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生物質(zhì)炭配施木灰對石灰性土壤固碳和微生物群落的影響①

2022-05-09 07:54趙惠麗
土壤 2022年2期
關(guān)鍵詞:土壤有機(jī)糖苷酶菌門

王 麗,趙惠麗,趙 英

生物質(zhì)炭配施木灰對石灰性土壤固碳和微生物群落的影響①

王 麗,趙惠麗*,趙 英

(魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東煙臺(tái) 264025)

為探討生物質(zhì)炭配施木灰對土壤碳固存和微生物群落的影響,通過118 d的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),研究了單施生物質(zhì)炭(B)、生物質(zhì)炭配施木灰(B+W)處理下土壤碳固存、化學(xué)性質(zhì)、酶活性、微生物群落組成的變化。結(jié)果表明:B、B+W處理均降低了CO2-C釋放速率和累積釋放量,且B+W處理推遲CO2釋放速率峰值的出現(xiàn);B、B+W處理均能提高土壤有機(jī)碳、無機(jī)碳含量。培養(yǎng)118 d時(shí),B、B+W處理的微生物生物量碳高于對照,且B處理高于B+W處理;B+W處理提高了土壤pH與溶解性有機(jī)碳含量;B處理提高了土壤β-1,4-葡萄糖苷酶活性,B+W處理的β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶活性分別較對照降低38.4%、15.3%,而蔗糖酶活性較對照提高61.4%。B處理對細(xì)菌豐富度和多樣性無顯著影響,卻降低真菌Chao1、Ace指數(shù);B+W處理雖降低了細(xì)菌豐富度和多樣性,卻能恢復(fù)真菌Chao1、Ace指數(shù),并顯著提高Shannon指數(shù)。培養(yǎng) 118 d時(shí),B處理提高了放線菌門相對豐度,降低了子囊菌門相對豐度;B+W處理的綠彎菌門及擔(dān)子菌門相對豐度提高,擬桿菌門相對豐度降低。冗余分析發(fā)現(xiàn),B、B+W處理通過改變土壤化學(xué)性質(zhì)影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu),土壤有機(jī)碳與pH分別是影響細(xì)菌、真菌群落結(jié)構(gòu)最顯著的土壤因子,且B+W處理在降低石灰性土壤碳礦化、維持真菌群落穩(wěn)定性方面效果更佳。

碳固存;微生物群落;生物質(zhì)炭;木灰;石灰性土壤

土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量是決定土壤質(zhì)量、支持土地可持續(xù)利用的關(guān)鍵因素。提高土壤有機(jī)碳固存有助于穩(wěn)定大氣CO2含量,提高土壤質(zhì)量[1]。土壤微生物作為組成土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要成員,不僅是土壤質(zhì)量變化的指標(biāo),同時(shí)是推動(dòng)土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)力[2]。

生物質(zhì)炭作為生物質(zhì)熱解炭化產(chǎn)生的穩(wěn)定富碳固體產(chǎn)物,含大量惰性碳基質(zhì)[3]。施用于土壤中的生物質(zhì)炭有助于形成難降解土壤有機(jī)碳,從而增加土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量,減緩大氣CO2濃度的上升,是一種穩(wěn)定碳匯的有效措施。目前,添加生物質(zhì)炭對土壤有機(jī)碳礦化影響的研究結(jié)論尚不一致。研究顯示,添加生物質(zhì)炭顯著降低了中性土壤的CO2通量,但增加了酸性土壤的CO2通量[4]。盡管生物質(zhì)炭的物理保護(hù)和化學(xué)穩(wěn)定性對土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定和累積起著關(guān)鍵作用,但微生物的豐度和活性是主導(dǎo)有機(jī)碳礦化的主要因素[5]。微生物通過直接或間接參與生物質(zhì)炭在土壤中的降解、遷移和轉(zhuǎn)化過程進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[6]。大量研究表明,生物質(zhì)炭強(qiáng)烈地改變了土壤的物理化學(xué)條件,從而迅速改變了微生物群落結(jié)構(gòu)與豐度[7]。因此,了解生物質(zhì)炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的影響,有助于更好地預(yù)測土壤碳循環(huán)動(dòng)態(tài)。

有機(jī)礦物復(fù)合體的形成是保護(hù)和穩(wěn)定有機(jī)碳的關(guān)鍵機(jī)制。研究表明,具有高比表面積和高金屬氧化物含量的礦物改良劑,如木灰,可與有機(jī)殘留物結(jié)合,增強(qiáng)土壤固碳能力[8]。在鈣質(zhì)土壤中,木灰中鈣鎂的碳化作用固定了土壤呼吸產(chǎn)生的CO2,從而降低了CO2的排放,同時(shí)增加了土壤無機(jī)碳的含量[9]。其他研究也報(bào)道,高CaO含量的樹皮、鋸末和樹枝的木灰是低成本CO2封存的選擇[10]。此外,施用木灰可以通過誘導(dǎo)土壤pH的增加和土壤環(huán)境元素組成的變化,直接或間接地影響土壤微生物過程[11]。然而,有關(guān)木灰對土壤微生物群落影響的研究多集中在酸性或森林土壤中,同時(shí),近年有關(guān)生物質(zhì)炭的研究也主要集中在酸性或中性土壤中,因此,研究石灰性土壤條件下生物質(zhì)炭配施木灰對土壤CO2排放、碳固存及其微生物群落的影響,對于預(yù)測生物質(zhì)炭與木灰的固碳潛力和農(nóng)業(yè)大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。

基于以上原因,本研究擬通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),以黃土塬區(qū)黑壚土為研究對象,以生物質(zhì)炭和木灰為供試材料,探討生物質(zhì)炭配施木灰對石灰性土壤碳固存、微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性的影響,以為評估生物質(zhì)炭和木灰添加對土壤質(zhì)量的改善提供理論依據(jù),這對廢棄物資源的高效循環(huán)利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤于2017年10月采自長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(35.14°N, 107.40°E)表層(0 ~ 20 cm),土壤類型為黃蓋黑壚土。土壤經(jīng)自然風(fēng)干,研磨過2 mm篩備用。供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)為:pH 8.1,全氮1.2 g/kg、有效磷18.3 mg/kg、有效鉀152 mg/kg、有機(jī)碳8.9 g/kg、CaCO367 g/kg。

供試生物質(zhì)炭由小麥秸稈在350℃ 限氧條件下熱裂解所得,研磨過1 mm篩備用。生物質(zhì)炭的有機(jī)碳含量為598 g/kg,全氮含量為12.23 g/kg,碳氮比為48.90,比表面積為24 m2/g,pH為8.1。供試木灰采自楊凌,為獼猴桃枝條燃燒后的灰燼,風(fēng)干后的木灰經(jīng)研磨,過0.25 mm 篩裝在密封塑料瓶中備用。木灰的有機(jī)碳含量為3.2 g/kg,全氮含量為0.8 g/kg,CaO含量為43.4%,pH為12.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理,即對照(CK)、單施生物質(zhì)炭(B)、生物質(zhì)炭配施木灰(B+W),每個(gè)處理重復(fù)6次,生物質(zhì)炭、木灰的用量都為12 g/kg。采用室內(nèi)模擬恒溫(25℃)培養(yǎng)方法進(jìn)行試驗(yàn),具體操作如下:稱取250 g風(fēng)干土壤,生物質(zhì)炭、木灰與培養(yǎng)土混勻后裝入1 L帶密閉封蓋的的培養(yǎng)瓶(高15 cm、直徑9 cm)中,將尿素和磷酸二銨配成濃度為N 4.4 g/L、P2O52.1 g/L的溶液,然后每瓶加入5 ml(折純?yōu)槊科?22.0 mg N 和 10.3 mg P2O5);將培養(yǎng)土含水量調(diào)至田間持水量的70%;將裝有20 ml 1 mol/L NaOH溶液的塑料瓶懸掛于密閉培養(yǎng)瓶中,分別在培養(yǎng)2、3、4、5、7、10、13、18、23、28、35、42、49、56、70、86和118 d時(shí)取下已吸收CO2的20 ml 1 mol/L NaOH溶液塑料瓶,將NaOH溶液用蒸餾水沖洗至三角瓶中,用20 ml 1 mol/L的BaCl2沉淀捕獲CO2,加2滴酚酞指示劑,然后用0.1 mol/L的HCl滴定至紅色消失,計(jì)算CO2的釋放量。每次測量氣體時(shí)打開蓋子一段時(shí)間以保證氣體交換,然后加入新的NaOH溶液繼續(xù)培養(yǎng),期間用質(zhì)量差值法校準(zhǔn)調(diào)節(jié)土壤含水量。

1.3 指標(biāo)測定及方法

分別在培養(yǎng)7、118 d時(shí),對土壤樣品進(jìn)行破壞性取樣(每個(gè)處理取3個(gè)重復(fù))。一部分儲(chǔ)存在4℃下用于土壤微生物生物量碳、溶解性有機(jī)碳含量和酶活性分析;一部分儲(chǔ)存在–80℃下用于土壤DNA提??;剩余土壤風(fēng)干用于土壤化學(xué)性質(zhì)測定。

1.3.1 土壤化學(xué)性質(zhì)測定 土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀–濃硫酸外加熱法[12];土壤無機(jī)碳(SIC)采用改良?xì)饬糠╗12];土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)分別采用蒸餾水浸提法和氯仿熏蒸法[13];土壤微生物熵()計(jì)算為MBC和SOC的比值(MBC/SOC,%);土壤pH采用水土質(zhì)量比2.5∶1 pH計(jì)法[14];β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CBH)以及蔗糖酶(Invertase)活性采用微孔板熒光法[15]。

1.3.2 土壤微生物測定 采用 FastDNA Spin Kit for Soil 試劑盒(MP Biomedicals,Illkirch,F(xiàn)rance)提取土壤樣品的 DNA。每個(gè)樣品取0.5 g土樣,按照說明書完成操作。使用超凈DNA純化試劑盒(MoBio, Carlsbad, CA, USA)純化提取DNA,然后進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,最后將樣品于20℃保存以備后續(xù)試驗(yàn)使用。選用引物338F(5′-ACTCCTA CGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACNN GGG TATCTAAT-3′)擴(kuò)增16S rRNA基因的V3 ~ V4區(qū)域;選用引物ITS1(5′-CTTGGTCATTTAGA GGAAGTAA-3′)和ITS2(5′-TGCGTTCTTCATCG ATGC-3′)擴(kuò)增真菌ITS rDNA的ITS1區(qū),將純化后的擴(kuò)增產(chǎn)物等摩爾數(shù)混合,并在Illumina MiSeq平臺(tái)(Illumina, San Diego, California, USA)上進(jìn)行配對末端測序(2×250)。Illumina MiSeq測序是在北京奧維森基因科技有限公司,利用Illumina Miseq PE250高通量測序平臺(tái)完成。

Illumina MiSeq測序原始數(shù)據(jù)經(jīng)過QIIME(v1.8.0)軟件過濾、拼接、去除質(zhì)量分?jǐn)?shù)<20和序列長度<150 bp的序列;將有效序列按照97% 相似性進(jìn)行操作分類單元(OTU)聚類分析,對比silva數(shù)據(jù)庫,得到每個(gè)OTU對應(yīng)的物種分類信息;再利用Mothur軟件(version 1.31.2)進(jìn)行α多樣性分析(包括Shannon、Ace和Chao1 3個(gè)指數(shù))。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理以及圖表的繪制采用 Microsoft Excel 2016,所有數(shù)據(jù)均采用DPS統(tǒng)計(jì)軟件(DPS7.05)進(jìn)行分析,差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法(<0.05),并利用CANOCO 5.0軟件進(jìn)行細(xì)菌和真菌群落組成的冗余分析。

2 結(jié)果

2.1 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤CO2釋放及碳組分的影響

不同處理土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)如圖1所示,可見,對照(CK)和單施生物質(zhì)炭處理(B)的土壤有機(jī)碳礦化速率在培養(yǎng)2 d時(shí)出現(xiàn)CO2-C礦化速率高峰,分別為100.04和99.51 mg/(kg·d),后隨著時(shí)間的推移而降低(圖1A)。而生物質(zhì)炭配施木灰處理(B+W)推遲CO2釋放速率峰值的出現(xiàn)。與CK相比,B處理降低了CO2-C釋放速率,B+W處理則進(jìn)一步降低了CO2-C釋放速率。

各處理土壤CO2-C累積釋放量的變化趨勢一致,呈現(xiàn)前期增長迅速、后期增長緩慢的規(guī)律(圖1B)。在培養(yǎng)的0 ~ 10 d,除B+W處理外,CK和B+W處理的CO2-C累積釋放量基本相同;整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi),各處理土壤CO2-C的累積釋放量大小順序?yàn)椋篊K>B>B+W。

圖1 CO2-C礦化速率(A)、累積釋放量(B)的動(dòng)態(tài)變化

B、B+W處理的有機(jī)碳含量分別較CK增加48.26% 和30.56%,無機(jī)碳含量分別較CK提高5.42% 和7.70%(圖2)。但B+W處理與B處理的有機(jī)碳、無機(jī)碳含量無顯著性差異。

2.2 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤化學(xué)性質(zhì)及酶活性的影響

表1反映了添加生物質(zhì)炭和木灰后土壤微生物熵()、微生物生物量碳(MBC)、溶解性有機(jī)碳(DOC)、pH的變化(表1)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,、MBC、DOC整體呈下降趨勢。在培養(yǎng)7 d時(shí),B+W處理MBC含量較CK降低43.56%,至培養(yǎng)118 d時(shí),B、B+W處理的MBC含量顯著高于CK,且B處理的MBC含量高于B+W處理。此外,培養(yǎng)118 d時(shí),B+W處理的DOC含量、pH分別較CK提高47.14% 和2.08%。

(誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差;不同小寫字母表示同一指標(biāo)處理間差異顯著(P<0.05))

表1 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

注:表中同列不同小寫字母表示同一時(shí)間處理間差異顯著(<0.05),下同。

如表2所示,不同處理間土壤酶活性變化不同,在培養(yǎng)7 d時(shí),B+W處理降低了β-1,4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、蔗糖酶活性;至118 d時(shí),B處理的β-1,4-葡萄糖苷酶活性較CK提高10.9%,B+W處理的β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶活性分別較CK降低38.4% 和15.3%,且B+W處理的蔗糖酶活性顯著高于CK和B處理。

2.3 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤微生物α多樣性的影響

土壤細(xì)菌α多樣性指數(shù)如表3所示,Chao1、Ace指數(shù)以及Shannon指數(shù)分別表征土壤微生物類群的豐富度和多樣性。在培養(yǎng)118 d時(shí),相較CK處理,B處理對細(xì)菌Chao1、Ace指數(shù)無顯著性影響;而B+W處理的Chao1、Ace、Shannon指數(shù)顯著低于CK與B處理。

表2 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤酶活性的影響

表3 生物質(zhì)炭與木灰配施下細(xì)菌、真菌α多樣性指數(shù)

真菌α多樣性指數(shù)對B和B+W處理具有不同的響應(yīng)(表3)。培養(yǎng)118 d時(shí),B處理的真菌Chao1、Ace指數(shù)分別較CK降低29.95% 和37.78%,B+W處理不但將Chao1、Ace指數(shù)維持在與CK相似的水平上,同時(shí)提高了Shannon指數(shù)。

2.4 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤微生物相對豐度的影響

土壤細(xì)菌種類門水平豐度在1% 以上的有7種(圖3),其中,變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)為優(yōu)勢菌門,其相對豐度分別為26.72% ~ 35.47%、18.58% ~ 29.98%。在培養(yǎng)7 d時(shí),B+W處理提高了變形菌門相對豐度,B、B+W處理的芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)相對豐度分別較CK降低20.61% 和35.09%。在培養(yǎng)118 d時(shí),B處理提高了放線菌門(Actinobacteria)相對豐度,B+W處理降低了擬桿菌門(Bacteroidetes)相對豐度;B、B+W處理的綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐度分別較CK提高14.18% 和24.50%。

(圖中誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差;不同小寫字母表示同一時(shí)間處理間差異顯著(P<0.05),下同)

B、B+W處理對土壤真菌門水平相對豐度的影響如圖4所示。各處理下子囊菌門(Ascomycota)保持了較高的相對豐度。培養(yǎng)7 d時(shí),B處理顯著提高了被孢霉菌門(Mortierellomycota)和擔(dān)子菌門(Basidiomycota)的相對豐度。培養(yǎng)118 d時(shí),B+W處理的子嚢菌門相對豐度較B處理增加17.43%,且B+W處理的擔(dān)子菌門相對豐度顯著高于CK。

圖4 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤真菌主要門水平相對豐度的影響

2.5 土壤性質(zhì)與細(xì)菌和真菌群落組成之間的關(guān)系

由圖5A可知,土壤環(huán)境因子共同解釋了75.15% 的細(xì)菌群落組成變異,其中RDA1和RDA2分別解釋了細(xì)菌群落68.02% 和7.13% 的變異。Invertase(蔗糖酶)、BXLY(β-1,4-木糖苷酶)、CBH(纖維二糖水解酶、BG(β-1,4-葡萄糖苷酶)活性與土壤pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,變形菌門相對豐度與土壤pH、DOC含量呈正相關(guān)關(guān)系,綠彎菌門、放線菌門相對豐度與土壤SOC含量、CO2釋放量呈正相關(guān)關(guān)系,在土壤細(xì)菌門水平上,SOC 含量對細(xì)菌的群落分布影響最為顯著(= 21.6,= 0.002)。通過對各土壤環(huán)境因子與土壤真菌群落結(jié)構(gòu)關(guān)系的冗余分析(圖 5B)發(fā)現(xiàn),土壤環(huán)境因子解釋了真菌群落總變化的58.35%。BXLY、CBH、BG活性與CO2釋放量呈正相關(guān)關(guān)系,子囊菌門相對豐度與pH、SOC含量呈正相關(guān)關(guān)系,擔(dān)子菌門相對豐度與DOC、SOC含量呈正相關(guān)關(guān)系,與土壤pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在土壤真菌門水平上,pH對真菌的群落分布影響最為顯著(= 6.7,= 0.026)。

(Proteobacteria為變形菌門;Bacteroidetes為擬桿菌門;Planctomycetes為浮霉菌門;Acidobacteria為酸桿菌門;Gemmatimonadetes為芽單胞菌門;Chloroflexi為綠彎菌門;Actinobacteriota 為放線菌門;Ascomycota為子囊菌門;Mortierellomycota為被孢霉菌門;Basidiomycota為擔(dān)子菌門)

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭配施木灰對碳礦化、土壤化學(xué)性質(zhì)及酶活的影響

本研究發(fā)現(xiàn),各處理CO2礦化速率均表現(xiàn)為前期(前7 d)急速增加,然后降低,最后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象,這是因?yàn)樘砑油庠次锪虾?,前期土壤微生物可迅速利用易分解組分,土壤有機(jī)碳的礦化速率迅速增長,但隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,易分解組分逐漸被消耗,礦化速率隨之減緩。單施生物質(zhì)炭(B處理),CO2釋放量降低,表明土壤有機(jī)碳礦化降低,這與生物質(zhì)炭的自身結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。生物質(zhì)炭強(qiáng)大的孔隙結(jié)構(gòu)和表面積,通過包封和吸附作用與土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)合,強(qiáng)烈抑制被吸附有機(jī)質(zhì)的降解[16]。生物質(zhì)炭配施木灰處理(B+W)較B處理進(jìn)一步降低了CO2的釋放量(圖1B),說明木灰具有長期穩(wěn)定CO2的獨(dú)特優(yōu)勢。原因可能是與木灰中的CaO促進(jìn)了土壤無機(jī)碳(如CaCO3)的形成有關(guān)。此外,在鈣質(zhì)土壤中,木灰中的礦物質(zhì)與土壤中的有機(jī)質(zhì)結(jié)合形成有機(jī)–礦物組合,增強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)抗分解能力[17]。

添加生物質(zhì)炭(B、B+W處理)提高了土壤有機(jī)碳含量,這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致[18]。除生物質(zhì)炭自身結(jié)構(gòu)特性外,生物質(zhì)炭含有大量惰性碳基質(zhì),一定程度上可以抵抗微生物對它的分解作用,增加土壤有機(jī)碳的同時(shí)降低土壤碳礦化。土壤有機(jī)碳礦化是微生物參與下,對土壤中易分解組分進(jìn)行分解利用并釋放CO2的過程,B+W處理提高土壤有機(jī)碳含量的原因可能是木灰通過間接增加土壤pH或直接影響土壤微生物和酶的活性,進(jìn)而調(diào)控土壤碳礦化。

微生物生物量碳(MBC)是重要的活性有機(jī)碳組分,其含量高低可表征土壤微生物活性的強(qiáng)弱。土壤微生物熵作為MBC含量與SOC含量的比值,其大小變化反映了SOC向MBC的轉(zhuǎn)化效率。在培養(yǎng)至7 d時(shí),B+W處理提高了土壤pH,降低了土壤微生物活性、MBC含量和值;B處理對土壤DOC、MBC含量沒有顯著影響,與Zhao等[19]研究結(jié)果一致。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物質(zhì)炭的碳是難降解的,短時(shí)間內(nèi)限制了其對DOC和MBC水平的貢獻(xiàn)能力。在培養(yǎng)至118 d時(shí),B+W處理顯著提高了DOC含量,這可能與施用木灰提高土壤pH有關(guān)。Andersson等[20]也研究發(fā)現(xiàn),土壤pH高于土壤微生物活性對DOC含量的影響,并且pH的增加可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的溶解度。此外,生物質(zhì)炭在土壤中并不是一成不變的,它也可以被緩慢分解,只是其降解速度比土壤中的一般有機(jī)質(zhì)要慢得多[21]。B、B+W處理土壤中微生物可分解利用的有機(jī)質(zhì)含量相對高于CK,因此,培養(yǎng)至118 d時(shí),兩處理的MBC含量顯著高于CK,而木灰的強(qiáng)堿性減弱了微生物活性,導(dǎo)致B+W處理的MBC含量低于B處理。

土壤酶活性主要來源于微生物的代謝活動(dòng),在一定程度上可反映土壤微生物活性[22]。在培養(yǎng)至7 d時(shí),B+W處理的β-1,4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、蔗糖酶活性顯著降低,原因可能是施用木灰提高了土壤pH,減弱了土壤微生物活性,進(jìn)而減少土壤酶的分泌,降低了土壤酶活性。此外,β-1,4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、蔗糖酶作為參與碳循環(huán)的主要水解酶類,其活性降低表明土壤有機(jī)碳礦化程度低,這與本試驗(yàn)觀察到的B+W處理對CO2累積釋放量的影響是一致的。在培養(yǎng)至118 d時(shí),B處理β-1,4-葡萄糖苷酶活性增加,證實(shí)了先前的研究[23],原因可能與生物質(zhì)炭制備條件有關(guān),在低溫(350 ~ 500℃)下產(chǎn)生的生物質(zhì)炭中的揮發(fā)性化合物可以刺激β-1,4-葡萄糖苷酶活性[24];B+W處理較B處理進(jìn)一步提高了蔗糖酶活性,這是因?yàn)槭┯媚净液笸寥繢OC含量較高,DOC有利于直接為土壤微生物提供碳源,促進(jìn)微生物繁殖,刺激了微生物對酶的分泌,進(jìn)而提高土壤酶活性[25]。此外,冗余分析也表明,蔗糖酶的活性與DOC含量呈正相關(guān)關(guān)系。

3.2 生物質(zhì)炭配施木灰對土壤微生物多樣性的影響

與CK相比,B處理對細(xì)菌豐富度無顯著影響,卻顯著降低了真菌Chao1、Ace指數(shù),這主要是與培養(yǎng)時(shí)間和土壤pH有關(guān)。首先,生物質(zhì)炭自身結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,且含有大量不易被分解利用的多環(huán)芳香族化合物,對土壤細(xì)菌的影響是一個(gè)漫長的過程[26];此外,土壤理化環(huán)境,尤其土壤pH,是細(xì)菌豐富度和多樣性變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[27],本研究供試土壤呈堿性,添加生物質(zhì)炭后土壤 pH 沒有顯著變化,故B處理對細(xì)菌豐富度和多樣性沒有顯著影響。此外,細(xì)菌比真菌更容易被生物質(zhì)炭吸附[28],在一定程度上使細(xì)菌比真菌更能適應(yīng)生物質(zhì)炭引起的土壤環(huán)境變化[29],進(jìn)而導(dǎo)致B處理下真菌Chao1、Ace指數(shù)降低。B+W處理下土壤pH顯著增加,導(dǎo)致細(xì)菌多樣性降低,這與Bang-Andreasen等[30]的研究結(jié)果一致。然而,B+W處理不僅將真菌Chao1、Ace指數(shù)恢復(fù)到與CK相似的水平,同時(shí)顯著提高了Shannon指數(shù),表明木灰的石灰效應(yīng)和養(yǎng)分投入可提高真菌群落穩(wěn)定性[31]。

3.3 生物質(zhì)炭配施木灰對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對B和B+W處理的不同響應(yīng)可能與其生態(tài)特性和生態(tài)功能有關(guān),因?yàn)槲⑸镌跔I養(yǎng)需求、脅迫耐受性方面存在較大差異。本研究中,優(yōu)勢門變形菌門保持了較高的相對豐度,這種高豐度可能是由于變形菌門對環(huán)境變化的普遍抗性導(dǎo)致的。在培養(yǎng)7 d時(shí),B+W處理提高了變形菌門相對豐度,這是由于木灰保留了除氮以外的大多數(shù)主要礦質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì),而變形菌門能夠迅速利用這些營養(yǎng)[32],從而優(yōu)化了細(xì)菌群落;另一方面,由于木灰的強(qiáng)堿性及其豐富的堿金屬,B+W處理降低了芽單胞菌門和擬桿菌門相對豐度。在培養(yǎng)118 d時(shí),與CK相比,B和B+W處理提高了綠彎菌門的相對豐度,同樣,Chen等[33]也報(bào)道了生物質(zhì)炭對這一群體的積極影響。綠彎菌門被認(rèn)為是相對難降解碳的潛在降解者,可氧化芳香族化合物,將難降解碳源作為代謝底物[32]。放線菌在有機(jī)物轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用,放線菌分泌的胞外酶可參與復(fù)雜芳香物質(zhì)的降解過程,因此B處理提高了其相對豐度[34]。本研究發(fā)現(xiàn),B和B+W處理擬桿菌門相對豐度顯著降低,類似的細(xì)菌群落組成變化在石灰性土壤中也有記錄[35]。這可能與土壤類型、土壤理化環(huán)境以及細(xì)菌群落內(nèi)的相互競爭有關(guān)。

子囊菌門的高豐度可能是由于它們易于進(jìn)行繁殖和快速生長,而不像擔(dān)子菌門生長緩慢[36]。被孢霉菌具有將生物質(zhì)炭中難分解有機(jī)物降解為不穩(wěn)定纖維素類化合物的能力[37],因此,B處理提高了培養(yǎng)過程中被孢霉菌門的相對豐度。在培養(yǎng)7 d時(shí),B處理中活性碳組分可在施用初期降解,為微生物提供碳源進(jìn)而促進(jìn)擔(dān)子菌門相對豐度的增加。此外,擔(dān)子菌門相對豐度的增加有利于土壤中難降解化合物的降解和促進(jìn)土壤碳循環(huán)[38]。在培養(yǎng)118 d時(shí),B+W處理增加了土壤微生物能夠吸收利用的可溶性碳源,導(dǎo)致子囊菌門相對豐度顯著高于B處理。

4 結(jié)論

1)單施生物質(zhì)炭、生物質(zhì)炭配施木灰處理均能降低石灰性土壤有機(jī)碳的礦化,減少CO2的釋放,且生物質(zhì)炭配施木灰的效果優(yōu)于單施生物質(zhì)炭處理。

2)單施生物質(zhì)炭對細(xì)菌豐富度沒有影響,但在一定程度上改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),體現(xiàn)在單施生物質(zhì)炭顯著提高了放線菌門和綠彎菌門相對豐度;生物質(zhì)炭配施木灰降低了細(xì)菌α多樣性,同時(shí),可維持真菌豐富度,并提高真菌多樣性。

3)冗余分析表明,單施生物質(zhì)炭、生物質(zhì)炭配施木灰可以通過改變土壤的理化性質(zhì)間接引起微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,其中SOC、pH分別對細(xì)菌、真菌群落結(jié)構(gòu)影響最顯著,且生物質(zhì)炭配施木灰在降低石灰性土壤碳礦化、維持真菌群落穩(wěn)定性方面效果更佳。

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Effect of Biochar and Wood Ash Addition on Calcareous Soil Carbon Sequestration and Microbial Community

WANG Li, ZHAO Huili*, ZHAO Ying

(College of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai, Shandong 264025, China)

In order to explore the effects of biochar combined with wood ash on soil carbon sequestration and microbial community, the changes of soil carbon sequestration, soil chemical properties, enzyme activities and microbial community compositions under biochar (B) and biochar combined with wood ash (B+W) treatments were studied through 118-day laboratory incubation. The results showed that both B and B+W treatments decreased the respiration rate and cumulative CO2-C respiration, and B + W treatment delayed the peak of CO2-C respiration. B and B+W treatments could increase the content of soil organic carbon and inorganic carbon.On day 118, the microbial biomass carbon of B and B+W treatments was higher than that of control, and that of B treatment was higher than that of B+W treatment, B+W treatment significantly increased the content of soil dissolved organic carbon and pH. B treatment increased the activities of β-1,4-glucosidase, the activities of β-1,4-xylosidase, β-1,4-glucosidase in B+W treatment were decreased by 38.4%, 15.3%, and the activity of invertase was increased by 61.4% respectively, as compared to control. B treatment had no significant effect on bacterial richness and diversity, but decreased Chao1 and Ace index of fungi; B+W treatment decreased the bacterial richness and diversity, but restored the fungal Chao1 and Ace index, and significantly increased Shannon index. On day 118, B treatment increased the relative abundance of Actinomycetes and decreased the relative abundance of Ascomycetes, B+W treatment increased the relative abundance of Chloroflexi and Basidiomycota, but decreased the relative abundance of Bacteroidetes. Redundancy analysis showed that biochar and biochar combined with wood ash affected soil microbial community by changing the soil chemical properties, soil organic carbon and pH were the most significant soil factors affecting bacterial and fungal community structure, respectively, B+W treatment showed better performance in reducing carbon mineralization in calcareous soils and maintaining the stability of the fungal community.

Carbon sequestration; Microbial community; Biochar; Wood ash; Calcareous soil.

S154.36

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.015

王麗, 趙惠麗, 趙英. 生物質(zhì)炭配施木灰對石灰性土壤固碳和微生物群落的影響. 土壤, 2022, 54(2): 320–328.

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2020QD115)和山東省杰出青年基金項(xiàng)目(ZR2019JQ12)資助。

(zhl880227@126.com)

王麗(1996—),女,山東臨沂人,碩士研究生,主要從事濱海鹽堿地改良研究。E-mail: wl15254589861@163.com

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