張燕林 黃彩鳳 包明琢 周垂帆 何宗明

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院 人工林可持續(xù)經(jīng)營福建省高校工程研究中心 福州 350002)

杉木(Cunninghamialanceolata)由于生長(zhǎng)快、材質(zhì)好、產(chǎn)量高，是我國南方重要的用材樹種。但近些年來杉木人工林經(jīng)營普遍出現(xiàn)了退化，即產(chǎn)量隨栽植代數(shù)增加而遞減，嚴(yán)重影響杉木人工林持續(xù)經(jīng)營，這主要是由土壤質(zhì)量下降導(dǎo)致的(夏麗丹等,2018)。Yu等(2017)研究指出杉木連栽會(huì)導(dǎo)致土壤pH值、有效磷等含量下降；劉麗等(2013)研究表明，杉木土壤細(xì)菌多樣性及豐度隨栽植代數(shù)增加不斷下降，影響了養(yǎng)分歸還效率；Liu等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量及群落多樣性隨連栽而降低。因此，如何緩解杉木人工林地力衰退，改善杉木林土壤質(zhì)量，已成為森林經(jīng)營研究的熱點(diǎn)之一。

生物炭是農(nóng)作物秸稈、木材、采伐枝葉、動(dòng)物糞便等生物質(zhì)在300～700 ℃的高溫厭氧條件下熱解產(chǎn)生的一種多孔碳質(zhì)材料(Quanetal.,2020)。多數(shù)研究表明，生物炭不僅可用于污染土壤修復(fù)，還能提高土壤肥力、改良酸性土壤、促進(jìn)作物生長(zhǎng)(Farrelletal.,2013)，生物炭作為一種新型改良劑，在農(nóng)田土壤中的效益已得到了許多認(rèn)證并廣泛應(yīng)用。微生物群落能快速響應(yīng)土壤環(huán)境變化，對(duì)土壤質(zhì)量變化有重要指示作用，因此也受到研究者廣泛關(guān)注(Klimeketal.,2015)。胡華英等(2019a)研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭能有效提高杉木人工林土壤有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量，同時(shí)還會(huì)引起細(xì)菌群落變化。Li等(2019)研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭促進(jìn)了杉木人工林凋落物分解，減少了土壤有機(jī)碳礦化。Zhou等(2020)研究也發(fā)現(xiàn)，杉木葉制成的生物炭顯著提高了杉木林土壤全磷和速效磷含量，同時(shí)也增加了土壤細(xì)菌多樣性。然而，生物炭用于我國南方環(huán)境中會(huì)在降雨、土壤酸化等其他生物與非生物因子的長(zhǎng)期干擾下發(fā)生老化，這會(huì)導(dǎo)致其自身理化性質(zhì)改變，如降低其自身的芳香性、pH值、灰分含量，增加含氧官能團(tuán)的表面密度等(林慶毅等,2017;Renetal.,2016;Liuetal.,2019)。目前對(duì)生物炭在杉木林土壤質(zhì)量改良方面的研究已取得了一定進(jìn)展，但應(yīng)用的生物炭在經(jīng)歷長(zhǎng)期老化后對(duì)杉木林土壤養(yǎng)分及微生物群落組成等的作用鮮有報(bào)道，這限制了對(duì)生物炭在杉木林土壤中長(zhǎng)期使用效果的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也限制了生物炭在杉木林經(jīng)營中的使用。

有鑒于此，本研究依據(jù)杉木人工林生長(zhǎng)區(qū)降雨多及土壤酸化日益嚴(yán)峻的特點(diǎn)，對(duì)生物炭進(jìn)行水洗和酸化處理，以此模擬生物炭在自然環(huán)境中的老化。基于高通量測(cè)序技術(shù)，研究生物炭老化前后對(duì)土壤微生物群落組成的影響，分析土壤主要養(yǎng)分狀況，探究生物炭不同處理下對(duì)土壤主要養(yǎng)分與主要微生物群落組成的影響及其相互作用機(jī)制。深入認(rèn)識(shí)生物炭及其老化對(duì)杉木人工林土壤性質(zhì)的影響，為我國南方紅壤林地的生物炭長(zhǎng)期使用提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)緩解杉木人工林連栽生產(chǎn)力下降有重要理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及其制備 土壤樣品采自福建省南平市王臺(tái)鎮(zhèn)第2代杉木人工林(117°57′E，26°28′N)的酸性紅壤。于第2代杉木人工林林分內(nèi)設(shè)置一個(gè)20 m × 20 m的樣地，依據(jù)“S”形取樣法采集多點(diǎn)0～20 cm土層的土樣，將土樣充分混合過2 mm篩，經(jīng)自然風(fēng)干后保存?zhèn)溆?。同時(shí)以在同一樣點(diǎn)采集的杉木葉為原料，洗凈后在80 ℃下干燥，磨碎過1 mm篩，將制備的杉木葉粉末置于600 ℃的馬弗爐中進(jìn)行4 h的缺氧炭化，升溫速率為20 ℃·min-1，待其冷卻后即可獲取600 ℃生物炭(biochar,BC)(Lietal.,2019)。將80 g BC與1 L的超純水混合液在70 ℃的溫度下保持6 h后分3次用1 L的超純水淋洗，每次間隔2 h，烘干后即可獲取水洗老化生物炭(washed aged biochar,WBC)(林慶毅等,2017)。另取BC 80 g，將其與500 mL 20%的H2O2混合并進(jìn)行1天的振蕩后重新加入等量的20% H2O2進(jìn)行2天的氧化，烘干后即可獲取酸化老化生物炭(acidified aged biochar,OBC)(文方園等,2016)。通過測(cè)定BC、WBC和OBC的基本性質(zhì)，得到對(duì)應(yīng)的pH值為10.34±0.01、10.03±0.01、9.63±0.02，灰分含量為21.72%±0.17%、10.46%±0.64%、9.48%±0.05%，速效鉀含量為(1 414.20±13.11)、(1 098.80±17.47)、(1 020.40±12.00)mg·kg-1，全碳含量為(562.00±10.21)、(680.30±1.01)、(665.73±0.39)mg·kg-1，全氮含量為(19.80±0.23)、(20.13±0.23)、(21.07±0.18)mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)處理 向供試土壤中分別以3%的比例加入制備的3種生物炭，同時(shí)設(shè)置一組對(duì)照，即共有4組處理，具體為：1)土壤中未加生物炭，對(duì)照組(CK)；2)土壤中加入3%的BC；3)土壤中加入3%的WBC；4)土壤中加入3%的OBC。每組處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，將樣品置于25 ℃、黑暗的培養(yǎng)箱中進(jìn)行150天的培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每隔2～3天對(duì)樣品進(jìn)行稱重補(bǔ)水以維持土壤濕度為田間持水量的60%。培養(yǎng)結(jié)束后取部分土樣用于理化性質(zhì)測(cè)定，另一部分置于-80 ℃下保存，用于土壤微生物群落組成的分析。

1.3 土壤pH值及主要養(yǎng)分含量測(cè)定 以不含CO2的蒸餾水為提取液，按1∶2.5的固液比獲取懸浮液后用pH計(jì)測(cè)定pH值；使用全自動(dòng)微量分析儀(VARIO MAX 德國ELEMENTAR)測(cè)定土壤全碳(TC)和全氮(TN)含量；以 1 mol·L-1CH3COONH4為提取液，按1∶10的固液比進(jìn)行浸提后用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定速效鉀(AK)含量；以 2 mol·L-1的KCl溶液按1∶10的固液比進(jìn)行浸提后使用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量，同時(shí)取部分上清液過0.45 μm濾膜后用總有機(jī)碳(總氮)分析儀(SHIMADZU TOC-VCPH/CPN Analyzer 日本島津)測(cè)定溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)和溶解性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen,DON)含量。

1.4 土壤微生物性質(zhì)測(cè)定 從新鮮土樣中提取DNA后，利用特異性引物擴(kuò)增細(xì)菌16S rDNA基因的V3—V4區(qū)(引物序列為：ACTCCTACGGG AGGCAGCAG；GGACTACHVGGGTWTCTAAT)(Jiaoetal.,2016)以及真菌ITS1基因的ITS1—ITS2區(qū)(引物序列為CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA；TGCGTTCTTCATCGATGC)(Schochetal.，2012)。兩者的擴(kuò)增反應(yīng)體系均由1 μL Forward Primer (5 μmol·L-1)、1 μL Reverse Primer (5 μmol·L-1)、3 μL BSA (2 ng·μL-1)、12.5 μL 2×Taq Plus Master Mix、7.5-X μL ddH2O和30 ng模版DNA組成。反應(yīng)程序?yàn)樵?4 ℃保持5 min進(jìn)行預(yù)變性后，在94 ℃保持30 s進(jìn)行變性、55 ℃保持30 s進(jìn)行退化、72 ℃保持30 s進(jìn)行延伸這一流程中循環(huán)28次，最后在72 ℃保持7 min進(jìn)行延伸(Zhouetal.,2020)。完成PCR擴(kuò)增獲取擴(kuò)增產(chǎn)物后將同一樣本的產(chǎn)物進(jìn)行混合，利用2%的瓊脂糖凝膠電泳對(duì)混合后的產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)后交由北京奧維森科技有限公司使用 Illumina Misep PE300測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析 測(cè)序完成后過濾掉堿基質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20的序列，使用Trimmomatic和Pear軟件過濾50 bp以下的序列并進(jìn)行拼接，最后使用usearch軟件去除嵌合體和短序列從而獲取有效序列(Haasetal.，2011;Wangetal.,2007)。使用uparse軟件(usearch v10.0.420)對(duì)所有的有效序列按照97%的相似度進(jìn)行操作分類單元(operational taxonomic units,OTUs)的劃分(Edgar,2013)。分別使用Silva(Release128 http:∥www.arb-silva.de)和Unite (Release 7.2 http:∥unite.ut.ee/index.php)數(shù)據(jù)庫完成對(duì)細(xì)菌和真菌分類信息的注釋(Quastetal.,2012;K?ljalgetal.,2013)。使用SPSS 19.0軟件對(duì)土壤養(yǎng)分和主要優(yōu)勢(shì)微生物的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析，采用最小顯著性差異法LSD分析不同處理間的顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭處理對(duì)土壤pH值及主要養(yǎng)分含量的影響 不同生物炭處理下的土壤pH值及主要養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果見圖1。老化前后生物炭的添加均能顯著提高土壤pH值及速效鉀(available potassium,AK)、全碳(total carbon,TC)、全氮(total nitrogen,TN)等的含量，其中BC對(duì)土壤pH值和AK含量的促進(jìn)效果與老化生物炭相比更顯著，而對(duì)土壤TC的促進(jìn)效果卻不及老化生物炭。與CK相比，添加BC能顯著提高土壤DOC含量(323.13 mg·kg-1)，而WBC和OBC處理的土壤DOC含量卻顯著降低，分別為236.80和239.43 mg·kg-1。與CK相比,OBC處理顯著降低了土壤DON含量，低至56.71 mg·kg-1。此外，老化前后生物炭的添加對(duì)土壤NH4+-N和NO3--N含量的影響也不同。與CK相比，BC添加顯著增加了土壤NO3--N含量，WBC添加顯著增加了土壤NH4+-N含量，而OBC添加對(duì)土壤NH4+-N和NO3--N含量均無顯著影響。

圖1 不同處理下的土壤pH值及主要養(yǎng)分含量Fig.1 Soil pH-value and main nutrient content under different treatments圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)，同一圖中不同小寫字母表示呈顯著差異性(P<0.05)。The data in the figure was mean ± standard error (n=3),bars with different letters are significantly different (P<0.05).

2.2 生物炭處理對(duì)土壤微生物群落組成的影響 將測(cè)序所得的有效序列按97%的相似度進(jìn)行OTU的劃分后整理繪制的韋恩圖(圖2)。由圖2A可知，在4組處理中檢測(cè)到的土壤細(xì)菌總OTU數(shù)為2 773，其中CK有1 647個(gè)、BC處理有1 713個(gè)、WBC處理有2 050個(gè)、OBC處理有2 133個(gè)，CK、BC、WBC和OBC處理的土壤中特有的OTU數(shù)分別為157、123、104和202個(gè)，表明生物炭老化前后均能增加土壤細(xì)菌物種數(shù)。從圖2B可知，檢測(cè)到的土壤真菌OTU數(shù)共有1 893個(gè)，其中CK有936個(gè)、BC處理有930個(gè)、WBC處理有949個(gè)、OBC處理有1 299個(gè)。CK、BC、WBC和OBC處理土壤中共有的OTU數(shù)為479個(gè)，特有的OTU數(shù)分別為114、111、106和533個(gè)。以上結(jié)果表明酸化老化生物炭對(duì)土壤真菌物種數(shù)的促進(jìn)作用更顯著。

圖2 不同處理下土壤細(xì)菌(A)和真菌(B)OTU韋恩圖Fig.2 OTU Venn diagrams of the bacteria (A)and fungi (B)in soil under different treatments

為驗(yàn)證土壤樣本測(cè)序數(shù)據(jù)量的合理性，以隨機(jī)抽樣形式對(duì)序列進(jìn)行抽取，對(duì)抽取到的序列數(shù)與其所能代表的OTU數(shù)建立稀釋性曲線(圖3)。當(dāng)細(xì)菌和真菌的測(cè)序數(shù)分別位于20 000～35 000和15 000～35 000之間時(shí)曲線趨于平緩，表明在對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)，細(xì)菌和真菌隨著測(cè)定序列數(shù)增加，其所能代表的OTU數(shù)增加較少。因此，此次測(cè)序的數(shù)據(jù)量合理，均能正常反映土壤中微生物的豐度。

圖3 不同處理下土壤細(xì)菌(A)和真菌(B)稀釋曲線Fig.3 Rarefaction curves of soil bacteria (A)and fungi (B)under different treatments

同時(shí)，為了解不同處理土壤微生物群落組成的差異，分別對(duì)細(xì)菌和真菌的群落組成進(jìn)行了非度量多維尺度(NMDS)分析(圖4)。不同處理組間微生物群落組成的差異以組間距離的遠(yuǎn)近來呈現(xiàn)，其中，距離越遠(yuǎn)表明微生物群落組成差異越大，反之越小。生物炭不同處理下土壤的細(xì)菌群落組成與CK的差異均較大，WBC和OBC處理下土壤的細(xì)菌群落組成差異較小(圖4A);不同處理組間的土壤真菌群落組成也均存在差異(圖4B)。其中，OBC處理土壤的真菌群落組成與CK相比具有較大差異，而BC和WBC處理的土壤真菌群落組成與CK差異較小。

圖4 不同處理土壤的細(xì)菌(A)、真菌(B)群落組成的非度量多維尺度分析Fig.4 Nonmetric multidimensional scaling (NMDS)of soil bacteria (A)and fungal (B)community composition under different treatments

2.3 生物炭處理對(duì)土壤微生物相對(duì)豐度的影響 共檢測(cè)到30個(gè)門分類水平和206個(gè)科分類水平下的細(xì)菌類群，而真菌門和科分類水平下的類群共檢測(cè)到18和249個(gè)。選取門和科分類水平下相對(duì)豐度位于前十的微生物類群分析不同生物炭處理對(duì)它們相對(duì)豐度的影響(圖5、6)。從圖5A、B中可看出，變形菌門(Proteobacteria)(30.78%～45.35%)、酸桿菌門(Acidobacteria)(13.82%～20.18%)、綠彎菌門(Chloroflexi)(8.54%～19.28%)、放線菌門(Actinobacteria)(5.83%～12.31%)及厚壁菌門(Firmicutes)(3.00%～10.75%)占優(yōu)勢(shì)地位，與CK相比，不同生物炭處理均能顯著提高土壤變形菌門、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對(duì)豐度，而使綠彎菌門、放線菌門以及厚壁菌門的相對(duì)豐度顯著降低。OBC處理土壤的疣微菌門(Verrucomicrobia)(3.86%)和浮霉菌門(Planctomycetes)(3.41%)的相對(duì)豐度顯著增加，而螺旋體菌門(Saccharibacteria)(1.95%)的相對(duì)豐度顯著下降。從圖5C、D可看出，子囊菌門(Ascomycota)(53.83%～57.25%)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)(20.96%～26.99%)和被孢霉門(Mortierellomycota)(11.98%～19.90%)占優(yōu)勢(shì)地位。與CK相比，不同生物炭處理顯著增加了土壤類原生動(dòng)物門(Rozellomycota)和絲足蟲門(Cercozoa)的相對(duì)豐度，且不同處理間無顯著差異。WBC的添加顯著提高了土壤擔(dān)子菌門和毛霉亞門(Mucoromycota)的相對(duì)豐度，分別為26.99%和1.38%；而OBC的添加顯著降低了土壤壺菌門(Chytridiomycota)的相對(duì)豐度，為0.38%。

圖5 不同處理土壤的細(xì)菌(A、B)和真菌(C、D)在門水平的相對(duì)豐度Fig.5 Relative abundances of soil bacteria (A,B)and fungi (C,D)at the phylum under different treatments圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)，同一圖中不同小寫字母表示呈顯著差異性(P<0.05)The data in the figure is the mean ± standard error (n=3),bars with different letters are significantly different (P <0.05).Pro:變形菌門 Proteobacteria;Aci:酸桿菌門 Acidobacteria;Chl:綠彎菌門 Chloroflexi;Act:放線菌門 Actinobacteria;Fir:厚壁菌門 Firmicutes;Ver:疣微菌門Verrucomicrobia;Sac:螺旋體菌門Saccharibacteria;Gem:芽單胞菌門Gemmatimonadetes;Pla:浮霉菌門 Planctomycetes;Bac:擬桿菌門 Bacteroidetes;Asc:子囊菌門 Ascomycota;Bas:擔(dān)子菌門 Basidiomycota;Mor:被孢霉菌門 Mortierellomycota;Muc:毛霉亞門 Mucoromycota;Roz:類原生動(dòng)物門 Rozellomycota;Chy:壺菌門 Chytridiomycota;Cer:絲足蟲門 Cercozoa;GS1:GS19;Glo:球囊菌門 Glomeromycota;Ent:蟲霉亞門 Entomophthoromycota.下同。The same below.

從圖6A、B可以看出，主要的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌科有DA111(6.08%～11.52%)、黃色桿菌科(Xanthobacteraceae)(6.81%～7.60%)、酸熱菌科亞群1(Acidobacteriaceae_Subgroup_1)(4.32%～10.16%)和梭菌科亞群3(Solibacteraceae_Subgroup_3)(2.29%～4.17%)。不同生物炭處理均顯著提高了土壤芽單胞菌科(Gemmatimonadaceae)、鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae)和紅螺菌科(Rhodospirillaceae)的相對(duì)豐度，同時(shí)顯著降低了DA111和酸桿菌科(Acidothermaceae)的相對(duì)豐度。BC和WBC處理土壤的酸熱菌科亞群1的相對(duì)豐度顯著下降，而Xanthomonadales-Incertae-Sedis的相對(duì)豐度顯著增加，同時(shí)BC處理還顯著降低了土壤浮霉菌科(Planctomycetaceae)的相對(duì)豐度，為1.51%。從圖6C、D可看出，被孢霉科(Mortierellaceae)(11.97%～19.89%)、Trimorphomycetaceae(13.35%～16.12%)、毛殼科(Chaetomiaceae)(6.84%～11.98%)和叢赤殼科(Nectriaceae)(6.74%～10.66%)和為主要優(yōu)勢(shì)真菌科。BC添加顯著降低了土壤毛殼科和曲霉科(Aspergillaceae)的相對(duì)豐度，分別為6.84%和1.31%，同時(shí)顯著促進(jìn)了肉座菌科相對(duì)豐度(5.29%)的增加，而WBC添加則顯著提高了土壤靈芝科(Ganodermataceae)(2.69%)的相對(duì)豐度。

圖6 不同處理土壤的細(xì)菌(A、B)和真菌(C、D)在科水平的相對(duì)豐度Fig.6 Relative abundances of soil bacteria (A,B)and fungi (C,D)at the family under different treatments圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)，同一圖中不同小寫字母表示呈顯著差異性(P<0.05)。The data in the figure is the mean ± standard error (n=3),bars with different letters are significantly different (P <0.05).DA1:DA111;Xan:黃色桿菌科 Xanthobacteraceae;Acid:酸熱菌科亞群1 Acidobacteriaceae_Subgroup_1;Sol:梭菌科亞群3 Solibacteraceae_Subgroup_3;Xant:Xanthomonadales_Incertae_Sedis;Acido:酸桿菌科Acidothermaceae;Gemm:芽單胞菌科Gemmatimonadaceae;Sph:鞘脂單胞菌科 Sphingomonadaceae;Plan:浮霉菌科 Planctomycetaceae;Rho:紅螺菌科 Rhodospirillaceae;Mort:被孢霉科Mortierellaceae;Tri:Trimorphomycetaceae;Cha:毛殼科Chaetomiaceae;Nec:叢赤殼科 Nectriaceae;Hyp:肉座菌科Hypocreaceae;Sor:糞殼菌科Sordariaceae;Gan:靈芝科Ganodermataceae;Asp:曲霉科Aspergillaceae;Her:小皰毛殼科 Herpotrichiellaceae;Chae:Chaetosphaeriaceae.

2.4 土壤養(yǎng)分含量與微生物相對(duì)豐度的冗余分析 對(duì)土壤主要養(yǎng)分含量與優(yōu)勢(shì)細(xì)菌、真菌(門水平)的相對(duì)豐度進(jìn)行冗余分析，其中土壤養(yǎng)分與微生物類群的夾角越接近于0°，表明兩者呈現(xiàn)的正相關(guān)性越顯著；夾角越接近于180°，表明兩者呈現(xiàn)的負(fù)相關(guān)性越顯著。由此可見，酸桿菌門和浮霉菌門與NH4+-N呈顯著正相關(guān)性而與DOC和DON呈負(fù)相關(guān)，螺旋體菌門與此相反。綠彎菌門、放線菌門和厚壁菌門的相對(duì)豐度與DON呈正相關(guān)性，而與TN、TC呈顯著負(fù)相關(guān)。變形菌門、擬桿菌門與pH值、AK、NO3--N呈顯著正相關(guān)，芽單胞菌門和疣微菌門與TC、TN也呈顯著正相關(guān)，同時(shí)疣微菌門還與DON呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(圖7A)。

子囊菌門、蟲霉亞門與AK、NO3--N、DOC呈現(xiàn)正相關(guān)，類原生動(dòng)物門、絲足蟲門、GS19與TN、TC、pH值也呈正相關(guān)。擔(dān)子菌門、球囊菌門與NH4+-N呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)而與DOC、NO3--N呈負(fù)相關(guān)；DON與壺菌門、被孢霉門呈顯著正相關(guān)(圖7B)。

圖7 土壤養(yǎng)分含量與門水平下的細(xì)菌(A)、真菌(B)的冗余分析Fig.7 Redundancy analysis (RDA)of soil nutrients with bacteria (A)and fungi (B)at the phylum

3 討論

3.1 不同生物炭處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響 由于生物炭富含礦質(zhì)養(yǎng)分且其表面具有電荷和官能團(tuán)，因此生物炭添加能有效提高土壤養(yǎng)分含量(Ahmedetal.,2016)。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭添加能夠顯著提高土壤全碳(TC)、全氮(TN)、溶解性有機(jī)碳(DOC)、速效鉀(AK)和NO3--N的含量，這與先前研究結(jié)果一致。如Syuhada等(2016)認(rèn)為生物炭添加能有效減少土壤中鉀的淋溶，從而促進(jìn)土壤AK含量增加。Gao等(2017)也發(fā)現(xiàn)，土壤的pH值、TC、TN等含量因生物炭添加而顯著提升。然而，本研究還發(fā)現(xiàn)，生物炭經(jīng)老化引起的自身理化性質(zhì)改變也會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生不同影響。其中，由于生物炭能有效抑制土壤有機(jī)碳礦化，并且生物炭經(jīng)老化后被其表面吸附的有機(jī)碳等有機(jī)質(zhì)會(huì)因生物炭表面結(jié)構(gòu)被破壞而釋放到土壤中，從而導(dǎo)致老化生物炭與生物碳(BC)相比對(duì)土壤TC有更顯著的促進(jìn)效果(陳穎等,2018)。然而，與本研究結(jié)果不同，Mukherjee等(2013)指出陳化生物炭會(huì)降低土壤TC含量，這可能是生物炭裂解溫度、陳化方式不同所致。與BC相似，老化生物炭對(duì)土壤AK和TN含量也有促進(jìn)作用，這與生物炭老化前后均有較高含量的AK和TN有關(guān)(胡華英等,2019a)。然而，由于生物炭老化后降低了自身的AK含量，從而使老化生物炭與BC相比對(duì)土壤AK的促進(jìn)作用較弱。同時(shí)，由于生物炭經(jīng)水洗和酸化處理后，去除了自身含有的溶解性有機(jī)質(zhì)，從而造成老化生物炭處理土壤的溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性有機(jī)氮(DON)含量下降(陳威等,2015)。

3.2 不同生物炭處理對(duì)土壤微生物群落組成的影響 本研究發(fā)現(xiàn)，不同處理組中土壤細(xì)菌的OTU數(shù)均大于真菌，這驗(yàn)證了土壤微生物以細(xì)菌為主的說法，與Su等(2017)的研究結(jié)果一致。由于真菌適應(yīng)于酸性環(huán)境，而生物炭添加會(huì)造成土壤酸堿度朝著適宜細(xì)菌的方向發(fā)展，從而使真菌相較于細(xì)菌更難在生物炭添加培養(yǎng)的土壤中定殖(Amelootetal.,2013)。而老化生物炭由于理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)遭至破壞，減弱了對(duì)土壤pH值和養(yǎng)分含量的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)增加了生物炭的比表面積(林慶毅等,2017;Dongetal.,2017)，使細(xì)菌和真菌得以快速發(fā)展。Allison等(2008)的研究表明，土壤微生物群落組成對(duì)土壤養(yǎng)分的變化極其敏感，本研究發(fā)現(xiàn)不同生物炭處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量具有不同的影響，因此可認(rèn)為老化前后生物炭處理的土壤微生物群落組成差異主要是由生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響所引起的。

對(duì)不同分類水平下的微生物類群而言，老化前后生物炭的添加不會(huì)改變土壤主要微生物類群的優(yōu)勢(shì)度。本研究中，土壤主要的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門為變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、放線菌門以及厚壁菌門，這與李金融等(2018)對(duì)土壤細(xì)菌多樣性研究結(jié)果一致，由于它們對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)適應(yīng)性，因此在酸性土壤及老化前后生物炭培養(yǎng)的土壤中與其他細(xì)菌群落相比具有較高的活性。老化前后生物炭對(duì)土壤芽單胞菌科均有促進(jìn)作用，而對(duì)黃單胞菌科沒有顯著影響，而王晶等(2020)的研究指出秸稈炭化對(duì)土壤芽單胞菌科和黃單胞菌科均有促進(jìn)作用，這可能是生物炭制備原料、施用量、土壤性質(zhì)不同造成的。對(duì)真菌的研究發(fā)現(xiàn)，子囊菌門和擔(dān)子菌門是主要優(yōu)勢(shì)真菌門，與Paungfoo-Lonhienne等(2015)的研究結(jié)果一致，并且子囊菌門的相對(duì)豐度要優(yōu)于擔(dān)子菌門。本研究還發(fā)現(xiàn)，水洗老化生物炭對(duì)土壤靈芝科有明顯促進(jìn)作用，而生物炭降低了土壤中隸屬于子囊菌門的毛殼菌科的相對(duì)豐度，這與黃修梅等(2019)研究指出的生物炭添加利于毛殼菌科豐度增加的結(jié)果不同。

3.3 土壤養(yǎng)分含量與微生物相對(duì)豐度的相關(guān)性 由于土壤基本養(yǎng)分含量與門水平下主要微生物類群具有密切相關(guān)性，因此可認(rèn)為老化前后生物炭的添加對(duì)微生物群落的影響主要是通過土壤特性改變間接引起的(Luchetaetal.,2016)。Dickie等(2010)的研究也表明，土壤中C、N、P等元素含量對(duì)微生物活性有明顯制約作用。通過對(duì)土壤養(yǎng)分與門水平下細(xì)菌相對(duì)豐度的冗余分析發(fā)現(xiàn)，酸桿菌門與TC有正相關(guān)性，主要是因酸桿菌門對(duì)土壤碳循環(huán)有重要作用，并且能定殖于含碳量豐富的土壤中(Lehmannetal.,2011)。然而，生物炭老化前后對(duì)酸桿菌門的相對(duì)豐度均無顯著影響，這可能是由于添加的生物炭在增加土壤碳含量的同時(shí)也提高了酸桿菌門適宜生存的酸性環(huán)境的酸堿度導(dǎo)致的。由于綠彎菌門、放線菌門、厚壁菌門屬于貧營養(yǎng)型細(xì)菌(李金融等,2018)，而擬桿菌門、芽孢桿菌門和變形菌門屬于富營養(yǎng)型細(xì)菌(Fiereretal.,2007)，因此它們與土壤主要養(yǎng)分的相關(guān)性呈現(xiàn)出了相反結(jié)果。由于老化前后的生物炭均會(huì)促進(jìn)土壤TC、TN和AK等的含量增加，由此造成了綠彎菌門、放線菌門、厚壁菌門相對(duì)豐度的下降，擬桿菌門、芽孢桿菌門和變形菌門相對(duì)豐度的增加。本研究還發(fā)現(xiàn)，酸化老化生物炭的添加會(huì)增加浮霉菌門的相對(duì)豐度、降低螺旋體菌門的相對(duì)豐度，主要是因螺旋體菌門適應(yīng)于DON、DOC含量高的土壤，而浮霉菌門與之相反。

Fontaine等(2011)研究表明，子囊菌的生長(zhǎng)與氮的有效性有關(guān)，并且子囊菌活性增加也會(huì)反過來促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解，這與本研究發(fā)現(xiàn)的子囊菌門與NH4+-N、DOC呈顯著正相關(guān)一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，生物炭添加對(duì)擔(dān)子菌門和子囊菌門的相對(duì)豐度均無顯著影響，Jin等(2010)研究則表明生物炭處理的土壤會(huì)降低擔(dān)子菌門的豐度。造成這種現(xiàn)象的原因可能是生物炭的制備原料不同，由于本試驗(yàn)的制備原料為杉木葉，由其制成的生物炭相較于其他生物炭含有更豐富的難分解有機(jī)質(zhì)(胡華英等,2019b)，且擔(dān)子菌門被廣泛認(rèn)為是難分解有機(jī)質(zhì)的主要分解者(Renetal.,2016)。同時(shí)由于生物炭經(jīng)水洗老化后其自身纖維素和半纖維素等難分解有機(jī)質(zhì)含量提高(林慶毅等,2017)，由此造成了WBC對(duì)擔(dān)子菌門相對(duì)豐度的顯著促進(jìn)。Xiong等(2014)研究也表明，難分解有機(jī)質(zhì)的增加有利于擔(dān)子菌門的發(fā)展。被孢霉亞門的相對(duì)豐度與DON有顯著正相關(guān)，而其相對(duì)豐度卻不受生物炭添加的影響，這與Yao等(2017)的研究結(jié)果大體相同。此外，毛霉亞門與TC、TN和NH4+-N含量具有正相關(guān)性，而壺菌門與之相反，表明TC、TN和NH4+-N含量提高會(huì)促進(jìn)增加毛霉亞門的相對(duì)豐度，同時(shí)對(duì)壺菌門起抑制作用。由于WBC對(duì)TC、TN和NH4+-N含量均有顯著促進(jìn)作用，由此導(dǎo)致了WBC處理中毛霉亞門相對(duì)豐度的增加。

由于本研究結(jié)論是基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)，在杉木林土壤中的長(zhǎng)期使用生物炭效果的認(rèn)知上仍存在局限性，因此未來應(yīng)開展長(zhǎng)期野外定位研究。

4 結(jié)論

在2代杉木人工林土壤中添加生物炭，能有效改善土壤養(yǎng)分狀況，而生物炭經(jīng)歷老化后降低了土壤溶解性有機(jī)碳和溶解性有機(jī)氮的含量，減弱了對(duì)土壤養(yǎng)分的改善效果。生物炭老化前后在總體上均能增加土壤微生物的物種數(shù)，其中酸化老化生物炭有最為顯著的促進(jìn)效果；門水平下主要微生物類群的相對(duì)豐度與土壤主要養(yǎng)分含量呈顯著的正或負(fù)相關(guān)；老化前后的生物炭均能調(diào)節(jié)土壤主要微生物類群的相對(duì)豐度，其中酸化老化生物炭能顯著提高土壤細(xì)菌中疣微菌門和浮霉菌門的相對(duì)豐度，降低細(xì)菌中螺旋體菌門及真菌中壺菌門的相對(duì)豐度；水洗老化生物炭提高了土壤真菌擔(dān)子菌門、毛霉亞門和靈芝科的相對(duì)豐度。