松木生物炭提高桃园砂质土壤碳储存并差异化重塑细菌而非真菌群落

《Applied Soil Ecology》：Biochar enhances carbon storage and changes soil bacterial community structure but not fungal community in peach-tree orchard soil

　　

生物炭增强桃园土壤的碳（C）储存并改变土壤细菌群落结构，但不改变真菌群落；较高生物炭施用量增加C储存和土壤微生物；生物炭提高细菌多样性，但对真菌种群的影响较小；随着生物炭添加量增加，Proteobacteria（变形菌门）、Gemmatimonadetes（芽单胞菌门）和Acidobacteria（酸杆菌门）增加；硝化微生物（nitrifying microorganisms）增加，但固氮微生物（nitrogen-fixing microorganisms）下降。

研究背景与问题：全球有机固体废物产生量高，农林系统产生大量生物质残余物，其常规分解可带来健康和环境风险；生物炭由缺氧热解制备，可改善土壤健康、pH、持水能力及微生物群落，但不同生物炭用量对桃园砂质土壤微生物群落与碳（C）、氮（N）储存关系尚不清楚。研究人员在桃园砂质土壤中评估不同松木生物炭用量施用一年后对土壤微生物群落丰度和结构（16S rRNA和ITS）的影响，以明确生物炭提高土壤C储存的微生物学基础。该研究显示10%-Inc主要改变细菌群落结构而对真菌群落影响较小，并提高SOC和团聚体稳定性、使N循环向硝化增强，对理解果园砂质土生物炭施用与C固存具有重要意义。

关键技术方法：随机完全区组设计，设CT、5%-Inc、5%-Sur、10%-Inc四处理，6重复；loblolly pine生物炭于2017年4月和2018年3月施入。2018年8月在0–15和15–30 cm采集距根1 m的10点复合土样。测定SOC、TN、POXC、pH、MWD和水分；提取DNA，扩增16S rRNA V4与ITS2，Illumina MiSeq测序，Mothur聚类OTU；Biolog Eco-plates测代谢功能；R进行ANOVA、PERMANOVA、PCA、LEfSe和RDA。样本来自North Carolina Sandhills Research Station的‘Contender’桃园，砧木‘Halford’和‘Guardian’。

研究结果：
3.1 Biochar addition enhanced SOC storage in sandy soil（生物炭增强砂质土壤SOC储存）：通过土壤理化分析，0–15 cm中5%-Inc和10%-Inc较CT提高SOC 10%和23%（P=0.011）；10%-Inc降低TN约11%，生物炭降低POXC约8%，pH无显著变化，C:N随施用量变化（P=0.007）。MWD在两层均显著增加，土壤水分处理间显著不同；15–30 cm CT的SOC和TN较高。结论为生物炭提高砂土SOC储存和团聚体稳定性。
3.2 Soil microbial structure（土壤微生物结构）：通过alpha多样性、PERMANOVA和PCA分析，0–15 cm 5%-Sur细菌Chao-1和Richness显著低于CT和10%-Inc（P=0.021）；真菌Chao-1、Richness和Simpson不受影响，但5%-Inc Shannon高于5%-Sur（P=0.040）；15–30 cm无显著差异。细菌群落受生物炭与深度交互显著影响（P=0.004），0–15 cm处理间显著（P=0.002，解释35%方差）；真菌仅深度显著（P=0.014），分深度无显著。结论为细菌结构受生物炭和深度影响，真菌响应较小。
3.3 Taxonomic composition of soil microbial communities（土壤微生物群落分类组成）：通过门/属水平组成和热图分析，细菌优势门为Proteobacteria（37.55%）、Acidobacteria（22.46%）等，>85%；10%-Inc的Proteobacteria显著升高（P=0.011），Betaproteobacteria升高、Deltaproteobacteria降低；Chloroflexi降低；5%-Inc的Gemmatimonadetes和Euryarchaeota较高；5%-Sur中TM7、Armatimonadetes、OD1、OP11及15–30 cm Firmicutes较高。真菌以Ascomycota（51.99%）、Mortierellomycota（34.86%）等为主，>96%；生物炭降低Basidiomycota和Kickxellomycota，15–30 cm降低Ascomycota；属水平上增加Coniothryrium、Ilyonectria、Apodus、Malassezia及Leptosphaerulina、Oedacephalum、Penicillifer，降低Stagonospora、Aspergillus、Metarhizium。结论为分类组成变化主要在细菌，真菌多在较低分类水平。
3.4 Nitrogen-cycling bacteria（氮循环细菌）：通过N循环相关属分析，0–15 cm硝化菌Nitrospira（P=0.017）和Nitrosospira（P<0.001）增加；固氮菌Rhizomicrobium在0–15 cm降低（P=0.039），Bradyrhizobium和Rhizobium在15–30 cm降低（P<0.001、P<0.002）；反硝化菌无显著影响。结论为生物炭使N循环向硝化增强、固氮下降。
3.5 Potential biomarker taxa for biochar addition（生物炭添加的潜在标志类群）：通过LEfSe（LDA>3）筛选生物标志物，0–15和15–30 cm分别获得56和25个细菌类群，多数（51和11个）关联5%-Sur，仅1个关联10%-Inc；5%-Sur标志物包括Acidobacteria、GP4、Proteobacteria、Alphaproteobacteria和Rhizobiales。真菌标志物33个，以Ascomycota为主（24个），CT和5%-Sur关联Ascomycota、Sordariomycetes、Hypocreales和Nectriaceae。结论为5%-Sur具有独特标志类群。
3.6 Microbial metabolic function（微生物代谢功能）：通过Biolog Eco-plates分析，生物炭较CT提高总代谢活性AWCD，但不影响代谢多样性H′；除Amines外，各底物利用强度增加，酚类化合物利用在两层均提高。结论为生物炭提高微生物代谢活性并改变底物利用。
3.7 Relationship between microbial community structure and soil properties（微生物群落结构与土壤性质关系）：通过RDA和PERMANOVA，细菌群落前两轴解释56.41%和12.91%方差，与MWD仅呈边缘相关（P=0.057）；Proteobacteria和Acidobacteria与MWD正相关，Gemmatimonadetes负相关，Nitrospira与POXC负相关、与pH和MWD正相关。真菌前两轴解释57.71%和18.07%，与MWD显著相关（P=0.021），Kickxellomycota与MWD负相关。结论为MWD是影响细菌和真菌群落结构的主要土壤因子。

讨论部分总结：讨论认为，10%-Inc在0–15 cm提高SOC并改变细菌群落，而真菌因生态韧性、菌丝生长及pH变化较小而响应有限；生物炭通过提供多孔栖息环境、改变底物质量和促进团聚体形成影响微生物，并促进与难降解C降解相关的类群。高剂量下POXC、TN及下层SOC下降可能与负激发效应有关；施用方式差异较小，施用量是主要驱动因子。研究仅观察施用一年后的短期效应，未来需评估长期、深层土壤及植物表现指标。

研究结论（译）：10% incorporated pine biochar在施用一年后改变细菌群落结构，但对真菌群落影响较小。SOC含量随生物炭施用量增加而增加，尤其在土壤表层；大团聚体也随生物炭添加显著增加，可能通过保护土壤C增强碳固存。较高生物炭施用因难降解C增加而提高Proteobacteria、Gemmatimonadetes和Acidobacteria相对丰度，同时Bacteroidetes、TM7和Firmicutes丰度下降。参与硝化过程的Nitrospira和Nitrosospira增加，而参与固氮的Rhizobium、Bradyrhizobium和Rhizobium下降，表明生物炭影响N循环。结果提示生物炭施用调控土壤微生物群落，使N循环向硝化增强并影响土壤N有效性，可能影响桃树生长和生产力。总体而言，较高生物炭施用量在短期驱动土壤性质、微生物群落结构和C动态显著变化。未来应评估跨土壤深度的长期效应并整合植物表现指标，以更好评价果园系统中生物炭施用的农艺和生态效益。作者：Juan Pablo Frene、Mattie Frazier、Bernadette Clark、Michael Parker、Terrence G. Gardner。