生物炭与有机肥协同调控旱直播水稻根系分泌、微生物群落构建及产量提升的机制研究

本研究揭示了生物炭（Biochar）与有机肥（Organic fertilizer）协同施用通过调控旱直播水稻（DDSR）根系分泌物（如脂质、有机酸类代谢物）及关键代谢通路（精氨酸-脯氨酸代谢、甘油磷脂代谢），驱动土壤微生物群落组装（以随机过程为主），并显著提升水稻产量（3.96–11.64%）的微生态机制，为节水抗旱稻作系统的可持续生产提供了理论依据。

　　

Section snippets

Experimental design

田间试验位于黑龙江省庆安县和平灌区（127°40′45″E, 46°57′28″N）。该地区属寒温带大陆性季风气候，土壤类型为黑土，孔隙度为61.8%。基础理化性质包括：pH 6.82，有机质28.6 g/kg，全氮1.42 g/kg，有效磷35.7 mg/kg，速效钾185.3 mg/kg。试验设置6个处理，结合生物炭施用量（0、5和10 t/hm²）和有机肥替代比例（0%或20%化肥氮），探究其对根系分泌物、微生物群落及产量的协同调控效应。

Analysis of root exudates composition and metabolic pathways

质控后共鉴定出435种可分类化合物，主要包括肽类（64.65%）、甾体（16.23%）、碳水化合物（9.47%）、激素与递质（4.55%）、有机酸（2.33%）、脂质（1.05%）、维生素与辅因子（0.89%）、抗生素（0.56%）及核酸（0.27%）（图1a）。主成分分析显示，不同处理间根系分泌物存在显著差异。随机森林模型鉴定出脂质及类脂分子（Lipids and lipid-like molecules）和有机酸及其衍生物（Organic acids and derivatives）为生物炭与有机肥处理下最关键的代谢组差异标志。过表征分析（ORA）进一步揭示，精氨酸与脯氨酸代谢（Arginine and proline metabolism）、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢（Glycine, serine and threonine metabolism）以及甘油磷脂代谢（Glycerophospholipid metabolism）是生物炭与有机肥调控的关键通路。

Characteristics of soil microbial communities and assembly processes in response to biochar and organic fertilizer in dry direct-seeded rice fields

生物炭与有机肥的应用为微生物繁殖提供了更丰富的营养基质，但微生物群落的丰富度与多样性响应因作物类型和土壤环境条件而异。本研究发现，生物炭与有机肥耦合处理提高了土壤细菌的ACE指数和香农指数（Shannon index），但降低了真菌的香农指数。细菌和真菌群落的组装过程均以随机过程（Stochastic processes）为主导。根系分泌物与土壤理化性质在生物炭与有机肥的协同作用下，共同促进了土壤微生物群落组装驱动因子的互作转变，从而改变了微生物群落多样性。值得注意的是，生物炭与有机肥效应下的微生物群落-根系分泌物-土壤理化性质互作以协同效应为主、拮抗效应为辅，共同促进了旱直播水稻的根系发育。

Conclusion

生物炭与有机肥的耦合增强了旱直播水稻（DDSR）的根系分泌能力，并通过调控精氨酸与脯氨酸代谢、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢及甘油磷脂代谢通路驱动代谢差异。该耦合措施同时提高了土壤细菌的ACE指数和香农指数，降低了真菌的香农指数。细菌和真菌群落组装均以随机过程为主导，且根系分泌物与土壤性质共同驱动了微生物群落的互作转变。这些微生态变化显著促进了水稻根系发育并提升了产量（增幅达3.96–11.64%）。