于小彥,楊艷芳,張平究①,張 群,杜永固

(1.安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院/ 江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點實驗室,安徽 蕪湖 241003;2.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241003)

生物質(zhì)炭是有機物料在缺氧條件下,經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的固體殘渣,具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和豐富的表面官能團等特征,這使得生物質(zhì)炭在改善土壤質(zhì)量、阻止污染物質(zhì)遷移、治理環(huán)境污染和實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。土壤微生物是土壤生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,其豐度、多樣性和活性對于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡、促使養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和污染物遷移等方面起著重要作用[2]。生物質(zhì)炭作為一種新型的土壤改良劑,被施用到土壤后,可以直接或間接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能[2]。MAESTRINI等[3]和KUZYAKOV等[4]采用13C或14C標記生物質(zhì)炭的研究發(fā)現(xiàn),4或15 g·kg-1生物質(zhì)炭成分可進入土壤微生物。同時,生物質(zhì)炭可通過自身攜帶養(yǎng)分和影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分有效性等途徑影響微生物量、活性和群落結(jié)構(gòu)[2]。蓋霞普等[5]通過短期室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭通過影響土壤pH、有機碳和全氮含量,進而影響土壤微生物量和群落結(jié)構(gòu),而這些影響在不同土壤類型間存在差異。李明等[6]研究發(fā)現(xiàn)秸稈生物質(zhì)炭的添加可提高微生物活性,增加磷脂脂肪酸(PLFAs)總量,且高溫裂解生物質(zhì)炭比低溫裂解生物質(zhì)炭更能促進微生物量增加;但也有研究表明生物質(zhì)炭添加降低了土壤PLFAs量,對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也沒有顯著影響[7],低溫裂解生物質(zhì)炭更有利于提高微生物活性[8]。趙蘭鳳等[9]研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭有利于提高土壤微生物的物種豐富度,促進微生物種類的均勻分布。ZHU等[10]研究了添加生物質(zhì)炭已2 a的玉米地土壤微生物,發(fā)現(xiàn)低溫(400 ℃)裂解生物質(zhì)炭添加對土壤微生物豐富度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)沒有顯著影響,僅增加10～20 cm土壤層微生物的均勻度指數(shù)。因此,生物質(zhì)炭添加對土壤微生物量、活性和群落結(jié)構(gòu)的影響研究結(jié)果存在差異,而這些差異與生物質(zhì)炭裂解溫度、生物質(zhì)炭原材料、土壤類型、土壤養(yǎng)分含量以及微生物種類等有關(guān)[2,5-13]。土壤水分是土壤的重要組成部分,且水分條件深刻影響著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性[14],可能會改變生物質(zhì)炭添加對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的方式或程度,但當前尚缺乏相關(guān)方面的研究。

以生物質(zhì)炭為添加劑,以具有干濕交替或長期淹水的獨特水文條件的濕地土壤[15]為研究對象,采用PLFAs表征方法研究不同水分條件下生物質(zhì)炭添加對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,以期豐富生物質(zhì)炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的認識。

1 材料與方法

1.1 供試土壤性質(zhì)

供試土壤于2014年4月采自巢湖十五里河河口濕地(31°43′56.89″ N,117°21′29.66″ E)表層(0～10 cm)。該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫為16.1 ℃,年降水量為947.0～1 596.5 mm。土樣采集后,自然風(fēng)干,挑去肉眼可見的細根,過0.85 mm孔徑篩,部分土樣過0.15 mm孔徑篩,以備室內(nèi)模擬實驗。供試土壤的基本理化性質(zhì):pH值為4.55,w(有機質(zhì))為58.7 g·kg-1,w(全磷)為1.64 g·kg-1,w(速效磷)為101.6 mg·kg-1,w(堿解氮)為77 mg·kg-1,C/N比值為10.3。

1.2 生物質(zhì)炭制備和室內(nèi)土壤培養(yǎng)實驗

以風(fēng)干蘆葦為原料,將其置于密閉不銹鋼飯盒內(nèi),用馬弗爐隔氧加熱4 h[7],制備溫度分別為350和600 ℃。將生物質(zhì)炭研磨,用過篩方法篩選粒徑為0.60～2.00 mm的生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)見表1。

室內(nèi)模擬土柱為內(nèi)壁直徑7 cm、高度15 cm的PVC圓柱管。每個土柱內(nèi)裝入7 g生物質(zhì)炭和168 g過0.85 mm孔徑篩的土壤(生物質(zhì)炭量為土壤質(zhì)量的4%)的均勻混合物,形成約10 cm高的土柱。試驗共設(shè)置3個生物質(zhì)炭處理(CK、350B和600B)和3個水分處理(75、J和Y)。CK表示不添加生物質(zhì)炭的土壤處理,350B和600B分別表示添加制備溫度分別為350和600 ℃生物質(zhì)炭的土壤處理,75表示75%田間持水量,J表示干濕交替,Y表示淹水。同時,用拉伸薄膜覆蓋封閉以防止淹水和75%田間持水量處理的土壤水分蒸發(fā),干濕交替為敞開式培養(yǎng),先保持薄薄水層,直到干到接近原始質(zhì)量,采用稱重法確定后期培養(yǎng)加水量。添加水為超純水,以避免水體不凈帶來污染。培養(yǎng)溫度和光照條件與室內(nèi)一致。試驗共設(shè)置9個處理,每個處理設(shè)3次重復(fù),培養(yǎng)時間始于2014年9月,共培養(yǎng)2 a,分別在添加生物質(zhì)炭培養(yǎng)240和720 d后進行破壞性取樣,土樣自然風(fēng)干。培養(yǎng)后土壤基本化學(xué)性質(zhì)見表2。將自然風(fēng)干的土樣進行預(yù)培養(yǎng),經(jīng)75%田間持水量培養(yǎng)后風(fēng)干的土樣,重新添加超純水后調(diào)節(jié)至75%田間持水量;經(jīng)干濕交替和淹水培養(yǎng)后的風(fēng)干土樣,均加超純水調(diào)至淹水狀態(tài),最后在25 ℃條件下恒溫培養(yǎng)7 d,促使土壤微生物復(fù)蘇。然后將預(yù)培養(yǎng)后的土樣進行冷凍干燥,以備土壤PLFAs測定分析。

表1 生物質(zhì)炭基本性質(zhì)

Table 1 Basic properties of biochar

制備溫度/℃w(N)/%w(C)/%w(H)/%C/N比值C/H比值pHw(堿解氮)/(mg·kg-1) 3500.68±0.01b66.10±0.79b3.65±0.05a97.21±0.93b18.11±0.47b6.89±0.12b13.86±1.40a 6000.74±0.01a74.50±1.35a2.27±0.02b100.22±0.80a32.77±0.41a7.75±0.06a7.56±0.99b

同一列英文小寫字母不同表示不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

表2 添加生物質(zhì)炭的土壤基本化學(xué)性質(zhì)及其多因素方差分析

Table 2 Chemical properties of biochar amended soils and multiple factor variance analysis

處理pHw(速效磷)/(mg·kg-1)w(堿解氮)/(mg·kg-1)w(N03--N)/(mg·kg-1)w(NH4+-N)/(mg·kg-1) 240d-CK754.72±0.00g104.4±0.7ef230.3±5.9e13.19±0.06d205.0±7.7d 720d-CK754.99±0.01de101.3±0.5efg391.3±8.9a3.15±0.04fg562.0±3.0a 240d-350B754.57±0.03h96.8±2.9efgh178.9±9.4k13.86±0.16d150.7±0.0ef 720d-350B754.81±0.02f94.5±0.1fghi335.3±6.9b5.45±0.12f488.9±17.8b 240d-600B754.56±0.02h102.2±0.5ef174.7±0.5k21.25±0.52e103.7±6.0g 720d-600B754.35±0.00i102.4±2.0efg208.3±4.5fgh39.14±1.431i202.7±1.5d 240d-CKJ4.95±0.01e126.9±6.6abc248.5±14.9d1.00±0.71g255.6±0.5c 720d-CKJ5.05±0.01cd118.1±0.7cd308.0±15.3c3.32±0.00cd236.8±2.4c 240d-350BJ4.71±0.06g116.6±1.1cd212.5±1.5fg2.18±4.43g197.6±4.4d 720d-350BJ4.26±0.07i125.7±13.8ab172.2±1.0k32.88±13.08i81.9±9.4h 240d-600BJ4.78±0.08fg132.2±9.5a202.7±0.5ghi10.24±12.21g191.3±11.1d 720d-600BJ4.20±0.00j123.1±3.7abc156.8±2.0l20.90±10.74j61.1±2.4i 240d-CKY5.08±0.08cd94.6±1.0efghi219.5±1.5ef0.35±0.02g195.5±19.4d 720d-CKY5.27±0.00a105.1±10.6bc154.0±15.2l0.55±0.06a100.3± 0.9gh 240d-350BY5.05±0.04c83.2±0.8i193.2±1.0ij0.40±0.03g171.5±12.2e 720d-350BY5.16±0.03b108.0±1.4de185.2±6.4jk0.75±0.05b149.3±1.8f 240d-600BY5.04±0.01cd85.1±3.5hi196.7±4.0hij0.85±0.02g157.4±13.7ef 720d-600BY5.29±0.07d102.2±7.8ghi177.5±0.5k0.57±0.02a153.6±12.1ef 時間<0.0010.008<0.001<0.001<0.001 水分0.863<0.001<0.001<0.001<0.001 生物質(zhì)炭<0.0010.013<0.001<0.001<0.001 時間×水分<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001 時間×生物質(zhì)炭<0.0010.009<0.001<0.001<0.001 水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001 時間×水分×生物質(zhì)炭<0.0010.016<0.001<0.001<0.001

同一列英文小寫字母不同表示不同處理之間某指標差異顯著(P<0.05);表內(nèi)下部數(shù)據(jù)為多因素方差分析顯著性差異P值。

1.3 指標測定

土壤速效磷、銨態(tài)氮和堿解氮含量的測定參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]。土壤pH按V(水)∶m(土)=5∶2測定,生物質(zhì)炭pH按V(水)∶m(炭)=25∶1測定。硝態(tài)氮含量測定采用紫外分光光度法[17]。

土壤PLFAs量的測定和鑒定:采取修正的Bligh和Dyer方法提取PLFAs[18]。具體步驟:取3 g凍干土置于50 mL三角瓶中,用V(磷酸緩沖液)∶V(氯仿)∶V(甲醇緩沖液)為3.2∶4∶8的混合液振蕩提取脂類,通過固相抽提柱層析得到PLFAs,然后經(jīng)堿性甲基化得到磷脂脂肪酸甲脂。PLFAs定量內(nèi)標為十九烷酸(上海安譜實驗科技有限公司);PLFAs鑒定標準樣品編號為1208,碳鏈長度為C10-C24(美國MIDI公司);PLFAs送至中國科學(xué)院南京土壤研究所,在氣相色譜儀(美國Agilent 7890A)上采用MIDI微生物鑒定儀(MIDI,Newark,Delaware,USA)進行檢測,同時結(jié)合SherlockMIS 6.2系統(tǒng)(Sherlock Microbial Identification System)鑒定分析PLFAs。微生物PLFAs數(shù)據(jù)庫為該系統(tǒng)軟件自帶的PLFAD1。篩選得到47種標記物,PLFAs經(jīng)鑒定分為6類[6]:真菌(18∶2 w6c,18∶1 w9c,23∶0)、叢枝菌根(AM)真菌(16∶1 w5c)、放線菌(16∶0 10-methyl,17∶1 w7c 10-methyl,17∶0 10-methyl,18∶1 w7c 10-methyl,18∶0 10-methyl,20∶0 10-methyl)、革蘭陰性細菌G-(15∶1 w6c,16∶1 w7c,17∶1 w8c,18∶1 w7c,19∶1 w8c,20∶1 w9c,20∶1 w8c,21∶1 w6c,21∶1 w5c,21∶1 w3c,22∶1 w9c,17∶0 cyclo w7c,19∶0 cyclo w9c,19∶0 cyclo w7c)、革蘭陽性細菌G+(15∶1 iso w6c,17∶1 iso w9c,13∶0 iso,12∶0 anteiso,13∶0 anteiso,14∶0 iso,15∶0 iso,16∶0 iso,17∶0 iso,22∶0 iso,15∶0 anteiso,17∶0 anteiso,17∶1 anteiso w7c)和一般細菌(12∶0,13∶0,14∶0,15∶0,16∶0,17∶0,18∶0,20∶0,22∶0,24∶0)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進行初步處理和制圖,并計算Shannon-Wiener豐富度指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)[19]。采用SPASS 20軟件對數(shù)據(jù)進行多因素方差分析和相關(guān)性分析。采用CANOCO 5軟件進行冗余分析(RDA),先對數(shù)據(jù)進行除趨勢對應(yīng)分析(DCA),由于排序軸梯度長度(LGA)<3,故選擇RDA方法對微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系進行分析;RDA方法中蒙特卡羅置換檢驗顯著性水平設(shè)置為α=0.05,置換數(shù)(number of permutations)為499。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭添加對土壤微生物PLFAs的影響

多因素方差分析結(jié)果表明培養(yǎng)時間、水分條件和生物質(zhì)炭添加對大多數(shù)土壤微生物PLFAs量具有極顯著的主效應(yīng)和交互效應(yīng)(表3)。在75%田間持水量條件下,培養(yǎng)240 d后生物質(zhì)炭添加顯著提高土壤PLFAs表征的土壤微生物量,PLFAs總量和各類群PLFAs量比對照土壤平均增加49.01%(圖1)。在75%田間持水量條件下培養(yǎng)720 d,添加生物質(zhì)炭的土壤PLFAs總量、AM真菌、放線菌、G-和一般細菌的PLFAs量與對照相比,分別平均下降8.32%、25.72%、14.62%、19.77%和8.20%(圖1);干濕交替條件下培養(yǎng)240和720 d生物質(zhì)炭添加處理土壤微生物PLFAs量平均下降38.85%,淹水條件下土壤微生物PLFAs量平均下降12.83%(圖1)。就3種水分處理而言,干濕交替條件下,添加生物質(zhì)炭的土壤PLFAs量下降幅度最大。3種水分條件下培養(yǎng)240 d后,總體上添加裂解溫度為350 ℃ 生物質(zhì)炭的土壤PLFAs總量和各類群PLFAs量高于添加裂解溫度為600 ℃生物質(zhì)炭的土壤,但培養(yǎng)720 d后生物質(zhì)炭裂解溫度對土壤PLFAs量影響的差異未達顯著水平或差異較小(圖1)。不同于對照土壤,添加生物質(zhì)炭培養(yǎng)240和720 d后,土壤PLFAs總量、一般細菌、真菌、放線菌和G+的PLFAs量表現(xiàn)為干濕交替低于其他兩種水分處理,AM真菌和G-的PLFAs量表現(xiàn)為干濕交替僅小于淹水,與75%田間持水量間無顯著差異性;總體上,土壤PLFAs總量、AM真菌、G+、G-的PLFAs量均以淹水處理為最高,而其他類群PLFAs量在淹水條件下與干濕交替和75%田間持水量條件下無顯著差異。除75%田間持水量處理外,培養(yǎng)240 d生物質(zhì)炭添加處理土壤微生物PLFAs總量和AM真菌、真菌、G+、G-及一般細菌PLFAs量均大于培養(yǎng)720 d生物質(zhì)炭添加處理。土壤真菌/細菌和G-/G+比值范圍分別為0.079～0.134和0.33～0.74,生物質(zhì)炭添加顯著降低了干濕交替條件下土壤G-/G+比值,干濕交替條件顯著降低土壤真菌/細菌PLFAs比值,其他處理下土壤生物質(zhì)炭制備溫度、培養(yǎng)時間及土壤水分條件對土壤G-/G+和真菌/細菌的PLFAs比值均無顯著影響或無明顯規(guī)律性(圖1)。

表3 添加生物質(zhì)炭的土壤微生物PLFAs多因素方差分析(P值)

Table 3 Multiple factor variance analysis of microbial PLFAs in soils amended with biochar under different water conditions

處理總PLFAsAM真菌PLFAs放線菌PLFAs 真菌PLFAsG-PLFAsG+PLFAs一般細菌PLFAs真菌/細菌PLFAs比值G-/G+PLFAs比值 時間<0.001<0.001<0.001<0.0010.001<0.001<0.001 <0.001 0.681 水分<0.001<0.001<0.001 0.059<0.001<0.001<0.001 <0.001 <0.001 生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 <0.001<0.0010.002<0.001 0.031 <0.001 時間×水分<0.0010.332<0.001 <0.001<0.0010.032<0.001 <0.001 <0.001 時間×生物質(zhì)炭<0.0010.018<0.001 0.322<0.0010.001<0.001 0.098 0.451 水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 <0.001<0.001<0.001<0.001 0.006 <0.001 時間×水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 <0.001<0.001<0.001<0.001 0.059 0.001

同一分圖中所有直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

2.2 生物質(zhì)炭添加對土壤微生物群落多樣性指數(shù)的影響

多因素方差分析表明除了少部分Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)外,培養(yǎng)時間、水分條件和生物質(zhì)炭添加對土壤微生物Shannon-Wiener豐富度指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和D指數(shù)具有極顯著的主效應(yīng)和交互效應(yīng)(表4)。在75%田間持水量條件下,添加生物質(zhì)炭可增加土壤H和J值,但降低D值;淹水條件下,僅培養(yǎng)240 d生物質(zhì)炭添加就可降低H和J指數(shù),但增加D指數(shù)(圖2)。在干濕交替條件下,生物質(zhì)炭添加和培養(yǎng)時間對土壤微生物多樣性指數(shù)的影響沒有明顯規(guī)律性。生物質(zhì)炭制備溫度和土壤水分條件對土壤微生物多樣性指數(shù)的影響也沒有明顯規(guī)律性。

表4 添加生物質(zhì)炭的土壤微生物PLFAs多樣性指數(shù)的多因素方差分析(P值)

Table 4 Multiple factor variance analysis of microbial PLFAs diversity indexes in soils amended with biochar(P值)

處理 HJD 時間0.019<0.0010.037 水分<0.001<0.001<0.001 生物質(zhì)炭<0.001<0.0010.066 時間×水分<0.001<0.001<0.001 時間×生物質(zhì)炭<0.001<0.0010.089 水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001 時間×水分×生物質(zhì)炭<0.001<0.001<0.001

H為Shannon-Wiener豐富度指數(shù),J為Pielou均勻度指數(shù),D為Simpson優(yōu)勢度指數(shù)。

2.3 各類群微生物PLFAs與土壤基本性質(zhì)之間的偏相關(guān)性分析

各類群PLFAs與土壤基本性質(zhì)的偏相關(guān)性分析結(jié)果(表5)表明,土壤總PLFAs，真菌、細菌、放線菌和G-的PLFAs值均與土壤pH值呈顯著正相關(guān),其中,真菌PLFAs值與pH呈極顯著正相關(guān)?？侾LFAs，細菌和G+的PLFA值均與速效磷含量呈顯著負相關(guān),而G-/G+PLFA比值和H指數(shù)均與土壤速效磷含量呈顯著正相關(guān)。而真菌、放線菌PLFAs,真菌/細菌PLFAs比值均與土壤NO3--N含量呈顯著負相關(guān),而J指數(shù)與土壤NO3--N含量呈顯著正相關(guān)。土壤堿解氮含量與總PLFAs和其他類群微生物PLFAs呈正相關(guān),但僅與放線菌PLFAs值和D指數(shù)呈顯著正相關(guān)。土壤NH4+-N含量與總PLFAs和其他類群微生物PLFAs呈正相關(guān),但僅與放線菌PLFAs值、D指數(shù)呈顯著正相關(guān),而與H和J指數(shù)呈顯著負相關(guān)。

同一分圖中所有直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

表5 土壤微生物PLFAs量與土壤基本性質(zhì)之間的偏相關(guān)性分析

Table 5 Partial correlation analysis between soil PLFAs and soil basic properties

因子pH速效磷含量堿解氮含量NO3--N含量NH4+-N含量 總PLFAs0.540?-0.576?0.298-0.4080.293 真菌PLFAs0.649??-0.1590.474-0.681??0.492 細菌PLFAs0.499?-0.568?0.309-0.3890.284 放線菌PLFAs0.607?-0.4810.593?-0.547?0.597? AM真菌PLFAs0.338-0.1040.245-0.3660.171 G+PLFAs0.458-0.755??0.139-0.2880.208 G-PLFAs0.531?-0.1530.287-0.4060.199 G-/G+PLFAs比值0.0610.728??0.104-0.109-0.125 真菌/細菌PLFAs比值0.3430.4720.400-0.526?0.461H指數(shù)-0.2550.512?-0.4430.367-0.623? J指數(shù)-0.4410.320-0.4230.499?-0.547? D指數(shù)-0.209-0.3780.552?-0.3430.654??

n=18。*表示在α=0.05水平上顯著相關(guān);**表示在α=0.01 水平上顯著相關(guān)。

2.4 土壤微生物PLFAs群落結(jié)構(gòu)與土壤基本性質(zhì)指標之間的冗余分析

應(yīng)用RDA方法對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤基本性質(zhì)指標的關(guān)系進行分析,結(jié)果見圖3。圖3中箭頭表示土壤基本性質(zhì)指標,實心圓形和三角形表示不同處理土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。箭頭投影到某個微生物群落與中心連線上的點距離中心越長,表示該土壤性質(zhì)指標對微生物群落結(jié)構(gòu)影響越大。箭頭連線與排序軸夾角表示某一土壤性質(zhì)與排序軸相關(guān)性大小,夾角越小表示相關(guān)性越高。圓圈之間、三角形之間和圓圈與三角形之間的距離越短,表示微生物群落結(jié)構(gòu)越相似。RDA分析結(jié)果顯示,兩個排序軸解釋量達59.73%,其中,第1排序軸(橫軸)共解釋50.33%的土壤養(yǎng)分信息,第2排序軸(縱軸)共解釋9.40%的土壤養(yǎng)分信息。從排序圖可以看出,pH、硝態(tài)氮含量和速效磷含量3個土壤養(yǎng)分因子的箭頭較長,說明它們對微生物群落結(jié)構(gòu)的解釋量較大,且與第1排序軸的夾角較小,說明它們是第1排序軸的主要影響因子,也是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素。這與相關(guān)性分析結(jié)果(表5)一致。生物質(zhì)炭添加可通過改變土壤pH影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[2],土壤硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量強烈影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu),而過多的硝態(tài)氮可抑制微生物生長,降低土壤微生物量[20]。由圖3可知,相同水分條件和相同培養(yǎng)時間條件下的土壤處理相對比較集中,表明具有較為相似的微生物群落結(jié)構(gòu),以相同水分條件下表現(xiàn)尤其明顯。這也說明土壤水分條件和培養(yǎng)時間是左右生物質(zhì)炭添加對微生物群落結(jié)構(gòu)影響的重要因子。

RDA1(50.33%)實心三角形和實心圓形分別表示培養(yǎng)240和720 d。

3 討論

生物質(zhì)炭對土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜,生物質(zhì)炭可通過提供微生物生長所需的碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì),改變土壤pH值、通氣性和持水性等理化性質(zhì),自身攜帶或吸附土壤多環(huán)芳烴等抑制微生物生長的有毒物質(zhì),以及為微生物提供生存棲息地等途徑來影響土壤微生物[3-4,6,21]。筆者研究發(fā)現(xiàn),除75%田間持水量條件下培養(yǎng)240 d,生物質(zhì)炭添加顯著提高土壤PLFAs量外,75%田間持水量條件下培養(yǎng)720 d以及干濕交替和淹水條件下培養(yǎng)240和720 d,生物質(zhì)炭添加均降低土壤PLFAs總量和各類群微生物PLFAs量。這可能是由于生物質(zhì)炭雖然可提供少量養(yǎng)分[2,12],但生物質(zhì)炭可吸附固持土壤有效養(yǎng)分,降低土壤養(yǎng)分生物有效性[7,21],進而導(dǎo)致生物質(zhì)炭添加后土壤微生物生物量降低。添加生物質(zhì)炭的土壤堿解氮含量和NH4+-N含量大都低于對照土壤,而添加生物質(zhì)炭的部分土壤速效磷含量也低于對照或無顯著差異(表2),且相關(guān)性分析結(jié)果也顯示土壤堿解氮含量和NH4+-N含量與各類群土壤微生物PLFAs量呈正相關(guān)關(guān)系(表5)。土壤硝態(tài)氮過多可抑制土壤微生物生長,降低土壤微生物生物量[20],筆者研究中土壤大多數(shù)類群微生物PLFAs量與硝態(tài)氮含量間存在顯著負相關(guān)關(guān)系(表5),因此,生物質(zhì)炭添加使得土壤硝態(tài)氮含量上升可能也是導(dǎo)致土壤微生物PLFAs量降低的原因之一。生物質(zhì)炭還可通過影響土壤pH進而影響土壤微生物生長[2,6]。筆者研究中土壤pH與土壤大多數(shù)類群微生物PLFAs量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5),而生物質(zhì)炭添加促進了土壤pH降低(表2),導(dǎo)致土壤多數(shù)類群微生物PLFAs量降低。同時,由于生物質(zhì)炭自身攜帶乙醛、松萜和多環(huán)芳烴等具有毒性的有機化合物,可抑制微生物的生長[22],進而促使生物質(zhì)炭添加后土壤微生物PLFAs量降低。而75%田間持水量條件下培養(yǎng)240 d,生物質(zhì)炭添加顯著提高土壤PLFAs量,可能是因為相對于淹水和干濕交替條件,75%田間持水量條件下土壤微生物活性更高,可促進生物質(zhì)炭自身攜帶毒性有機物分解且毒性降低更快,使得土壤微生物生長恢復(fù)更快,進而使土壤微生物PLFAs量有所提高。

有研究[8]表明與低溫裂解生物質(zhì)炭相比,高溫裂解生物質(zhì)炭更有利于促進微生物生長,進而更有利于增加土壤PLFAs量[6],也有研究發(fā)現(xiàn)低溫裂解生物質(zhì)炭更有利于提高微生物活性。筆者研究發(fā)現(xiàn)75%田間持水量條件下培養(yǎng)720 d,以及干濕交替和淹水條件下培養(yǎng)240 d,添加低溫裂解生物質(zhì)炭土壤PLFAs含量高于添加高溫裂解生物質(zhì)炭土壤,這可能歸因于低溫裂解生物質(zhì)炭比高溫裂解生物質(zhì)炭含有更多低相對分子質(zhì)量、易降解的有機化合物[8],為土壤微生物提供更多的碳源和養(yǎng)分[2,12],因此,添加低溫裂解生物質(zhì)炭更有利于土壤微生物生長。

生物質(zhì)炭添加對土壤微生物影響狀況還受生物質(zhì)炭添加時間長短的影響[7,23]。筆者研究發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)時間對添加生物質(zhì)炭的土壤微生物影響顯著,培養(yǎng)240 d時添加生物質(zhì)炭的土壤微生物PLFAs總量和各類群微生物PLFAs量高于培養(yǎng)720 d時,表明培養(yǎng)時間越長,添加生物質(zhì)炭就越不利于微生物生長。AMELOOT等[23]也發(fā)現(xiàn),添加生物質(zhì)炭(30 t·hm-2)的土壤培養(yǎng)2 a后,土壤真菌、放線菌、G+和G-的PLFAs量均小于培養(yǎng)7個月時土壤上述微生物PLFAs量。這主要是因為生物質(zhì)炭含有的已被微生物分解礦化的有機物隨著培養(yǎng)時間延長而降低,使得微生物生長所需的底物減少,從而抑制微生物活性和生物量,促使土壤微生物PLFAs量下降。同時,隨著添加到土壤的生物質(zhì)炭逐漸老化,生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分吸附和固定能力增強,可進一步抑制土壤微生物生長。

土壤水分條件一方面通過影響土壤有效養(yǎng)分來影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)或活性,另一方面直接影響對水分條件敏感的土壤微生物[15]。筆者研究中RDA分析結(jié)果也表明,相同水分條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較為相似(圖3)。牛佳等[24]研究發(fā)現(xiàn)淹水條件下微生物PLFAs總量和各菌群PLFAs含量顯著高于無淹水土壤,這歸因于淹水條件下土壤有機碳含量和全氮含量顯著高于無淹水土壤。筆者研究發(fā)現(xiàn),總體上干濕交替條件下,添加生物質(zhì)炭的土壤PLFAs量較低,淹水條件下PLFAs量較高。這可能是由于干濕交替條件下土壤環(huán)境變化強烈,導(dǎo)致土壤微生物大量死亡[14],而淹水條件下土壤環(huán)境穩(wěn)定,對微生物影響小,所以干濕交替條件下土壤微生物PLFAs量較低,淹水條件下PLFAs量較高。在干濕交替條件下添加生物質(zhì)炭的土壤堿解氮、銨態(tài)氮和pH下降相對于其他2種水分條件更加顯著(表2),因此,生物質(zhì)炭添加加劇干濕交替條件下土壤養(yǎng)分有效性的降低,進而促使土壤各類群微生物PLFAs量降低。

生物質(zhì)炭添加影響著土壤各類群微生物,進而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。筆者研究生物質(zhì)炭對土壤G-/G+和真菌/細菌PLFAs比值的影響沒有規(guī)律性,但生物質(zhì)炭對土壤多樣性指數(shù)的影響受土壤水分條件所左右,表現(xiàn)為75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加顯著增加土壤微生物豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù),降低優(yōu)勢度指數(shù);淹水條件下培養(yǎng)240 d時生物質(zhì)炭添加降低土壤微生物豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù),增加了優(yōu)勢度指數(shù);干濕交替條件下生物質(zhì)炭添加對土壤微生物群落多樣性指數(shù)的影響沒有明顯規(guī)律性。由于75%田間持水量條件下水分和氧氣較充足,生物質(zhì)炭添加增加了土壤微生物生境多樣化[21],促使土壤微生物多樣性增加;而淹水條件屬于厭氧且較為均質(zhì)環(huán)境,生物質(zhì)炭添加促進某些微生物種群生長,但抑制了其他類群微生物的生長[9]。微生物多樣性指數(shù)是表征微生物群落結(jié)構(gòu)的重要指標,多樣性指數(shù)越高,土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)就越復(fù)雜,微生物生態(tài)功能就越穩(wěn)定[9]。這說明75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加使得土壤微生物更加豐富和多樣,微生物生態(tài)系統(tǒng)更加復(fù)雜和穩(wěn)定。RDA分析結(jié)果表明,相同水分條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更為相似(圖3),表明生物質(zhì)炭添加對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響深受水分條件所左右。

4 結(jié)論

(1)在75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加促進培養(yǎng)初期(240 d)土壤各類群微生物生長,提高土壤各類群微生物PLFAs量,但生物質(zhì)炭添加降低培養(yǎng)后期(720 d)土壤各類群微生物PLFAs量;在干濕交替和淹水條件下,生物質(zhì)炭添加降低整個培養(yǎng)期土壤各類群微生物PLFAs量,其中干濕交替條件下土壤各類群微生物PLFAs量下降最為顯著;培養(yǎng)時間越長,生物質(zhì)炭添加促使土壤微生物PLFAs量降低越明顯。這表明生物質(zhì)炭添加對土壤微生物生長影響深受土壤水分條件和培養(yǎng)時間左右。

(2)75%田間持水量條件下,生物質(zhì)炭添加提高了土壤微生物群落豐富度和均勻度,降低了土壤微生物優(yōu)勢度;淹水條件下培養(yǎng)240 d,生物質(zhì)炭添加降低了土壤微生物群落豐富度和均勻度,提高了土壤微生物優(yōu)勢度;干濕交替條件下,生物質(zhì)炭添加對微生物群落結(jié)構(gòu)影響沒有顯著規(guī)律性，相同水分條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更為相似，說明水分條件左右生物質(zhì)炭添加對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

(3)土壤水分條件和培養(yǎng)時間通過影響生物質(zhì)炭的自身老化和有毒有機化合物降解,以及通過左右生物質(zhì)炭添加對土壤有效養(yǎng)分(硝態(tài)氮、速效磷)含量和pH的影響,進而左右生物質(zhì)炭添加對土壤微生物類群豐度和群落結(jié)構(gòu)影響的方式和程度。