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J Environ Manage. | 天昊微生物功能基因扩增子测序在生物炭治理土壤磷流失研究中取得新成绩


原创  上海天昊生物


功能介绍提供科研服务及先进高效的检测方法和试剂


生物炭是一种很有前途的新型材料,可用于减轻化学改良农业土壤中磷的损失和提高磷的固定。然而,对于上述效果的最佳施用率和该过程的潜在驱动因素尚不清楚。近期,来自湖南农业大学资源与环境学院、湖南省农业科学院和中国科学院亚热带农业研究所的科研人员在《Journal of Environmental Management》上发表论文。该研究利用天昊生物微生物功能基因扩增子测序技术深入探讨了芦苇生物炭如何有效减少化肥处理的稻田土壤中磷的损失。

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英文题目:The effectiveness of reed-biochar in mitigating phosphorus losses and enhancing microbially-driven phosphorus dynamics in paddy soil
中文题目:芦苇生物炭对减少水稻土磷流失和提高微生物驱动磷动态有效性研究
期刊名:Journal of Environmental Management
发表时间:2022715
影响因子:8.910


背景介绍


为了保证磷素的供应,水稻农田中通常会施用过量的磷肥。虽然增加磷肥可以暂时维持较高的土壤生物有效磷水平以供作物吸收,但研究表明在首季期间只有一小部分施用的矿物磷得到有效利用。由于金属阳离子的沉淀、有机质的滞留、径流或渗漏到地表水或地下水的损失,大部分添加的磷最终无法在土壤中固定。因此,迫切需要探索在水稻农田内循环利用养分的新策略,以提高磷的利用并减少稻田土壤中的磷流失。

生物炭是一种多孔、富含碳的固体产品,来自生物质原料的生物质热解,是一种土壤调节剂,可改善作物对磷肥的吸收。微生物不仅可以同化土壤有效磷,而且促进磷从非不稳定磷库转化为微生物生物磷。较大块的生物炭可以为微生物的生长提供有利的栖息地和能量,进而影响作物在土壤磷库中的磷的利用。应当进一步对生物炭对土壤细胞外磷酸酶和相应微生物种群的影响进行研究,这有助于理解生物炭对稻田土壤中磷损失和固定影响的潜在机制,为理解生物炭改良稻田中微生物驱动的磷动力学提供了理论基础。


研究方法


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1、实验流程图


本研究在50 cm高的PVC圆柱管中使用内径20 cm的室内模拟土柱装置进行。芦苇生物炭按0-20 cm层土壤重量的0%1%2%4%6% 8% 与土壤混合。本试验包括以下六种处理:化肥 + 生物炭 0 (CB0)、化肥 + 生物炭 1% (CB1)、化肥 + 生物炭 2% (CB2)、化肥 + 生物炭 4% (CB4)、化肥 + 生物炭 6% (CB6)、化肥+ 生物炭 8% (CB8)。每个处理三个重复。每个土柱的高度为 40 cm。实验通过qPCRIllumina MiSeq测序确定碱性磷酸酶基因(phoD)携带菌群的丰度、多样性和群落组成。实验还对水样和土壤性质进行了测定。

研究结果


对地表水磷浓度的检测结果发现,添加少量(1-2%)的芦苇生物炭对减轻化肥处理的稻田径流磷损失有更好的效果。与CB0处理相比,CB1-CB8处理的颗粒磷遗漏量分别减少了3.0%9.8%15.4%1.0%18.5%。这表明芦苇生物炭减少稻田土壤淋溶磷损失的效果取决于施用量,较低的施用量(1-4%)具有更好的效果。
芦苇生物炭的施用显着增加了收获期不同土壤深度的土壤总磷含量(图3)。与CB0处理相比,CB1-CB8处理0-1010-2020-3030-40 cm土层全磷含量分别增加7.0-41.9%11.0-39.8%3.8-18.1% , 2.4%16.7%, 分别 ( 3A)CB1-CB4处理10-20 cm层的总磷含量略高于20-40 cm层。然而,在 CB1-CB4 处理中,0-20 cm 层的磷含量显着高于 20-40 cm 层。随着芦苇生物炭施用量的增加,土壤总磷含量的变化呈线性函数(图2D)。与CB0处理相比,CB1-CB8处理土壤总磷含量逐渐增加9.2-41.1%
芦苇生物炭的应用显着增加了四个土壤深度的有效磷含量和磷活化系数(图3B-C)。与CB0处理相比,CB1-CB8处理0-1010-2020-3030-40 cm土层有效磷含量分别增加14.6-103.1%13.1-127.2%0.7-35.3 % 9.814.7%。随着芦苇生物炭施用率的增加,有效磷含量和磷活化系数)的变化呈向下开口的抛物线函数(2D)。这表明芦苇生物炭对土壤磷有效性的影响依赖于施用率,4%的施用率与较高的施用率取得了相似的效果。

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2、随着芦苇生物炭施用量的增加,土壤总磷(TP)、可溶性磷(OP)和颗粒磷(PP)的累积渗漏量(A-C)和土壤储存量(D-F)的变化。

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3、各处理不同土层的总磷(TPA)和速效磷(APB)含量及磷活化系数(PAC)。不同颜色的曲线和圆点表示不同的芦苇生物炭施用量。


   稻田土壤磷酸酶活性及含磷细菌特性研究发现,随着芦苇生物炭施用量的增加,土壤磷酸酶活性在CB1处理中最高,然后呈下降趋势(图4A)。与CB0处理相比,CB1-CB4处理土壤磷酸酶活性高6.1-69.4%,而CB6CB8处理分别低14.3%34.3%。土壤磷酸酶活性还与土壤孔隙度、容重、CEC和总C含量密切相关(图5)。
随着芦苇生物炭应用率的增加,携带phoD的菌群丰度和多样性遵循向下开放的抛物线函数(图4B-C)。芦苇生物炭的施用显着增加了携带phoD的微生物的丰度和多样性,而有效性不受施用量的影响。与CB0处理相比,CB1-CB8处理的phoD丰度和多样性分别增加了3.5-5.6%4.6-11.4%。与之前的研究一致(Ragot 等人,2017 年;Luo 等人,2019 年),在phoD之间观察到显着的正相关关系。生物炭改良土壤中的基因丰度和磷酸酶活性观察到显著相关性(图5)。此外,phoD丰度与土壤孔隙度、容重、pHEC和总C含量相关,phoD群落多样性与土壤pHEC相关(图5)。这些表明,土壤碳库可以为携带phoD的微生物的增殖提供能量,并可能影响磷酸酶的产生和功能。生物炭改良剂还可以通过调节土壤物理结构和碳组成为携带磷的微生物提供适宜的生存条件,从而增加群落的丰度和多样性。
与丰度相似,群落组成与土壤容重、pHEC和总C含量显着相关(图5)。生物炭应用可以通过为磷酸盐溶解微生物(PSM)提供适应性栖息地和能量来提高土壤磷的有效性。目前的结果表明,生物炭改良不仅可以通过调节土壤物理结构和碳库来诱导 PSM 群落的变化,而且还可以诱导phoD 携带群落的变化(图4)。所有处理中的优势 phoD 携带门是蓝细菌和变形菌,优势属是TolypothrixCalothrix
BradyrhizobiumRhodoferaxMethylobacteriumDuganella(图4E)。

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4、土壤潜在磷酸酶活性(A),由基因拷贝数估计的phoD基因丰度(B),以及由香农指数估计的 phoD 携带群落的多样性(C)。冗余分析 (RDA) 的排序图显示了 phoD 携带种群的群落组成、累积的磷渗漏和土壤磷库(D)之间的关系。主要属的相对丰度表示为携带 phoD 的微生物总群落的百分比(E)RDA的箭头表示解释变量和响应变量之间的长度和角度,并反映它们的相关性。不同处理的样地用不同的颜色标记。RDA中的缩写:地表水的总磷(LTP)、可溶性磷(LDP) 和颗粒磷浓度 (LPP);土壤的总磷(STP)、速效磷(SAP) 和磷活化系数(SPAC)


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5、显示累积磷渗漏、土壤磷库、其他物理化学性质和phoD携带菌落特征之间的Pearson相关性分析。


本实验评估的土壤性质中,含磷群落组成、总碳含量、孔隙度和容重与累积的总磷和可溶性磷渗漏显著相关(图5)。可溶性磷渗漏与土壤pHEC和磷酸酶活性显著相关。phoD携带菌群的群落组成和丰度与颗粒磷渗漏最密切相关(图 5)。通过随机森林模型来构建磷损失和固定的可靠预测模型,结果发现,含phoD的群落组成对累积总磷和颗粒磷渗漏的平均预测重要性(MPI)最高,其次是总C含量、phoD基因丰度和土壤重(图6)。


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6、土壤理化性质、携带phoD的微生物特性和潜在磷酸酶活性的随机森林预测模型分析。


生物炭应用通过影响土壤 pH 值和碳库,或通过吸附可能形成 磷配合物的金属离子和有机成分,改变土壤 P 的吸附、解吸、沉淀和溶解过程。孔隙度、容重、pHEC、总碳含量、磷酸酶活性和携带phoD的微生物性状等土壤性质与土壤磷的储存和有效性显着相关(图5)。随机森林模型一致将上述变量确定为土壤磷储存和有效性的主要预测因子(图6)。因此,土壤总碳含量是生物炭改良土壤中磷储存和有效性的主要预测因子。生物炭驱动的土壤pH值增加,特别是高碱度的生物炭,是增加磷酸酶活性和随后增加磷有效性的另一种可能机制。土壤含磷微生物可以利用磷酸化化合物作为碳源,并通过磷酸酶的产生和活性将植物无法使用的磷矿化。因此,土壤磷酸酶活性也被确定为水稻磷有效性和动态的重要预测因子。


研究结论

添加 1-4% 的芦苇生物炭可以减轻化肥处理的稻田土壤径流和淋溶造成的磷损失。生物炭添加率从 1% 增加到 8% 导致土壤磷固定增强,4% 的量在提高土壤磷有效性方面可以达到类似的效果。用 1-4% 芦苇生物炭处理的土壤显示出磷酸酶活性增加,而磷酸酶活性随着施用量的增加而降低。芦苇生物炭的应用可以增加携带phoD的微生物的丰度和多样性,而增量与施用率关系不大。土壤含磷群落组成和总碳含量是磷淋失的主要预测因子,其次是phoD基因丰度和土壤pH值。土壤碳总量是土壤磷储存和有效性的主要预测因子,其次是土壤 pH 值和EC。本研究强调了研究施用率阈值以确保生物炭在提高磷可用性方面的有效性的重要性,特别是证明了携带磷酸酶的微生物对磷动力学的不可忽视的影响。

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