趙蘭鳳,張新明, 程 根,張麗娟,劉小鋒,李華興,*

1 華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院,廣州 5106422 環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所健康中心,廣州 510655

生物炭對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 華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院,廣州 5106422 環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所健康中心,廣州 510655

研究生物炭的施用及其與不同肥料混施對菜園土壤中微生物群落功能多樣性的影響,為農業(yè)廢棄物的合理利用和菜園土優(yōu)化培肥提供科學依據(jù)和理論指導。以清遠市連州縣代表性菜園土(屬肥熟旱耕人為土)為研究對象,通過盆栽試驗,利用BIOLOG方法對10個施肥處理(對照CK(0%生物碳+無肥)、T1(0%生物碳+0.1%商品有機肥)、T2(0.1%生物碳+無肥)、T3(0.25%生物碳+無肥)、T4(0.5%生物碳+無肥)、T5(1%生物碳+無肥)、T6(100(N)+30(P2O5)+75(K2O)mg/kg干土)、T7(0.1%生物碳+0.1%商品有機肥)、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行分析。結果表明：(1)T1和T3處理比其它處理顯著提高土壤微生物對碳源的利用率(P<0.05),但生物炭施用量增加會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構相似；單施有機肥或適量生物炭對土壤微生物群落結構的影響較混合施用更為顯著；化學磷肥的添加及在施用化肥的基礎上配施適量生物炭改變了土壤微生物對碳源種類的利用。

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,以及相對較低的溫度(≤700℃)下經熱解炭化產生的一種含碳量極豐富的物質,具有高度穩(wěn)定性和一定的吸附能力[1-2]。生物炭技術的應用,不僅可以大大減少二氧化碳等溫室氣體的排放,實現(xiàn)固碳減排,而且在土壤改良和修復方面有許多優(yōu)良的特性,可改變土壤生物群落結構和數(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植物的毒性[6-7]；生物炭對養(yǎng)分元素的保持和提高,對土壤酸度的改善,對微生物的物理保護以及對有毒物質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土壤細菌的生長[12-13]；施用生物炭會改變土壤中微生物群落結構、種類和土壤酶活性[14-15]。近年來伴隨著可再生能源的不斷減少,生物炭在土壤中的應用受到人們的廣泛關注。眾所周知,土壤微生物是土壤碳庫中最為活躍的組分,對環(huán)境的變化最為敏感,其對生物炭施用的響應比其他有機質更快,從土壤微生物的變化情況來反饋生物炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)的作用,是研究生物炭施用益處和風險的途徑之一。也有報道稱生物炭對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,被認為可能是未來有效的秸稈處理方式和改良酸性土壤質量的重要途徑[17]。因此,本研究對生物炭在華南酸性紅壤上的施用劑量及生物炭、有機肥和無機肥配合施用效果進行研究,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田土壤微生態(tài)環(huán)境的應用提供理論依據(jù),從生態(tài)系統(tǒng)的角度客觀評價施用生物炭產生的環(huán)境效應,從而增強生物炭應用的科學性、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,供試土壤主要化學肥力性狀：pH 6.13,有機質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。

商品有機肥的成分含量分別為：有機碳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%)、過磷酸鈣(P2O5, 12%)和氯化鉀(K2O, 60%)。

1.2 試驗設計

本文具體實驗設計方案見表1。

表1 試驗設計方案

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

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 樣品采集

將土壤樣品混合均勻后4℃保存,進行微生物Biolog 碳源利用測定。

1.3.2 測定方法

土壤細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)計算參見文獻[18-19]。選取培養(yǎng)時間為72 h的OD590 nm計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,并進行微生物群落功能主成分分析,采用Excel 2003和DPS 14.10統(tǒng)計軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結果分析

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圖1和圖2。由圖1可知,AWCD隨培養(yǎng)時間延長而逐漸升高。從培養(yǎng)處于穩(wěn)定期的72—120 h來看,各處理土壤AWCD順序為T1>T3>T2>T5>T4>CK處理。不同處理的土壤AWCD值在整個培養(yǎng)時間內均以CK處理對單一碳源的利用能力最弱,表明有機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個處理無顯著差異,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)時間的延長,微生物利用碳源量呈逐漸增加的趨勢。在培養(yǎng)72—120 h內,各處理土壤AWCD順序均為T6>T7>T9>T8>T10處理。T6、T7和T9的3個處理差異不顯著,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,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個樣本的平均值±標準誤,同列數(shù)據(jù)不同處理凡是有一個相同小寫字母者,表示無顯著差異(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%的有機肥和0.25%的生物炭對提高土壤微生物活性最顯著,生物炭施用量增加會降低土壤微生物對碳源的利用,磷肥的添加可以顯著增加土壤微生物對碳源的利用。T6和T9處理AWCD值差異不顯著,表明施用3種化肥的基礎上添加0.1%生物炭對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上再添加有機肥,會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,表明有機肥單施比有機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%有機肥處理顯著提高土壤物種優(yōu)勢度。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%有機肥處理的群落物種均勻度最高。以上結果表明,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碳源的利用,促進了土壤微生物區(qū)系向健康的方向轉變。

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6 類碳源的相對利用率見表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個樣本的平均值±標準誤,同列數(shù)據(jù)不同區(qū)域凡是有一個相同小寫字母者,表示無顯著差異(P>0.05,Duncan′s法)

由表3可以看出,T1和T3處理對聚合物類、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對碳源的利用較相似,表明施用0.1%的有機肥和0.25%的生物炭可以顯著提高土壤微生物對碳源的利用能力,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為碳源的微生物生長,T9和T6施肥處理最利于以胺類物質為碳源的微生物生長。T6處理對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上配施適量生物炭顯著降低了微生物對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%的有機肥和0.25%的生物炭更有利于微生物對碳源的利用。

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

應用主成分分析是根據(jù)各種碳源的因子權重值,可清晰地看出各處理在碳源利用上的具體差異,評價引起各處理間土壤微生物群落差異的主要碳源[21]。通過主成分分析可以在降維后的主元向量空間中,用點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)提取的主成分個數(shù)一般要求累計方差貢獻率達到85% 的原則,共提取了5個主成分,累計貢獻率達85.53%。其中第1主成分(PC1)的方差貢獻率為48.72%,第2 主成分(PC2)為11.71%。第3—5主成分貢獻率均較小,分別為10.50%、8.10%、6.51%。選取前2個主成分進行分析,以PC1為橫軸,PC2為縱軸,以不同處理在2個主成分上的得分值為坐標作圖來表征微生物群落碳源代謝特征(見圖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,沒有顯著性差異,說明這些處理土壤的微生物碳代謝功能群結構相似；位于不同象限各處理的在第1、2主成分得分值差異較大,說明不同處理土壤微生物碳代謝功能群結構存在較大差異。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,表明單施有機肥或生物炭與混合施用對土壤微生物碳代謝功能群結構的影響有較大差異。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上添加有機肥顯著改變了微生物群落結構,得出同樣結論,生物炭與有機肥單獨施用效果優(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構特征產生了明顯差異,表明在施用化肥的基礎上配施適量生物炭改變了土壤微生物對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,表明化學磷肥的施用增加了土壤微生物對碳源的利用。

3 結論與討論

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單一碳源利用和代謝活性均高于對照,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,因而土壤對外來脅迫所引起的生態(tài)系統(tǒng)波動的恢復能力就會提高[28]。在一定范圍內,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,但尚不明確其機理為何[31]。Muhammad等[32]對紅壤的研究則表明,豬糞炭和果皮炭等主要通過增加土壤pH、DOC和碳氮養(yǎng)分元素含量,改變微生物群落結構。同時,采用13C 或14C標記生物炭的手段,Maestrini 等[33]發(fā)現(xiàn),經158 d 培養(yǎng)后,僅有0.4%的生物炭組分進入微生物體；即使培養(yǎng)20個月,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對諸如土壤養(yǎng)分含量和化學性質(pH,CEC)等的改變[32],間接作用于土壤微生物群落組成,此過程往往與試驗條件、生物炭自身性質、土壤質地及肥力水平等密切相關,其相互聯(lián)系和內在機制還需要進一步探討。

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信息。微生物對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微生物有害的物質,如乙烯[37]、高鹽類物質[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[41]。另一方面,添加生物炭能促進某些微生物種群生長,同時另一些微生物種群受到抑制,導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構特異性,不同微生物群落對添加生物炭的響應往往不同,微生物群落結構的改變程度主要受生物炭性質、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,適宜的生物炭量對土壤微生物起著重要作用,一定程度上決定了土壤修復效果。并且,生物炭本身對土壤微生物存在“抑制濃度”,過量生物炭可能對微生物產生毒性。因此,應該明確生物炭施用劑量,建立生物炭標準使用方法,有助于生物炭的規(guī)?；瘧?充分發(fā)揮生物炭優(yōu)勢,規(guī)避風險。

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羧酸類和酚類碳源的利用,原因可能是酚類物質是一類主要的化感物質,生物炭的添加通過改變根際土壤理化性質降低了植物根系對有毒有害化感物質的分泌,也可能是生物炭吸附了部分酚類物質,因此,降低了以酚類為碳源的微生物活性。磷肥對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,無論是過高還是過低都會對土壤微生物產生不利影響[44]。在生物炭存在的情況下,微桿菌科、間孢囊菌生長速度增加,從而影響了無機磷的生物利用率[45]。Tiessen等[46]認為,長期耕作土壤中大部分可礦化有機P已被消耗,以至于有機P礦化與有機P的形成速率相當。因此,作物及微生物生長顯著受外源P素施用影響,P素是微生物生長的限制因素[47]。生物炭在土壤中穩(wěn)定性高、分解速度慢,從長期效應來說,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]。

有機肥與生物炭混合施用結果表明,混合施用對碳源的利用能力顯著低于有機肥單獨施用,而有機肥單獨施用對土壤微生物類群的作用與0.25%的生物炭處理相似,從養(yǎng)分的角度來講,有機肥彌補了生物炭養(yǎng)分低的缺點,而生物炭則賦予有機肥養(yǎng)分緩釋性能的互補和協(xié)同作用[49]。從微生態(tài)角度看,這可能是由于有機肥和生物炭中微生物群落結構相似,混合施用可能導致一些微生物群體迅速增殖成為競爭優(yōu)勢群落,引起群落組成和結構的變化,不利于保護土壤有益微生物。陳偉等[9]研究表明,盆栽試驗中施用10%有機肥+3%生物炭處理下微生物對碳源的利用能力優(yōu)于10%有機肥+6%生物炭處理,表明有機肥與生物炭混合施用需要合適的配比,本研究可能有機肥與生物炭配比沒有達到最優(yōu),因此效果不明顯。與此同時,生物炭研究進程中發(fā)現(xiàn)的負面影響卻不能忽視,生物炭對環(huán)境并不是完全友好無害的,怎樣正確使用生物炭(合適的炭類型,適宜的劑量,科學的施用方法等)以減輕其對土壤的負面影響是值得關注的問題。

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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

廣東省科技計劃項目(2012A020100004)；國家自然科學青年基金項目(41001150)；國家自然科學基金項目(40971155)

2016- 04- 22; 網絡出版日期: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.生物炭對菜園土壤微生物功能多樣性的影響.生態(tài)學報,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.