不同秸秆生物炭对贵州黄壤细菌群落的影响

侯建伟，邢存芳，卢志宏，陈芬，余高



不同秸秆生物炭对贵州黄壤细菌群落的影响

侯建伟，邢存芳，卢志宏，陈芬，余高

（铜仁学院乌江学院，贵州铜仁 554300）

【目的】表征不同生物炭处理的黄壤细菌群落结构特征和组成差异，探讨引起黄壤细菌群落变化的主控环境因子，为土壤改良和秸秆资源的合理利用提供理论参考。【方法】以玉米、水稻和油菜秸秆500℃炭化得到的生物炭为添加材料，以贵州省地带性黄壤为供试土壤，通过室内培育试验，采用高通量测序（Illumina HiSeq）技术，研究不同生物炭处理的黄壤细菌的菌群变化，并对细菌群落结构与环境因子进行相关性分析和因子分析。试验共设4个处理：对照（CK）、添加玉米秸秆生物炭（BC1）、水稻秸秆生物炭（BC2）和油菜秸秆生物炭（BC3）。【结果】细菌16S rRNA基因拷贝数与土壤全氮、pH和全碳呈极显著或显著正相关关系（分别为0.78**、0.62*和0.66*）。施用生物炭增加了细菌门和纲水平上的优势菌群的丰富度和多样性，且与pH和C/N具有较强的正相关性。Actinobacteria（放线菌门）、Cyanobacteria（蓝藻菌门）和Chloroflexi（绿弯菌门）为黄壤的3大优势菌门，占所有菌门的68.5%。因子分析显示，土壤全氮、C/N、pH、有效磷和阳离子交换量（CEC）总共解释了80.8%的群落变化，成为黄壤细菌群落结构变化的主控环境因子，贡献率依次为：土壤C/N＞pH＞有效磷＞全氮＞CEC。【结论】生物炭改变了细菌的群落构成和化学性质，土壤全氮、C/N、pH、有效磷和CEC对细菌群落结构变化贡献较大，其中全氮和pH是提高土壤细菌群落多样性和丰富度的主控环境因子。

生物炭；黄壤；高通量测序；细菌群落；土壤化学性质

0 引言

【研究意义】土壤酸化是土壤退化的一个重要方面，土壤酸化会造成土壤质量和肥力的下降，营养元素的流失，从而对生长的作物产生严重危害[1]。黄壤是贵州省面积最大的地带性土壤，面积共738.43万hm2，分别占贵州省土壤面积和全国黄壤面积的46.4%和25.3%。pH小于5.5的强酸性黄壤面积占贵州省黄壤总面积的41.2%[2]。生物炭改变土壤理化性质的同时，也对土壤微生物群落结构产生影响，土壤微生物能够促进土壤有机质的分解以及土壤养分的转化，对维持土壤质量和土壤的健康有十分重要的作用[3]。其中，细菌在微生物数量中占有绝对优势，可决定土壤微生物总量的分布和有机物的分解与转化[4]。开展不同秸秆生物炭对酸性黄壤细菌群落影响的研究，分析细菌群落结构特征、组成以及引起细菌群落变化的主控环境因子，有利于进一步认识黄壤细菌群落的结构变化。【前人研究进展】秸秆生物炭不仅是富含碳的有机物质，还包括氮、氧、硫等多种养分元素和无机碳酸盐成分，其输入可以增加黄壤有机碳含量水平，提供微生物可利用组分[5]。同时，秸秆生物炭具有一定的离子交换能力和吸附特性，其对营养元素（如NO3--N，NH4+-N，PO43-）的吸附和截留，可以降低肥料养分的流失，提高养分利用率[6]。此外，生物炭还可以通过对土壤pH、CEC等环境的改变，间接地改变微生物群落多样性及氮素转化过程[7]。周桂玉等[8]研究发现，添加玉米秸秆生物炭可以提高草甸黑土有机碳和有效养分含量；但张晗芝等[9]则报道，秸秆生物炭的添加对砂浆水稻土有效磷和pH没有显著影响。生物炭类型和炭化温度可决定生物炭的组分及特性[10]，随着裂解温度的升高，C、N元素富集，表面吸附特性及孔度也发生变化[10]，都会影响其对土壤养分状况的改变程度。微生物在土壤生态系统的物质循环和能量流动过程中扮演着重要的角色，它可以直接或间接参与生物炭在土壤中的降解、迁移和转化过程[11]。生物炭作为一种性质独特的物质，其孔隙结构及对水肥的吸附作用可直接为土壤微生物提供良好的栖息环境和生长所需养分[12]。KOLB等[13]指出，秸秆炭较木质炭可能含有更为丰富的微生物可利用组分以及适宜的栖息环境，更能提高微生物数量和生物量水平。不同来源的生物炭因结构特性及组分差异，往往会被不同的微生物群体所利用[14]，其引起的微生物群落结构变化也会有差异。生物炭对土壤微生物活性和群落结构组成的改变往往与试验条件、生物炭自身性质、土壤质地及肥力水平等密切相关[13]。【本研究切入点】黄壤是贵州省喀斯特地区主要的农业土壤类型，具有质地黏重，比水容量小，养分含量低和酸性强等特点，已限制了农业的可持续发展[15]。基于《贵州统计年鉴》（2004—2013年）全省以水稻、玉米和油菜秸秆产量最大，分别为300×104—480×104t、260×104— 382.2×104t和200×104—260×104t[16]。近年来，秸秆废弃物转化生物炭还田改良酸性土壤，并从生物分类学的角度准确描绘数量庞大的微生物群体，一直以来都是备受关注的焦点问题[17]。但是不同秸秆生物炭对酸性黄壤细菌群落结构特征和组成的影响并未见广泛报道；不同秸秆生物炭引起细菌群落变化的主控环境因子还不十分清楚。【拟解决的关键问题】本研究以玉米、水稻和油菜秸秆500℃炭化得到的3 种生物炭为添加材料，以贵州省地带性黄壤为改良对象，通过室内培育试验，研究不同秸秆生物炭对黄壤细菌群落结构特征和组成的影响，分析土壤菌群与环境因子的相关关系和主控环境因子，以期为黄壤改良和秸秆资源的合理利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

生物炭：玉米秸秆生物炭、水稻秸秆生物炭和油菜秸秆生物炭，由辽宁金和福有限公司生产（炭化温度500℃，炭化时间6 h）。

土壤：取自铜仁学院试验田耕层土壤（0—20 cm土层）。土样在实验室自然风干并过2 mm的土壤筛。供试土壤和生物炭的理化性质见表1。

1.2 试验设计与样品采集

试验于 2017 年5—12月室内进行。称取 4 kg 风干，按照 2%添加量将玉米秸秆生物炭（BC1）、水稻秸秆生物炭（BC2）和油菜秸秆生物炭（BC3）分别与土壤充分混匀装入塑料培养盆（直径：20 cm；高：22 cm）中。补加蒸馏水至田间饱和持水量的 60%，同时做无生物炭空白对照（CK），无菌膜封口，保持一定的透气性，培养盆底部中心打直径1 cm小孔，置于（25±1）℃培养箱中进行培养试验。每个处理3次重复，每隔5 d称重法补水一次。培养 186 d 后，于培养盆中均匀、分散的选取3点（培养盆半径中点）用土钻直通盆底取样（土层厚度20 cm）、混匀，即为该处理的1个样品。土壤样品储存于保鲜自封袋中，一部分于-80 ℃冰箱保存，用于土壤微生物群落分析；另一部分室温风干研磨，分别过 2 mm筛和 0.15 mm筛，用于测定土壤化学性质。

表1 供试土壤和生物炭的理化性质

生物炭pH：水﹕炭=10﹕1；土壤pH：水﹕土=5﹕1

The pH value of biochar was determined under the condition of water and carbon ratio of 10:1; pH value of soil was determined under the condition of water and carbon ratio of 5:1

1.3 测试项目与方法

生物炭：pH用复合电极电位法测定[18]；全碳和全氮用CHN元素分析仪（德国elementar，Vario Macro）测定[18]；有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-分光光度计法测定[19]；速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[19]；孔容积、孔径、比表面积采用全自动气体吸附仪（ASAP2020）测定[18]。

土壤：全氮用开氏定氮法测定；全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾用NaOH熔融-火焰光度法测定；全碳用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-分光光度计法测定；速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法测定；阳离子交换量（CEC）用乙酸钠-火焰光度法测定；pH用复合电极电位法测定；C/N用全碳与全氮的比计算得出。上述测试方法参见《土壤农化分析》[19]。

土壤DNA的提取与高通量测序[20]：具体测试方法包括基因组DNA的提取（采用CTAB方法对样本的基因组DNA 进行提取，之后利用琼脂糖凝胶电泳检测DNA的纯度和浓度，取适量的样品于离心管中，使用无菌水稀释样品至1 ng·μL-1）→PCR扩增（以稀释后的基因组DNA 为模板，根据测序区域的选择，使用带Barcode 的特异引物，New England Biolabs公司的Phusion® High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer和高效高保真的酶进行PCR，确保扩增效率和准确性。细菌针对V4区的16SrRNA基因（引物为515F和806R））→PCR产物的混样和纯化（PCR产物使用2%浓度的琼脂糖凝胶进行电泳检测；根据PCR产物浓度进行等量混样，充分混匀后使用2%的琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物，对目的条带使用qiagen公司提供的胶回收试剂盒回收产物）→建库测序策略（采用IllunimaHiseq PE 测序平台对16s rRNA的V4 高变区进行测序）→文库构建和上机测序（使用TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建库试剂盒进行文库构建，构建好的文库经过Qubit和QPCR定量，文库合格后，使用Hiseq2500 PE250进行上机测序）。

1.4 数据分析

数据处理利用SAS9.0进行主分量分析（Principal component analysis）和方差分析（ANOVA）；用EXCEL2007计算数据置信区间、绘制图表，使用CANOCO4.5软件对土壤化学性质和细菌群落结构进行冗余分析（RDA）；利用软件mothur 计算Alpha 多样性指标，包括丰度指数（ACE和Chao1）和多样性指数（Shannon和Simpson）。

2 结果

2.1 细菌16s rRNA基因拷贝数

不同生物炭处理的细菌16S rRNA基因拷贝数为2.76×105—4.66×105copies/g soil（图1）。其中，BC3处理的细菌16S rRNA基因拷贝数最多，为4.66×105copies/g soil，比CK处理增加了68.8%；其次是BC2处理，为3.99×105copies/g soil，比CK处理增加了44.6%；BC1处理最少，为3.95×105copies/g soil，比CK处理增加了43.1%。BC1处理与BC2处理间的细菌16S rRNA基因拷贝数没有显著性差异，其他处理间均达显著差异水平（＜0.05）。

不同生物炭处理的细菌16S rRNA基因拷贝数与黄壤化学性质的相关性分析表明（表2），细菌16S rRNA基因拷贝数与土壤全氮呈极显著正相关关系（=0.78**）；与pH和全碳均呈显著正相关关系（分别为0.62*和0.66*）；而与其他化学性质间无显著的相关性。

图柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）

表2 黄壤化学性质及其与细菌16s rRNA基因拷贝数的相关性分析

样本数为12个；*表示差异显著（＜0.05），**表示差异极显著（＜0.01）；同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）

The number of sample is 12; * means significant difference at＜0.05, ** means significant difference at＜0.01; The data followed bydifferent small letters in the same line mean significant difference at 0.05 level among treatments

2.2 不同生物炭处理细菌多样性分析

将序列相似性达到97%的序列作为一个OTU，在4个土壤处理中，细菌群落分析共获得有效序列657 762条，覆盖率达96.3%，可以满足解释土壤细菌多样性的需要。由表3可知，4个处理的OTU数为2 621—3 431，生物炭处理显著高于CK处理（＜0.05）。BC3处理的OTU数最高，较CK处理增加了30.9%；BC2处理最低，较CK处理增加了8.1%。各土壤处理的Richness指数和Diversity指数（表3）表明，生物炭能够影响细菌群落的丰富度和多样性，但其影响程度因生物炭的种类而差异显著，其中BC3处理最有利于提高土壤细菌群落的丰富度和多样性。

2.3 黄壤中细菌群落组成

由门水平的细菌群落组成（图2）可知，Actinobacteria（放线菌门）相对丰度最高，占19.3%— 43.0%，平均为32.7%，其次为Cyanobacteria（蓝藻菌门），占9.0%—39.0%，平均为20.4%，随后依次为Chloroflexi（绿弯菌门，6.4%—22.4%）、Proteobacteria（变形菌门，5.8%—20.5%）、Firmicutes（厚壁菌门，6.4%—22.4%）、Gemmatimonadetes（芽单胞菌门，0.7%—3.8%）、Crenarchaeota（泉古菌门，0.6%— 3.0%）、Acidobacteria（酸杆菌门，1.2%—1.6%）、Armatimonadetes（装甲菌门，0.7%—2.1%）和Bacteroidetes（拟杆菌门，0.4%—3.0%）。CK处理中只有Acidobacteria（酸杆菌门）的相对丰度均高于其他3个处理，而其余菌门在BC1、BC2和BC3处理间的响应不同。具体表现为，BC1处理有利于增加Cyanobacteria、Chloroflexi、Crenarchaeota和Armatimonadetes的相对丰度；BC2处理有利于增加Firmicutes、Proteobacteria、Gemmatimonadetes和Bacteroidetes的相对丰度；而BC3处理有利于增加Actinobacteria、Chloroflexi、Firmicutes、Proteobacteria、Crenarchaeota、Bacteroidetes和Armatimonadetes的相对丰度。说明在细菌群落组成前10 的菌门中，BC1处理增加了相对丰度较大（Cyanobacteria和Chloroflexi）和较小（Crenarchaeota和Armatimonadetes）的菌门丰度；BC2处理增加了相对居中的菌门丰度；而BC3处理几乎提高了整体优势菌门的相对丰度。

表3 16S rRNA基因OTU数、Read数、丰富度和多样性指数

同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）

The data followed bydifferent small letters in the same column mean significant difference at 0.05 level among treatments

图2 不同处理相对丰度前10的菌门

由纲水平的相对丰度（表4）可知，只有Actinobacteria（放线菌纲）和Anaerolineae（厌氧绳菌纲）的相对丰度表现为CK最高，而其余菌纲在CK、BC1、BC2和BC3处理间的响应不同。具体表现为：BC1处理增加了Oscillatoriophycideae（颤藻亚纲）、Ellin6529、Chloroflexi（绿弯菌纲）和Thermomicrobia（热微菌纲）的相对丰度，较CK分别提高了65.8%、64.8%、108.9%和234.7%；BC2处理增加了Thermoleophilia（嗜热油菌纲）、Bacilli（芽孢杆菌纲）、Alphaproteobacteria（α-变形杆菌纲）和Gammaproteobacteria（丙型变形菌纲）的相对丰度，较CK分别提高了92.1%、83.8%、92.5%和3197.%；而BC3处理增加了Thermoleophilia、Bacilli、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Chloroflexi的相对丰度，较CK分别提高了155.6%、27.8%、87.4%、92.9%和22.9%。说明细菌群落组成对不同生物炭的响应不同，BC2处理和BC3处理在提高细菌群落纲水平影响上有很大的相似性，均主要集中在Thermoleophilia、Bacilli、Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria四个纲上。

2.4 影响黄壤细菌群落的因子分析

由土壤化学性质参数与细菌群落组成的主分量分析（图3-a）可知，相同处理的土壤都聚集在一起，且生物炭处理土壤彼此较为接近并与对照土壤区分开。说明生物炭的添加改变了土壤的细菌群落组成，且不同生物炭对土壤细菌群落组成的影响具有差异性。根据土壤环境因子间的相关性分析剔除相关性较高的变量，最终选出土壤全氮、碳氮比、有效磷、阳离子交换量和pH等5个因子来替代原有10个土壤环境因子变量覆盖的82%的土壤环境信息。第Ⅰ轴（PCA1）的特征值为6.94，且土壤全氮、阳离子交换量与第Ⅰ轴有显著的相关性，证明在水平方向影响了土壤细菌群落的分布，将玉米秸秆生物炭处理土壤（BC1）与其他土壤处理区分开。第Ⅱ轴（PCA2）的特征值为1.26，土壤pH、速效钾、有效磷与第Ⅱ轴有显著的相关性，证明这些因素的共同作用影响了垂直方向土壤细菌群落的组成，将对照土壤（CK）与生物炭处理土壤（BC1、BC2 和 BC3）区分开。

表4 不同生物炭处理细菌纲水平的相对丰度（前10的菌纲）

同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）

The data followed bydifferent small letters in the same line mean significant difference at 0.05 level among treatments

TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；TC：全碳；AN：碱解氮；AP：有效磷；AK：速效钾；CEC：阳离子交换量；C/N：碳氮比；BC1：玉米秸秆生物炭；BC2：水稻秸秆生物炭；BC3：油菜秸秆生物炭

通过对各土壤细菌群落多样性与土壤环境关系冗余分析（图3-b）发现，pH对细菌群落的丰度指数（ACE 和Chao1 ）和多样性指数（Simpson和Shannon）均呈现较强的正相关性，且土壤碳氮比与ACE和Simpson相关性也较好，说明土壤pH和C/N是改变土壤细菌群落多样性和丰富度的主控因子。CEC与土壤细菌群落丰度和多样性均呈现负相关，单一的阳离子交换量水平增加是不利于土壤细菌菌群变化的。所有理化因子总共解释了80.8%的群落变化，影响顺序依次为：土壤C/N＞pH＞全氮＞有效磷＞CEC，因此土壤全氮、碳氮比、有效磷、阳离子交换量和pH是改变黄壤细菌群落结构的主控环境因子。

黄壤中优势细菌群落（门水平）与土壤化学性质的相关性分析（表5）表明，除了Crenarchaeota和Armatimonadetes与5个化学指标都不具有相关性外，其他优势细菌群落对土壤化学性质的响应不同。其中，相对丰度靠前的Cyanobacteria、Chloroflexi、Proteobacteria和Firmicutes与土壤pH和C/N均具有很强的正相关性，尤其与Proteobacteria呈极显著正相关关系（分别为0.436**和0.622**）。其他化学指标对土壤细菌优势菌群变化均有影响，土壤全氮与Proteobacteria 和Bacteroidetes有较强的正相关性；有效磷与Cyanobacteria 和Acidobacteria呈显著负相关关系；CEC与Actinobacteria和Acidobacteria呈显著正相关关系。说明土壤pH和C/N的提高更有助于相对丰度较高的优势细菌菌群的生长繁殖，而土壤全氮、有效磷和CEC对细菌群落的影响具有差异性。

表5 土壤优势菌群（门水平）与土壤化学性质的相关性分析

样本数为12个。*表示显著相关＜0.05），**表示极显著相关（＜0.01）

The number of sample is 12. * Means significant correlation at＜0.05, ** Means significant correlation at＜0.01

3 讨论

3.1 生物炭对黄壤细菌16s rRNA基因拷贝数和多样性的影响

施用秸秆生物炭显著增加了细菌16S rRNA基因拷贝数，较CK增加了43.1%—68.8%，油菜秸秆生物炭提升效果最佳（图1）。表明生物炭能够提高黄壤细菌16S rRNA基因拷贝数且提升幅度与生物炭类型有关。这可能得益于生物炭的孔隙结构及其对水分和养分的吸附作用可以为微生物提供良好的栖息环境[12]。以往研究认为，秸秆生物炭的输入可以增加温带土壤[13]、土[21]和田园土壤[22]的细菌16S rRNA基因拷贝数；而DEMPSTER等认为，木质生物炭的添加降低了土壤细菌16S rRNA基因拷贝数[23]。本研究表明，玉米、水稻和油菜秸秆生物炭均不同程度地增加了黄壤细菌16S rRNA基因拷贝数（图1）。相关分析也显示，细菌16S rRNA基因拷贝数与土壤全氮、全碳和pH均有很好的正相关关系（表2）。这可能归因于不同类型生物炭的结构特性及组分差异被不同的微生物群体所利用，从而引起细菌数量的差异变化及土壤化学性质的改变[14]。土壤细菌16S rRNA基因拷贝数不仅与生物炭类型和土壤类型有关，还与生物炭炭化条件、施用量及颗粒细度有关[24-26]。高温（500℃、400℃）较低温（300℃）制备的生物炭更能促进微生物量的增加[24]。添加3%和9%细粒径生物炭处理的土壤细菌基因拷贝数均高于对应含量的中粒组和粗粒组，且9%细粒径生物炭处理的细菌基因拷贝数最高[25]。说明高温炭化、高添加量的细颗粒生物炭更有利于提高土壤细菌16S rRNA基因拷贝数。

各生物炭处理对黄壤细菌群落多样性的影响并不相同，表现为施用生物炭均影响了细菌群落的丰富度和多样性，但其影响程度因生物炭的种类而差异显著。说明生物炭种类能够显著影响黄壤细菌群落多样性。一些研究表明，因生物炭的组分及结构特异性，不同微生物群落对添加生物炭的响应往往不同。比如，武爱莲等[26]研究指出，随着生物炭施用量的增加，土壤细菌OTU 数目及丰富度指数（Chao1）呈增加趋势；而PIETIKAINEN等[27]研究表明生物炭施用对总体微生物量影响不大。JIN研究表明，温带土壤细菌群落多样性随着生物炭的增加而变大[28]；而MARRIS研究发现生物炭的施用会降低土壤微生物的多样性[29]。白浆土、潮土、灰漠土和棕壤土上施用玉米芯生物炭，添加生物炭对不同类型土壤微生物群落多样性的影响不尽相同，但4种土壤短时间（15 d）内添加生物炭处理的多样性指标低于对照，而45 d后生物炭添加量为40 t·hm-2（相当于1.6%的用量）处理的多样性指数最高[26]。这表明土壤细菌群落多样性对生物炭的响应非常复杂，与生物炭类型、添加量及土壤类型均有关系。研究认为，因生物炭可直接被微生物所利用的组分含量有限[12]，其对微生物群落结构的改变主要是通过间接途径实现，如影响土壤的养分状况、化学性质[20]和微生物细胞间信号物质的传递[21]等。本研究显示，在相同土壤类型和生物炭添加量下，油菜秸秆生物炭较玉米和水稻秸秆生物炭更利于提高黄壤细菌群落的丰富度和多样性（表3）。这可能是由于油菜秸秆生物炭的结构特性及组分，能够被更多不同的微生物群体所利用，其引起的微生物群落结构变化差异较大，增加了土壤细菌群落多样性。

3.2 生物炭对黄壤细菌群落组成的影响

对不同生物炭处理10大优势菌门的分析（图2）发现，Actinobacteria（放线菌门）、Cyanobacteria（蓝藻菌门）和Chloroflexi（绿弯菌门）是黄壤中相对丰度最高的3个菌门，占所有优势菌门的68%以上，表明在黄壤细菌群落中，放线菌、蓝藻菌和绿弯菌的生长能力较强。生物炭处理可以增加放线菌门丰度方面与大部分研究类似[25-26]，而本研究中蓝藻菌门和绿弯菌门丰度的提高可能与土壤类型或生物炭种类有关。KHODADAD等[30]研究发现，生物炭的添加为降解顽固碳源的微生物提供了生长机会，放线菌可以有效地降解复杂的芳香类化合物，因此可以增加土壤中放线菌门丰度。本研究与一些研究[20-22]均表明，生物炭可以增加土壤的细菌丰度，但不同微生物类别对不同来源生物炭处理所产生的响应仍存有差异。如在纲水平上（表4），生物炭抑制了Actinobacteria（放线菌纲）和Anaerolineae（厌氧绳菌纲）的生长繁殖，而增加了其他菌纲的生长繁殖。水稻和油菜秸秆生物炭处理主要增加了Thermoleophilia（嗜热油菌纲）、Bacilli（芽孢杆菌纲）、Alphaproteobacteria（α-变形杆菌纲）和Gammaproteobacteria（丙型变形菌纲）四个菌纲的相对丰度；而玉米秸秆生物炭处理增加了Oscillatoriophycideae（颤藻亚纲）、Ellin6529、Chloroflexi（绿弯菌纲）和Thermomicrobia（热微菌）的相对丰度，说明这三种生物炭处理在提高细菌群落纲水平上具有补偿效应。尹昌等[31]对东北黑土nir S型反硝化菌的系统发育分析表明，黑土中nir S 型反硝化菌主要由α-、β-和γ-变形菌纲的微生物组成。本研究发现Alphaproteobacteria（α-变形杆菌纲）在水稻和油菜秸秆生物炭处理中丰度要明显高于CK和玉米秸秆生物炭处理（表4），而其他研究中的烟草秸秆生物炭降低了红壤中变形菌门丰度[32]。表明生物炭类型和土壤类型可能是引起土壤α-变形杆菌生长繁殖的重要因子。变形杆菌纲是反硝化细菌的组分，此菌纲丰度的提高可能会引起氮素发生反消化作用几率变大，引起氮素损失。因此推断，本研究中添加水稻和油菜秸秆生物炭致使黄壤中Alphaproteobacteria（α-变形杆菌纲）丰度变大，可能不利于黄壤固持氮素养分。同时，一些研究也表明生物炭因比表面积巨大、表面负电荷丰富和电荷密度较高等特点，决定其具有很强的吸附能力，可一定程度地影响着土壤的养分含量[33]。土壤养分的持留主要靠吸附作用来实现，如矿物质和有机质的吸附[33]。水稻田试验研究表明，生物炭与肥料合理配施的情况下，显著增强了土壤中NH4+-N和NO3--N的吸附与固持作用，降低了氮素损失，从而显著提高了水稻对氮的利用率[34]。还有研究通过生物炭作为尿素的包膜材料来实现持留氮素养分的作用，并得出竹炭包膜尿素可将氨挥发损失量比普通尿素减少16.7%—31.8%[35]。因此，生物炭对养分的持留作用可能大于细菌中变形杆菌纲丰度增加带来的负面影响，但这种强弱关系还有待进一步研究。

细菌群落与土壤化学性质参数的冗余分析（图3）表明，土壤全氮对细菌群落的影响最显著，这与Liu等[36]的研究结果是一致的。土壤C/N、有效磷、阳离子交换量和pH也对细菌群落有很大的影响，这可能与生物炭自身的养分含量和性质有关。土壤pH对细菌群落的丰度指数（ACE 和Chao1 ）和多样性指数（Simpson 和Shannon）均呈现较强的正相关性；土壤C/N与ACE和Simpson相关性也较好，表明土壤pH和C/N可能是引起土壤中细菌群落多样性和丰富度变化的重要因子。高圣超等[37]研究发现，Gemmatimonadetes（芽单胞菌门）与土壤pH 呈极显著正相关，Proteobacteria（变形菌门）与土壤全氮呈极显著正相关。本研究对优势细菌群落（门水平）与土壤化学性质的相关性分析（表5）表明，绝大多数优势菌门都与土壤化学因子有一定的相关性。其中Proteobacteria与C/N呈极显著正相关关系；Bacteroidetes与土壤全氮呈显著正相关关系，表明土壤全氮可能是影响Proteobacteria和Bacteroidetes丰度的重要因子。因此，生物炭的添加可能主要是通过影响土壤pH、C/N和全氮等土壤化学性质与土壤细菌菌群的相互作用来改变其群落组成的。

4 结论

生物炭明显改变了黄壤的化学性质、细菌群落结构与组成，在一定程度上缓解了土壤酸度。土壤全氮、碳氮比、pH、有效磷和阳离子交换量是改变黄壤细菌群落结构变化的重要环境因子，其中土壤全氮和pH又是提高土壤细菌群落多样性和丰富度的主控环境因子。

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Effects of the Different Crop Straw Biochars on Soil Bacterial Community of Yellow Soil in Guizhou

HOU JianWei, XING CunFang, LU ZhiHong, CHEN Fen, YU Gao

(Wujiang College, Tongren University, Tongren 554300, Guizhou)

【Objective】The objective of the experiment was to determine the effects of different straw biochars on bacterial community structures and composition in yellow soil, and to find main environmental factors as the changes in order to provide information for soil amelioration and proper management of straw residue.【Method】Through a laboratory incubation experiment and used a zonal yellow soil of Guizhou province, the influences of corn, rice and rape straw biochar that were pyrolyzed at 500℃on bacterial communities were investigated by a high-throughput sequencing (Illumina Hiseq). Correlation and factor analysis of the bacterial community structure with environmental factors were followed. The experiment consisted of four treatments: control soil (CK), soil amended with 500℃corn (BC1), rice (BC2) and rape (BC3) straw biochar. 【Result】The results showed that the gene copy numbers of bacterial 16S rRNAwere closely related with soil total nitrogen (TN), pH and total carbon (TC) (=0.78**, 0.62* and 0.66*, respectively). Biochar addition to soil increased the richness and diversity of dominant bacteria at phylum and class level, which were a strong positive with pH and C/N. The analysis of bacterial community at phylum level showed that Actinobacteria, Cyanobacteria and Chloroflexi were dominant bacteria, occupying 68.5% of all phyla. Factor analysis showed that soil total nitrogen (TN), C/N ratio, pH, available phosphorus (AP) and cation exchange capacity (CEC) were main environmental factors on the soil bacterial community structure, total explaining 80.8% of the community changes. The order of contribution rate was soil C/N＞pH＞AP＞TN＞CEC.【Conclusion】This study provided clear evidence that community composition and chemical properties of bacterial were changed due to biochar addition to yellow soil. And soil TN, C/N, pH, AP and CEC had a greater contribution than environmental factors on the change of the bacterial community structure, in addition, TN and pH were more efficient on improving soil richness and diversity of bacterial community.

biochar; Yellow soil; high-throughput sequencing; bacterial community; soil physiochemical characteristics

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.008

2018-03-19；

2018-09-11

铜仁市科学技术局科技计划面上项目（2017TRS19949）、铜仁学院博士科研启动基金项目（trxyDH1702）

侯建伟，E-mail：hjw19860627@126.com。

邢存芳，E-mail：294911662@qq.com

（责任编辑 李云霞）