2017-08-10
派(pai)森諾生物再次與中國科學院南(nan)京土壤研究所合作，在《Soil Biology & Biochemistry》（影響因子4.857）上(shang)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(geng)作物中(zhong)，氮肥(fei)一(yi)直是(shi)被(bei)大(da)量需求并廣泛應用(yong)的肥(fei)料。但是(shi)由于氮肥(fei)的大(da)量使用(yong)，現已造(zao)成了大(da)氣(qi)中(zhong)N2O含量的持續增加。而在農耕(geng)土壤(rang)中(zhong)，稻(dao)田(tian)土壤(rang)被(bei)認為(wei)是(shi)主要(yao)的大(da)氣(qi)N2O來源(yuan)之一(yi)，因(yin)此，建立有效的農業溫室氣(qi)體減排管理(li)方法(fa)迫在眉睫。
研究目(mu)的
在前人的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究中發(fa)現，生(sheng)物(wu)碳改(gai)良劑(ji)能(neng)有效減少(shao)農(nong)(nong)耕(geng)土(tu)壤(rang)(rang)溫室氣(qi)(qi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)放量(liang)，并加強(qiang)土(tu)壤(rang)(rang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固碳能(neng)力、肥性以(yi)及增加作物(wu)產量(liang)，但是它對水(shui)稻(dao)田N2O氣(qi)(qi)體(ti)(ti)排(pai)放情況的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響還不明確。本研究旨在從以(yi)下兩(liang)方(fang)面探究生(sheng)物(wu)碳改(gai)良劑(ji)對水(shui)稻(dao)田N2O氣(qi)(qi)體(ti)(ti)排(pai)放量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響：小麥秸稈來源的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)碳改(gai)良劑(ji)對水(shui)稻(dao)田中N2O形成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相關(guan)(guan)基因豐度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響，以(yi)及對具有相關(guan)(guan)功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)生(sheng)物(wu)類群的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)群落結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響，為研究生(sheng)物(wu)碳改(gai)良劑(ji)對農(nong)(nong)耕(geng)稻(dao)田土(tu)壤(rang)(rang)溫室氣(qi)(qi)體(ti)(ti)N2O排(pai)放量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響奠定(ding)了一定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)科學基礎(chu)。
研究方法
測序技術：454 FLX平臺(tai)
測序模式：細(xi)菌(jun)的(de)amoA功(gong)能基(ji)因
實驗對象：土壤樣(yang)品
實(shi)驗(yan)設計：取(qu)0~20cm處(chu)的(de)(de)(de)水稻和(he)小(xiao)麥(mai)輪作土(tu)壤(rang)，風干后過(guo)(guo)2mm的(de)(de)(de)網(wang)(wang)目篩；并(bing)取(qu)小(xiao)麥(mai)秸稈經(jing)過(guo)(guo)烘干—慢熱(re)降解(jie)(jie)后過(guo)(guo)2mm的(de)(de)(de)網(wang)(wang)目篩制成(cheng)生(sheng)物(wu)碳(tan)(tan)，將土(tu)壤(rang)、生(sheng)物(wu)碳(tan)(tan)、N肥(fei)分為(wei)6個(ge)(ge)處(chu)理(li)，每個(ge)(ge)處(chu)理(li)4個(ge)(ge)生(sheng)物(wu)學重(zhong)復，進行實(shi)驗(yan)室培(pei)養實(shi)驗(yan)，在各個(ge)(ge)時間階段進行理(li)化性質測定，并(bing)對第14d的(de)(de)(de)各組(zu)樣品進行高通量測序：Control組(zu)（非熱(re)降解(jie)(jie)生(sheng)物(wu)碳(tan)(tan)對照(zhao)組(zu)）、1%biochar組(zu)（熱(re)降解(jie)(jie)率為(wei)1%的(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)碳(tan)(tan)）、4% biochar組(zu)（熱(re)降解(jie)(jie)率為(wei)4%的(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)碳(tan)(tan)）、Urea組(zu)（加(jia)(jia)尿(niao)素(su)的(de)(de)(de)無機(ji)N肥(fei)）、1% biochar+urea組(zu)（加(jia)(jia)尿(niao)素(su)無機(ji)N肥(fei)和(he)熱(re)降解(jie)(jie)1%的(de)(de)(de)biochar混(hun)合(he)物(wu)）、4% biochar+urea組(zu)（加(jia)(jia)尿(niao)素(su)無機(ji)N肥(fei)和(he)熱(re)降解(jie)(jie)4%的(de)(de)(de)biochar混(hun)合(he)物(wu)）。
研究結(jie)果
對不同處理(li)組的(de)樣品進行(xing)理(li)化性質測(ce)(ce)定(ding)(ding)、N2O氣體排放量(liang)(liang)的(de)測(ce)(ce)定(ding)(ding)、相關功能基(ji)因(yin)amoA，nirK，nirS及nosZ的(de)定(ding)(ding)量(liang)(liang)PCR檢測(ce)(ce)及細菌amoA基(ji)因(yin)進行(xing)高通量(liang)(liang)測(ce)(ce)序，得到如下結果：
對45天(tian)內(nei)不同處理樣品的N2O氣體排放情況進行(xing)檢測，發現(xian)4% biochar、Urea、1% biochar+urea、4% biochar+urea四個組從第(di)10天(tian)起N2O氣體通量開始增加，并(bing)在(zai)第(di)14天(tian)時達到各自峰(feng)值；并(bing)且由45天(tian)內(nei)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(yi)。
對生物碳、N肥的添加以及它們同時添加對N2O氣體排放(fang)情況、N2O氣體形成(cheng)相關功能(neng)基因豐度的影響進(jin)行ANOVA方差分析，由結果表格可知(zhi)，Biochar×N fertilizer對N2O氣體的排放(fang)有著關鍵的促進(jin)作用。
對45天(tian)內6個處理不同階段的(de)(de)PH值(zhi)進(jin)行測(ce)量，由折線圖可知在前14天(tian)除(chu)了control組(zu)(zu)，其他組(zu)(zu)的(de)(de)PH值(zhi)都(dou)有顯著增加，而在14天(tian)之(zhi)后又急劇下(xia)降，并且除(chu)了4% biochar組(zu)(zu)外(wai)，各組(zu)(zu)的(de)(de)PH值(zhi)都(dou)逐(zhu)漸達(da)到(dao)4.5左右的(de)(de)穩定值(zhi)。
對45天(tian)內無機N的(de)含量進行檢(jian)測(ce)，由(you)折線圖可知，在加N肥和(he)不加N肥的(de)處(chu)理(li)(li)(li)(li)之(zhi)間，NH4+離子(zi)(zi)濃(nong)度并(bing)沒有(you)(you)(you)(you)顯著(zhu)差(cha)異(yi)，并(bing)且在不加N肥的(de)處(chu)理(li)(li)(li)(li)組(zu)(zu)中(zhong)，加生(sheng)物(wu)碳的(de)2組(zu)(zu)處(chu)理(li)(li)(li)(li)組(zu)(zu)相較control組(zu)(zu)，NH4+離子(zi)(zi)濃(nong)度下降更(geng)快；NO3-離子(zi)(zi)濃(nong)度在前7天(tian)的(de)所有(you)(you)(you)(you)處(chu)理(li)(li)(li)(li)中(zhong)都(dou)很低，但是從7~14天(tian)期間除(chu)了control組(zu)(zu)，其它(ta)所有(you)(you)(you)(you)處(chu)理(li)(li)(li)(li)組(zu)(zu)中(zhong)NO3-離子(zi)(zi)濃(nong)度都(dou)有(you)(you)(you)(you)顯著(zhu)增(zeng)加，并(bing)且添(tian)加生(sheng)物(wu)碳的(de)處(chu)理(li)(li)(li)(li)組(zu)(zu)中(zhong)，NO3-離子(zi)(zi)濃(nong)度要顯著(zhu)高(gao)于不添(tian)加生(sheng)物(wu)碳的(de)處(chu)理(li)(li)(li)(li)組(zu)(zu)。
在(zai)第(di)(di)7、14、25、45天時，對各(ge)個處(chu)理的(de)樣品中(zhong)5個相關功能基(ji)因進行(xing)定(ding)量PCR檢測(ce)，可知(zhi)，生(sheng)物碳(tan)的(de)添(tian)加(jia)顯(xian)著降低(di)樣品中(zhong)古菌(jun)amoA基(ji)因豐(feng)(feng)度；尿素和生(sheng)物碳(tan)的(de)添(tian)加(jia)顯(xian)著增(zeng)加(jia)了各(ge)處(chu)理組(zu)(zu)7~14d中(zhong)細菌(jun)amoA基(ji)因豐(feng)(feng)度；在(zai)第(di)(di)14d時4% biochar組(zu)(zu)中(zhong)nirK基(ji)因豐(feng)(feng)度相較(jiao)control組(zu)(zu)有顯(xian)著增(zeng)加(jia)；在(zai)第(di)(di)25d時，1% biochar和4% biochar組(zu)(zu)中(zhong)nirS基(ji)因豐(feng)(feng)度相較(jiao)control組(zu)(zu)有顯(xian)著下降；nosZ的(de)基(ji)因豐(feng)(feng)度在(zai)各(ge)個處(chu)理組(zu)(zu)中(zhong)都(dou)呈(cheng)現出類似的(de)變化趨勢(shi)，從(cong)7~14d明(ming)顯(xian)下降，從(cong)14~25d明(ming)顯(xian)上升，在(zai)第(di)(di)25d時達到最大(da)峰值。
對Control、Urea、4%biochar及(ji)4%biochar+urea四個組(zu)的(de)高通量測序(xu)結果進行PCoA分析，由圖可知(zhi)，不加(jia)生物碳和(he)添(tian)加(jia)生物碳的(de)處理(li)組(zu)之間(jian)(jian)有明(ming)顯的(de)差異(yi)，并且Control和(he)Urea的(de)組(zu)間(jian)(jian)差異(yi)也大于組(zu)內差異(yi)。
對高通量測序結(jie)果中(zhong)(zhong)(zhong)部分(fen)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(fen)為三大集群，Nitrosospira clusters 12和13以及 Nitrosomonas cluster 6；其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)Nitrosospira在(zai)4% biochar組(zu)(zu)中(zhong)(zhong)(zhong)的相(xiang)對豐度(du)較Control組(zu)(zu)中(zhong)(zhong)(zhong)有所(suo)降低，但Nitrosomonas卻正好(hao)相(xiang)反(fan)，它在(zai)添(tian)加生(sheng)物碳的處(chu)理組(zu)(zu)中(zhong)(zhong)(zhong)相(xiang)對豐度(du)反(fan)而有所(suo)增加。
總結
本研(yan)究從各個方面展開(kai)生(sheng)物(wu)碳(tan)對(dui)稻(dao)田(tian)土壤溫室氣體(ti)N2O排(pai)(pai)放量影響的(de)探究，將土壤理化性(xing)質、N2O排(pai)(pai)放量及土壤中(zhong)微生(sheng)物(wu)多(duo)樣性(xing)組成情(qing)況(kuang)等(deng)多(duo)角度研(yan)究結(jie)果相結(jie)合，闡明了生(sheng)物(wu)碳(tan)對(dui)稻(dao)田(tian)土壤N2O排(pai)(pai)放的(de)促進作用，為生(sheng)物(wu)碳(tan)在農(nong)業生(sheng)態中(zhong)廣泛(fan)應用提出了相左的(de)堅實科學依據。
本研(yan)究(jiu)的測序工作(zuo)由上海派森諾生(sheng)物科(ke)技(ji)股份(fen)有限(xian)公司完成。
文(wen)章索引：
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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