田間試驗(yàn)下秸稈生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤微生物群落多樣性的影響.pdf

1、科學(xué)研究日益認(rèn)識(shí)到作為秸稈熱裂解產(chǎn)物的生物質(zhì)炭具有農(nóng)田固碳減排和改良培肥土壤的巨大潛力，這為解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈廢棄物資源化產(chǎn)業(yè)化利用展現(xiàn)了光明的前景。土壤微生物是土壤生物地球化學(xué)過程及功能的驅(qū)動(dòng)者和調(diào)節(jié)者，其區(qū)系結(jié)構(gòu)與多樣性更是表征土壤肥力和健康的重要指標(biāo)。闡明秸稈生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性變化及其對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，有助于認(rèn)識(shí)生物質(zhì)炭對(duì)土壤肥力和作物健康、土壤固碳與溫室氣體減排等作用的機(jī)理，也為綜合評(píng)價(jià)生

2、物質(zhì)炭施用的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能和生物安全性提供科學(xué)依據(jù)。
　　本課題組自2009年以來在我國(guó)主要農(nóng)業(yè)區(qū)布設(shè)了生物質(zhì)炭農(nóng)田施用的田間試驗(yàn)，包括3個(gè)稻田土壤（分別位于江西進(jìn)賢、湖南長(zhǎng)沙和四川廣漢）和3個(gè)旱地土壤（分別位于河南商丘、山東泰安和山西忻州），小麥秸稈生物質(zhì)炭（出廠時(shí)鮮基）處理分別為0（對(duì)照）、20和40噸/公頃，進(jìn)行常規(guī)施肥的作物生產(chǎn)。本論文采集了這些田間試驗(yàn)中的表土樣品，采用變性梯度凝膠電泳(DGGE)、末端限制性片段長(zhǎng)度多

3、態(tài)性(T-RFLP)、454高通量測(cè)序和定量PCR(qPCR)及BIOLOG微平板技術(shù)等多種微生物分子生態(tài)技術(shù)，結(jié)合土壤酶活性的生物化學(xué)測(cè)定，研究分析了小麥秸稈生物質(zhì)炭施用下農(nóng)田土壤微生物群落及其多樣性變化，并進(jìn)一步以四川廣漢稻田土壤樣點(diǎn)為對(duì)象，研究探討了生物質(zhì)炭施用下前后兩年稻田土壤微生物群落多樣性變化特點(diǎn)，試圖從田間試驗(yàn)出發(fā)深入分析生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響，探討生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤碳氮循環(huán)過程的可能影響。獲得的主要研究

4、結(jié)果如下:
　　一.秸稈生物質(zhì)炭施用對(duì)稻田土壤微生物群落多樣性的影響
　　(1)秸稈生物質(zhì)炭施用提高了土壤微生物生物量并影響了微生物基因豐度，在三個(gè)水稻土中細(xì)菌豐度均有不同程度的提高;除了江西進(jìn)賢樣點(diǎn)外，真菌豐度和真菌/細(xì)菌比例均顯著下降。細(xì)菌豐度的提高可以促進(jìn)氮、磷和硫等元素的循環(huán)，因而對(duì)植物生長(zhǎng)可能產(chǎn)生有益的影響。
　　(2)施用生物質(zhì)炭均提高了水稻土細(xì)菌多樣性指數(shù)(Shannonindex)，而降低了土壤真菌群落

5、多樣性指數(shù)（但江西進(jìn)賢樣點(diǎn)升高），表明細(xì)菌和真菌群落多樣性對(duì)生物質(zhì)炭施用引起的土壤pH、有機(jī)碳和總氮含量提高及容重降低等性質(zhì)改變存在不同的響應(yīng)。
　　(3)生物質(zhì)炭施用下的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與對(duì)照之間總體相似性較高，表明生物質(zhì)炭施用并未顯著改變土壤細(xì)菌群落組成，但不同程度地改變了部分細(xì)菌類群的相對(duì)豐度。高通量測(cè)序表明，酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、β-變形菌綱(Betaproteobacte

6、ria)和δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria)是稻田土壤中占主導(dǎo)的細(xì)菌類群。在江西進(jìn)賢樣點(diǎn)，在20和40噸/公頃用量下，生物質(zhì)炭顯著增加了β-變形菌綱豐度（分別81％和89％）、δ-變形菌綱豐度（分別148％和152％）、硝化螺旋茵門(Nitrospira)豐度（分別108％和144％）;而在40噸/公頃用量下顯著降低了Gp1屬的豐度(33％)（p＜0.05）。在四川廣漢樣點(diǎn)，20和40噸/公頃用量生物質(zhì)炭顯著降低了β

7、-變形菌綱豐度（分別45％和53％），而提高了綠彎菌門豐度（分別36％和69％）;而40噸/公頃用量下，生物質(zhì)炭顯著提高了放線茵門(Actinobacteria)相對(duì)豐度(241％)。湖南長(zhǎng)沙樣點(diǎn)不同處理間的細(xì)菌群落組成相似性最高，相對(duì)豐度受生物質(zhì)炭影響不顯著。此外，高通量測(cè)序進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)一些固氮菌、硝化和反硝化菌的豐度相比對(duì)照有所提高，盡管它們的相對(duì)豐度較低，可能潛在地影響了土壤的氮素循環(huán)。另外，生物質(zhì)炭施用也影響了真菌群落結(jié)構(gòu)，影響程

8、度因地而異?？傮w上表現(xiàn)為擔(dān)子菌門(Basidiomycota)相比子囊菌門(Ascomycota)更易受到生物質(zhì)炭的抑制。
　　二.秸稈生物質(zhì)炭對(duì)旱地土壤微生物群落多樣性的影響
　　(1)DGGE圖譜顯示，3個(gè)旱地土壤不同生物質(zhì)炭處理間細(xì)菌群落相似性很高，條帶多樣性指數(shù)無顯著差異，表明秸稈生物質(zhì)炭施用基本沒有影響旱地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和組成。不過，生物質(zhì)炭施用提高了河南商丘和山東泰安兩個(gè)樣點(diǎn)的細(xì)菌豐度。
　　(2)相比細(xì)菌群

9、落，旱地土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)受到生物質(zhì)炭影響更大，但影響程度不同土壤間不一致。不同用量對(duì)旱地土壤真菌豐度的影響不同土壤間一致，即低用量（在20噸/公頃）時(shí)顯著提高，而高用量（40噸/公頃）時(shí)卻與對(duì)照無顯著差異，提示旱地土壤低量生物質(zhì)炭可以促進(jìn)真菌生長(zhǎng)，而高量生物質(zhì)炭施用可能因高C/N比以及過高的堿性效應(yīng)反而可能抑制了真菌豐度?？寺y(cè)序表明，河南商丘樣點(diǎn)中生物質(zhì)炭施用明顯促進(jìn)了子裘菌門的部分真菌生長(zhǎng)，而山東泰安和山西忻州樣點(diǎn)中卻顯著抑制了它

10、們的生長(zhǎng)。對(duì)于不同土壤間不一致的響應(yīng)還有待進(jìn)一步的研究。
　　三.秸稈生物質(zhì)炭對(duì)稻田微生物群落多樣性影響的年際變化（以四川廣漢樣點(diǎn)為例）
　　(1)生物質(zhì)炭施用兩年后，稻田土壤的pH、有機(jī)碳和總氮含量仍然顯著高于對(duì)照，土壤容重也有所降低，再次證明生物質(zhì)炭一旦施用對(duì)稻田土壤質(zhì)量的提高具有持續(xù)作用。定量PCR結(jié)果顯示，與第一年相似，生物質(zhì)炭施用第二年仍然顯著提高了細(xì)菌豐度而降低了真菌豐度，表明生物質(zhì)炭施用對(duì)細(xì)菌和真菌豐度的影響存

11、在年際持續(xù)性，可能與生物質(zhì)炭對(duì)提高土壤pH和有機(jī)碳含量及生物質(zhì)炭多孔性結(jié)構(gòu)等持續(xù)性效應(yīng)有關(guān)。
　　(2)T-RFLP結(jié)合克隆文庫(kù)分析表明生物質(zhì)炭施用對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響也兩年內(nèi)相似。均顯著降低了β-變形菌綱的嗜氫菌科(Hydrogenophilaceae)和嗜甲基菌科(Methylophilaceae）的相對(duì)豐度，同時(shí)促進(jìn)了綠彎菌門中的厭氧蠅菌科(Anaerolineaceae)生長(zhǎng)，表明生物質(zhì)炭可以促進(jìn)和抑制特定類群的細(xì)菌。相比

12、對(duì)照，大部分真菌群落未受影響，但是生物質(zhì)炭促進(jìn)了少數(shù)傘菌綱(Agaricomycetes)和糞殼菌綱（Sordariomycetes）等腐生真菌生長(zhǎng)，同時(shí)減少了部分球囊茵門(Glomeromycota)和子囊菌門的豐度。
　　四.秸稈生物質(zhì)炭對(duì)稻田土壤活性微生物群落多樣性和功能的影響
　　(1)通過提取稻田土壤總RNA及后續(xù)的反轉(zhuǎn)錄和活性群落結(jié)構(gòu)DGGE和T-RFLP分析，表明生物質(zhì)炭施用影響了活性微生物群落多樣性。生物質(zhì)炭

13、施用下，嗜氫菌科和嗜甲基菌科活性豐度約降低了50％，而厭氧蠅菌科則提高了近40％。并且高用量(40噸/公頃)下，生物質(zhì)炭顯著提高了活性細(xì)菌基因拷貝數(shù)，表明高量生物質(zhì)炭施用提高了細(xì)菌群落的代謝活性，可能有助于加速細(xì)菌介導(dǎo)的養(yǎng)分循環(huán)。
　　(2)生物質(zhì)炭施用顯著提高了不施氮下微生物碳源利用能力和功能多樣性;而氮肥施用下則降低了微生物碳源利用能力。主成分分析表明，在不施氮肥時(shí)，生物質(zhì)炭施用促使微生物類群更偏向于代謝單糖類和氨基酸類底物;

14、在施氮肥時(shí)，使得微生物除了利用糖類和氨基酸類外，更加偏向于利用脂肪酸和脂類及少量的中間代謝物。微生物碳源利用能力的變化是群落組成變化的反映。
　　(3)生物質(zhì)炭施用影響了土壤酶活性，表現(xiàn)為高用量（40噸/公頃）下生物質(zhì)炭顯著提高了土壤的脫氫酶、堿性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性，而降低了β-葡萄糖苷酶活性，表明生物質(zhì)炭施用可以影響土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力。
　　(4)DGGE分析表明，生物質(zhì)炭施用沒有顯著影響氨氧化細(xì)菌(AOB)、氨氧化古茵(

15、AOA)、反硝化細(xì)菌(nirK和nosZ)的群落結(jié)構(gòu)，但是影響了土壤的AOB豐度。表現(xiàn)為在無氮肥施用下顯著提高了AOB豐度，施氮后反而降低，而對(duì)AOA無影響;生物質(zhì)炭施用均降低了nirK和nosZ基因豐度，這些變化說明生物質(zhì)炭施用可能影響了土壤的反硝化作用進(jìn)程，可以佐證生物質(zhì)炭試用下稻田N20排放系數(shù)和排放量的一致性降低。
　　綜上所述，采用包含稻田和旱地田間試驗(yàn)的分子微生物研究揭示了生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其多樣性的影

16、響因稻田和旱地而不同，隨用量而變化，但一次使用后的效應(yīng)兩年內(nèi)基本不變。這種變化主要與生物質(zhì)炭使用后的非生物因子變化，例如pH升高、有機(jī)碳增加及伴隨的容重降低而孔隙度提高以及氧化還原狀況的改變等有關(guān)，尤其引起了稻田土壤中反硝化細(xì)菌豐度的降低。旱地土壤中有機(jī)質(zhì)增加的C/N效應(yīng)較稻田明顯，因而真菌變化在旱地中較稻田中顯著。這些變化一方面未顯示生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的根本性變化，更未見影響微生物區(qū)系的不利效應(yīng);另一方面，生物質(zhì)炭施用下微生