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编译：微科盟小兵，编辑：微科盟居居、江舜尧。
微科盟原创微文，欢迎转发转载，转载须注明来源《微生态》公众号。 导读生物炭的施用影响土壤微生物群落。然而，生物炭在退化黑土修复中的协同作用研究较少，特别是土壤团聚体介导的微生物群落变化对土壤质量的改善作用。本研究从土壤团聚体的角度，探讨了大豆秸秆生物炭在东北黑土修复中的潜在微生物驱动机制。结果表明，生物炭显著提高了土壤有机碳、阳离子交换能力和水分含量，对土壤团聚体稳定性起着至关重要的作用。相比微团聚体(MI；<0.25 mm)，生物炭的添加显著提高了大团聚体(ME；0.25-2 mm)中细菌群落的含量。微生物共现网络分析表明，生物炭增强了微生物间的相互作用，尤其是在ME中。16S rRNA测序预测显示，添加生物炭后，与碳(rbcL、acsA、gltS、aclB、mcrA)和氮(nifH、amoA)转化相关的基因表达增加。此外，参与碳固定(厚壁菌门和拟杆菌门)和硝化作用(变形菌门)的功能微生物显著富集，是碳氮动力学的关键调节因子。结构方程模型(SEM)分析进一步表明，施用生物炭促进土壤团聚体正向调节土壤养分转化相关微生物的丰度，从而提高土壤养分含量和酶活性。这些结果为生物炭添加促进土壤恢复的机制提供了新的见解。 
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 译名：通过生物炭添加了解土壤团聚体介导的退化黑土恢复机制：强调核心微生物群落和养分循环的驱动作用 期刊：Environmental Research IF：8.3 发表时间：2023.4 通讯作者：侯宁，李大鹏 通讯作者单位：东北农业大学资源与环境学院 DOI号：10.1016/j.envres.2023.115895本研究以自然退化黑土为对照(CK)组，测定了生物炭改良黑土的5种理化性质(土壤团聚体、含水量、pH、CEC和电导率(EC))和2种酶活性(蔗糖酶和脲酶)(图1；图S1)。与CK相比，生物炭处理显著增加了土壤团聚体的含量(图1a)。实验(BC)组中，R3和R6组土壤ME含量分别为34.89%和38.43%，分别比CK组高13.29%和16.68% (p < 0.001)。此外，BC组MI含量呈下降趋势(图1b)。因此，添加生物炭可以有效地提高土壤的吸附能力，从而提高土壤团聚体的稳定性。结果表明，添加生物炭对苗期(VE)玉米土壤含水量无显著影响。而在BC组中，拔节期(V6)、灌浆期(R3)和成熟期(R6)组土壤水分含量分别为31.6%、29.3%和24.6%，分别比CK组高8.4%、3.9%和2.8%(图S1a)。生物炭的多孔结构可以增加土壤孔隙度，提高土壤吸附能力和土壤含量。BC组土壤pH值(pH = 6.57±0.14)在V6期显著高于CK组，与其他生长期相比差异显著(p < 0.05)(图S1b)。主要原因是生物炭中含有碳酸盐，而碳酸盐能结合土壤溶液中的氢离子，提高土壤pH，因此生物炭能有效改善退化土壤的弱酸性环境。如图S1c所示，BC组VE、V6、R3和R6的土壤CEC值分别为25±4.2、26.35±3.9、28.54±2.1和27.19±1.5 cmol/kg，分别比CK组高32.9%、42.1%、43.56%和26.18%。BC土壤中CEC较高是由于生物炭中CEC较高，这可能与含氧官能团的存在有关。因此，在退化土壤中施用生物炭可以通过提高CEC和养分有效性来提高土壤肥力。BC组玉米各生长阶段的土壤EC值分别为82±5.7(VE)、62.6±2.1 (V6)、61.3±4.6 (R3)和57±1.3 (R6) mS/m，与CK组相比分别增加了41.4%、31.9%、32.6%和35.7%(图S1d)。由于生物炭释放无机离子(K+、Ca2+、Mg2+)到土壤溶液中，使土壤含盐量增加。土壤电导率在施用初期(VE)达到最大值，这可能与生物炭本身无机离子含量较高有关。总体而言，如图S1e和f所示，玉米VE期土壤蔗糖酶活性和脲酶活性在BC组和CK组之间无显著差异(p> 0.05)。结果表明，土壤蔗糖酶作为关键的水解酶，能够水解土壤中的蔗糖，增加土壤养分。本研究中，与CK相比，BC组在V6、R3和R6的土壤蔗糖酶活性分别提高了10.3%、6.1%和2.5%。Akhtar等人发现土壤蔗糖酶主要与土壤含水量有关，土壤含水量与土壤蔗糖酶活性成正比。在本研究中，BC组在V6和R3的土壤脲酶活性分别提高了9.5%和4.7%。这一结果证实了Amoakwah等人先前的研究。这可能是由于生物炭的添加增加了土壤中参与氮利用的脲酶活性。而在BC组R6时，土壤脲酶活性比CK组低2.2%。这可能是由于土壤有机氮含量的降低显著抑制了土壤脲酶活性。在本研究中，蔗糖酶和脲酶活性对生物炭的响应增加，表明生物炭可以提高土壤肥力。因此，添加生物炭不仅可以显著提高土壤团聚体的稳定性和粘结性，还可以为土壤酶提供物理保护，改善土壤养分。Zhang等人发现草地土壤在放牧侵蚀过程中，随着土壤团聚体稳定性的降低，土壤脲酶活性显著降低。  图1 生物炭处理下苗期(VE)、拔节期(V6)、灌浆期(R3)和成熟期(R6)土壤大团聚体(a)和微团聚体(b)水平。5个丰度最高的优势属分别为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%)(图2b)。与CK处理相比，BC处理显著增加了Flavisolibacter、Massilia、Ramlibacter、Bacillus和Nitrosospira的RAs。Bradyrhizobium和Chryseobacterium的RAs显著降低。此外，土壤团聚体大小对各种细菌的RAs有显著影响，不同团聚体中Flavisolibacter、Massilia、Ramlibacter、Bacillus和Nitrosospira的RA趋势为BCME > BCMI > CKME > CKMI。团聚体中微生物群落的丰度通常在不同团聚体中分布不同，表明微生物群落在扰动下倾向于特定的生态位。在ME中，BCME处理的生物标志物是Flavisolibacter和Massilia(图2b)。由于本研究中大部分生物炭储存在ME中，提高养分有效性导致Flavisolibacter和Massilia的RAs增加。同样，在BCME处理下，Ramlibacter和Bacillus的RAs升高。其他研究发现，碳改良土壤中含有丰富的Ramlibacter和Bacillus。总体而言，生物炭对土壤微生物群落结构有重要影响。这是由于生物炭的高孔隙度，它可以提供栖息地，通过增加土壤通气性和保水能力来促进土壤细菌的生长。研究发现，Flavisolibacter和Bacillus可以增加碳相关官能团，进一步增加碳固存。此外，Ramlibacter和Massilia是与对抗活性氧毒性的防御机制相关的微生物。在本研究中，在生物炭应用的背景下，Ramlibacter和Massilia的增加可能表明植物的抗氧化系统被激活。总的来说，施用生物炭后，土壤中丰富的细菌种群是有益的。特别是生物炭的施用可以防止氮的反硝化损失，促进碳的固定，提高土壤养分含量。 图2 自然土壤大团聚体(CKME)、自然土壤微团聚体(CKMI)、生物炭土壤大团聚体(BCME)和生物炭土壤微团聚体(BCMI)中前10个细菌门的RAs(b)和前12个细菌属的RAs(b)。为了展示CKMI、CKME、BCMI和BCME处理下土壤微生物群落的共现关系和生态位分配，采用丰度最高的前70个细菌属构建微生物网络(图3)。在生物炭添加水平和土壤团聚体水平上，细菌共生的拓扑特征在节点数、连接数、模块化程度上都有所不同。在不同处理下，正相关连接数均高于负相关连接数，尤其是BCMI和BCME处理，正相关和负相关的比例显著增加。与CKMI和CKME处理相比，BCMI和BCME处理有更多的联系。这表明生物炭的应用增加了细菌群落之间的联系(合作或竞争)。BCME和BCMI节点值最高，均为45，其次是CKME(40)，CKMI节点值最低(38)。此外，在这四个网络中，作为核心细菌的变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门成员被确定为模块中心。其中，BCME中共现关系菌群数分别为29、5、4、7，BCMI中共现关系菌群数分别为30、4、4、7。与其他处理组CKME(28、3、6、3)和CKMI(27、3、3、5)相比，细菌数量增加。在本研究中，添加和不添加生物炭处理的团聚体中，微生物群落间的相互作用是不同的。ME中与BC的正相关比MI中多，而MI中与BC的非线性相关边多于ME。ME中微生物群落间的相互作用强于MI中微生物群落间的相互作用，这表明ME中微生物间的协同和对抗作用更强，具有更有利的生态位。生物炭的应用通过增加在细菌间相互作用中起关键作用的信号化合物来增强微生物群落间的相互作用。此外，BC在ME中表现出更高的RA和更复杂的网络。这可能是由于生物炭促进了土壤团聚体的稳定性，增加了团聚体粒径，提高了活性碳含量和氧气利用率。共现网络分析进一步表明变形菌是生物炭处理和团聚体中最重要的类群。变形菌也被称为快速生长的共生细菌，更喜欢富含碳的环境，并且会利用更可能存在于SOM中的复杂碳底物。厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门作为丰度较低的细菌类群，也随着生物炭的添加而发生变化。研究发现，变形菌门和厚壁菌门是固氮最重要的贡献者，因为它们参与了氮循环，从而增加了土壤中TN的含量。与土壤碳氮循环相似，放线菌通常是土壤磷循环中的优势类群。从平均度和模块化程度来看，BCME处理的微生物相互作用最强。总体而言，施用生物炭可以提高黑土微生物群落的复杂性和相互作用程度。 图3 大团聚体和微团聚体微生物群落共现网络：(a) CKMI，(b) CKME，(c)BCMI和(d) BCME。在门水平上进行相关性分析，每个连接都代表了极强的(Spearman's R > 0.6)和显著的(p < 0.01)相关性。红线表示显著正相关，蓝线表示显著负相关。 如图4所示，从微生物角度来看，Flavisolibacter和Massilia与土壤团聚体呈极显著正相关(p < 0.01)。结果表明，生物炭的添加提高了土壤团聚体的稳定性，从而促进了Flavisolibacter和Massilia的存活，这与Ren等人的研究结果一致。ME生态位也为关键物种Flavisolibacter和Massilia的生长提供了良好的好氧微生境。与CK组相比，ME中Ramlibacter和Bacillus与土壤团聚体呈负相关，与生物炭添加量呈显著正相关(p< 0.05)。Lian等人发现在富SOC土壤中，Ramlibacter和Bacillus的RAs对C的响应较强，其RAs呈显著上升趋势。施用生物炭增加了土壤中SOC含量，为土壤微生物活动提供了C源。我们推测微生物活性和代谢强度的抑制主要是由于黑土的降解，这与Qu等人的研究一致。Caesar-TonThat等人发现，在大麦土壤ME中，Chryseobacterium稳定土壤和提高团聚体强度的能力最强，这与本研究的结果相似。在生物炭修复过程中，由于生物炭含有丰富的碳酸盐，促进土壤中的氢离子与这些碳酸盐结合，提高了土壤pH值，改善了退化土壤的弱酸性环境，使其成为微生物适宜的生存环境。生物炭的添加导致土壤水分含量、CEC与土壤团聚体之间存在显著的正相关关系，因为土壤矿物质与生物炭的物质和结构形成了复杂的关系，这有利于退化土壤恢复过程中团聚体的形成。此外，添加生物炭使土壤养分与团聚体呈显著正相关，促进了土壤SOC、TN、TK和TP的增加。事实上，土壤性质的变化也直接影响微生物群落。图4 (a)微团聚体和(b)大团聚体土壤特性和主要微生物群落的响应。内环方向呈负相关，外环方向呈正相关(*p< 0.05；**p < 0.01；***p< 0.001)。为了进一步研究添加生物炭对参与碳和氮循环的微生物的影响，我们进行了PICRUSt分析，共发现21个预测基因存在差异表达(图5)。其中，筛选出5个与C固定相关的功能基因，10个与C降解途径相关的功能基因(图S5)，6个与N循环相关的功能基因(图S6)。土壤团聚体核心菌群对碳氮转化功能基因有较大影响。如图S5所示，与CK相比，生物炭处理明显改变了退化土壤中碳的固定。与CKMI组相比，BCMI组核酮糖二磷酸羧化酶(rbcL)、谷氨酸合成酶(gltS)和ATP-柠檬酸裂解酶(aclB)基因的相对表达量分别提高了22.47%、53.87%和86.73%。一氧化碳脱氢酶(acsA)和甲基辅酶M还原酶(mcrA)基因的相对表达量分别为1.04×10−4%和7.2×10−5%，分别比CKMI组低8.3%和18.13%。而对于土壤ME，生物炭使acsA、gltS和mcrA的相对表达量分别提高了26.74%、81.25%和41.35%(图S5a)。结果表明，在退化土壤恢复过程中，生物炭促进了土壤团聚体中微生物对碳的固存。这是因为土壤碳循环过程主要受微生物养分供需的控制。生物炭将养分物质释放到土壤中，导致微生物快速生长；而固碳微生物(变形菌)在根际土壤中迅速生长，在与其他微生物的竞争中其RA上升。这是生物炭处理后土壤有机碳含量增加的主要原因。本研究发现，生物炭改良土壤中的微生物还可以产生更多的细胞团，更有效地利用碳，从而进一步增加土壤中有机碳的保持。此外，施用生物炭降低了ME中碳降解相关基因的表达，抑制了碳的降解(图S5b)。这是因为生物炭中含有大量抗生物降解的芳香族化合物。与此相反，生物炭促进了MI中碳的降解，可能的原因是生物炭通过其多孔结构刺激植物分泌根系分泌物，增加了根际不同微生物群落之间的相互作用。Morrien等人发现，土壤微生物之间网络连通性的增加可能会增加细菌对不稳定碳的降解速率。α-淀粉酶是一种重要的水解酶，在土壤中广泛分布。在本研究中，添加生物炭可有效提高BCME和BCMI处理中amy基因的相对表达，促进淀粉向葡萄糖的降解。此外，与果胶和半乳糖降解相关的果胶降解抑制蛋白酶(kdgR)和多聚半乳糖醛酸酶(pgl)基因的相对表达量增加，这增加了ME中葡萄糖的含量。葡萄糖等低分子量有机物质被会加速C循环，这可能是由于微生物的周转。同样，生物炭的添加促进了BCME和BCMI处理中纤维素和半纤维素的降解。这些结果表明，生物炭可以促进养分物质(葡萄糖和单糖)的分泌，从而促进土壤微生物对其降解和转化。值得注意的是，几丁质是土壤中的一种难降解的农业废弃物，并被用作有机质矿化程度的标志。在本研究中，生物炭促进了BCME和BCMI处理中外源几丁质酶基因(csxA)的相对表达。因此，生物炭可以用来降解土壤中的污染物。在生物炭处理中，生物炭中碳的复杂降解形式导致拟杆菌的RA显著增加。总体而言，对于碳循环，生物炭本身对碳功能基因的丰度有促进作用。土壤ME和MI中碳固定和降解的差异促进了退化黑土中碳的中和作用。如图S5c所示，土壤团聚体主要包括4种微生物碳固定途径(Calvin循环、还原乙酰辅酶A途径、三羧酸循环和3-羟基丙酸双循环)。与MI相比，添加生物炭后，ME中参与Calvin循环的基因丰度显著增加，而MI中乙酰辅酶A还原途径和3-羟基丙酸循环的基因丰度增加。值得一提的是，土壤MI和ME均促进了三羧酸循环。由于生物炭通过影响碳循环中的微生物多样性间接破坏了土壤的生态过程，因而对土壤MI和ME的影响不同。土壤微生物对环境十分敏感。因此，生物炭的添加可能会影响功能微生物对碳源的选择和利用，促进有机物的更新和循环。氨氧化是氮循环中硝化作用的第一步，也是限速步骤。BCME和BCMI处理的amoA含量高于CK组(图S6a)。这与放线菌RA的增加有关。研究表明，土壤团聚体中的放线菌与氨氧化细菌(AOB)呈正相关。携带amoA基因的AOB可能参与了氨氧化。此外，在BCME和BCMI处理后，nifH基因的相对表达量显著增加。结果表明，生物炭上调了硝化相关基因的表达，促进了有机氮的矿化，这一结果与Yin等人关于氮相关基因表达与生物炭相关性的研究结果相似。反硝化作用是NO3−逐渐还原为NO2−、NO、N2O，最后还原为N2(图S6b)。具体来说，脱氮途径是由基因编码的一系列还原酶(norB、norC、nosZ和nasA)驱动的。BCME和BCMI处理抑制了反硝化细菌的活性，降低了氮素排放和氮素损失。Wu等人发现施用生物炭对预测的氮循环基因有积极影响，但对nrfA基因的表达没有显著影响。核心微生物影响退化土壤恢复过程中碳氮转化的功能基因。从图5可以看出，CKMI和CKME处理下的碳和氮转化主要受变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门的调控(图5a和b)。变形菌门作为反硝化细菌，可以抑制土壤中N2O的大量排放。厚壁菌门和拟杆菌门在调节退化黑土恢复过程中的碳氮循环中发挥了重要作用(图5c和d)。Zhang等人和Wang等人的研究发现，添加生物炭促进了土壤团聚体的稳定性，增加了变形菌门和拟杆菌门的RAs，促进了碳氮循环。这可以解释为什么施用生物炭后与碳氮循环相关的基因比CK组更丰富。早期研究表明，生物炭是一种优良的土壤改良剂，可以改变土壤理化性质、微生物生境和微生物群落丰度，从而调节碳、氮循环和周转。 图5 在(a) CKMI、(b) CKME、(c)BCMI和(d) BCME处理中与碳氮转化相关的微生物(细菌RA)及其转化相关功能基因之间的相关性。红色方块代表正相关，蓝色方块代表负相关。红线表示显著正相关，蓝线表示显著负相关(*p < 0.05；**p < 0.01)。土壤团聚体和微生物结构是改善退化黑土质量的重要因素。然而，添加生物炭后，土壤团聚体是否会增加土壤微生物多样性、土壤酶活性和土壤养分，从而改善土壤性质，提高土壤碳氮含量，目前尚不清楚。在退化黑土的恢复过程中，生物炭的应用也对土壤团聚体的组成及其所含微生物有一定的影响(图6)。CK组通径分析(图6a)表明，土壤团聚体增加了微生物的多样性，有利于微生物的生存。此外，土壤团聚体与土壤碳氮循环、土壤性质和养分均呈显著正相关。上述结果表明，提高土壤团聚体稳定性和微生物富集可促进土壤碳氮循环，改善土壤性质和养分，促进退化黑土的改良。此外，土壤团聚体和土壤性质对土壤酶活性有负向影响，说明退化黑土本身的恢复过程相对缓慢，在缺乏修复措施的情况下，土壤养分和酶活性较低。添加生物炭过程的通径分析如图6b所示。与CK通径分析相比，土壤团聚体与微生物多样性、土壤碳氮循环呈显著正相关。生物炭的添加改变了土壤微生物的结构，增加了微生物的多样性，从而改善了土壤碳氮循环。BC处理组土壤团聚体与土壤酶活性呈正相关。Wang等人的研究发现生物炭可以通过释放有机质和增加微生物多样性来改善土壤质量。在本研究中，生物炭作为一种高效的土壤改良剂，可以提高土壤团聚体的稳定性，为土壤微生物的生长提供适宜的环境，提高土壤酶活性和养分，促进退化黑土的恢复和管理。 图6 SEM显示生物炭对退化土壤恢复过程中土壤团聚体、微生物多样性、理化性质和养分循环的影响：(a) CK和(b) BC。灰色线条表示无显著性(p > 0.05)。红线表示正相关，蓝线表示负相关(*p< 0.05；**p < 0.01；***p< 0.001)。这些数字反映了标准化路径系数。 本研究评估了生物炭对退化黑土的修复作用，并从土壤团聚体水平对其潜在机制进行了评价。添加生物炭有利于土壤团聚体的改善。与对照相比，R3和R6的MI分别降低了8.52%和11.73%，ME分别增加了13.29%和16.68%。本研究结果提供了明确的证据，表明生物炭正向调节与养分转化相关的微生物的丰度，最终增加土壤养分和酶活性。此外，添加生物炭有利于参与碳固定(厚壁菌门和拟杆菌门)以及硝化作用(变形菌门和放线菌门)的功能微生物生长，从而促进碳氮的积累。生物炭的加入使微生物共现网络更加复杂，表明生物炭可能是改变微生物群落结构的关键因素。本研究强调了添加生物炭可调控土壤团聚体、土壤性质、养分、酶活性和微生物群落，从而间接恢复退化黑土。这些研究结果为制定减少碳氮排放、提高土壤质量的策略以及了解生物炭改良退化黑土的恢复机制提供了有益的见解。原文链接： https://www./science/article/pii/S0013935123006874 获取原文pdf： https://mp.weixin.qq.com/s/7kkXn7qzMs8UU29fJECmkw
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