陳佳欣,馮靜怡,李 娟,劉 楊

(西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院,陜西楊凌 712100)

小麥是中國重要農(nóng)作物,其產(chǎn)量高低關(guān)乎中國糧食安全。干旱是中國小麥生產(chǎn)遭遇的主要自然災害之一,緩解干旱脅迫對小麥生長發(fā)育的不利影響,對于小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。生物炭是由不同種類的生物質(zhì)在低氧或無氧條件下,高溫熱解(一般 400 ℃～700 ℃),產(chǎn)生的高含碳物質(zhì)[1]。前人研究表明,施加生物炭可以提高土壤有機碳含量,改善土壤條件,從而調(diào)控作物的生長[2]。有研究發(fā)現(xiàn),生物炭與植物的抗旱性密切相關(guān)。蔣太英等[3]的研究表明生物炭浸提液可以提高干旱脅迫下水稻幼苗的抗氧化能力。錢嘉文等[4]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以減輕土壤干旱脅迫對作物幼苗根系呼吸代謝功能的抑制作用。李鵬珍等[5]研究認為,0.5%～1%濃度的生物炭可以提高紫花苜蓿葉片光合效率,緩解干旱脅迫對其植株造成的傷害。Alharby等[6]也發(fā)現(xiàn),生物炭可以減輕干旱脅迫對玉米水分吸收的不利影響。這些研究表明,生物炭能夠緩解干旱脅迫對作物生長的抑制作用。

土壤微生物也影響植物抗旱性。研究表明,在干旱條件下,利用根際促生細菌和叢枝菌根處理能刺激植株根系的生長、提高植株含水量以及抗氧化和滲透保護能力,并通過此提高植物抗旱性[7-8]。生物炭施用顯著影響土壤微生物群落多樣性。邱云霄等[9]的研究表明,施加生物炭可以通過調(diào)控土壤微生物提高土壤養(yǎng)分含量。王清華等[10]的研究表明,添加生物炭提高了擬桿菌門(Bacteroidetess)和變形菌門(Proteobacteria)數(shù)量,降低了放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和螺旋體菌門(Saccharibacteria)的相對豐度,能夠提高對氮素污染物的凈化效果。Zheng等[11]研究發(fā)現(xiàn),生物炭施用4 a后顯著提高了稻田土壤細菌的多樣性(Chao1、ACE 和 Shannon指數(shù))。這些研究表明,生物炭對于土壤微生物群落組成及多樣性具有顯著影響。除此之外,前人研究發(fā)現(xiàn),生物炭對植物系統(tǒng)抗性的誘導與其能夠改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、增加土壤有益生物類群的豐度和活性有關(guān)[12]。

綜合前人研究發(fā)現(xiàn),生物炭和土壤微生物均能夠改善干旱脅迫對植物生長的抑制作用,同時,生物炭顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性。但是,干旱脅迫下生物炭對小麥生長的影響是否與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性有關(guān),目前尚不明確。基于此,本研究選用連續(xù)施用10 a生物炭的麥田土壤為材料,在小麥苗期設(shè)置不同的水分處理,測定不同處理下小麥生長情況、利用細菌16S rDNA測序技術(shù)測定小麥根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性,本試驗的目的為探討干旱脅迫下外源添加生物炭是否能夠促進小麥生長,以及干旱脅迫下生物炭對小麥生長的調(diào)控是否與土壤微生物有關(guān)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤來源

本研究所用土壤采自西北農(nóng)林科技大學標本園區(qū)設(shè)置的生物炭長期定位試驗,試驗區(qū)位于108°24′E、 34°20′N,平均海拔 521 m,屬暖溫帶季風性氣候,年均日照時數(shù)2 196 h,年均氣溫11 ℃～13 ℃,無霜期 210 d,年均降雨量 500～600 mm。生物炭試驗自2011年開始共施用生物炭2次,分別于 2011 年 10 月、2016年10月在冬小麥種植前將生物炭撒勻在土壤表面,用旋耕機翻 10 cm 混入耕層。生物炭設(shè)2個水平,分別為 0 kg/hm2(B0)、15 000 kg/hm2(B15),每一處理設(shè)置 3 次重復,小區(qū)面積 20 m2(5 m×4 m)。小麥季常規(guī)施肥純氮量為 240 kg/hm2,施磷量為120 kg/hm2。所用肥料為尿素和磷酸二銨,均在播前一次性施入。其他管理同當?shù)爻Ｒ?guī)管理方式,處理間一致。生物炭是河南三利新能源公司用小麥秸稈為原料在 500 ℃ 厭氧熱解條件下制備所得,其基本理化性質(zhì)為有機碳含量 467.05 g/kg、全氮 5.90 g/kg、全磷 0.61 g/kg、全鉀 26.03 g/kg、 鈣 10.02 g/kg、 C/N 79.10、灰分含量 20.8%。本研究取各生物炭處理0～20 cm土層的土壤進行培養(yǎng)試驗。供試土壤為壤土,土壤基本性質(zhì):粘粒 36.5%、粉粒 61.1%、砂粒 2.4%,0～20 cm土壤含有機質(zhì) 14.09 g/kg、堿解氮 51.22 mg/kg、速效磷 7.61 mg/kg、速效鉀 150.06 mg/kg、 pH為7.58。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為裂區(qū)試驗設(shè)計,主區(qū)為生物炭處理,設(shè)置不施生物炭、15 t/hm2生物炭2個生物炭施用量處理,副區(qū)為水分處理,在每種生物炭施用量下設(shè)置正常水分(土壤相對含水量75%～80%)、干旱脅迫(土壤相對含水量50%～55%)2個水分處理。小麥采用盆栽種植,盆缽直徑和高度均為 30 cm。每個盆缽裝5 kg土壤。以小麥品種‘西農(nóng)979’為供試材料。在小麥3葉期開始進行水分處理,水分采用TDR-100水分儀進行測定,并計算灌溉量。每個處理種植10盆,重復3次。

1.3 土壤樣品采集與測定

1.3.1 土壤理化性質(zhì) 收集水分處理20 d后的小麥根際土壤樣品用于土壤理化性質(zhì)測定。參照文獻[13]方法:采用復合電極在土壤質(zhì)量與水(蒸餾水)體積之比為 1∶2.5時測量土壤pH,采用重鉻酸鉀—比色法測定土壤有機碳(SOC),采用凱氏定氮法測定全氮(TN),采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定全磷(TP),采用0.1 mol/L乙酸銨浸提—火焰分光光度法測定全鉀(TK),硝酸鹽氮(NN)用0.1 mol/L氯化鉀(KCl)萃取,并用流動分析儀(AA3,德國SEAL Analytical)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 26.0 軟件對不同處理土壤理化性質(zhì)、細菌群落多樣性指數(shù)進行Duncan’s法多重比較(P<0.05)、雙因素分析及Pearson相關(guān)分析。采用基于Bray-Curtis距離矩陣的非度量多維尺度分析(NMDS)和系統(tǒng)聚類樹分析方法對細菌群落的β多樣性差異進行分析。采用R語言的“vegan”包進行評價土壤環(huán)境因子對細菌群落結(jié)構(gòu)的影響的冗余分析(redundancy analysis,RDA)。使用R中的“psych”軟件包計算OTU相關(guān)系數(shù)矩陣,網(wǎng)絡(luò)分析中的Spearman系數(shù)(ρ≥0.6或ρ≤-0.6,P<0.05)具有統(tǒng)計學意義。利用Gephi平臺(Version 0.9.2) 繪制細菌共生網(wǎng)絡(luò),并計算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和參數(shù)[15-16]。利用FAPROTAX(http://www.ehbio.com/ ImageGP/index.php/Home/Index/FAPROTAX.html) 對豐度大于0.1%的OTUs 進行細菌群落的生態(tài)功能預測。采用Origin 2021b軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分和生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

由表1得出,施用生物炭對土壤的化學性質(zhì)存在極顯著影響,而除了硝態(tài)氮含量的變化,水分處理對土壤化學特性的影響較小,另外,施用生物炭與水分的交互作用的影響幾乎不表現(xiàn)顯著性。具體而言,與CK相比,DS土壤的硝態(tài)氮含量顯著降低29.30%;與CK和DS相比,CK+B和 DS+B的pH分別顯著提高1.10和1.17,有機質(zhì)含量分別增加39.42%和35.31%,以及硝態(tài)氮含量分別增加34.63%、26.18%。因此,施用生物炭對土壤的pH,有機質(zhì)含量以及硝態(tài)氮含量影響更為明顯。

表1 不同水分和生物炭處理下的土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical-chemical properties under different water and biochar treatments

2.2 水分和生物炭對土壤細菌群落組成的影響

經(jīng)過質(zhì)量篩選共獲得1 222 666條高質(zhì)量的16srRNA基因序列,基于97%相似性聚類,可分為3 949個OTU,共鑒定出37個門, 107綱、259目、420科、797屬。在門水平上,變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)為優(yōu)勢菌門(圖1-a),平均相對豐度分別為58.25%、13.29%、7.36%、 6.62%、3.66%,占全部菌門的89.18%。與CK相比,DS處理顯著降低了變形菌門的相對豐度,降幅為4.79%,DS處理增加了擬桿菌門和酸桿菌門的相對豐度值,增幅分別為0.97%和 1.86%。另外,CK+B和DS+B處理可較CK和DS處理分別降低了變形菌門的相對豐度1.86%和4.72%、增加了綠彎菌門的相對豐度1.05%和0.58%。在屬水平上,假單胞菌屬(Pseudomonas)、根瘤菌屬(Allorhizobium)、腸桿菌屬(Enterobacter)、戴沃斯菌屬(Devosia)、寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas)為優(yōu)勢菌屬(圖1-b)。與CK相比,DS處理顯著降低了腸桿菌屬和寡養(yǎng)單胞菌屬,降幅為7.39%和0.94% ;顯著增加了假單胞菌屬和根瘤菌屬,增幅為3.24%和 3.52%。CK+B和DS+B處理可較CK和DS處理分別增加了假單胞菌屬的相對豐度15.14%和3.71%、降低了根瘤菌屬、腸桿菌屬的相對豐度4.27%和0.81%、5.01%和8.02%。

圖1 不同水分和生物炭處理下的細菌門(a)和屬(b)水平優(yōu)勢微生物的相對豐度Fig.1 Relative abundance of dominant microbial phyla(a) and genus(b) under different moisture and biochar treatments

2.3 水分和生物炭對土壤細菌群落多樣性的 影響

由表2可知,干旱脅迫以及施生物炭措施顯著增加細菌的OTUs,與CK相比,DS的OTU平均增加189個;與CK和DS相比,CK+B和DS+B的OTUs分別顯著增加173和422個。此外,CK+B和DS+B的Chao1指數(shù)較CK和DS分別顯著增加了4.04%和12.90%,而DS的Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)較CK無顯著差異。這表明施生物炭措施顯著提高細菌的群落豐富度,且在干旱脅迫下的增幅更大。

表2 不同水分和生物炭處理下細菌群落的OTU數(shù)目及α多樣性指數(shù)Table 2 Number of bacterial OTU and α diversity index under different water and biochar treatments

基于Bray-Curtis距離對所有樣本進行聚類分析,結(jié)果表明CK和DS菌群之間的距離大于CK與CK+B和DS與DS+B菌群之間的距離(圖2-a)?；贠TU的非度量多維尺度分析排序 (NMDS)分析也表明,不同水分和施生物炭處理的樣品可明確分為四類(圖2-b),且施生物炭的處理被NMDS1分在同側(cè),同一水分處理被分在軸NMDS2的同側(cè)。這些結(jié)果表明,不同水分和生物炭處理對細菌群落的β多樣性存在顯著 影響。

圖2 不同水分和生物炭處理下細菌群落層級聚類(a)和NMDS分析(b)Fig.2 Hierarchical clustering of bacterial communities(a) and NMDS analysis(b)under different water and biochar treatments

2.4 水分和生物炭處理下細菌群落的共生網(wǎng)絡(luò)分析

基于OTU水平上進行細菌共生網(wǎng)絡(luò)分析,以描述細菌群落內(nèi)成員關(guān)系的復雜性,結(jié)果表明DS較CK的網(wǎng)絡(luò)擁有更低的節(jié)點數(shù)、邊數(shù)、平均度(圖3,表3),說明干旱降低了細菌群落的復雜性。而DS+B細菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較DS擁有更多的節(jié)點,邊,平均度,較CK網(wǎng)絡(luò)的拓撲性質(zhì)變化較小,這表明施生物炭的土壤對細菌網(wǎng)絡(luò)響應干旱脅迫時更穩(wěn)定。因此,土壤細菌網(wǎng)絡(luò)易受干旱脅迫的影響而降低網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)和連通性,而施用生物炭則會緩解這一現(xiàn)象。

圖3 基于相關(guān)性分析的細菌共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Co-occurrence network of soil bacteria based on correlation analysis

表3 細菌共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的拓撲屬性Table 3 Topological properties of co-occurring bacterial networks

2.5 干旱脅迫下施用生物炭后冬小麥田土壤-微生物之間的關(guān)系

圖4 基于細菌OTU水平的RDA分析Fig.4 RDA analysis based on bacterial OTU level

2.6 干旱脅迫下生物炭對土壤細菌群落潛在功能的影響

FAPROTAX功能預測結(jié)果顯示,863個OTU(共3 949個OTU,注釋率為21.85%)被注釋到61個功能類群中。本研究重點關(guān)注了與碳和氮代謝相關(guān)的功能類群,其中注釋到與碳代謝相關(guān)的功能群有10個,如芳香族化合物降解、纖維素水解、幾丁質(zhì)分解等(圖5-a)。對結(jié)果進一步分析發(fā)現(xiàn),DS提高了木聚糖、纖維素等較易分解碳作用,降低了木質(zhì)素、幾丁質(zhì)、芳烴等惰性碳降解作用。相比DS,DS+B土壤細菌的纖維素水解和木聚糖分解作用增強。注釋到與氮循環(huán)相關(guān)的功能群共有13個,如硝酸鹽還原、固氮、硝化作用、反硝化作用等(圖5-b)。本研究發(fā)現(xiàn)除硝酸鹽還原、固氮作用、硝酸鹽氧化和亞硝酸鹽氧化作用外,干旱降低了其他所有與氮相關(guān)的功能群豐度,而施生物炭可以改善這一現(xiàn)象,即增加干旱土壤中微生物的硝化作用、反硝化作用、亞硝酸鹽呼吸、好氧亞硝酸鹽氧化等作用。

圖5 FAPROTAX預測的細菌群落功能Fig.5 Functions of bacterial communities predicted by FAPROTAX

3 討 論

生物炭是一種富含碳的有機添加劑,在改善土壤的物理、化學和微生物特性方面具有重要用途[17]。生物炭的施用已被發(fā)現(xiàn)是一種用于改善干旱土壤水文特性的一種可行的方法[18-19]。本研究也證實了干旱脅迫處理下,施生物炭可以提高土壤pH及有機質(zhì)和硝態(tài)氮含量(表1)。這些變化則能夠影響微生物菌群結(jié)構(gòu),進而影響微生物菌群在土壤元素地球化學循環(huán)中的重要功能[20-21]。

4 結(jié) 論

干旱脅迫下施生物炭顯著提高土壤pH、有機質(zhì)含量、硝態(tài)氮含量。干旱和施生物炭處理下小麥根際細菌的主要優(yōu)勢菌門為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Verrucomicrobia)、酸桿菌門(Acidobacteria)。干旱脅迫下施生物炭顯著提高變形菌門(Proteobacteria)、降低綠彎菌門(Verrucomicrobia)以及酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度。分析土壤性質(zhì)對細菌群落的影響表明土壤pH、有機質(zhì)、硝態(tài)氮含量是影響細菌群落的3個關(guān)鍵驅(qū)動因素。PICRUSt2預測結(jié)果表明施生物炭可以增加微生物在干旱土壤中的纖維素水解、木聚糖分解,以及硝化作用、反硝化作用、亞硝酸鹽呼吸、好氧亞硝酸鹽氧化作用。