生物炭与干旱胁迫对冬小麦根际土壤理化性质及细菌群落的影响

陈佳欣,冯静怡,李 娟,刘 杨

(西北农林科技大学 农学院,陕西杨凌 712100)

小麦是中国重要农作物,其产量高低关乎中国粮食安全。干旱是中国小麦生产遭遇的主要自然灾害之一,缓解干旱胁迫对小麦生长发育的不利影响,对于小麦的高产稳产具有重要意义。生物炭是由不同种类的生物质在低氧或无氧条件下,高温热解(一般 400 ℃～700 ℃),产生的高含碳物质[1]。前人研究表明,施加生物炭可以提高土壤有机碳含量,改善土壤条件,从而调控作物的生长[2]。有研究发现,生物炭与植物的抗旱性密切相关。蒋太英等[3]的研究表明生物炭浸提液可以提高干旱胁迫下水稻幼苗的抗氧化能力。钱嘉文等[4]研究发现生物炭可以减轻土壤干旱胁迫对作物幼苗根系呼吸代谢功能的抑制作用。李鹏珍等[5]研究认为,0.5%～1%浓度的生物炭可以提高紫花苜蓿叶片光合效率,缓解干旱胁迫对其植株造成的伤害。Alharby等[6]也发现,生物炭可以减轻干旱胁迫对玉米水分吸收的不利影响。这些研究表明,生物炭能够缓解干旱胁迫对作物生长的抑制作用。

土壤微生物也影响植物抗旱性。研究表明,在干旱条件下,利用根际促生细菌和丛枝菌根处理能刺激植株根系的生长、提高植株含水量以及抗氧化和渗透保护能力,并通过此提高植物抗旱性[7-8]。生物炭施用显著影响土壤微生物群落多样性。邱云霄等[9]的研究表明,施加生物炭可以通过调控土壤微生物提高土壤养分含量。王清华等[10]的研究表明,添加生物炭提高了拟杆菌门(Bacteroidetess)和变形菌门(Proteobacteria)数量,降低了放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和螺旋体菌门(Saccharibacteria)的相对丰度,能够提高对氮素污染物的净化效果。Zheng等[11]研究发现,生物炭施用4 a后显著提高了稻田土壤细菌的多样性(Chao1、ACE 和 Shannon指数)。这些研究表明,生物炭对于土壤微生物群落组成及多样性具有显著影响。除此之外,前人研究发现,生物炭对植物系统抗性的诱导与其能够改变土壤微生物群落结构、增加土壤有益生物类群的丰度和活性有关[12]。

综合前人研究发现,生物炭和土壤微生物均能够改善干旱胁迫对植物生长的抑制作用,同时,生物炭显著影响土壤微生物群落结构及多样性。但是,干旱胁迫下生物炭对小麦生长的影响是否与土壤微生物群落结构及多样性有关,目前尚不明确。基于此,本研究选用连续施用10 a生物炭的麦田土壤为材料,在小麦苗期设置不同的水分处理,测定不同处理下小麦生长情况、利用细菌16S rDNA测序技术测定小麦根际土壤微生物群落结构及多样性,本试验的目的为探讨干旱胁迫下外源添加生物炭是否能够促进小麦生长,以及干旱胁迫下生物炭对小麦生长的调控是否与土壤微生物有关。

1 材料与方法

1.1 供试土壤来源

本研究所用土壤采自西北农林科技大学标本园区设置的生物炭长期定位试验,试验区位于108°24′E、 34°20′N,平均海拔 521 m,属暖温带季风性气候,年均日照时数2 196 h,年均气温11 ℃～13 ℃,无霜期 210 d,年均降雨量 500～600 mm。生物炭试验自2011年开始共施用生物炭2次,分别于 2011 年 10 月、2016年10月在冬小麦种植前将生物炭撒匀在土壤表面,用旋耕机翻 10 cm 混入耕层。生物炭设2个水平,分别为 0 kg/hm2(B0)、15 000 kg/hm2(B15),每一处理设置 3 次重复,小区面积 20 m2(5 m×4 m)。小麦季常规施肥纯氮量为 240 kg/hm2,施磷量为120 kg/hm2。所用肥料为尿素和磷酸二铵,均在播前一次性施入。其他管理同当地常规管理方式,处理间一致。生物炭是河南三利新能源公司用小麦秸秆为原料在 500 ℃ 厌氧热解条件下制备所得,其基本理化性质为有机碳含量 467.05 g/kg、全氮 5.90 g/kg、全磷 0.61 g/kg、全钾 26.03 g/kg、 钙 10.02 g/kg、 C/N 79.10、灰分含量 20.8%。本研究取各生物炭处理0～20 cm土层的土壤进行培养试验。供试土壤为壤土,土壤基本性质:粘粒 36.5%、粉粒 61.1%、砂粒 2.4%,0～20 cm土壤含有机质 14.09 g/kg、碱解氮 51.22 mg/kg、速效磷 7.61 mg/kg、速效钾 150.06 mg/kg、 pH为7.58。

1.2 试验设计

试验为裂区试验设计,主区为生物炭处理,设置不施生物炭、15 t/hm2生物炭2个生物炭施用量处理,副区为水分处理,在每种生物炭施用量下设置正常水分(土壤相对含水量75%～80%)、干旱胁迫(土壤相对含水量50%～55%)2个水分处理。小麦采用盆栽种植,盆钵直径和高度均为 30 cm。每个盆钵装5 kg土壤。以小麦品种‘西农979’为供试材料。在小麦3叶期开始进行水分处理,水分采用TDR-100水分仪进行测定,并计算灌溉量。每个处理种植10盆,重复3次。

1.3 土壤样品采集与测定

1.3.1 土壤理化性质 收集水分处理20 d后的小麦根际土壤样品用于土壤理化性质测定。参照文献[13]方法:采用复合电极在土壤质量与水(蒸馏水)体积之比为 1∶2.5时测量土壤pH,采用重铬酸钾—比色法测定土壤有机碳(SOC),采用凯氏定氮法测定全氮(TN),采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定全磷(TP),采用0.1 mol/L乙酸铵浸提—火焰分光光度法测定全钾(TK),硝酸盐氮(NN)用0.1 mol/L氯化钾(KCl)萃取,并用流动分析仪(AA3,德国SEAL Analytical)测定。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 26.0 软件对不同处理土壤理化性质、细菌群落多样性指数进行Duncan’s法多重比较(P<0.05)、双因素分析及Pearson相关分析。采用基于Bray-Curtis距离矩阵的非度量多维尺度分析(NMDS)和系统聚类树分析方法对细菌群落的β多样性差异进行分析。采用R语言的“vegan”包进行评价土壤环境因子对细菌群落结构的影响的冗余分析(redundancy analysis,RDA)。使用R中的“psych”软件包计算OTU相关系数矩阵,网络分析中的Spearman系数(ρ≥0.6或ρ≤-0.6,P<0.05)具有统计学意义。利用Gephi平台(Version 0.9.2) 绘制细菌共生网络,并计算网络节点和参数[15-16]。利用FAPROTAX(http://www.ehbio.com/ ImageGP/index.php/Home/Index/FAPROTAX.html) 对丰度大于0.1%的OTUs 进行细菌群落的生态功能预测。采用Origin 2021b软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水分和生物炭对土壤理化性质的影响

由表1得出,施用生物炭对土壤的化学性质存在极显著影响,而除了硝态氮含量的变化,水分处理对土壤化学特性的影响较小,另外,施用生物炭与水分的交互作用的影响几乎不表现显著性。具体而言,与CK相比,DS土壤的硝态氮含量显著降低29.30%;与CK和DS相比,CK+B和 DS+B的pH分别显著提高1.10和1.17,有机质含量分别增加39.42%和35.31%,以及硝态氮含量分别增加34.63%、26.18%。因此,施用生物炭对土壤的pH,有机质含量以及硝态氮含量影响更为明显。

表1 不同水分和生物炭处理下的土壤理化性质Table 1 Soil physical-chemical properties under different water and biochar treatments

2.2 水分和生物炭对土壤细菌群落组成的影响

经过质量筛选共获得1 222 666条高质量的16srRNA基因序列,基于97%相似性聚类,可分为3 949个OTU,共鉴定出37个门, 107纲、259目、420科、797属。在门水平上,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)为优势菌门(图1-a),平均相对丰度分别为58.25%、13.29%、7.36%、 6.62%、3.66%,占全部菌门的89.18%。与CK相比,DS处理显著降低了变形菌门的相对丰度,降幅为4.79%,DS处理增加了拟杆菌门和酸杆菌门的相对丰度值,增幅分别为0.97%和 1.86%。另外,CK+B和DS+B处理可较CK和DS处理分别降低了变形菌门的相对丰度1.86%和4.72%、增加了绿弯菌门的相对丰度1.05%和0.58%。在属水平上,假单胞菌属(Pseudomonas)、根瘤菌属(Allorhizobium)、肠杆菌属(Enterobacter)、戴沃斯菌属(Devosia)、寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)为优势菌属(图1-b)。与CK相比,DS处理显著降低了肠杆菌属和寡养单胞菌属,降幅为7.39%和0.94% ;显著增加了假单胞菌属和根瘤菌属,增幅为3.24%和 3.52%。CK+B和DS+B处理可较CK和DS处理分别增加了假单胞菌属的相对丰度15.14%和3.71%、降低了根瘤菌属、肠杆菌属的相对丰度4.27%和0.81%、5.01%和8.02%。

图1 不同水分和生物炭处理下的细菌门(a)和属(b)水平优势微生物的相对丰度Fig.1 Relative abundance of dominant microbial phyla(a) and genus(b) under different moisture and biochar treatments

2.3 水分和生物炭对土壤细菌群落多样性的 影响

由表2可知,干旱胁迫以及施生物炭措施显著增加细菌的OTUs,与CK相比,DS的OTU平均增加189个;与CK和DS相比,CK+B和DS+B的OTUs分别显著增加173和422个。此外,CK+B和DS+B的Chao1指数较CK和DS分别显著增加了4.04%和12.90%,而DS的Chao1指数、Shannon指数和Simpson指数较CK无显著差异。这表明施生物炭措施显著提高细菌的群落丰富度,且在干旱胁迫下的增幅更大。

表2 不同水分和生物炭处理下细菌群落的OTU数目及α多样性指数Table 2 Number of bacterial OTU and α diversity index under different water and biochar treatments

基于Bray-Curtis距离对所有样本进行聚类分析,结果表明CK和DS菌群之间的距离大于CK与CK+B和DS与DS+B菌群之间的距离(图2-a)。基于OTU的非度量多维尺度分析排序 (NMDS)分析也表明,不同水分和施生物炭处理的样品可明确分为四类(图2-b),且施生物炭的处理被NMDS1分在同侧,同一水分处理被分在轴NMDS2的同侧。这些结果表明,不同水分和生物炭处理对细菌群落的β多样性存在显著 影响。

图2 不同水分和生物炭处理下细菌群落层级聚类(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 水分和生物炭处理下细菌群落的共生网络分析

基于OTU水平上进行细菌共生网络分析,以描述细菌群落内成员关系的复杂性,结果表明DS较CK的网络拥有更低的节点数、边数、平均度(图3,表3),说明干旱降低了细菌群落的复杂性。而DS+B细菌网络结构较DS拥有更多的节点,边,平均度,较CK网络的拓扑性质变化较小,这表明施生物炭的土壤对细菌网络响应干旱胁迫时更稳定。因此,土壤细菌网络易受干旱胁迫的影响而降低网络的节点数和连通性,而施用生物炭则会缓解这一现象。

图3 基于相关性分析的细菌共发生网络Fig.3 Co-occurrence network of soil bacteria based on correlation analysis

表3 细菌共发生网络的拓扑属性Table 3 Topological properties of co-occurring bacterial networks

2.5 干旱胁迫下施用生物炭后冬小麦田土壤-微生物之间的关系

图4 基于细菌OTU水平的RDA分析Fig.4 RDA analysis based on bacterial OTU level

2.6 干旱胁迫下生物炭对土壤细菌群落潜在功能的影响

FAPROTAX功能预测结果显示,863个OTU(共3 949个OTU,注释率为21.85%)被注释到61个功能类群中。本研究重点关注了与碳和氮代谢相关的功能类群,其中注释到与碳代谢相关的功能群有10个,如芳香族化合物降解、纤维素水解、几丁质分解等(图5-a)。对结果进一步分析发现,DS提高了木聚糖、纤维素等较易分解碳作用,降低了木质素、几丁质、芳烃等惰性碳降解作用。相比DS,DS+B土壤细菌的纤维素水解和木聚糖分解作用增强。注释到与氮循环相关的功能群共有13个,如硝酸盐还原、固氮、硝化作用、反硝化作用等(图5-b)。本研究发现除硝酸盐还原、固氮作用、硝酸盐氧化和亚硝酸盐氧化作用外,干旱降低了其他所有与氮相关的功能群丰度,而施生物炭可以改善这一现象,即增加干旱土壤中微生物的硝化作用、反硝化作用、亚硝酸盐呼吸、好氧亚硝酸盐氧化等作用。

图5 FAPROTAX预测的细菌群落功能Fig.5 Functions of bacterial communities predicted by FAPROTAX

3 讨 论

生物炭是一种富含碳的有机添加剂,在改善土壤的物理、化学和微生物特性方面具有重要用途[17]。生物炭的施用已被发现是一种用于改善干旱土壤水文特性的一种可行的方法[18-19]。本研究也证实了干旱胁迫处理下,施生物炭可以提高土壤pH及有机质和硝态氮含量(表1)。这些变化则能够影响微生物菌群结构,进而影响微生物菌群在土壤元素地球化学循环中的重要功能[20-21]。

4 结 论

干旱胁迫下施生物炭显著提高土壤pH、有机质含量、硝态氮含量。干旱和施生物炭处理下小麦根际细菌的主要优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Verrucomicrobia)、酸杆菌门(Acidobacteria)。干旱胁迫下施生物炭显著提高变形菌门(Proteobacteria)、降低绿弯菌门(Verrucomicrobia)以及酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度。分析土壤性质对细菌群落的影响表明土壤pH、有机质、硝态氮含量是影响细菌群落的3个关键驱动因素。PICRUSt2预测结果表明施生物炭可以增加微生物在干旱土壤中的纤维素水解、木聚糖分解,以及硝化作用、反硝化作用、亚硝酸盐呼吸、好氧亚硝酸盐氧化作用。