共堆肥生物炭与铁改性生物炭通过改变携带gcd和phoD基因的微生物群落增强土壤生物有效磷组分

《Environmental Technology & Innovation》：Co-composted biochar and iron-modified biochar enhance soil bioavailable phosphorus fractions by altering gcd- and phoD-harboring microbial communities

　　

摘要：有机肥料和生物炭改良剂能够改善土壤质量并促进磷（P）的有效性。然而，共堆肥生物炭和铁改性生物炭如何影响土壤磷组分和磷功能微生物群落仍不确定。本研究开展了施用化肥（CF）、猪粪单独堆肥（OF）、共堆肥普通生物炭（BOF）以及不同施用量的共堆肥铁改性生物炭（FeBOFs）的盆栽试验。研究人员检测了生物有效磷组分、土壤化学计量学和植株性状的变化，并采用宏基因组测序和高通量定量PCR（qPCR）探究磷循环微生物群落和功能基因对不同改良剂的响应。值得注意的是，与BOF相比，FeBOFs显著提高了土壤磷有效性并促进了植株磷吸收。尽管BOF处理具有最高的土壤柠檬酸磷（Citrate-P）、酶解磷（Enzyme-P）和盐酸磷（HCl-P）含量，但FeBOFs改变了生物有效磷组分的分布，表明其具有更强的促进有效磷转化的能力。重要的是，BOF和FeBOFs改良剂改变了携带gcd和phoD基因的微生物群落的组成和多样性。相关分析和偏最小二乘路径分析揭示了BOF和FeBOFs改良剂对携带gcd和phoD基因的微生物群落的差异性影响。此外，携带gcd基因的微生物与磷功能基因呈正相关，并可能改变土壤磷有效性。相比之下，携带phoD基因的微生物与土壤生物有效磷组分直接相关。研究结果为携带gcd和phoD基因的微生物群落对不同类型共堆肥生物炭的响应提供了新见解，突出了它们在土壤磷组分微生物转化中的不同作用。

### 论文解读：共堆肥生物炭与铁改性生物炭调控土壤磷有效性的微生物机制

#### 1. 研究背景与科学问题

磷（P）是作物生长发育所必需的关键限制性营养元素。然而，土壤中植物可利用的磷含量极低，通常仅占土壤全磷总量的约0.1%，这主要归因于磷在土壤中容易被吸附、沉淀或固定为有机形态。水稻作为全球重要的粮食作物，其种植的稻田土壤因富含铝和铁氧化物而表现出强烈的磷固定能力，导致土壤磷有效性低下，严重限制了水稻对磷素的利用。在此背景下，有机肥和生物炭的施用被认为是改善土壤质量、促进磷有效性和增强植物磷吸收的可持续农业措施。与有机肥和生物炭的简单混合施用相比，共堆肥生物炭（co-composted biochar）通过将有机物料与生物炭共同堆制，能加速生物炭表面氧化，克服其固有的养分限制，在改善土壤肥力和减轻纯生物炭施用负面效应方面更具优势。然而，生物炭的施用也可能通过磷酸盐吸附降低土壤有效磷含量，因此共堆肥生物炭对土壤磷有效性的净效应尚不明确。

此外，传统化学 sequential 提取方法（如Hedley方法）因土壤组分复杂性难以完全表征磷的生物有效性。相比之下，基于生物学的磷分级方法（Biologically Based P fractionation, BBP）能够更直接地评估植物可获取的磷组分。同时，普通生物炭带负电荷的表面限制了其对磷的吸附能力及其在土壤磷活化中的效率。化学改性是增强生物炭对磷亲和力的有效手段。铁改性生物炭通过将普通生物炭与铁氧化物结合，可增强微生物定殖和土壤对磷的吸附能力，减少磷淋溶损失，并促进被固定磷向植物可利用形态转化。然而，铁改性生物炭与共堆肥普通生物炭相比，其在多大程度上促进土壤磷组分的转化，以及这些组分如何与植物磷吸收相关联，目前仍缺乏深入研究。

在微生物驱动的磷转化过程中，无机磷增溶主要由携带gcd基因的微生物通过分泌吡咯喹啉醌（PQQ）依赖性葡萄糖脱氢酶介导，而有机磷矿化则主要依赖于由phoD基因编码的碱性磷酸酶（ALP）等磷酸酶的作用。已有研究表明，有机肥、生物炭及其联合施用能够增加磷循环微生物的富集。然而，共堆肥生物炭和铁改性生物炭对携带gcd和phoD基因的微生物群落的调控作用及其对土壤磷转化的影响机制，仍是一个悬而未决的科学问题。基于此，研究人员提出了两个科学假说：（1）与共堆肥普通生物炭相比，铁改性生物炭能增强土壤生物有效磷组分并促进水稻磷吸收；（2）不同共堆肥生物炭类型下，携带gcd和phoD基因的微生物对土壤磷组分具有差异性贡献。

#### 2. 研究设计与技术方法

本研究采用盆栽试验，设置6个处理组：单施化肥（CF）、猪粪单独堆肥（OF）、猪粪与5%普通生物炭共堆肥（BOF）、猪粪分别与2%（FeBOF1）、5%（FeBOF2）和7.5%（FeBOF3）铁改性生物炭共堆肥。供试土壤采集自中国浙江省温州市瓯海区（29.98°N, 120.63°E），初始土壤有机碳为6.39 g·kg?1，全氮0.79 g·kg?1，全磷0.51 g·kg?1，有效磷（Olsen-P）8.20 mg·kg?1，pH 7.01。有机改良剂均按土壤重量的1%施入，各处理通过补充化肥平衡氮磷输入。水稻于2024年8月23日移栽，11月20日成熟期破坏性采样。

研究采用的主要技术方法包括：（1）BBP磷分级法测定土壤CaCl?-P、Citrate-P、Enzyme-P和HCl-P组分；（2）宏基因组测序（Illumina HiSeq平台）结合Kraken2物种注释和DIAMOND功能注释（KEGG数据库），鉴定携带gcd（K00117）和phoD（K01113）基因的微生物群落；（3）高通量定量PCR（HT-qPCR，WaferGen SmartChip系统）定量磷循环功能基因丰度；（4）微孔板荧光法测定土壤胞外酶活性（包括β-1,4-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶ACP、ALP等）并计算酶化学计量学向量；（5）氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）；（6）偏最小二乘路径模型（PLS-PM）、Mantel检验、主坐标分析（PCoA）和PERMANOVA等统计分析方法。

#### 3. 研究结果

##### 3.1 土壤性质与微生物化学计量学

共堆肥生物炭（BOF）和铁改性生物炭（FeBOFs）改良剂显著增加了土壤碳氮养分含量（SOC、TN、DOC、TDN）、全磷和Olsen-P含量。FeBOF2和FeBOF3处理的Olsen-P显著高于FeBOF1和BOF处理。铁改性生物炭处理显著提高了无定形铁氧化物（Feo）和有机络合铁（Fep）含量，FeBOF3具有最高的铁活化指数（Feo/Fed）。与OF和BOF相比，FeBOFs显著提高了磷获取酶（ACP和ALP）活性。FeBOF1处理表现出最高的碳获取酶（BG和CBH）和氮获取酶（NAG和LAP）活性，并具有最低的向量角度和EEA C:N值。

##### 3.2 植物磷吸收与土壤磷分级

高量铁改性生物炭施用（FeBOF3）显著提高了植株生物量。BOF和FeBOFs处理显著提高了全株和地下部磷含量。FeBOFs显著改善了植物磷吸收，尤其是地上部磷吸收。基于BBP分级分析，HCl-P含量最高，其次为Citrate-P、Enzyme-P和CaCl?-P。BOF处理具有最高的Citrate-P和HCl-P含量，且显著提高了Enzyme-P含量。FeBOF3处理显著提高了Citrate-P占全磷比例并降低了HCl-P占比。回归分析表明，土壤Olsen-P与植物磷吸收呈显著正相关，Citrate-P和HCl-P与地下部磷吸收呈正相关。

##### 3.3 携带gcd和phoD基因的微生物群落及磷功能基因

PCoA分析显示，BOF和FeBOFs改良剂显著改变了携带gcd和phoD基因的微生物群落β多样性。变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）是两个群落中的优势菌门。BOF处理显著降低了gcd群落中Proteobacteria的相对丰度，而FeBOF1显著增加了疣微菌门（Verrucomicrobiota）的丰度。在phoD群落中，BOF和FeBOFs处理显著降低了Proteobacteria丰度，同时显著增加了放线菌门（Actinobacteria）丰度。此外，FeBOFs处理中拟杆菌门（Bacteroidetes）相对丰度显著降低。有机改良剂处理显著提高了两个群落的Alpha多样性（ACE、Chao1或Shannon指数）。在磷功能基因方面，FeBOF2显著提高了ppk基因丰度，而BOF显著降低了有机磷矿化基因（phoD、bbp、cphy）丰度。

##### 3.4 磷组分、微生物性状、磷循环微生物与磷功能基因的关系

相关性分析和Mantel检验显示，携带gcd和phoD基因的微生物群落与土壤有效养分和微生物生物量密切相关。Citrate-P和HCl-P含量与gcd和phoD微生物群落组成显著相关，且与多数磷相关基因（pqqC、bpp、cphy、phoD、phoX、phnK、ppk、ppx）相关。PLS-PM分析表明，共堆肥生物炭改良剂与微生物生物量正相关，与gcd微生物群落负相关，但对磷组分总体表现为正效应。微生物生物量和化学计量学与gcd微生物正相关，gcd微生物又与磷功能基因丰度正相关。相比之下，微生物生物量化学计量学与phoD微生物负相关，而phoD微生物与磷组分正相关。

#### 4. 讨论与结论

研究结果表明，尽管BOF处理具有最高的Citrate-P和HCl-P含量，但FeBOFs能改变生物有效磷组分的分布，促进有效磷的转化。铁改性生物炭表面的铁氧化物和羟基氧化物提供了更多的磷酸盐吸附位点，减少了磷淋溶损失，同时通过促进铁-磷耦合循环机制，驱动了固定态磷向有效态磷的转化。在微生物机制方面，共堆肥生物炭改良剂将有机底物转化为更稳定和难降解的碳库，有利于K-策略微生物（如放线菌门）的富集，而铁改性生物炭提供的大比表面积和丰富的铁氧化物也可能促进功能微生物之间的电子传递。研究发现携带gcd和phoD基因的微生物对共堆肥生物炭的响应表现出分化特征：gcd携带微生物与磷功能基因正相关，可能通过调控基因表达和有机酸产生驱动相对稳定态磷组分（HCl-P和Citrate-P）的转化；而phoD携带微生物虽然与磷功能基因无显著关联，但与土壤生物有效磷组分直接正相关，这可能是由于共堆肥生物炭缓解了土壤磷限制，抑制了ALP的过度表达。

研究结论如下：共堆肥生物炭和铁改性生物炭均显著增强了土壤生物有效磷组分，尤其是Citrate-P含量；与BOF相比，FeBOFs显著提高了土壤磷有效性并促进了植物磷吸收；两种改良剂显著影响了携带gcd和phoD基因的微生物群落的Alpha多样性和组成；携带gcd基因的微生物与磷功能基因正相关，可能与土壤磷有效性相关，而携带phoD基因的微生物与土壤磷组分直接正相关。这些发现证明，共堆肥生物炭差异性地调节微生物磷循环过程，这些过程对土壤磷活化具有不同的贡献。该研究为理解不同共堆肥生物炭类型调控土壤磷转化的微生物机制提供了新见解，也为稻田磷素高效利用和农业废弃物资源化利用提供了理论支撑。该研究成果发表于《Environmental Technology》。