Nitrogen transformation and microbial community structure varied in apple rhizosphere and rhizoplane soils under biochar amendment  

生物炭改良下蘋果根際與根表土壤氮轉(zhuǎn)化及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化  

來源: Journal of Soils and Sediments Volume 21, pages 853–868, (2021)

《土壤與沉積物雜志》第21卷，2021年，第853-868頁

 

摘要  

本研究通過Illumina測序和qPCR技術(shù)，探究了蘋果木生物炭改良對(duì)蘋果根區(qū)（非根際、根際、根表）土壤細(xì)菌、真菌和古菌群落結(jié)構(gòu)的影響，以及氮轉(zhuǎn)化功能基因（nifH、amoA、nirK、nirS、nosZ）豐度的變化。研究發(fā)現(xiàn)生物炭顯著改變了根區(qū)微生物群落組成：根表土壤細(xì)菌α多樣性增加，而根際土壤真菌和古菌多樣性降低。生物炭通過提升根際和根表土壤的固氮微生物（nifH基因）和N2O還原微生物（nosZ基因）豐度，使15cm和20cm土層N2O濃度分別降低13.7%和35.1%。網(wǎng)絡(luò)分析表明氮轉(zhuǎn)化功能基因與多個(gè)微生物門類存在密切關(guān)聯(lián)。

 

研究目的  

探究蘋果木生物炭改良對(duì)：1）根區(qū)不同分區(qū)（非根際/根際/根表）微生物群落結(jié)構(gòu)的影響；2）微生物介導(dǎo)的氮轉(zhuǎn)化過程（固氮、硝化、反硝化）的調(diào)控機(jī)制；3）土壤N2O排放的抑制效應(yīng)與微生物學(xué)關(guān)聯(lián)。

 

研究思路  

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：設(shè)置對(duì)照（0%生物炭）與處理（1% w/w蘋果木生物炭）組，盆栽種植富士蘋果幼苗  

2. 分區(qū)采樣：按Edwards等方法分離非根際（NRS）、根際（RS）和根表（RP）土壤樣品  

3. 多組學(xué)分析：  

   ? Illumina MiSeq測序：細(xì)菌（16S V3V4）、真菌（ITS）、古菌（16S V5V6）群落結(jié)構(gòu)  

 

   ? qPCR定量：氮功能基因（nifH、AOA/B amoA、nirK/S、nosZ）豐度  

 

4. 環(huán)境因子監(jiān)測：  

   ? 土壤理化性質(zhì)（pH、TOC、氮磷鉀含量等）  

 

   ? 原位氣體測量：Unisense微傳感器監(jiān)測NO/N2O濃度  

 

5. 數(shù)據(jù)分析：RDA分析環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子，網(wǎng)絡(luò)分析微生物與功能基因關(guān)聯(lián)性  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 微生物群落結(jié)構(gòu)（圖1，表2）：  

   ? 測量數(shù)據(jù)：生物炭使根表土壤細(xì)菌Shannon指數(shù)顯著提升（10.23→10.55），根際真菌指數(shù)降低（5.96→4.58），古菌多樣性在非根際土壤下降（3.86→2.99）  

   ? 研究意義：揭示生物炭對(duì)根區(qū)不同分區(qū)微生物的差異化調(diào)控，證實(shí)其通過改變碳源供給和孔隙結(jié)構(gòu)選擇性促進(jìn)細(xì)菌而抑制真菌/古菌  

 

 

2. 氮功能基因豐度（圖5）：  

   ? 測量數(shù)據(jù)：根際/根表土壤nifH（固氮）基因拷貝數(shù)增加1.8-2.3倍，nosZ（N2O還原）基因提升2.1倍；根際AOB amoA（細(xì)菌硝化）基因下降40%  

   ? 研究意義：從功能基因?qū)用孀C實(shí)生物炭促進(jìn)生物固氮和N2O還原，抑制硝化過程，為減少氮損失提供機(jī)制解釋  

 

3. 氣體濃度變化（圖6）：  

   ? 測量數(shù)據(jù)：生物炭使5-20cm土層NO濃度降低12.2-25.0%，15cm/20cm土層N2O濃度下降13.7%/35.1%  

   ? 研究意義：直接驗(yàn)證生物炭對(duì)氮氧化物的減排效應(yīng)，且減排效果隨土層加深而增強(qiáng)  

 

4. 微生物-基因網(wǎng)絡(luò)（圖7）：  

   ? 測量數(shù)據(jù)：構(gòu)建包含12細(xì)菌門、4真菌門、3古菌門與6個(gè)功能基因的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)Chloroflexi門與nirK基因、Crenarchaeota門與amoA基因形成核心節(jié)點(diǎn)  

   ? 研究意義：揭示跨物種的氮代謝功能協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，解釋生物炭通過調(diào)控微生物互作影響氮循環(huán)的生態(tài)機(jī)制  

 

結(jié)論  

1. 生物炭通過提升土壤pH、有機(jī)碳和養(yǎng)分含量（表1），差異化調(diào)控根區(qū)各分區(qū)微生物群落：促進(jìn)根表細(xì)菌多樣性，抑制根際真菌/古菌多樣性  

 

2. 生物炭增強(qiáng)根際和根表土壤的固氮能力（nifH↑）和N2O還原功能（nosZ↑），同時(shí)抑制細(xì)菌硝化作用（AOB amoA↓），優(yōu)化氮轉(zhuǎn)化路徑  

3. 生物炭通過改變微生物群落結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氮轉(zhuǎn)化過程，最終降低根區(qū)土壤N2O排放（圖6），減排效果在深層土壤更顯著  

4. 網(wǎng)絡(luò)分析表明氮功能基因與多種微生物門類存在復(fù)雜關(guān)聯(lián)（圖7），證明生物炭的影響是通過微生物群落整體功能重構(gòu)實(shí)現(xiàn)的  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

本研究采用丹麥Unisense公司的NO-500和N2O-N微傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤氣體的原位高分辨率監(jiān)測：  

 

1. 原位測量優(yōu)勢：  

   ? 傳統(tǒng)氣室法只能測量地表通量，而微傳感器可穿透土壤剖面，直接獲取15-20cm深度的NO/N2O濃度梯度數(shù)據(jù)（圖6），精準(zhǔn)定位生物炭的減排作用層  

 

2. 過程機(jī)制解析：  

   ? N2O濃度下降（13.7-35.1%）與nosZ基因豐度增加（2.1倍）的同步驗(yàn)證，建立了從基因到功能再到氣體排放的完整證據(jù)鏈，證明生物炭通過增強(qiáng)微生物反硝化還原能力降低N2O排放  

 

3. 技術(shù)可靠性保障：  

   ? 研究強(qiáng)調(diào)對(duì)傳感器進(jìn)行重復(fù)校準(zhǔn)（方法2.6），確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；原位測量避免土樣擾動(dòng)導(dǎo)致的氣體逸散，真實(shí)反映根際微區(qū)氣體狀態(tài)  

 

4. 生態(tài)意義延伸：  

   ? 結(jié)合微生物數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：N2O減排效應(yīng)與真菌多樣性下降（Basidiomycota↓66%）顯著相關(guān)（表2），暗示生物炭可能通過抑制某些產(chǎn)N2O真菌功能群實(shí)現(xiàn)減排，這為針對(duì)性調(diào)控提供了新方向  

 

Unisense微傳感器在本研究中起到了"橋梁"作用，連接了微生物分子數(shù)據(jù)（基因豐度）與宏觀生態(tài)環(huán)境效應(yīng)（氣體減排），使研究從相關(guān)性分析上升到因果機(jī)制驗(yàn)證，凸顯了高精度原位測量技術(shù)在現(xiàn)代環(huán)境微生物研究中的關(guān)鍵價(jià)值。