胡華英,殷丹陽,曹 升,張 虹,周垂帆,3,*,何宗明

1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福州 350002 2 國(guó)家林業(yè)和草原局杉木工程研究中心,福州 350002 3 福建長(zhǎng)汀紅壤丘陵生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，龍巖 366300

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb．)Hook．]是重要速生用材樹種,廣泛分布于我國(guó)南方地區(qū),在亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中占有十分重要的地位,然而杉木連栽地力衰退日趨突出,土壤性質(zhì)退化,肥力和林分生產(chǎn)力下降,土壤酶活性逐漸下降[1],土壤細(xì)菌群落多樣性低下[2],對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,嚴(yán)重威脅南方地區(qū)人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。近年來有研究發(fā)現(xiàn),添加生物炭能夠改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì),提高土壤肥力[3],能夠提供土壤細(xì)菌適宜的棲息環(huán)境,刺激土壤細(xì)菌功能和群落多樣性的變化[4],還可以影響土壤酶活性[5]。Lehmann等[6]表示對(duì)土壤添加生物炭能夠促進(jìn)細(xì)菌與其他菌根形成共生體,對(duì)改善土壤生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌多樣性具有潛在的重要作用；Yang等[7]研究發(fā)現(xiàn)生物炭一方面可以為土壤細(xì)菌提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),另一方面為細(xì)菌提供適宜的庇護(hù)環(huán)境,從而能夠促進(jìn)土壤細(xì)菌的相對(duì)豐度；Oleszczuk等[5]通過對(duì)蔬菜地土壤添加生物炭發(fā)現(xiàn),生物炭對(duì)酶活性具有保護(hù)作用,能夠提高土壤中大部分酶的活性；鄒春嬌等[8]研究發(fā)現(xiàn),生物炭處理能顯著增加黃瓜連作營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)中的酶活性,并且對(duì)微生物數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)也有明顯的調(diào)節(jié)作用；Xie等[9]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)土壤添加生物炭能夠增加土壤C、N含量,降低尿素氮,從而促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)和作物生長(zhǎng)。因此,開展對(duì)土壤生物炭的環(huán)境效應(yīng)研究,對(duì)改良土壤理化性質(zhì)及提高土壤肥力,提升林木生產(chǎn)力等,都具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。但目前這些研究多聚焦于于農(nóng)業(yè)土壤,而生物炭對(duì)林地土壤改良的研究報(bào)道國(guó)內(nèi)并不多見,特別是生物炭對(duì)南方紅壤杉木人工林細(xì)菌多樣性、酶活性以及養(yǎng)分方面的作用機(jī)制的研究鮮有報(bào)道,這極大限制了生物炭在林業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用,就亟需大量添加不同生物炭對(duì)紅壤性質(zhì)、細(xì)菌及酶活性影響的研究數(shù)據(jù),以揭示杉木人工林土壤養(yǎng)分含量、細(xì)菌相對(duì)豐度及酶活性之間的相關(guān)關(guān)系。

有鑒于此,本文基于高通量測(cè)序技術(shù),通過添加不同生物炭對(duì)人工杉木林土壤環(huán)境中細(xì)菌群落進(jìn)行培養(yǎng)和測(cè)定,同時(shí)挑選與土壤C、N循環(huán)相關(guān)的土壤-α-葡萄糖苷酶、土壤-β-葡萄糖苷酶、土壤過氧化氫酶及土壤脲酶,分析四種酶活性與土壤養(yǎng)分含量及土壤細(xì)菌相對(duì)豐度的關(guān)系。通過研究添加生物炭對(duì)土壤細(xì)菌多樣性及酶活性的影響,能夠明確生物炭對(duì)杉木人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的作用,更加準(zhǔn)確地分析酶活性與土壤養(yǎng)分含量及細(xì)菌相對(duì)豐度之間的作用機(jī)制,為生物炭在南方酸性林地土壤的合理利用提供依據(jù),對(duì)提高林木生產(chǎn)能力等具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)三明市位于福建省中西北部,年平均氣溫19.4℃,年平均降水量1500.7mm,相對(duì)濕度79%,日照率44%,土壤類型為山地紅壤(富鋁濕潤(rùn)富鐵土),研究所用土壤采自三明市福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場(chǎng)(118°47′E,26°28′N),為二代杉木人工林土壤,在20m×20m的樣方內(nèi)按S形取多點(diǎn)0—20cm的土壤樣品,混合鮮土過2mm篩之后風(fēng)干保存,供土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。杉木林土壤全磷(321±72.9)mg/kg、有效磷(14.03±2.42)mg/kg、pH(4.34±0.06)、全氮(1.83±0.20)g/kg、全鉀(23.83±3.01)g/kg。

1.2 生物炭制備和性質(zhì)

原料采自杉木樹干和樹葉,洗滌烘干粉碎后過1mm篩,置于馬弗爐中進(jìn)行厭氧熱解,以20℃/min的速率分別加熱至300℃、600℃,熱解持續(xù)時(shí)間為4h,熱解結(jié)束待其自然冷卻至室溫后置于棕色瓶中[10],得到4種生物炭,即300℃杉葉炭(BL300)、600℃杉葉炭(BL600)、300℃木屑炭(BW300)及600℃木屑炭(BW600)。制備完成后的生物炭測(cè)定其pH值(分別為7.33、10.41、4.05、7.96)、灰分(分別為9.9%、22.2%、1%、2.7%)、有效磷(分別為2568、3604、228、615mg/kg)、全碳(分別為563.1、592.6、592.4、676.6 mg/kg)、全氮(分別為15.7、12.8、3.9、3.5 mg/kg)等理化性質(zhì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)處理

向土壤中分別添加1%、3%比例的四種生物炭培養(yǎng)80天,設(shè)置9個(gè)處理：1)未處理土壤CK、2)土壤加1% BL300、3)土壤加3% BL300、4)土壤加1% BL600、5)土壤加3% BL600、6)土壤加1% BW300、7)土壤加3% BW300、8)土壤加1% BW600、9)土壤加3% BW600,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。設(shè)置黑暗、25℃培養(yǎng),培養(yǎng)期間每隔2—3d稱重補(bǔ)水,使土壤水分保持在田間持水量的60%,培養(yǎng)時(shí)間為80天。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法

1.5 土壤酶活性測(cè)定方法

1.6 土壤微生物測(cè)定方法

細(xì)菌豐度及多樣性的測(cè)定樣本取自培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)第80天的土壤,選取添加量為3%的4種的生物炭處理和對(duì)照土壤進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。16S rDNA PCR產(chǎn)物高通量測(cè)序由廣州基迪奧生物科技有限公司完成,從樣本中提取基因組DNA后,用帶有barcode的特異引物擴(kuò)增16S rDNA的V3+V4區(qū)。引物序列為341F(CCTACGGGNGGCWGCAG),06R(GGACTACHVGGGTATCTAAT)；擴(kuò)增體系為50 μL反應(yīng)體系中包含5 μL的10× KOD Buffer,5 μL的2.5 mmol/L dNTPs,1.5 μL引物(5 μmol/L),1 μL的KOD聚合酶和100 ng模版 DNA；擴(kuò)增條件為95 °C預(yù)變性2min,隨后 98 °C 變性10 s,62 °C 退火 30 s,68 °C 延伸30 s,共27個(gè)循環(huán),最后68 °C 延伸10min,然后將PCR擴(kuò)增產(chǎn)物切膠回收,用QuantiFluorTM熒光計(jì)進(jìn)行定量。將純化的擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行等量混合,連接測(cè)序接頭,根據(jù)Illumina官方說明構(gòu)建測(cè)序文庫(kù),Hiseq2500的PE250模式上機(jī)測(cè)序,測(cè)定土壤細(xì)菌群落的相對(duì)豐度。

1.7 數(shù)據(jù)處理分析

土壤細(xì)菌測(cè)序得到原始數(shù)據(jù)后,對(duì)原始數(shù)據(jù)的reads利用、tags拼接等多個(gè)過程進(jìn)行質(zhì)控,根據(jù)PE reads之間的重疊關(guān)系,使用FLASH(v 1.2.11)將成對(duì)雙端reads拼接為一條序列。拼接后的Raw Tags經(jīng)過更嚴(yán)格的過濾處理得到高質(zhì)量的Tags數(shù)據(jù),并進(jìn)行Tags截取、長(zhǎng)度過濾等操作[14]。最后對(duì)處理后得到的Tags序列與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)嵌合體序列[15],去除其中的嵌合體序列[16],得到最終的有效數(shù)據(jù)。測(cè)得土壤養(yǎng)分性質(zhì)和土壤酶活性原始數(shù)據(jù),通過Excel 2003整理數(shù)據(jù),采用SPSS 19.0軟件對(duì)土壤基本性質(zhì)、酶活性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和SNK法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),得到數(shù)據(jù)均值及誤差,運(yùn)用雙變量相關(guān)將土壤性質(zhì)和酶活性及細(xì)菌相對(duì)豐度數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析,運(yùn)用Origin 8.5繪制土壤基本養(yǎng)分和酶活性柱狀圖,利用Canoco 4.5對(duì)土壤性質(zhì)和養(yǎng)分含量及土壤細(xì)菌群落相對(duì)豐度做冗余分析(RDA),得到其中的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)影響

圖1 不同生物炭處理土壤pH及養(yǎng)分變化Fig.1 Changes of soil pH and nutrients in different biochar treatmentsBL300：300℃杉葉炭處理；BL600：600℃杉葉炭處理；BW300：300℃木屑炭處理；BW600：600℃木屑炭處理

對(duì)培養(yǎng)80天的土壤測(cè)定理化性質(zhì),如圖1所示,土壤全磷、有效磷、速效鉀含量的變化趨勢(shì)總體表現(xiàn)出相似性,杉葉炭處理之間變化顯著,BL600處理顯著高于BL300處理,且隨著生物炭添加量增加而升高,而木屑炭處理變化不顯著。所有處理的土壤pH值介于3.97—5.54之間,與對(duì)照相比,1%生物炭添加量的BL600比對(duì)照大,其他1%添加量均小于對(duì)照,其中1% BW300比對(duì)照低0.26,除了BW300其他3%生物炭添加量均大于對(duì)照,3%添加量的BL600處理的pH值高達(dá)5.54,比對(duì)照高出1.31,說明土壤pH值隨著生物炭添加量增加而升高。添加生物炭后,土壤銨態(tài)氮含量隨生物炭施用比例的增加而顯著降低,各處理間變化顯著,較小施用量條件下銨態(tài)氮含量增幅較為明顯,兩種形態(tài)的氮含量大致呈相反的趨勢(shì)。添加生物炭后使土壤全碳含量均顯著高于對(duì)照,且隨生物炭施用比例的增加而顯著提高,其中以3%添加量的BW600土壤全碳含量為最高,達(dá)到了44.3g/kg；而土壤溶解性有機(jī)碳含量并無明顯變化規(guī)律,僅隨生物炭添加量的增加大致呈降低的趨勢(shì)。

2.2 生物炭對(duì)土壤酶活性影響

對(duì)添加不同生物炭所測(cè)得的4種酶活性變化進(jìn)行分析,如圖2所示,除了3%添加量的BW600表現(xiàn)為抑制,添加其他生物炭提高土壤-α-葡萄糖苷酶活性,在杉葉炭處理中1%添加量BL600高于BL300,且低添加量的酶活性大于高添加量；與對(duì)土壤-α-葡萄糖苷酶的活性影響不同,除了3%添加量的BL600和BW300表現(xiàn)為抑制,添加其他生物炭提高土壤-β-葡萄糖苷酶活性,其中杉葉炭中,低添加量酶活性大于高添加量,而添加木屑炭的土壤-β-葡萄糖苷酶活性變化規(guī)律不明顯；添加生物炭對(duì)土壤過氧化氫酶活性影響不大,各處理酶活性相對(duì)一致；添加生物炭對(duì)脲酶活性大致表現(xiàn)為提高的趨勢(shì),且隨添加量的增大而提高,其中3%添加量的BL600達(dá)到了極顯著水平(208.13 μmol d-1g-1),而其他生物炭處理的土壤酶活性變化相對(duì)較小。

圖2 不同生物炭處理對(duì)土壤酶活性影響Fig.2 Effects of different biochar treatments on soil enzyme activities

2.3 生物炭對(duì)土壤細(xì)菌豐度及結(jié)構(gòu)的影響

土壤細(xì)菌群落shannon指數(shù)箱線圖可以直觀的反映添加不同生物炭后土壤細(xì)菌多樣性的中位數(shù)、最大值、最小值及異常值等,如圖3所示,不同處理表現(xiàn)出的結(jié)果有所差異,通過中位數(shù)可以看出,添加不同生物炭土壤細(xì)菌豐度BL300>BL600>CK>BW300>BW600,與對(duì)照相比,添加杉葉炭顯著提升了土壤細(xì)菌豐度,添加木屑炭則抑制了土壤細(xì)菌類群的豐度；且添加300℃制備生物炭的土壤細(xì)菌豐度要高于600℃生物炭,其中BL300的土壤細(xì)菌豐度最大,而BW600的土壤細(xì)菌豐度最小；由圖中還可以看出BL300、BW300測(cè)定的細(xì)菌豐度較為均勻、誤差較小,而另外3種處理最大值和最小值相差較大從而誤差較大。

圖3 不同生物炭處理細(xì)菌群落shannon指數(shù)箱線圖Fig.3 Shannon index box diagram of bacteria communities under different biochar treatments

選取土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)種的部分分類單元,構(gòu)建土壤細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育分類樹,可以清晰地看出土壤細(xì)菌群落不同分類水平上的結(jié)構(gòu)和相對(duì)豐度,圖4中從左到右的列分別代表由門到種的不同分類水平,各個(gè)餅圖中不同的顏色的區(qū)域代表不同的處理在該分類單元上的比率,半徑的大小代表該分類單元所包含的物種豐度,半徑越大代表物種豐度越高。在門分類水平上的土壤優(yōu)勢(shì)菌中,放線菌門(Actinobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi)在添加杉葉炭中占比例較低,而在木屑炭中占比較高；浮霉菌門(Planctomycetes)在添加BL600中占含量較高；變形菌門(Proteobacteria)在添加BL300占含量較高。在綱分類水平上的優(yōu)勢(shì)菌中,添加BL600的土壤中放線菌綱(Actinobacteria)和纖線桿菌綱(Ktedonobacteria)的含量較低,而在其他細(xì)菌中所占的含量較高,其他處理中細(xì)菌相對(duì)豐度差異不顯著；在屬分類水平上的優(yōu)勢(shì)菌中,嗜酸棲熱菌屬(Acidothermus)在添加杉葉炭中占含量極低,在添加木屑炭處理中含量較高,其中在BL600含量最低,而BW300中含量最高,中華單胞菌屬(Sinomonas)在BW300中相對(duì)豐度最高。

圖4 不同生物炭處理下土壤細(xì)菌系統(tǒng)分類樹Fig.4 Soil bacterial taxonomy tree under different biochar treatments

2.4 土壤養(yǎng)分、酶活性及細(xì)菌豐度之間的冗余分析

對(duì)土壤性質(zhì)與土壤酶活性及細(xì)菌優(yōu)勢(shì)物種豐度進(jìn)行冗余分析,如圖5所示,a圖代表土壤性質(zhì)與門分類水平上土壤細(xì)菌及酶活性的冗余分析,b圖代表土壤性質(zhì)與屬分類水平上土壤細(xì)菌及酶活性的冗余分析,粗線箭頭代表土壤性質(zhì)及化學(xué)組分含量,箭頭越長(zhǎng)代表影響越顯著,可見土壤pH、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及DOC含量為主要影響因子,而全碳、有效磷及速效鉀對(duì)土壤細(xì)菌的影響較??；細(xì)線箭頭代表土壤4種酶活性和在不同分類水平上土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落的相對(duì)豐度,影響因子與細(xì)菌種群夾角越接近0°代表兩者呈正相關(guān)越顯著,夾角越接近180°代表兩者呈負(fù)相關(guān)越顯著。由a圖可以看出,土壤性質(zhì)和化學(xué)成分與酶活性及細(xì)菌群落三者具有顯著的相關(guān)關(guān)系,其中土壤銨態(tài)氮和溶解性有機(jī)碳與放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)及放線菌門(Actinobacteria)等顯著正相關(guān),而與土壤脲酶、浮霉菌門(Planctomycetes)及疣微菌門(Verrucomicrobia)等呈顯著負(fù)相關(guān),土壤全碳與土壤-β-葡萄糖苷酶及土壤過氧化氫酶呈負(fù)相關(guān)。b圖顯示,pH、速效鉀、全磷及有效磷含量與嗜酸棲熱菌屬(Acidothermus)豐度呈顯著負(fù)相關(guān),與浮游菌屬(Planctomyces)、鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas)及土壤脲酶呈顯著正相關(guān),土壤硝態(tài)氮含量與中華單胞菌屬(Sinomonas)、土壤-α-葡萄糖苷酶及土壤過氧化氫酶呈負(fù)相關(guān),而與土壤-β-葡萄糖苷酶及伯克氏菌屬(Burkholderia-Paraburkholderia)呈正相關(guān),土壤全碳含量與外桿菌屬(Exiguobacterium)呈正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

關(guān)于添加生物炭影響土壤理化性質(zhì)的研究已經(jīng)引起研究學(xué)者的廣泛關(guān)注,本研究中添加生物炭改變了土壤化學(xué)性質(zhì),其中添加杉葉炭顯著提高了土壤pH值、土壤全磷、有效磷、速效鉀等的含量,添加木屑炭提高了土壤全碳含量,且隨著添加量的增加而升高；由于1%生物炭添加量較低,所以引起的土壤養(yǎng)分的變化較高添加量不顯著；與高溫炭相比,低溫炭對(duì)土壤DOC的提高較為顯著；添加生物炭降低了土壤銨態(tài)氮的含量,而增加了硝態(tài)氮含量,說明硝態(tài)氮與銨態(tài)氮之間相互轉(zhuǎn)化,其中杉葉炭降低更為顯著,說明制備原材料和溫度不同的生物炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響程度存在一定的差異。這一結(jié)果和Novak等[17]的的報(bào)道相似,他們研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭能夠有效提高土壤速效氮、磷、鉀含量,Van等[18]認(rèn)為生物炭的pH值大多呈堿性,灰分含量較高,可以降低土壤中交換性氫離子含量,從而添加生物炭能夠提高土壤pH值,與本研究結(jié)果相似。不同的制備原料和熱解溫度對(duì)生物炭的性質(zhì)具有很大的影響[19],通過對(duì)生物炭的物質(zhì)含量測(cè)定可知,杉葉炭的pH、灰分含量、有效磷等明顯高于木屑炭,因此添加杉葉炭對(duì)土壤pH值、全磷、有效磷、速效鉀含量提高更顯著,而木屑炭的碳含量更高,從而能夠更顯著提高土壤全碳含量。

圖5 土壤性質(zhì)與酶活性及細(xì)菌相對(duì)豐度相關(guān)分析Fig.5 Correlation analysis between soil propertiesand enzyme activity and relative abundance of bacteriaa圖代表土壤性質(zhì)與門分類水平上土壤細(xì)菌及酶活性的冗余分析,b圖代表土壤性質(zhì)與屬分類水平上土壤細(xì)菌及酶活性的冗余分析,TP：全磷；AP：有效磷；AK：速效鉀；硝態(tài)氮；銨態(tài)氮；DOC：可溶性有機(jī)碳；TC：全碳，TN：全氮；S-a-GC：土壤-α-葡萄糖苷酶；S-b-GC：土壤-β-葡萄糖苷酶；S-C：土壤過氧化氫酶；S-UE：土壤脲酶；Act：放線菌門Actinobacteria；Chlo：綠彎菌門 Chloroflexi；Pro：變形菌門 Proteobacteria；Firm：厚壁菌門 Firmicutes；Pla：浮霉菌門 lanctomycetes；Acido：酸桿菌門 Acidobacteria；Ver：疣微菌門 Verrucomicrobia；Sac：糖菌門 Saccharibacteria；Bact：擬桿菌門 Bacteroidetes；Pla：浮游菌屬 Planctomyces；Sph：鞘脂單胞菌屬 Sphingomonas；Kte：纖線桿菌屬 Ktedonobacter；Exi：外桿菌屬 Exiguobacterium；Aci：嗜酸棲熱菌屬 Acidothermus；Sin：中華單胞菌屬 Sinomonas；Bur：伯克氏菌屬 Burkholderia-Paraburkholderia

3.2 生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

生物炭由于其自身獨(dú)特的性質(zhì),添加后對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響,并且在一定程度上也使得土壤酶活性發(fā)生了變化。添加生物炭整體促進(jìn)了土壤-α-葡萄糖苷酶、土壤-β-葡萄糖苷酶及脲酶的活性,低添加量對(duì)葡萄糖苷酶的提高作用大于高添加量,高添加量對(duì)土壤脲酶的提高作用大于低添加量,而生物炭對(duì)土壤過氧化氫酶的影響不顯著。Wang等[20]研究表明,低添加量的生物炭(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%)可以提高參與C循環(huán)的土壤酶活性,高添加量的生物炭則降低其活性,而與N循環(huán)有關(guān)的土壤脲酶活性隨著生物炭添加量的增加而提高,與本研究結(jié)果相印證。馮愛青等[21]表明在棕壤土中添加玉米秸稈生物炭能夠提高土壤脲酶活性,卻抑制了土壤過氧化氫酶活性,而本文中生物炭土壤過氧化氫酶的影響不顯著。有研究發(fā)現(xiàn),添加生物炭能夠吸附植物根系土壤中反應(yīng)底物,促進(jìn)土壤酶活性；相反,添加生物炭也能夠吸附土壤中的酶分子,對(duì)酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)形成保護(hù)作用,抑制土壤酶活性[22]。由于不同生物炭的組分和吸附具有特異性,不同土壤酶活性對(duì)添加生物炭的響應(yīng)并非單一的促進(jìn)或者抑制作用,土壤酶活性的改變程度主要受自身性質(zhì)和生物炭性質(zhì)及添加量的影響。

3.3 生物炭對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響

添加生物炭對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性也具有一定的影響,添加杉葉炭能夠提高土壤細(xì)菌豐度,而木屑炭對(duì)土壤細(xì)菌生長(zhǎng)有一定的抑制作用,且添加低溫炭的土壤細(xì)菌豐度大于高溫炭,這與Liao等[23]研究結(jié)果一致,生物炭具有較大的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu),為土壤細(xì)菌提供了有利的繁殖場(chǎng)所,并含有豐富C、N、P、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),對(duì)土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)和相對(duì)豐度產(chǎn)生有利作用,也有研究發(fā)現(xiàn)添加有些生物炭抑制部分細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖,致群落多樣性指數(shù)減小,有些木質(zhì)原料制備的生物炭可利用性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較低,氮素不足而不能支撐細(xì)菌生長(zhǎng)代謝過程,從而降低細(xì)菌相對(duì)豐度[24],這些發(fā)現(xiàn)與本研究結(jié)果相似,添加杉葉炭對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的提高更顯著,從而能夠提高土壤細(xì)菌豐度和群落多樣性,而木屑炭降低了土壤細(xì)菌豐度和群落多樣性。Zhang等[25]通過添加300℃和700℃生物炭,發(fā)現(xiàn)土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)在300℃生物炭處理時(shí)呈增加趨勢(shì),而700℃生物炭會(huì)降低DOC含量,因此印證了本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,添加低溫炭培養(yǎng)后土壤DOC含量大于高溫炭,所以添加低溫炭土壤細(xì)菌豐度大于高溫炭。生物炭相對(duì)穩(wěn)定,土壤細(xì)菌并不容易分解利用,從本文看出,由于生物炭本身的特性,添加生物炭后,直接對(duì)土壤pH,N、P、K等養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響,可見生物炭是通過改變土壤性質(zhì)間接影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性。

3.4 生物炭處理土壤養(yǎng)分、酶活性及細(xì)菌豐度之間關(guān)系分析

土壤酶主要由土壤微生物、動(dòng)植物及殘?bào)w分泌,其中土壤微生物中的土壤細(xì)菌和放線菌等是土壤酶的主要來源,可見土壤酶活性與細(xì)菌存在直接相關(guān)關(guān)系[20],劉善江等[26]指出,酶是各種生化反應(yīng)的催化劑,也是土壤細(xì)菌活性的表現(xiàn),同時(shí)土壤微生物又是土壤酶的影響因素,印證本文結(jié)果,土壤細(xì)菌與酶活性有密切的聯(lián)系。土壤細(xì)菌及放線菌產(chǎn)生大量的酶,其活力受到土壤物理狀態(tài)和營(yíng)養(yǎng)元素含量等的影響[17],從而土壤酶活性與土壤性質(zhì)及養(yǎng)分有密切的關(guān)系。添加生物炭改變土壤pH值和營(yíng)養(yǎng)元素含量,直接或間接影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性,進(jìn)一步影響了土壤酶活性。有研究證明,高pH值和灰分含量的生物炭施入土壤后,有機(jī)陰離子(—O—和—COO—)和無機(jī)碳酸鹽增加,從而提高土壤pH值[18],本研究中杉葉炭本身具有更高的pH值和灰分含量,添加后比木屑炭提高土壤pH更顯著；由于嗜酸棲熱菌屬(Acidothermus)是一種喜酸細(xì)菌,其相對(duì)豐度隨著土壤pH的升高而降低,從而添加木屑炭使嗜酸棲熱菌屬豐度相對(duì)提高,而添加杉葉炭使嗜酸棲熱菌屬豐度降低；土壤疣微菌門(Verrucomicrobia)能夠分泌一些與硝化作用有關(guān)的酶,促進(jìn)硝態(tài)氮分解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮,故疣微菌與土壤銨態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)而與硝態(tài)氮呈正相關(guān)；木屑炭中由于含有纖維素及復(fù)雜芳香物質(zhì)較多而導(dǎo)致含碳量較高,放線菌分泌的胞外酶可以促進(jìn)降解纖維素及復(fù)雜芳香物質(zhì),因此添加木屑炭能夠提高土壤放線菌門(Actinobacteria)的相對(duì)豐度；土壤細(xì)菌改變能夠引起酶活性的變化,因此添加生物炭對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性和酶活性的影響呈顯著的正負(fù)相關(guān)。但圖中有些土壤酶與土壤養(yǎng)分及細(xì)菌群落關(guān)系不顯著,這可能是因?yàn)橥寥兰?xì)菌種類繁多且作用方式有差異,或者該土壤酶的影響因素還有其他真菌或動(dòng)植物。

4 結(jié)論

由于生物炭自身的性質(zhì)和物質(zhì)含量能夠改變土壤pH值及全磷、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量,其中杉葉炭高于木屑炭,而添加木屑炭土壤全碳含量高于杉葉炭；生物炭能夠促進(jìn)土壤葡萄糖苷酶及脲酶的活性,其中低添加量提高程度更顯著,對(duì)過氧化氫酶的影響不大,與N循環(huán)有關(guān)的土壤脲酶活性隨著生物炭添加量的增加而提高；添加杉葉炭能夠提高土壤細(xì)菌豐度,而木屑炭降低了土壤細(xì)菌豐度,添加低溫炭土壤細(xì)菌豐度大于高溫炭；添加生物炭對(duì)土壤pH值、全碳、全磷、有效磷、速效鉀含量等具有直接影響,土壤組分和性質(zhì)對(duì)不同細(xì)菌種群生活習(xí)性與功能產(chǎn)生不同的影響,細(xì)菌群落的變化又會(huì)引起土壤酶活性的改變,因此土壤養(yǎng)分含量、酶活性和細(xì)菌群落相對(duì)豐度具有密切的聯(lián)系,對(duì)生物炭的添加存在規(guī)律性的響應(yīng)。