2017-08-25
派森諾生物再次與中國科學院南京土壤研究所合作，在《Soil Biology & Biochemistry》（影響因子4.857）上發表文章，揭示生物碳改良劑對稻田土壤排放N2O氣體的促進作用。
研究背景
在農耕作物中，氮肥一直是被大量需求并廣泛應用的肥料。但是由于氮肥的大量使用，現已造成了大氣中N2O含量的持續增加。而在農耕土壤中，稻田土壤被認為是主要的大氣N2O來源之一，因此，建立有效的農業溫室氣體減排管理方法迫在眉睫。
研究(jiu)目(mu)的(de)
在前人的研究中發現，生物碳改良劑能有效減少農耕土壤溫室氣體的排放量，并加強土壤的固碳能力、肥性以及增加作物產量，但是它對水稻田N2O氣體排放情況的影響還不明確。本研究旨在從以下兩方面探究生物碳改良劑對水稻田N2O氣體排放量的影響：小麥秸稈來源的生物碳改良劑對水稻田中N2O形成的相關基因豐度的影響，以及對具有相關功能的微生物類群的群落結構的影響，為研究生物碳改良劑對農耕稻田土壤溫室氣體N2O排放量的影響奠定了一定的科學基礎。
研究方(fang)法(fa)
測序技術：454 FLX平臺
測序模式：細菌的amoA功能基因
實驗對(dui)象：土壤樣品
實(shi)驗設計：取(qu)(qu)0~20cm處(chu)的(de)(de)(de)(de)水稻(dao)和小(xiao)麥輪作土壤，風干后過(guo)2mm的(de)(de)(de)(de)網目(mu)篩(shai)；并取(qu)(qu)小(xiao)麥秸稈經(jing)過(guo)烘干—慢熱(re)降解后過(guo)2mm的(de)(de)(de)(de)網目(mu)篩(shai)制(zhi)成(cheng)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)碳(tan)(tan)，將土壤、生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)碳(tan)(tan)、N肥分為6個(ge)處(chu)理，每個(ge)處(chu)理4個(ge)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)學重復，進行實(shi)驗室培養實(shi)驗，在各個(ge)時間(jian)階段進行理化性(xing)質(zhi)測(ce)定(ding)，并對(dui)第14d的(de)(de)(de)(de)各組(zu)(zu)樣品進行高通量測(ce)序：Control組(zu)(zu)（非熱(re)降解生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)碳(tan)(tan)對(dui)照組(zu)(zu)）、1%biochar組(zu)(zu)（熱(re)降解率為1%的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)碳(tan)(tan)）、4% biochar組(zu)(zu)（熱(re)降解率為4%的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)碳(tan)(tan)）、Urea組(zu)(zu)（加尿(niao)素(su)的(de)(de)(de)(de)無(wu)(wu)機N肥）、1% biochar+urea組(zu)(zu)（加尿(niao)素(su)無(wu)(wu)機N肥和熱(re)降解1%的(de)(de)(de)(de)biochar混(hun)合(he)物(wu)(wu)）、4% biochar+urea組(zu)(zu)（加尿(niao)素(su)無(wu)(wu)機N肥和熱(re)降解4%的(de)(de)(de)(de)biochar混(hun)合(he)物(wu)(wu)）。
研究結果
對不同處理組的樣品進行理化性質測定、N2O氣體排放量的測定、相關功能基因amoA，nirK，nirS及nosZ的定量PCR檢測及細菌amoA基因進行高通量測序，得到如下結果：
對45天內不同處理樣品的N2O氣體排放情況進行檢測，發現4% biochar、Urea、1% biochar+urea、4% biochar+urea四個組從第10天起N2O氣體通量開始增加，并在第14天時達到各自峰值；并且由45天內各組N2O氣體的累積排放量可知，4% biochar+urea組是最多的，與其他組具有顯著差異。
對生物碳、N肥的添加以及它們同時添加對N2O氣體排放情況、N2O氣體形成相關功能基因豐度的影響進行ANOVA方差分析，由結果表格可知，Biochar×N fertilizer對N2O氣體的排放有著關鍵的促進作用。
對45天(tian)內(nei)6個處理不(bu)同階段的PH值(zhi)進行測量(liang)，由折(zhe)線圖可(ke)知在前(qian)14天(tian)除(chu)了(le)control組，其他組的PH值(zhi)都(dou)有顯著增加，而在14天(tian)之后又急劇下降，并(bing)且除(chu)了(le)4% biochar組外，各組的PH值(zhi)都(dou)逐漸(jian)達到4.5左右的穩(wen)定值(zhi)。
對45天內無機N的含量進行檢測，由折線圖可知，在加N肥和不加N肥的處理之間，NH4+離子濃度并沒有顯著差異，并且在不加N肥的處理組中，加生物碳的2組處理組相較control組，NH4+離子濃度下降更快；NO3-離子濃度在前7天的所有處理中都很低，但是從7~14天期間除了control組，其它所有處理組中NO3-離子濃度都有顯著增加，并且添加生物碳的處理組中，NO3-離子濃度要顯著高于不添加生物碳的處理組。
在第7、14、25、45天時，對各個處理的樣品中5個相關功能基因進行定量PCR檢測，可知，生物碳的添加顯著降低樣品中古菌amoA基因豐度；尿素和生物碳的添加顯著增加了各處理組7~14d中細菌amoA基因豐度；在第14d時4% biochar組中nirK基因豐度相較control組有顯著增加；在第25d時，1% biochar和4% biochar組中nirS基因豐度相較control組有顯著下降；nosZ的基因豐度在各個處理組中都呈現出類似的變化趨勢，從7~14d明顯下降，從14~25d明顯上升，在第25d時達到最大峰值。
對(dui)Control、Urea、4%biochar及4%biochar+urea四個組的高通(tong)量測序(xu)結(jie)果進行PCoA分析，由圖可知，不加生物碳和添加生物碳的處(chu)理組之間有明顯(xian)的差(cha)(cha)異，并且Control和Urea的組間差(cha)(cha)異也大于組內差(cha)(cha)異。
對高通量測序結果中部分細菌amoA基因進行進化樹的構建，我們發現AOB-amoA基因序列可分為三大集群，Nitrosospira clusters 12和13以及 Nitrosomonas cluster 6；其中Nitrosospira在4% biochar組中的相對豐度較Control組中有所降低，但Nitrosomonas卻正好相反，它在添加生物碳的處理組中相對豐度反而有所增加。
總結(jie)
本研究從各個方面展開生物碳對稻田土壤溫室氣體N2O排放量影響的探究，將土壤理化性質、N2O排放量及土壤中微生物多樣性組成情況等多角度研究結果相結合，闡明了生物碳對稻田土壤N2O排放的促進作用，為生物碳在農業生態中廣泛應用提出了相左的堅實科學依據。
本研究的測序工作由上海派(pai)森諾生物科技股份有限公司完成(cheng)。
文章索(suo)引：
Lin Y, Ding W, Liu D, et al. Wheat straw-derived biochar amendment stimulated N 2 O emissions from rice paddy soils by regulating the amoA genes of ammonia-oxidizing bacteria[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 113: 89-98
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