群落（門水平）與土壤化學性質的相關性分析（表5）表明，除了Crenarchaeota和Armatimonadetes與5個化學指標都不具有相關性外，其他優(yōu)勢細菌群落對土壤化學性質的響應不同。其中，相對豐度靠前的Cyanobacteria、Chloroflexi、Proteobacteria和Firmicutes與土壤pH和C/N均具有很強的正相關性，尤其與Proteobacteria呈極顯著正相關關系（分別為0.436**和0.622**）。其他化學指標對土壤細菌優(yōu)勢菌群變化均有影響，土壤全氮與Proteobacteria 和Bacteroidetes有較強的正相關性；有效磷與Cyanobacteria 和Acidobacteria呈顯著負相關關系；CEC與Actinobacteria和Acidobacteria呈顯著正相關關系。說明土壤pH和C/N的提高更有助于相對豐度較高的優(yōu)勢細菌菌群的生長繁殖，而土壤全氮、有效磷和CEC對細菌群落的影響具有差異性。

表5 土壤優(yōu)勢菌群（門水平）與土壤化學性質的相關性分析

樣本數(shù)為12個。*表示顯著相關＜0.05），**表示極顯著相關（＜0.01）

The number of sample is 12. * Means significant correlation at＜0.05, ** Means significant correlation at＜0.01

3 討論

3.1 生物炭對黃壤細菌16s rRNA基因拷貝數(shù)和多樣性的影響

施用秸稈生物炭顯著增加了細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)，較CK增加了43.1%—68.8%，油菜秸稈生物炭提升效果最佳（圖1）。表明生物炭能夠提高黃壤細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)且提升幅度與生物炭類型有關。這可能得益于生物炭的孔隙結構及其對水分和養(yǎng)分的吸附作用可以為微生物提供良好的棲息環(huán)境[12]。以往研究認為，秸稈生物炭的輸入可以增加溫帶土壤[13]、土[21]和田園土壤[22]的細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)；而DEMPSTER等認為，木質生物炭的添加降低了土壤細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)[23]。本研究表明，玉米、水稻和油菜秸稈生物炭均不同程度地增加了黃壤細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)（圖1）。相關分析也顯示，細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)與土壤全氮、全碳和pH均有很好的正相關關系（表2）。這可能歸因于不同類型生物炭的結構特性及組分差異被不同的微生物群體所利用，從而引起細菌數(shù)量的差異變化及土壤化學性質的改變[14]。土壤細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)不僅與生物炭類型和土壤類型有關，還與生物炭炭化條件、施用量及顆粒細度有關[24-26]。高溫（500℃、400℃）較低溫（300℃）制備的生物炭更能促進微生物量的增加[24]。添加3%和9%細粒徑生物炭處理的土壤細菌基因拷貝數(shù)均高于對應含量的中粒組和粗粒組，且9%細粒徑生物炭處理的細菌基因拷貝數(shù)最高[25]。說明高溫炭化、高添加量的細顆粒生物炭更有利于提高土壤細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)。

各生物炭處理對黃壤細菌群落多樣性的影響并不相同，表現(xiàn)為施用生物炭均影響了細菌群落的豐富度和多樣性，但其影響程度因生物炭的種類而差異顯著。說明生物炭種類能夠顯著影響黃壤細菌群落多樣性。一些研究表明，因生物炭的組分及結構特異性，不同微生物群落對添加生物炭的響應往往不同。比如，武愛蓮等[26]研究指出，隨著生物炭施用量的增加，土壤細菌OTU 數(shù)目及豐富度指數(shù)（Chao1）呈增加趨勢；而PIETIKAINEN等[27]研究表明生物炭施用對總體微生物量影響不大。JIN研究表明，溫帶土壤細菌群落多樣性隨著生物炭的增加而變大[28]；而MARRIS研究發(fā)現(xiàn)生物炭的施用會降低土壤微生物的多樣性[29]。白漿土、潮土、灰漠土和棕壤土上施用玉米芯生物炭，添加生物炭對不同類型土壤微生物群落多樣性的影響不盡相同，但4種土壤短時間（15 d）內添加生物炭處理的多樣性指標低于對照，而45 d后生物炭添加量為40 t·hm-2（相當于1.6%的用量）處理的多樣性指數(shù)最高[26]。這表明土壤細菌群落多樣性對生物炭的響應非常復雜，與生物炭類型、添加量及土壤類型均有關系。研究認為，因生物炭可直接被微生物所利用的組分含量有限[12]，其對微生物群落結構的改變主要是通過間接途徑實現(xiàn)，如影響土壤的養(yǎng)分狀況、化學性質[20]和微生物細胞間信號物質的傳遞[21]等。本研究顯示，在相同土壤類型和生物炭添加量下，油菜秸稈生物炭較玉米和水稻秸稈生物炭更利于提高黃壤細菌群落的豐富度和多樣性（表3）。這可能是由于油菜秸稈生物炭的結構特性及組分，能夠被更多不同的微生物群體所利用，其引起的微生物群落結構變化差異較大，增加了土壤細菌群落多樣性。

3.2 生物炭對黃壤細菌群落組成的影響

對不同生物炭處理10大優(yōu)勢菌門的分析（圖2）發(fā)現(xiàn)，Actinobacteria（放線菌門）、Cyanobacteria（藍藻菌門）和Chloroflexi（綠彎菌門）是黃壤中相對豐度最高的3個菌門，占所有優(yōu)勢菌門的68%以上，表明在黃壤細菌群落中，放線菌、藍藻菌和綠彎菌的生長能力較強。生物炭處理可以增加放線菌門豐度方面與大部分研究類似[25-26]，而本研究中藍藻菌門和綠彎菌門豐度的提高可能與土壤類型或生物炭種類有關。KHODADAD等[30]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加為降解頑固碳源的微生物提供了生長機會，放線菌可以有效地降解復雜的芳香類化合物，因此可以增加土壤中放線菌門豐度。本研究與一些研究[20-22]均表明，生物炭可以增加土壤的細菌豐度，但不同微生物類別對不同來源生物炭處理所產生的響應仍存有差異。如在綱水平上（表4），生物炭抑制了Actinobacteria（放線菌綱）和Anaerolineae（厭氧繩菌綱）的生長繁殖，而增加了其他菌綱的生長繁殖。水稻和油菜秸稈生物炭處理主要增加了Thermoleophilia（嗜熱油菌綱）、Bacilli（芽孢桿菌綱）、Alphaproteobacteria（α-變形桿菌綱）和Gammaproteobacteria（丙型變形菌綱）四個菌綱的相對豐度；而玉米秸稈生物炭處理增加了Oscillatoriophycideae（顫藻亞綱）、Ellin6529、Chloroflexi（綠彎菌綱）和Thermomicrobia（熱微菌）的相對豐度，說明這三種生物炭處理在提高細菌群落綱水平上具有補償效應。尹昌等[31]對東北黑土nir S型反硝化菌的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，黑土中nir S 型反硝化菌主要由α-、β-和γ-變形菌綱的微生物組成。本研究發(fā)現(xiàn)Alphaproteobacteria（α-變形桿菌綱）在水稻和油菜秸稈生物炭處理中豐度要明顯高于CK和玉米秸稈生物炭處理（表4），而其他研究中的煙草秸稈生物炭降低了紅壤中變形菌門豐度[32]。表明生物炭類型和土壤類型可能是引起土壤α-變形桿菌生長繁殖的重要因子。變形桿菌綱是反硝化細菌的組分，此菌綱豐度的提高可能會引起氮素發(fā)生反消化作用幾率變大，引起氮素損失。因此推斷，本研究中添加水稻和油菜秸稈生物炭致使黃壤中Alphaproteobacteria（α-變形桿菌綱）豐度變大，可能不利于黃壤固持氮素養(yǎng)分。同時，一些研究也表明生物炭因比表面積巨大、表面負電荷豐富和電荷密度較高等特點，決定其具有很強的吸附能力，可一定程度地影響著土壤的養(yǎng)分含量[33]。土壤養(yǎng)分的持留主要靠吸附作用來實現(xiàn)，如礦物質和有機質的吸附[33]。水稻田試驗研究表明，生物炭與肥料合理配施的情況下，顯著增強了土壤中NH4+-N和NO3--N的吸附與固持作用，降低了氮素損失，從而顯著提高了水稻對氮的利用率[34]。還有研究通過生物炭作為尿素的包膜材料來實現(xiàn)持留氮素養(yǎng)分的作用，并得出竹炭包膜尿素可將氨揮發(fā)損失量比普通尿素減少16.7%—31.8%[35]。因此，生物炭對養(yǎng)分的持留作用可能大于細菌中變形桿菌綱豐度增加帶來的負面影響，但這種強弱關系還有待進一步研究。

細菌群落與土壤化學性質參數(shù)的冗余分析（圖3）表明，土壤全氮對細菌群落的影響最顯著，這與Liu等[36]的研究結果是一致的。土壤C/N、有效磷、陽離子交換量和pH也對細菌群落有很大的影響，這可能與生物炭自身的養(yǎng)分含量和性質有關。土壤pH對細菌群落的豐度指數(shù)（ACE 和Chao1 ）和多樣性指數(shù)（Simpson 和Shannon）均呈現(xiàn)較強的正相關性；土壤C/N與ACE和Simpson相關性也較好，表明土壤pH和C/N可能是引起土壤中細菌群落多樣性和豐富度變化的重要因子。高圣超等[37]研究發(fā)現(xiàn)，Gemmatimonadetes（芽單胞菌門）與土壤pH 呈極顯著正相關，Proteobacteria（變形菌門）與土壤全氮呈極顯著正相關。本研究對優(yōu)勢細菌群落（門水平）與土壤化學性質的相關性分析（表5）表明，絕大多數(shù)優(yōu)勢菌門都與土壤化學因子有一定的相關性。其中Proteobacteria與C/N呈極顯著正相關關系；Bacteroidetes與土壤全氮呈顯著正相關關系，表明土壤全氮可能是影響Proteobacteria和Bacteroidetes豐度的重要因子。因此，生物炭的添加可能主要是通過影響土壤pH、C/N和全氮等土壤化學性質與土壤細菌菌群的相互作用來改變其群落組成的。

4 結論

生物炭明顯改變了黃壤的化學性質、細菌群落結構與組成，在一定程度上緩解了土壤酸度。土壤全氮、碳氮比、pH、有效磷和陽離子交換量是改變黃壤細菌群落結構變化的重要環(huán)境因子，其中土壤全氮和pH又是提高土壤細菌群落多樣性和豐富度的主控環(huán)境因子。

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Effects of the Different Crop Straw Biochars on Soil Bacterial Community of Yellow Soil in Guizhou

HOU JianWei, XING CunFang, LU ZhiHong, CHEN Fen, YU Gao

(Wujiang College, Tongren University, Tongren 554300, Guizhou)

【Objective】The objective of the experiment was to determine the effects of different straw biochars on bacterial community structures and composition in yellow soil, and to find main environmental factors as the changes in order to provide information for soil amelioration and proper management of straw residue.【Method】Through a laboratory incubation experiment and used a zonal yellow soil of Guizhou province, the influences of corn, rice and rape straw biochar that were pyrolyzed at 500℃on bacterial communities were investigated by a high-throughput sequencing (Illumina Hiseq). Correlation and factor analysis of the bacterial community structure with environmental factors were followed. The experiment consisted of four treatments: control soil (CK), soil amended with 500℃corn (BC1), rice (BC2) and rape (BC3) straw biochar. 【Result】The results showed that the gene copy numbers of bacterial 16S rRNAwere closely related with soil total nitrogen (TN), pH and total carbon (TC) (=0.78**, 0.62* and 0.66*, respectively). Biochar addition to soil increased the richness and diversity of dominant bacteria at phylum and class level, which were a strong positive with pH and C/N. The analysis of bacterial community at phylum level showed that Actinobacteria, Cyanobacteria and Chloroflexi were dominant bacteria, occupying 68.5% of all phyla. Factor analysis showed that soil total nitrogen (TN), C/N ratio, pH, available phosphorus (AP) and cation exchange capacity (CEC) were main environmental factors on the soil bacterial community structure, total explaining 80.8% of the community changes. The order of contribution rate was soil C/N＞pH＞AP＞TN＞CEC.【Conclusion】This study provided clear evidence that community composition and chemical properties of bacterial were changed due to biochar addition to yellow soil. And soil TN, C/N, pH, AP and CEC had a greater contribution than environmental factors on the change of the bacterial community structure, in addition, TN and pH were more efficient on improving soil richness and diversity of bacterial community.

biochar; Yellow soil; high-throughput sequencing; bacterial community; soil physiochemical characteristics

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.008

2018-03-19；

2018-09-11

銅仁市科學技術局科技計劃面上項目（2017TRS19949）、銅仁學院博士科研啟動基金項目（trxyDH1702）

侯建偉，E-mail：hjw19860627@126.com。

邢存芳，E-mail：294911662@qq.com

（責任編輯 李云霞）