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【客户文章发表】生物炭改善了土壤健康,减少了控制灌溉稻田的温室气体排放:洞察微生物多样性

发布日期:2021-09-03 浏览次数:248

           河海大学化学杨士红教授团队于2021.08.09在线发表题为"Biochar improved soil health and mitigated greenhouse gas emission from controlled irrigation paddy field: Insights into microbial diversity "的研究论文(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/

S0959652621028006),本文发表于期刊Journal of Cleaner Production (IF=9.297)。该研究的主要贡献有:(1)评估了生物炭改良和灌溉方式对CO2交换、温室气体排放、土壤碳库动态的影响(2)评估不同水稻生长期土壤细菌和真菌群落结构的变化(3)确定微生物多样性与二氧化碳交换、温室气体排放、土壤化学性质之间的关系,并揭示主要微生物群落对环境因素的反应。这是首次研究了添加生物炭的淹水灌溉条件下稻田土壤微生物群落结构。

     

摘要


          本研究探讨了BA对CI胁迫下稻田CO2交换、温室气体排放和土壤微生物多样性的影响。BA使CI稻田土壤呼吸速率(Rs)增加,BA使全球变暖潜能降低。添加BA的CI降低了N2O的排放。与淹水灌溉相比,CI降低了净生态系统交换(NEE)和土壤有机碳,但增加了Rs和溶解有机碳。此外,BA和CI缓解了CH4排放。

          关键词:生物炭 控制灌溉 16s   ITS 温室气体排放


文章简介

          为了阐明添加生物炭和灌溉方式对稻田土壤健康和环境足迹的协同效应,在中国太湖地区进行了为期两年的田间试验。


材料与方法


2.1 实验场地描述与设计

          随机区组设计,12个5m2(2.5m×2m):含0、20和40吨/公顷的CI生物炭(分别命名为CA、CB、CC)和40吨/公顷的淹水灌溉(FI)生物炭添加(FC)。分两季种植粳稻,在分蘖(T)、拔节和孕穗(J&B)和灌浆(M)阶段,在每个田间小区随机采集三个表土样品(0-20cm)分为两份,一份做扩增子分析,另一份用于土壤化学性质分析,共36个土壤样品。

          化学分析指标:土壤有机碳(SOC)、土壤溶解有机碳(DOC)、微生物量碳(SMBC)、土壤硝酸盐(NO3−-N)、氨(NH4+-N)、NH3、土壤脲酶活性

          测序平台:illumina 平台

          统计分析:SPSS软件,显著性水平5%,检验不同处理之间土壤化学性质、CO2交换、温室气体排放和微生物的差异。


结果与讨论


3.1 总NEE、Rs、Reco、GHG和土壤化学性质BA影响CI稻田的碳循环


          两年内,不同生长阶段的总NEE变化没有太大差异。灌溉方式对稻田大气CO2交换有影响。与FI相比,CI引起的频繁干湿交替使生态系统净CO2吸收量(NEE)降低,土壤呼吸强度提高。在水稻不同生育期,CI稻田与大气之间的CO2交换不一致。稻田的总Reco和GPP在大多数处理之间存在显著差异。不同施用量的生物炭降低了稻田的温室气体排放,提高了稻田的总Reco和GPP。BA提高了产量,降低了GHGI,这可能是因为生物炭提高了土壤C:N比,从而提高了作物养分利用效率。

            对不同处理下水稻土三个生长阶段的土壤有机碳(SOC)、溶解有机碳(DOC)、微生物量碳(SMBC)含量和土壤酶活性进行统计。水稻土的土壤有机碳(SOC)和土壤酶活性随水稻生长先升高后降低。在大多数生长期,BA含量较高,尤其是在40吨/公顷的高含量下增加了土壤碳库的含量、ESOC、溶解有机碳(DOC)和SMBC以及土壤酶活性。


3.2 水稻土中细菌和真菌基因的群落结构


          对36个土壤样品进行细菌16S rRNA测序。分析了四种处理的不同样品中细菌16S rRNA、真菌门和属的相对丰度。水稻生育期不同,稻田土壤微生物群落结构差异较大,T期和J&B期的优势菌基本一致,但与灌浆期不同。在门水平上,各处理的优势细菌和真菌分别为变形菌和子囊菌群。在属水平上,在所有处理的M期,乳酸杆菌和被孢霉是优势细菌和真菌属,而弯曲杆菌和红菇是其他生长阶段的优势细菌和真菌。

          同时,红菇可能受益于高氮供应,在T和J&B阶段因氮肥施用占优势,生物炭改变了控制灌溉稻田微生物群落的多样性和相似性。在属水平上,由于BA的作用,稻田中亚硝酸盐氧化细菌(NOB)硝基螺旋体的相对丰度降低,反硝化细菌弯曲菌增加(图2a),从而促进了氮循环和N2O排放减少。此外,水稻土微生物群落结构受灌溉方式的影响。例如,由于CI,亚群10和MND1的相对丰度增加,但红球菌和鞘氨醇单胞菌的相对丰度降低(图2)。


          为了比较不同处理中土壤微生物群落的组成,进行了NMDS图(图2c和图2d)。在NMDS图中观察到CI和FI处理之间的土壤细菌明显分离(图2c),表明灌溉模式改变了群落组成。NMDS图显示,不同生长阶段的处理之间的细菌群落组成差异很大,例如,淹水灌溉组内分离。然而,不同处理之间真菌的β多样性几乎没有差异(图2d)。



          水稻土细菌16srrna(a)和真菌ITS基因(b)的属分布统计(样本中前20)和细菌16srrna(c)和真菌ITS(d)群落的非计量多维尺度分析(NMDS)。


3.3.优势属之间的相关性及其与CO2交换、GHG和土壤化学性质的关系


          为了进一步探索BA对C、N循环和土壤健康的影响,优势属之间的关系,NEE、Rs、GHG排放、土壤碳库,通过Spearman相关性分析土壤酶活性,并在图中进一步可视化。Spearman相关性分析显示,过氧化氢酶阴性的乳酸杆菌属与大多数微生物显著相关。具体而言,乳酸杆菌与土壤过氧化氢酶活性、弯曲杆菌和第10亚群呈负相关,而与共营养β-蛋白细菌(MND1)和RB41呈正相关。

          各处理的乳酸菌主要在M期检出,而在T期和J&B期的乳酸菌丰度很低。同时,乳酸杆菌与N2O排放呈负相关。图3a显示弯曲杆菌与鞘氨醇单胞菌呈正相关,与RB41呈负相关。弯曲杆菌和鞘氨醇单胞菌是施用化肥的水稻土中最丰富的两个属,而RB41(隶属于酸杆菌)可能有助于在长期低营养条件下维持土壤的生物地球化学和代谢基础。此外,在水稻土中持续使用化学N抑制了MND1下的非附属分类群,所以RB41和MND1之间极显著的正相关关系。参与反硝化作用的异养细菌Haliangium与NEE、Rs和土壤过氧化氢酶活性显著正相关,其分解有机物的能力较强。硝化菌属和反硝化菌属的共存也暗示了BA和CI胁迫下水稻土微生物群落之间存在着复杂的生态位。土壤过氧化氢酶活性与微生物属正相关,如亚群10、硝基螺菌和Haliangium(图3a)。

          图3b显示了系统中优势ITS属之间的相互关系。被孢霉是水稻土中最丰富的真菌,与大多数真菌属有密切关系。其与皮脂腺和念珠菌呈正相关,但与红菇和镰刀菌呈负相关。被孢霉与CH4排放量呈正相关(图3b)。此外,发现红菇与被孢霉、念珠菌呈负相关,与顶孢霉、SOC和SMBC呈正相关。水稻芽中含有由种子传播的多种真菌属,如念珠菌、被孢霉和毛霉,接种这些真菌可以促进水稻生长,在本研究中这些真菌与Rs之间显著(p<0.05)正相关。


          基于显著的Spearman秩相关系数,围绕细菌16S rRNA(a)和真菌ITS(b)基因的主要属构建网络。红色表示正相关,黑色表示负相关;粗实线表示非常显著的相关性(P<0.01),粗虚线表示显著的相关性(P<0.05)。


3.4.环境变量对土壤微生物群落的影响


          利用冗余分析(RDA)进一步分析优势菌、真菌属和环境因子之间的相关性,包括土壤温度(Temp)、土壤水分、Eh、土壤脲酶活性、TN、土壤NO3−, 土壤NH4、水硝酸盐、水氨和NH3。结果表明,温度、土壤湿度和水氨是影响细菌和真菌的主要环境因素。在淹水灌溉+生物炭处理下,土壤水分与水生细菌、弯曲杆菌和稻田微生物呈正相关。从而提高土壤碳固定利用CO2的能力。分蘖和拔节、孕穗期土壤真菌的相对丰度和优势属与土壤温度、水分、TN和土壤氨呈正相关。本研究发现,土壤硝酸盐和土壤脲酶活性与真菌的优势属呈负相关,这可能是因为高施氮量会抑制真菌的丰度、多样性和群落。红菇与CH4排放量呈正相关,红菇的相对丰度在高浓度的生物炭处理中比低浓度生物炭处理组低,而联合处理比单独生物炭处理高。与生物炭施用和控制灌溉减少稻田CH4排放总量的研究结果基本一致。


           细菌16S(a,c)和真菌ITS(b,d)的冗余分析(RDA)曲线。符号代表土壤样本,红色箭头表示环境变量


研究前景


          文章通过化学分析+微生物多样性测序的方法研究生物炭接种和淹水灌溉对土壤健康以及温室效应相关的影响。细菌和真菌在土壤碳循环中都起着重要作用,土壤碳循环主要受土壤温度、湿度和铵态氮的影响。研究发现,生物炭施用与控制灌溉相结合稻田土壤碳循环的影响与细菌和真菌有关。生物炭的施用增加了土壤碳动态,减少了稻田的温室气体排放;同时增加了弯曲菌,从而增加了土壤呼吸速率;由于细菌门变形菌的富集和硝基螺属的减少,N2O排放量减少。生物炭施用与控制灌溉都减少了CH4排放,可能是由于红菇相对丰度的降低导致的。被孢霉等土壤真菌与土壤呼吸速率呈正相关,与土壤碳库和土壤硝酸盐呈负相关。总的来说,生物炭施用与控制灌溉相结合是一种很高效的清洁生产方式,可同时改善土壤健康,减少温室气体排放,调节土壤微生物群落结构。目前生物炭的成本较高,但考虑到生物炭的稳定性实际上更长且环境效益更大,生物炭与淹水灌溉的结合仍然是一种很有前景的策略。