生物炭及炭基肥对土壤微生物群落结构的影响

陈坤，徐晓楠，彭靖，冯小杰，李亚朋，战秀梅，韩晓日



生物炭及炭基肥对土壤微生物群落结构的影响

陈坤，徐晓楠，彭靖，冯小杰，李亚朋，战秀梅，韩晓日

（沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866）

【目的】微生物在土壤养分循环中起到转换者的作用。论文以传统有机肥（玉米秸秆和猪厩肥）为对照，探究施用生物炭和炭基肥等新型有机物料培肥改土对土壤微生物群落结构的影响，以期为不同有机物料合理施用提供理论参考。 【方法】 依托沈阳农业大学棕壤改土定位试验平台（始于2009年），利用磷脂脂肪酸（PLFA）技术研究长期不同有机无机配施条件下土壤理化性质和微生物群落结构特征及二者的相关关系。试验处理包括：秸秆配施化肥还田（CS）、猪厩肥配施化肥（PMC）、炭基肥（BF）以及生物炭配施化肥（BIO）。【结果】PMC和BF处理的pH显著高于BIO处理；PMC处理的全氮含量显著高于BF和CS处理，BIO与PMC处理没有显著差异；PMC处理的有机质含量显著高于BF和BIO处理；PMC处理的土壤含水量最高；不同处理间土壤全钾含量没有显著差异。PMC处理的土壤微生物总PLFAs含量最高，其他处理间没有差异；PMC处理的细菌PLFAs含量最高，BF处理的细菌PLFAs含量显著低于BIO和CS处理；PMC处理的真菌、革兰氏阳性和阴性细菌PLFAs含量显著高于BIO处理，BF与PMC处理差异不显著；PMC处理的放线菌含量显著高于CS处理，BF和BIO处理居于中间无显著差异。BF处理的Shannon-Winner多样性指数和真菌/细菌比值显著高于BIO处理，BF和PMC处理的革兰氏阳性/阴性细菌比值显著低于BIO处理。冗余分析（RDA）结果显示，土壤pH、全氮和有机质对土壤微生物各PLFA有极显著影响（<0.01），含水量和全钾有显著影响（<0.05）。【结论】生物炭和炭基肥长期施用明显改善了土壤理化性质；相较猪厩肥，施用生物炭不利于真菌和革兰氏阴性细菌的积累，而且施用生物炭和炭基肥对土壤微生物群落的影响不同，施用生物炭有利于细菌群落的繁殖，施用炭基肥有利于土壤真菌/细菌比和土壤微生物群落结构多样性的提高；土壤pH、全氮、有机质、含水量和全钾依次是影响土壤微生物群落的重要因子。

生物炭；炭基肥；磷脂脂肪酸；群落结构；土壤微生物

0 引言

【研究意义】土壤微生物是土壤中物质循环和能量流动不可或缺的参与者[1]，也是土壤养分的“源”和“汇”，支撑着土壤肥力，对环境变化极为敏感，土壤中的微小变动都会引起其活性的变化[2]。生物炭（Biochar）是由农林废弃物等在缺氧环境下加热裂解制成的一种稳定有机物，可作为富碳土壤改良剂[3]。生物炭基肥料（炭基肥）是由生物炭与普通化学肥料复合而成的缓释肥料[3-5]。磷脂脂肪酸（phospholipid fatty acid，PLFA）标记方法快速、准确、灵敏，技术成熟，可以有效测定土壤不同微生物群落生物量[6-7]。通过研究生物炭和炭基肥定位施用后土壤微生物群落结构的变化来判断不同有机物料改良土壤效果，可以为农田土壤培肥提供生态学方面的理论依据。【前人研究进展】生物炭在制备过程中形成了多孔隙、大比表面积的结构，且具有高含碳量、多芳香烃、多极性官能团的组成[3]，理化性质稳定[3,8]，使其成为优良的土壤改良剂[9]。相关研究[4, 10-11]表明，生物炭施入土壤后提高了土壤含水量、pH、孔隙度、CEC以及养分水平，基于其本身的结构和性质，也能为微生物提供适宜生存的微环境，对不同微生物群落产生影响[12]。细菌能够吸附到生物炭的表面而不易被淋洗[13]，且生物炭的吸附作用取决于其孔隙的大小[14]。生物炭的微孔结构能为真菌提供“避难”场所，可以避免物种内的竞争[15]。生物炭疏松多孔的结构特征，可如海绵一样保持与空气和水分的共通性，RONDON发现经生物炭处理的退化土壤固氮细菌能有效吸收来自大气的氮素[16]，原因是通过提高土壤通气性，增大氧分压来刺激氮细菌的活性[17]。生物炭本身富含多种养分，特别是易被微生物利用的碳源和氮源，有利于微生物尤其是细菌的活动[18]。O'NEILL利用同位素示踪法标记氨基酸和核苷酸，检测到添加生物炭后细菌活性和土壤呼吸速率增强，说明施用生物炭能够提高细菌对土壤碳的利用率[19]。研究还发现，生物炭的施用量[3]，也会对土壤微生物的群落多样性产生影响。【本研究切入点】沈阳农业大学植物营养与施肥研究室于2009年春天布置生物炭及炭基肥棕壤改土定位试验，观测长期施用条件下的培肥效果，同时以传统的培肥改土措施——玉米秸秆还田和猪厩肥为对照，对比研究不同有机物料连续多年施用培肥改土的特征及优势。本试验的前期研究结果表明，生物炭和炭基肥等各有机物料处理均改善了土壤理化性质[4]，增加了土壤总有机碳和活性有机碳各组分碳含量，对土壤酶活性产生了一定影响[21]。土壤有机碳和土壤酶的变化与土壤微生物的群落活性息息相关[1]，同时土壤微生物活性的变化与土壤养分的变异有关[20]，因此生物炭和炭基肥长期施用是否改变了土壤微生物群落值得探索。【拟解决的关键问题】本研究探讨生物炭和炭基肥连续施用7年后的土壤理化性质变化和土壤微生物群落结构特征及二者的相关关系，以期揭示生物炭培肥改土的生物学机理。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点和材料

田间微区试验于2009年5月开始，布置在沈阳农业大学国家花生产业技术体系土壤肥料长期定位试验基地（41°83′N，123°56′E）。试验区属温带湿润-半湿润季风气候，年均温度7.0—8.1℃，无霜期为147—164 d，年均降雨量574—684 mm。供试土壤属第四纪黄土母质发育的简育湿润淋溶土典型棕壤。2008年布置试验前土壤基本理化性质如下：土壤有机质1.53 g·kg-1，土壤全氮0.86 g·kg-1，土壤全磷0.42 g·kg-1，土壤全钾20.40 g·kg-1，碱解氮51.30 mg·kg-1，有效磷4.60 mg·kg-1，速效钾114.50 mg·kg-1，pH 5.5（水土比5﹕1）。土壤以2﹕1型黏粒矿物为主，主要是水云母（Hydrous mica），1﹕1型高岭石（Kaolinte）含量次之，蒙脱石（Montmorillonite）含量最低，CEC为8.32 cmol·kg-1。土壤质地：砂粒含量510 g·kg-1，粉粒含量280 g·kg-1，黏粒（＜2 μm）含量210 g·kg-1，土质较黏。供试作物为花生，品种为阜花12。

1.2 试验设计

试验处理之间为相互对照，分为传统有机物料（玉米秸秆和猪厩肥）培肥改土处理和新型有机物料（生物炭颗粒和炭基肥）培肥改土处理。处理1：玉米秸秆（CS）4 500 kg·hm-2+ NPK；处理2：猪厩肥（PMC）4 000 kg·hm-2+ NPK；处理3：炭基肥（BF）750 kg·hm-2（养分含量11-11-13）和处理4：生物炭颗粒（BIO）1 500 kg·hm-2+ NPK。设计处理1—4等养分（全量NPK），由于秸秆（CS）、猪厩肥（PMC）和生物炭颗粒（BIO）等有机物料本身养分含量低，以化肥（肥种类为尿素、过磷酸钙和硫酸钾）配施，使所有处理全量NPK养分相等，与炭基肥（BF）处理施用养分含量一致。表1为2015年各有机物料养分含量；生物炭颗粒为玉米芯450℃裂解，过筛添加胶结剂造粒，出炭率3﹕1；秸秆粉碎至2—3 cm，猪厩肥当年腐熟。每年5月初春播前将全部肥料当基肥施用，与土壤耕层混合后备垄，9月底收获后移除全部植株。试验设3次重复，随机区组排列，微区面积2 m2，微区间20 cm水泥埂分隔，微区内花生采用大垄双行种植，每池种植30穴。

表1 各有机物料干基养分（%）和pH

有机物料的养分含量为2015年的测定值 The nutrient of resources was measured in 2015

CS: Corn straw-returning; PMC: Piggery manure compost; BF: Biochar-based compound fertilizer; BIO: Biochar. 下同The same as below

1.3 试验方法

1.3.1 采集处理土样 2015年花生收获期（9月28日）采集微区0—20 cm土层土样，混合均匀后分两份，一份风干后用于土壤基本理化性质测定。另一份放入-80℃冰箱冷藏保存，用于冷冻干燥提取活体微生细胞膜脂肪酸。

1.3.2 基本理化性质测定 土壤含水量（MC）测定采用恒温箱烘干法；土壤全氮（TN）测定采用Dumas干烧法（德国VarioEL–Ⅲ型元素分析仪）；土壤有机碳（SOC）测定采用重铬酸钾容量法；土壤全钾（TK）测定采用氢氧化钠熔融-火焰光度计比色法（Sherwood M410火焰光度计）；pH采用电极法按土水比1﹕5测定（雷磁PHS-3G）。

1.3.3 PLFA提取与测定

（1）PLFA的提取采用BOSSIO等[22]的方法，测定采用MIDI公司MIS系统鉴定。具体分为以下几步。

①浸提 称取4.000 g冻干土样于聚四氟乙烯离心管中，加入15.2 mL混合浸提液（加液顺序依次为：3.2 mL柠檬酸缓冲液，4.0 mL氯仿，8.0 mL甲醇）。25℃避光振荡2.5 h，4 000 r/min离心10 min后上清液转移到提前加入8.0 mL氯仿和8.0 mL柠檬酸缓冲液的玻璃试管中，重复上述步骤一次并转移上清液，最终使氯仿﹕甲醇﹕柠檬酸缓冲液体积比=1﹕1﹕0.9。振荡试管1 min并定时放气。提取液避光静置过夜待分层。

②分离 用玻璃吸管吸取分层后的上层水溶性液体（一样一只吸管，不要吸到下层氯仿）。试管于通风橱内避光条件通入纯N2吹干氯仿层（保证整个过程试管充满N2）。浓缩后的脂肪酸用5 mL氯仿分5次转移到氯仿活化的硅胶固相萃取柱内，依次用8 mL氯仿、16 mL丙酮和8 mL甲醇洗脱萃取柱，收集甲醇洗脱液于玻璃离心管内，通风橱避光条件下纯N2吹干甲醇相。

③甲酯化玻璃离心管内加入1.0 mL甲醇-甲苯混合溶液（体积比1﹕1）和1.0 mL的0.2 mol·L-1KOH-甲醇溶液，混匀后35℃水浴15 min。冷却至室温后依次加入2.0 mL去离子水、0.3 mL的1 mol·L-1HAc和2.0 mL正己烷，涡旋30 s后2 500 r/min离心10 min，使用玻璃吸管吸取上层正己烷相于样品瓶内（一样一只吸管），重复上述步骤一次合并正己烷，通风橱内避光条件下纯N2吹干正己烷，即得到甲酯化磷脂脂肪酸（FAME）。

④PLFA图谱分析样品瓶内加入150 μL正己烷溶解样品，加入50 μL的40 μg·mL-119:0甲基酯作内标用于定量，过气相色谱柱（Agilent GC 7890A），利用美国MIDI公司开发的Sherlock Microbial Identification System（MIS）4.5系统进行脂肪酸的比对鉴定。

（2）各微生物群落表征 研究认为不同微生物群落的PLFA图谱存在较大差异，而同一类群的微生物PLFA图谱则很相近，因而可以利用某些特征PLFA表征某一类群的微生物[23]。通常：n14:0-n20:0为普通直链饱和脂肪酸，表征细菌/总微生物量[23]；18:1 ω9c、18:2 ω6c、18:3 ω6c、16:1 ω5c表征真菌（Fungi）群落微生物量[24-26]；16:0 10-methyl、17:0 10-methyl、18:0 10-methyl、17:1 w7c 10-methyl表征放线菌（Actinobacteria）群落微生物量[24, 27]；14:0 iso、15:0 iso/ anteiso、16:0 iso、17:0 iso/ anteiso、17:1 iso ω9c表征革兰氏阳性细菌（G+）群落微生物量[6]；16:1ω7c、16:1ω9c、17:1ω8c、18:1ω7c、17:0 cycle ω7c、19:0 cycle ω7c表征革兰氏阴性细菌（G-）群落微生物量[6]；饱和直链脂肪酸、革兰氏阳性细菌（G+）、革兰氏阴性细菌（G-）和放线菌微生物量之和表示细菌群落微生物量，同时将所有微生物PLFAs总和表征为总微生物量。

（注：不同PLFA分子常以一系列C原子数目结合字母表示[28]，如18:1 ω6c，18代表脂肪酸含18个C原子，1代表含有一个双键，ω及后面的数字代表双键与脂肪端的距离；脂肪酸的顺势和反式构型分别用字母c和t表示，字母标在后面；有甲基异型存在时用anteiso和iso表示，分别指甲基在脂肪端末尾第3个和第2个C原子上；methyl表示甲基，前面的数字代表甲基距离羧基端距离；cycle表示为环丙烷脂肪酸。）

1.4 数据处理

利用SPSS19.0和 Excel2010软件对数据进行方差分析、显著检验和相关分析并作图。利用Canoco4.5软件对微生物群落PLFA进行冗余分析（redundancy analysis，RDA）并作图。

利用Shannon-Winner多样性指数（）、Pielou平均度指数（）和Simpson丰富度指数（）以PLFA为指征计算微生物多样性。计算公式如下：

=-ΣPlnP

=/ln

= 1-∑P2

式中，P是第种磷脂脂肪酸的相对丰度，即种特征磷脂脂肪酸的含量除以样品中特征磷脂脂肪酸的总含量；为每个样品中鉴定到的可供分析用的特征PLFA的种类数量。

2 结果

2.1 施用生物炭和炭基肥对土壤理化性质影响

由表2可知不同处理间全钾含量差异不显著（＞0.05）；PMC和BF处理的pH最高，显著高于BIO处理；CS和BF处理的土壤全氮含量最低，显著低于PMC处理，BIO处理居间；BF和BIO处理有机质含量最低，显著低于PMC处理；PMC处理的土壤含水量最高，其他处理间没有显著差异。

2.2 施用生物炭和炭基肥对土壤微生物群落结构影响

PMC处理的土壤微生物总PLFAs含量显著高于其他处理（图1），其余处理间则没有显著差异。细菌PLFAs含量仍以PMC处理最高，BF最低，CS和BIO处理居中且二者间无显著差异。放线菌PLFAs含量以CS处理最低，与PMC处理存在显著差异，BF和BIO处理居间无显著性差异。BIO处理的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的PLFAs（图2）含量均最低，与PMC处理存在显著差异。

表2 不同处理对土壤理化性质的影响

每列数据后不同小写字母表示Duncan多重比较不同处理差异显著，数据表示平均值±标准误差。下同

Different small letters within one column mean significant difference of Duncan multiple range test among different treatments at 5% level. Data were expressed as means±SE. The same as below

图1 不同处理土壤微生物的特征 PLFAs 含量

图2 不同处理革兰氏阳性与阴性细菌菌落的特征 PLFAs 含量

不同处理间的Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数均没有显著差异（表3），Shannon-Winner多样性指数BF处理显著高于BIO处理， PMC和CS处理居间没有显著差异。真菌PLFAs/细菌PLFAs比值（图3-a）BIO处理最低，其余3种处理之间没有显著差异，革兰氏阳性细菌PLFAs/革兰氏阴性细菌PLFAs比值（图3-b）BF和PMC处理最低，显著低于BIO处理。

2.3 土壤微生物PLFA与土壤理化指标的关系

以不同PLFA为物种因子对不同理化指标做约束性排序（RDA分析），利用蒙特卡罗P值检验中有显著贡献（＜0.05）的环境因子与物种因子做物种-环境双序图（图4），结果显示，第1主轴和第2主轴分别解释了微生物群落结构与理化性质关系总变异的76.3%和6.4%；对PLFA丰度有显著影响的土壤理化指标及重要性排序分别是土壤pH、全氮、有机质、含水量和全钾（表4），其中含水量和全钾对土壤微生物群落有显著影响（< 0.05），pH、全氮和有机质对土壤微生物群落有极显著影响（< 0.01）。pH和全氮与16:1 ω7c、18:1 ω7c（G-）、15:0 iso、15:0 anteiso（G+）、16:1 ω5c、18:1 ω9c（真菌）和16:0 10-methyl、18:0 10-methyl（放线菌）存在明显正相关，有机质与16:1 ω5c 、18:2 ω6c（真菌）、17:0 cycle ω7c（G-）、17:0 anteiso（G+）相关性较高，含水量和17:1 w7c 10-methyl（放线菌）、16:1 ω9c（真菌）、17:0 iso（G+）和17:1 ω8c 、19:0 cycle ω7c（G-）相关性强，全钾和17:0 10-methyl（放线菌）、16:0 iso、14:0 iso、17:1 iso ω9c（G+）和14:0、20:0（细菌）相关性较高。

表3 不同处理土壤微生物多样性指数

图3 不同处理土壤中真菌/细菌(a)、革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌(b)比

图4 土壤微生物群落结构和土壤化学性质的RDA分析

相关分析结果表明（表5），土壤pH与真菌、革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌PLFAs含量极显著相关，与放线菌PLFAs显著相关；全氮与革兰氏阳性与阴性细菌PLFAs含量极显著相关，与真菌与放线菌PLFAs含量显著相关；有机质与真菌PLFAs含量极显著相关，与革兰氏阳性与阴性细菌PLFAs含量显著相关；含水量与真菌、放线菌、革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌PLFAs含量显著相关；全钾和总PLFAs与细菌PLFAs含量极显著相关，和放线菌与革兰氏阳性细菌PLFAs含量显著相关。

表4 理化因子变量解释的重要性排序与显著性检验

表5 土壤微生物不同群落与土壤化学性质的相关性

*在0.05 水平上显著相关。**在0.01水平上显著相关 * Mean significant difference at 0.05 level. ** Mean significant difference at 0.01 level

3 讨论

各有机物料连续施用7年后，土壤理化性质发生了较大变化。与试验前相比（土壤pH5.5，全氮0.86 g·kg-1，有机质15.3 g·kg-1，全钾20.40 g·kg-1）不同处理pH、全氮、有机质和全钾含量均有所提高。生物炭制备过程中矿质元素趋于离子态存在，损失不大，施入土壤后显碱性可以提升土壤酸碱度[29]，其中炭基肥和猪厩肥处理提升幅度最大，这可能是炭基肥和腐熟的猪厩肥施入土壤后不会产生过多中间酸性产物[4]，而生物炭处理施用的生物炭颗粒添加了酸性胶结剂（各有机物料pH见表1），秸秆也会在土中腐解产生酸性物质[4]。生物炭对土壤全氮含量的提高是由于在烧制过程中氮的状态发生了转变[30]，出现较多以C-N杂环稳定形态存在的氮[31]，施入土壤能够长时间保持稳定不易被分解[32]，与此相似，在碳素每年投入不等量的情况下（CS、BIO和BF分别为1 999.8、499.8和57.98 kg·hm-2，有机物料含碳量见表1），生物炭和炭基肥处理有效提高土壤有机质含量且在长期施用中与CS处理达到相同水平。

植物种类、土壤性质以及土壤的管理方式是影响土壤微生物的主要因素[33]。本试验中PMC处理的各种微生物群落生物量均较为丰富，主要的原因有：腐熟的猪厩肥含有大量活性微生物，对于土壤起到“接种”的作用[34]；猪厩肥本身养分（主要是碳、氮）相较秸秆和生物炭更适宜微生物的繁殖[7]。生物炭对微生物的影响主要有两方面，一是生物炭本身多孔性的微观结构和巨大比表面积可为微生物提供适宜生境[15]，二是生物炭除了本身能提供少量营养物质外还可以通过吸附养分或改良土壤性质间接影响微生物群落[13]。细菌一般是土壤微生物中的优势群落[6]，本试验中不同处理细菌PLFAs占总PLFAs含量的比值均在75%以上，生物炭对微生物的影响首先体现在细菌群落中，炭基肥处理由于所含生物炭量不高（57.98 kg·hm-2），对土壤细菌微生物群落的影响不及生物炭处理（499.8 kg·hm-2）显著。细菌和真菌对土壤有机物质的分解途径不同，真菌易生存于低营养、难分解以及低氮含量有机物的环境，底物循环时间偏长；细菌则相反，偏好生存在营养丰富、有机物易于分解的土壤中，底物周转快[35]。本研究中生物炭处理的真菌PLFAs含量最低，相较猪厩肥处理不利于真菌积累。可能的原因是真菌生长并不过多依赖生物炭孔隙和生物炭带来的无机营养，而试验所用的玉米芯生物炭也没能提供足够数量的适宜真菌生存的孔隙[15]。JIN等[36]施用生物炭的改土试验还曾发现过真菌遗传多样性和数量减少的现象。

微生物群落结构关乎生态系统的稳定和健康[6, 37]，FTDE等[38]的研究发现，真菌/细菌生物量比值与农田生态系统稳定性相关，一些研究[42]也表明真菌/细菌生物量比值与微生物多样性存在相关性。本研究中炭基肥处理的Shannon-Winner多样性指数和真菌/细菌比值均最高，显著高于生物炭处理，说明相较生物炭处理施用炭基肥更有利于提高土壤微生物的群落结构多样性，生物炭处理相较炭基肥处理更有利于细菌群落PLFAs生物量的生长是引起这一差异的原因。支链饱和脂肪酸与环化单烯等不饱和脂肪酸通常分别是革兰氏阳性和阴性细菌的特征标记物[25]，其比值也常用来表示土壤微生物群落结构[39]及与环境的关系[38, 40]，比值高低与环境胁迫程度有关[20]。本研究中生物炭处理的G+/G-比值最高，说明施用生物炭对土壤微生物的胁迫程度较施用猪厩肥和炭基肥要高一些。但生物炭处理的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌PLFAs含量均低于猪厩肥处理，说明相比猪厩肥，生物炭处理更不利于革兰氏阴性细菌的积累，这与STEINBEISS等[12]的研究施入生物炭能增加土壤革兰氏阴性细菌生物量的结论似有不符，但本试验中炭基肥处理却没有这种现象，可能的原因是炭基肥和生物炭处理施入土壤的纯生物质炭量不同（BIO和BF分别为499.8 kg·hm-2和57.98 kg·hm-2），导致不同处理土壤微生物受胁迫程度不同。

土壤理化性质如pH、含水量、有机质和土壤养分也是影响土壤微生物群落的重要因素[20, 41]。本研究RDA分析结果显示，pH、全氮和有机质对土壤微生物影响最大，呈极显著相关，这与许多研究结果[6-7, 42]类似，pH对微生物适宜生存环境影响巨大[2]，氮素是微生物必不可少的养分元素[1]，而有机质是土壤养分最重要的衡量指标，说明这三种因素是影响本试验微生物群落的关键因子，其他显著影响因子还包括土壤含水量与全钾。但在重要性排序上pH位于全氮和有机质之前，此结果似乎和一些文献[7]相冲突，这主要有以下几方面原因：首先全氮和有机质并不是对所有微生物群落有显著影响，由表5可知全氮和有机质只是与部分微生物群落极显著相关，全氮与革兰氏阳性与阴性细菌，有机质与真菌，而土壤pH与真菌、革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均极显著相关；其次生物炭等有机物料拥有巨大的比表面积，pH的变化会对生物炭表面可变负电荷产生影响，造成铵态氮和磷素等营养元素的吸附障碍从而影响其对土壤微生物的有效性[2]。

生物炭被认为是改善土壤肥力和土壤生态，可通过固碳减缓气候变化的有效手段[10,18]，其对土壤的影响机理[4,8,10,21]多被解释为通过提高土壤pH和吸附作用改善土壤养分利用情况，同时改变土壤微生物群落组成及丰度[12,18-19]，进而对土壤养分循环或理化性质产生作用[11-12]，最终影响作物生长[11]。这些研究多数集中在土壤性质或微生物分化差异上，关于施用生物炭的土壤在功能微生物作用下养分变异过程的内涵并没有系统深入阐述。现有的研究[3-4,8-12,18]为未来关于生物炭对土壤微生物群落功能性的研究提供了广阔思路，如不同生物炭与土壤不同养分及相关酶与功能微生物的互作，生物炭与更广泛的微生物（土壤动物等）功能性研究，除本文研究的炭基肥外的生物炭菌剂等生物炭功能性产品，生物炭微生物环境风险等方面[18]都值得我们去探索。

4 结论

长期施用生物炭和炭基肥可以改善土壤的理化性质。相较猪厩肥，施用生物炭不利于真菌和革兰氏阴性细菌群落生物量的积累，且施用生物炭和炭基肥对土壤微生物群落的影响不同，施用生物炭可以显著提高土壤细菌生物量，施用炭基肥能显著提高土壤微生物Shannon-Winner多样性指数和真菌/细菌比以及降低革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌比，有利于土壤微生物群落结构多样性提高。

长期应用生物炭等有机物料培肥改土后，土壤理化指标对微生物群落产生显著影响的因子及重要性依次为pH、全氮、有机质、含水量和全钾，其中前3种因素的影响极显著。

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（责任编辑 李云霞）

Effects of Biochar and Biochar-based Fertilizer on Soil Microbial Community Structure

CHEN Kun, XU XiaoNan, PENG Jing, FENG XiaoJie, LI YaPeng, ZHAN XiuMei, HAN XiaoRi

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866)

【Objective】Microbes play the key role of switcher in soil nutrient cycling, the aim of this paper was to study the effects of soil microbial community structure by long-term fertilization of biochar and biochar-based fertilizer, and to provide theory reference on reasonable administration of different organic fertilizers, contrasting with traditional organic fertilizer (corn straw and piggery manure compost) in the meantime. 【Method】 This research was based on the long-term experiment of soil improvement of brown soil in Shenyang agricultural university (began in 2009). The changes of soil physic-chemical properties, soil microbial community structure and their relationship by long-term organic fertilizer plus NPK fertilization were studied by PLFA and correlatively analysis. Soil samples were collected from treatments as farmland with biochar-based compound fertilizer (BF) alone and farmland with piggery manure compost (PMC), corn straw-returning (CS), biochar (BIO) combination of NPK fertilizer, respectively. 【Result】Soil pH of PMC and BF were higher than BIO significantly; total N (TN) of PMC was significantly higher than BF and CS, which of BIO had no significant difference with PMC; soil organic matter (SOM) of PMC was significantly higher than that of BF and BIO; moisture content (MC) of PMC was the highest of all treatments; total K (TK) of all treatments had no significant difference. Total PLFAs of PMC was significantly higher than other treatments, but there were no significant differences among others; bacteria PLFAs of PMC was the highest of all treatments, which of BF was significantly lower than BIO and CS; fungi, gram-positive, gram-negative PLFAs of PMC were significantly higher than BIO, which of BF had no significant difference with PMC; actinomyces PLFAs of PMC was higher than CS significantly, there were no significant differences between BIO and BF. The result of analysis showed that Shannon-Winner richness index () and the fungi/bacteria PLFAs ratio of BF was higher than BIO significantly, the gram- positive/gram-negative PLFAs ratio of BF and PMC were lower than BIO significantly. The result of redundancy analysis (RDA) showed that microbial PLFA was significantly influenced (<0.01) by soil pH, TN and SOM, and significantly influenced (<0.05) by MC and TK.【Conclusion】Soil physico-chemical properties were obvious improved by long-term fertilization of biochar and biochar-based compound fertilizer. Compared to PMC, farmland with BIO was bad for the growth of fungi and gram-negative microbe, and farmland with BIO and BF had different effects on soil microbial community structure, namely, farmland with BIO could increase the biomass of bacteria, while farmland with BF could increase the fungi/bacteria ratio and the diversity of soil microbial community structure. Soil pH, TN, SOM, MC and TK were the important factors which influence the soil microbe community structure in this study in the order.

biochar; biochar-based compound fertilizer; PLFA; community structure; soil microbe

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.10.011

2017-06-27；

2017-10-12

国家自然科学基金（41201283）、国家公益性行业（农业）科研专项（201303095-15）、国家科技支撑计划（2015BAD23B05）

陈坤，E-mail：chenkun083@163.com。通信作者战秀梅，E-mail：xiumeizhan@163.com