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編譯：微科盟小兵，編輯：微科盟居居、江舜堯。
微科盟原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載須注明來源《微生態(tài)》公眾號。 導(dǎo)讀生物炭的施用影響土壤微生物群落。然而，生物炭在退化黑土修復(fù)中的協(xié)同作用研究較少，特別是土壤團聚體介導(dǎo)的微生物群落變化對土壤質(zhì)量的改善作用。本研究從土壤團聚體的角度，探討了大豆秸稈生物炭在東北黑土修復(fù)中的潛在微生物驅(qū)動機制。結(jié)果表明，生物炭顯著提高了土壤有機碳、陽離子交換能力和水分含量，對土壤團聚體穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。相比微團聚體(MI；<0.25 mm)，生物炭的添加顯著提高了大團聚體(ME；0.25-2 mm)中細菌群落的含量。微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析表明，生物炭增強了微生物間的相互作用，尤其是在ME中。16S rRNA測序預(yù)測顯示，添加生物炭后，與碳(rbcL、acsA、gltS、aclB、mcrA)和氮(nifH、amoA)轉(zhuǎn)化相關(guān)的基因表達增加。此外，參與碳固定(厚壁菌門和擬桿菌門)和硝化作用(變形菌門)的功能微生物顯著富集，是碳氮動力學(xué)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)分析進一步表明，施用生物炭促進土壤團聚體正向調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的豐度，從而提高土壤養(yǎng)分含量和酶活性。這些結(jié)果為生物炭添加促進土壤恢復(fù)的機制提供了新的見解。 
原名：Insight into the soil aggregate-mediated restorationmechanism of degraded black soil via biochar addition: Emphasizing the drivingrole of core microbial communities and nutrient cycling 譯名：通過生物炭添加了解土壤團聚體介導(dǎo)的退化黑土恢復(fù)機制：強調(diào)核心微生物群落和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動作用 期刊：Environmental Research IF：8.3 發(fā)表時間：2023.4 通訊作者：侯寧，李大鵬 通訊作者單位：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 DOI號：10.1016/j.envres.2023.1158951 生物炭對退化土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響本研究以自然退化黑土為對照(CK)組，測定了生物炭改良黑土的5種理化性質(zhì)(土壤團聚體、含水量、pH、CEC和電導(dǎo)率(EC))和2種酶活性(蔗糖酶和脲酶)(圖1；圖S1)。與CK相比，生物炭處理顯著增加了土壤團聚體的含量(圖1a)。實驗(BC)組中，R3和R6組土壤ME含量分別為34.89%和38.43%，分別比CK組高13.29%和16.68% (p < 0.001)。此外，BC組MI含量呈下降趨勢(圖1b)。因此，添加生物炭可以有效地提高土壤的吸附能力，從而提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，添加生物炭對苗期(VE)玉米土壤含水量無顯著影響。而在BC組中，拔節(jié)期(V6)、灌漿期(R3)和成熟期(R6)組土壤水分含量分別為31.6%、29.3%和24.6%，分別比CK組高8.4%、3.9%和2.8%(圖S1a)。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以增加土壤孔隙度，提高土壤吸附能力和土壤含量。BC組土壤pH值(pH = 6.57±0.14)在V6期顯著高于CK組，與其他生長期相比差異顯著(p < 0.05)(圖S1b)。主要原因是生物炭中含有碳酸鹽，而碳酸鹽能結(jié)合土壤溶液中的氫離子，提高土壤pH，因此生物炭能有效改善退化土壤的弱酸性環(huán)境。如圖S1c所示，BC組VE、V6、R3和R6的土壤CEC值分別為25±4.2、26.35±3.9、28.54±2.1和27.19±1.5 cmol/kg，分別比CK組高32.9%、42.1%、43.56%和26.18%。BC土壤中CEC較高是由于生物炭中CEC較高，這可能與含氧官能團的存在有關(guān)。因此，在退化土壤中施用生物炭可以通過提高CEC和養(yǎng)分有效性來提高土壤肥力。BC組玉米各生長階段的土壤EC值分別為82±5.7(VE)、62.6±2.1 (V6)、61.3±4.6 (R3)和57±1.3 (R6) mS/m，與CK組相比分別增加了41.4%、31.9%、32.6%和35.7%(圖S1d)。由于生物炭釋放無機離子(K+、Ca2+、Mg2+)到土壤溶液中，使土壤含鹽量增加。土壤電導(dǎo)率在施用初期(VE)達到最大值，這可能與生物炭本身無機離子含量較高有關(guān)。總體而言，如圖S1e和f所示，玉米VE期土壤蔗糖酶活性和脲酶活性在BC組和CK組之間無顯著差異(p> 0.05)。結(jié)果表明，土壤蔗糖酶作為關(guān)鍵的水解酶，能夠水解土壤中的蔗糖，增加土壤養(yǎng)分。本研究中，與CK相比，BC組在V6、R3和R6的土壤蔗糖酶活性分別提高了10.3%、6.1%和2.5%。Akhtar等人發(fā)現(xiàn)土壤蔗糖酶主要與土壤含水量有關(guān)，土壤含水量與土壤蔗糖酶活性成正比。在本研究中，BC組在V6和R3的土壤脲酶活性分別提高了9.5%和4.7%。這一結(jié)果證實了Amoakwah等人先前的研究。這可能是由于生物炭的添加增加了土壤中參與氮利用的脲酶活性。而在BC組R6時，土壤脲酶活性比CK組低2.2%。這可能是由于土壤有機氮含量的降低顯著抑制了土壤脲酶活性。在本研究中，蔗糖酶和脲酶活性對生物炭的響應(yīng)增加，表明生物炭可以提高土壤肥力。因此，添加生物炭不僅可以顯著提高土壤團聚體的穩(wěn)定性和粘結(jié)性，還可以為土壤酶提供物理保護，改善土壤養(yǎng)分。Zhang等人發(fā)現(xiàn)草地土壤在放牧侵蝕過程中，隨著土壤團聚體穩(wěn)定性的降低，土壤脲酶活性顯著降低。  圖1 生物炭處理下苗期(VE)、拔節(jié)期(V6)、灌漿期(R3)和成熟期(R6)土壤大團聚體(a)和微團聚體(b)水平。5個豐度最高的優(yōu)勢屬分別為Flavisolibacter(10.5% ~ 26.2%)、Massilia(5.1% ~ 12.1%)、Ramlibacter(1.3% ~ 11.9%)、Bacillus(2.4% ~ 6.5%)和Nitrosospira(1.8% ~ 7.5%)(圖2b)。與CK處理相比，BC處理顯著增加了Flavisolibacter、Massilia、Ramlibacter、Bacillus和Nitrosospira的RAs。Bradyrhizobium和Chryseobacterium的RAs顯著降低。此外，土壤團聚體大小對各種細菌的RAs有顯著影響，不同團聚體中Flavisolibacter、Massilia、Ramlibacter、Bacillus和Nitrosospira的RA趨勢為BCME > BCMI > CKME > CKMI。團聚體中微生物群落的豐度通常在不同團聚體中分布不同，表明微生物群落在擾動下傾向于特定的生態(tài)位。在ME中，BCME處理的生物標志物是Flavisolibacter和Massilia(圖2b)。由于本研究中大部分生物炭儲存在ME中，提高養(yǎng)分有效性導(dǎo)致Flavisolibacter和Massilia的RAs增加。同樣，在BCME處理下，Ramlibacter和Bacillus的RAs升高。其他研究發(fā)現(xiàn)，碳改良土壤中含有豐富的Ramlibacter和Bacillus?？傮w而言，生物炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有重要影響。這是由于生物炭的高孔隙度，它可以提供棲息地，通過增加土壤通氣性和保水能力來促進土壤細菌的生長。研究發(fā)現(xiàn)，Flavisolibacter和Bacillus可以增加碳相關(guān)官能團，進一步增加碳固存。此外，Ramlibacter和Massilia是與對抗活性氧毒性的防御機制相關(guān)的微生物。在本研究中，在生物炭應(yīng)用的背景下，Ramlibacter和Massilia的增加可能表明植物的抗氧化系統(tǒng)被激活?？偟膩碚f，施用生物炭后，土壤中豐富的細菌種群是有益的。特別是生物炭的施用可以防止氮的反硝化損失，促進碳的固定，提高土壤養(yǎng)分含量。  共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析進一步表明變形菌是生物炭處理和團聚體中最重要的類群。變形菌也被稱為快速生長的共生細菌，更喜歡富含碳的環(huán)境，并且會利用更可能存在于SOM中的復(fù)雜碳底物。厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門作為豐度較低的細菌類群，也隨著生物炭的添加而發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)，變形菌門和厚壁菌門是固氮最重要的貢獻者，因為它們參與了氮循環(huán)，從而增加了土壤中TN的含量。與土壤碳氮循環(huán)相似，放線菌通常是土壤磷循環(huán)中的優(yōu)勢類群。從平均度和模塊化程度來看，BCME處理的微生物相互作用最強。總體而言，施用生物炭可以提高黑土微生物群落的復(fù)雜性和相互作用程度。 圖3 大團聚體和微團聚體微生物群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)：(a) CKMI，(b) CKME，(c)BCMI和(d) BCME。在門水平上進行相關(guān)性分析，每個連接都代表了極強的(Spearman's R > 0.6)和顯著的(p < 0.01)相關(guān)性。紅線表示顯著正相關(guān)，藍線表示顯著負相關(guān)。 6 土壤團聚體的穩(wěn)定性影響土壤性質(zhì)和微生物群落如圖4所示，從微生物角度來看，Flavisolibacter和Massilia與土壤團聚體呈極顯著正相關(guān)(p < 0.01)。結(jié)果表明，生物炭的添加提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性，從而促進了Flavisolibacter和Massilia的存活，這與Ren等人的研究結(jié)果一致。ME生態(tài)位也為關(guān)鍵物種Flavisolibacter和Massilia的生長提供了良好的好氧微生境。與CK組相比，ME中Ramlibacter和Bacillus與土壤團聚體呈負相關(guān)，與生物炭添加量呈顯著正相關(guān)(p< 0.05)。Lian等人發(fā)現(xiàn)在富SOC土壤中，Ramlibacter和Bacillus的RAs對C的響應(yīng)較強，其RAs呈顯著上升趨勢。施用生物炭增加了土壤中SOC含量，為土壤微生物活動提供了C源。我們推測微生物活性和代謝強度的抑制主要是由于黑土的降解，這與Qu等人的研究一致。Caesar-TonThat等人發(fā)現(xiàn)，在大麥土壤ME中，Chryseobacterium穩(wěn)定土壤和提高團聚體強度的能力最強，這與本研究的結(jié)果相似。在生物炭修復(fù)過程中，由于生物炭含有豐富的碳酸鹽，促進土壤中的氫離子與這些碳酸鹽結(jié)合，提高了土壤pH值，改善了退化土壤的弱酸性環(huán)境，使其成為微生物適宜的生存環(huán)境。生物炭的添加導(dǎo)致土壤水分含量、CEC與土壤團聚體之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，因為土壤礦物質(zhì)與生物炭的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)形成了復(fù)雜的關(guān)系，這有利于退化土壤恢復(fù)過程中團聚體的形成。此外，添加生物炭使土壤養(yǎng)分與團聚體呈顯著正相關(guān)，促進了土壤SOC、TN、TK和TP的增加。事實上，土壤性質(zhì)的變化也直接影響微生物群落。圖4 (a)微團聚體和(b)大團聚體土壤特性和主要微生物群落的響應(yīng)。內(nèi)環(huán)方向呈負相關(guān)，外環(huán)方向呈正相關(guān)(*p< 0.05；**p < 0.01；***p< 0.001)。7 C和N轉(zhuǎn)化相關(guān)基因的變化為了進一步研究添加生物炭對參與碳和氮循環(huán)的微生物的影響，我們進行了PICRUSt分析，共發(fā)現(xiàn)21個預(yù)測基因存在差異表達(圖5)。其中，篩選出5個與C固定相關(guān)的功能基因，10個與C降解途徑相關(guān)的功能基因(圖S5)，6個與N循環(huán)相關(guān)的功能基因(圖S6)。土壤團聚體核心菌群對碳氮轉(zhuǎn)化功能基因有較大影響。如圖S5所示，與CK相比，生物炭處理明顯改變了退化土壤中碳的固定。與CKMI組相比，BCMI組核酮糖二磷酸羧化酶(rbcL)、谷氨酸合成酶(gltS)和ATP-檸檬酸裂解酶(aclB)基因的相對表達量分別提高了22.47%、53.87%和86.73%。一氧化碳脫氫酶(acsA)和甲基輔酶M還原酶(mcrA)基因的相對表達量分別為1.04×10?4%和7.2×10?5%，分別比CKMI組低8.3%和18.13%。而對于土壤ME，生物炭使acsA、gltS和mcrA的相對表達量分別提高了26.74%、81.25%和41.35%(圖S5a)。結(jié)果表明，在退化土壤恢復(fù)過程中，生物炭促進了土壤團聚體中微生物對碳的固存。這是因為土壤碳循環(huán)過程主要受微生物養(yǎng)分供需的控制。生物炭將養(yǎng)分物質(zhì)釋放到土壤中，導(dǎo)致微生物快速生長；而固碳微生物(變形菌)在根際土壤中迅速生長，在與其他微生物的競爭中其RA上升。這是生物炭處理后土壤有機碳含量增加的主要原因。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭改良土壤中的微生物還可以產(chǎn)生更多的細胞團，更有效地利用碳，從而進一步增加土壤中有機碳的保持。此外，施用生物炭降低了ME中碳降解相關(guān)基因的表達，抑制了碳的降解(圖S5b)。這是因為生物炭中含有大量抗生物降解的芳香族化合物。與此相反，生物炭促進了MI中碳的降解，可能的原因是生物炭通過其多孔結(jié)構(gòu)刺激植物分泌根系分泌物，增加了根際不同微生物群落之間的相互作用。Morrien等人發(fā)現(xiàn)，土壤微生物之間網(wǎng)絡(luò)連通性的增加可能會增加細菌對不穩(wěn)定碳的降解速率。α-淀粉酶是一種重要的水解酶，在土壤中廣泛分布。在本研究中，添加生物炭可有效提高BCME和BCMI處理中amy基因的相對表達，促進淀粉向葡萄糖的降解。此外，與果膠和半乳糖降解相關(guān)的果膠降解抑制蛋白酶(kdgR)和多聚半乳糖醛酸酶(pgl)基因的相對表達量增加，這增加了ME中葡萄糖的含量。葡萄糖等低分子量有機物質(zhì)被會加速C循環(huán)，這可能是由于微生物的周轉(zhuǎn)。同樣，生物炭的添加促進了BCME和BCMI處理中纖維素和半纖維素的降解。這些結(jié)果表明，生物炭可以促進養(yǎng)分物質(zhì)(葡萄糖和單糖)的分泌，從而促進土壤微生物對其降解和轉(zhuǎn)化。值得注意的是，幾丁質(zhì)是土壤中的一種難降解的農(nóng)業(yè)廢棄物，并被用作有機質(zhì)礦化程度的標志。在本研究中，生物炭促進了BCME和BCMI處理中外源幾丁質(zhì)酶基因(csxA)的相對表達。因此，生物炭可以用來降解土壤中的污染物。在生物炭處理中，生物炭中碳的復(fù)雜降解形式導(dǎo)致擬桿菌的RA顯著增加?？傮w而言，對于碳循環(huán)，生物炭本身對碳功能基因的豐度有促進作用。土壤ME和MI中碳固定和降解的差異促進了退化黑土中碳的中和作用。如圖S5c所示，土壤團聚體主要包括4種微生物碳固定途徑(Calvin循環(huán)、還原乙酰輔酶A途徑、三羧酸循環(huán)和3-羥基丙酸雙循環(huán))。與MI相比，添加生物炭后，ME中參與Calvin循環(huán)的基因豐度顯著增加，而MI中乙酰輔酶A還原途徑和3-羥基丙酸循環(huán)的基因豐度增加。值得一提的是，土壤MI和ME均促進了三羧酸循環(huán)。由于生物炭通過影響碳循環(huán)中的微生物多樣性間接破壞了土壤的生態(tài)過程，因而對土壤MI和ME的影響不同。土壤微生物對環(huán)境十分敏感。因此，生物炭的添加可能會影響功能微生物對碳源的選擇和利用，促進有機物的更新和循環(huán)。氨氧化是氮循環(huán)中硝化作用的第一步，也是限速步驟。BCME和BCMI處理的amoA含量高于CK組(圖S6a)。這與放線菌RA的增加有關(guān)。研究表明，土壤團聚體中的放線菌與氨氧化細菌(AOB)呈正相關(guān)。攜帶amoA基因的AOB可能參與了氨氧化。此外，在BCME和BCMI處理后，nifH基因的相對表達量顯著增加。結(jié)果表明，生物炭上調(diào)了硝化相關(guān)基因的表達，促進了有機氮的礦化，這一結(jié)果與Yin等人關(guān)于氮相關(guān)基因表達與生物炭相關(guān)性的研究結(jié)果相似。反硝化作用是NO3?逐漸還原為NO2?、NO、N2O，最后還原為N2(圖S6b)。具體來說，脫氮途徑是由基因編碼的一系列還原酶(norB、norC、nosZ和nasA)驅(qū)動的。BCME和BCMI處理抑制了反硝化細菌的活性，降低了氮素排放和氮素損失。Wu等人發(fā)現(xiàn)施用生物炭對預(yù)測的氮循環(huán)基因有積極影響，但對nrfA基因的表達沒有顯著影響。核心微生物影響退化土壤恢復(fù)過程中碳氮轉(zhuǎn)化的功能基因。從圖5可以看出，CKMI和CKME處理下的碳和氮轉(zhuǎn)化主要受變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門的調(diào)控(圖5a和b)。變形菌門作為反硝化細菌，可以抑制土壤中N2O的大量排放。厚壁菌門和擬桿菌門在調(diào)節(jié)退化黑土恢復(fù)過程中的碳氮循環(huán)中發(fā)揮了重要作用(圖5c和d)。Zhang等人和Wang等人的研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭促進了土壤團聚體的穩(wěn)定性，增加了變形菌門和擬桿菌門的RAs，促進了碳氮循環(huán)。這可以解釋為什么施用生物炭后與碳氮循環(huán)相關(guān)的基因比CK組更豐富。早期研究表明，生物炭是一種優(yōu)良的土壤改良劑，可以改變土壤理化性質(zhì)、微生物生境和微生物群落豐度，從而調(diào)節(jié)碳、氮循環(huán)和周轉(zhuǎn)。 圖5 在(a) CKMI、(b) CKME、(c)BCMI和(d) BCME處理中與碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物(細菌RA)及其轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因之間的相關(guān)性。紅色方塊代表正相關(guān)，藍色方塊代表負相關(guān)。紅線表示顯著正相關(guān)，藍線表示顯著負相關(guān)(*p < 0.05；**p < 0.01)。土壤團聚體和微生物結(jié)構(gòu)是改善退化黑土質(zhì)量的重要因素。然而，添加生物炭后，土壤團聚體是否會增加土壤微生物多樣性、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分，從而改善土壤性質(zhì)，提高土壤碳氮含量，目前尚不清楚。在退化黑土的恢復(fù)過程中，生物炭的應(yīng)用也對土壤團聚體的組成及其所含微生物有一定的影響(圖6)。CK組通徑分析(圖6a)表明，土壤團聚體增加了微生物的多樣性，有利于微生物的生存。此外，土壤團聚體與土壤碳氮循環(huán)、土壤性質(zhì)和養(yǎng)分均呈顯著正相關(guān)。上述結(jié)果表明，提高土壤團聚體穩(wěn)定性和微生物富集可促進土壤碳氮循環(huán)，改善土壤性質(zhì)和養(yǎng)分，促進退化黑土的改良。此外，土壤團聚體和土壤性質(zhì)對土壤酶活性有負向影響，說明退化黑土本身的恢復(fù)過程相對緩慢，在缺乏修復(fù)措施的情況下，土壤養(yǎng)分和酶活性較低。添加生物炭過程的通徑分析如圖6b所示。與CK通徑分析相比，土壤團聚體與微生物多樣性、土壤碳氮循環(huán)呈顯著正相關(guān)。生物炭的添加改變了土壤微生物的結(jié)構(gòu)，增加了微生物的多樣性，從而改善了土壤碳氮循環(huán)。BC處理組土壤團聚體與土壤酶活性呈正相關(guān)。Wang等人的研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以通過釋放有機質(zhì)和增加微生物多樣性來改善土壤質(zhì)量。在本研究中，生物炭作為一種高效的土壤改良劑，可以提高土壤團聚體的穩(wěn)定性，為土壤微生物的生長提供適宜的環(huán)境，提高土壤酶活性和養(yǎng)分，促進退化黑土的恢復(fù)和管理。 圖6 SEM顯示生物炭對退化土壤恢復(fù)過程中土壤團聚體、微生物多樣性、理化性質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)的影響：(a) CK和(b) BC。灰色線條表示無顯著性(p > 0.05)。紅線表示正相關(guān)，藍線表示負相關(guān)(*p< 0.05；**p < 0.01；***p< 0.001)。這些數(shù)字反映了標準化路徑系數(shù)。 本研究評估了生物炭對退化黑土的修復(fù)作用，并從土壤團聚體水平對其潛在機制進行了評價。添加生物炭有利于土壤團聚體的改善。與對照相比，R3和R6的MI分別降低了8.52%和11.73%，ME分別增加了13.29%和16.68%。本研究結(jié)果提供了明確的證據(jù)，表明生物炭正向調(diào)節(jié)與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物的豐度，最終增加土壤養(yǎng)分和酶活性。此外，添加生物炭有利于參與碳固定(厚壁菌門和擬桿菌門)以及硝化作用(變形菌門和放線菌門)的功能微生物生長，從而促進碳氮的積累。生物炭的加入使微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，表明生物炭可能是改變微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。本研究強調(diào)了添加生物炭可調(diào)控土壤團聚體、土壤性質(zhì)、養(yǎng)分、酶活性和微生物群落，從而間接恢復(fù)退化黑土。這些研究結(jié)果為制定減少碳氮排放、提高土壤質(zhì)量的策略以及了解生物炭改良退化黑土的恢復(fù)機制提供了有益的見解。原文鏈接： https://www./science/article/pii/S0013935123006874 獲取原文pdf： https://mp.weixin.qq.com/s/7kkXn7qzMs8UU29fJECmkw
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