全 文 ：中国生态农业学报 2016年 6月 第 24卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jun. 2016, 24(6): 736743


* 山西省农业科技攻关项目(20130311009-2)和山西省国际科技合作项目(2014081040)资助
** 通讯作者: 焦晓燕, 主要从事土壤养分循环利用等领域研究。E-mail: xiaoyan_jiao@126.com
武爱莲, 主要从事土壤微生态与植物营养研究。E-mail: wuping.20088@163.com
收稿日期: 20151112 接受日期: 20160108
* This study was supported by the Agricultural Science and Technology Research Project of Shanxi Province (20130311009-2) and the
International Science and Technology Cooperation Project of Shanxi Province (2014081040).
** Corresponding author, E-mail: Xiaoyan_jiao@126.com
Received Nov. 12, 2015; accepted Jan. 8, 2016
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DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.151212
玉米秸秆生物炭对褐土微生物功能多样性及
细菌群落的影响*
武爱莲1 丁玉川1 焦晓燕1** 王劲松1 董二伟1 郭 珺1 王 浩2
(1. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所 太原 030006; 2. 山西大学生物工程学院 太原 030006)
摘 要 生物炭施入土壤被认为是一种有效的固碳减排措施, 可增加土壤有机碳及矿质养分含量, 提高土壤
的持水能力及保肥能力。为探明其施入土壤后对土壤微生物活性及多样性的影响, 本文在盆栽试验条件下, 采
用 Biolog 与高通量测序相结合的方法, 研究了 CK(不施生物炭)和施用 5 g·kg1、10 g·kg1、30 g·kg1、60 g·kg1
玉米秸秆生物炭对土壤微生物碳源利用能力(AWCD)、功能多样性指数以及土壤细菌的丰度和多样性的影响。结果表
明, 随着生物炭施用量的增加, 表征土壤微生物活性的 AWCD 值呈下降趋势, 表现为: 5 g·kg1处理≈ CK10 g·kg1
处理30 g·kg1 处理60 g·kg1 处理, 其中 CK 和 5 g·kg1 处理间差异不显著(P>0.05), 而 10 g·kg1、30 g·kg1
和 60 g·kg1 处理在整个培养期间的 AWCD 值显著低于 CK 处理(P<0.05); 土壤微生物群落代谢功能多样性
指数(H′)、碳源利用丰富度指数(S)均随生物炭施用量的增加而呈下降趋势, 但均匀度指数(E)表现出相反趋
势, 5 g·kg1、10 g·kg1、30 g·kg1、60 g·kg1 各处理的 H′较 CK 处理分别增加 0.16%、0.88%、3.14%、11.09%,
S 分别增加2.82%、11.27%、18.31%、47.89%, E 分别增加 1.14%、3.00%、3.73%和 13.76%。主成分分析表
明, 与 CK 处理比较, 5 g·kg1 处理对土壤微生物群落碳源利用方式没有显著影响(P>0.05), 而 10 g·kg1、30 g·kg1
和 60 g·kg1 处理对土壤微生物群落碳源利用方式影响显著(P<0.05)。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, 5 g·kg1 处理与 CK 处理差异不显著, 而 10 g·kg1、30 g·kg1、60 g·kg1
处理的 OTU 数目较 CK 处理分别增加 1.09%、5.26%、24.42%, Chao1 分别增加 5.73%、10.21%、37.68%。土
壤中施用生物炭后土壤细菌变形菌门(Proteobacteria)的丰度在 CK 处理和 5 g·kg1 处理间差异不显著(P>0.05), 而
10 g·kg1、30 g·kg1、60 g·kg1 处理较 CK 处理分别增加 32.3%、21.1%、16.7%, 拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度
随着生物炭施用量的增加各处理较 CK 处理分别减少 22.1%、55.3%、66.8%、50.5%。生物炭施入土壤后降低
了土壤可培养微生物的活性, 减少或改变了土壤微生物碳源利用的种类, 使土壤原有微生物群落组分发生改
变, 生物炭也影响了土壤细菌各菌群在土壤中的丰度, 使其分布的均匀性降低。为了不影响微生物群落结构和
功能, 石灰性褐土上生物炭一次还田量不能超过 5 g·kg1(干土)。
关键词 生物炭 石灰性褐土 微生物活性 微生物多样性 Biolog 高通量测序 细菌群落
中图分类号: S154.36 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)06-0736-08
Effect of corn-stalk biochar on soil microbial functional diversity and
bacterial community in cinnamon soils*
WU Ailian1, DING Yuchuan1, JIAO Xiaoyan1**, WANG Jinsong1, DONG Erwei1, GUO Jun1, WANG Hao2
(1. Institute of Agricultural Environment & Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030006, China;
2. College of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)
Abstract Biochar application was considered as an effective way of carbon sequestration of soil. It has been known to
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improve both soil water and nutrient holding capacity. As a key indicator of soil fertility, microorganism plays an important
role in soil ecosystem. It was necessary to understand the influence of biochar application on microbial community and
functional diversity in calcareous cinnamon soils for rational utilization of biochar in cinnamon soils. A pot experiment with
five biochar application levels [0 g·kg1 (as control), 5 g·kg1, 10 g·kg1, 30 g·kg1 and 60 g·kg1] was conducted to investigate
the response of soil microbial activity and diversity, using Biolog analysis and high-throughput sequestration (HiSeq). The
results showed that the average rate of color change (AWCD) decreased with increasing biochar application level, and the
AWCD values were in the order of 5 g·kg1  control > 10 g·kg1 > 30 g·kg1 > 60 g·kg1 treatments. There was no significant
difference between control and 5 g·kg1 treatments in terms of AWCD. The soil microbial community diversity index (H′) and
richness index (S) also decreased, but evenness index (E) increased with increasing biochar application level. Compared with
the control, biochar application rates at 5 g·kg1, 10 g·kg1, 30 g·kg1 and 60 g·kg1 increased H′ by 0.16%, 0.88%, 3.14%
and 11.09%; increased S by 2.82%, 11.27%, 18.31% and 47.89%; and increased E by 1.14%, 3.00%, 3.73% and 13.76%;
respectively. Principal component analysis showed that carbon substrate utilization of soil microbial community was
significantly affected by 10 g·kg1, 30 g·kg1 and 60 g·kg1 biochar application. HiSeq analysis showed that soil bacterial OTU
enhanced significantly by 1.09%, 5.26% and 24.42%, respectively, in 10 g·kg1, 30 g·kg1 and 60 g·kg1 biochar treatments,
meanwhile, the richness index (Chao1) was increased by 5.73%, 10.21% and 37.68%, respectively, compared with that of
control. Biochar enhanced the abundance of bacteria and decreased the evenness of soil bacterial distribution. Proteobacteria
abundance was significantly increased by 32.3%, 21.1% and 16.7%, respectively, under 10 g·kg1, 30 g·kg1, 60 g·kg1 biochar
treatment, while Bacteroidetes abundance decreased obviously by 22.1%, 55.3%, 66.8% and 50.5%, respectively, compared
with those of control. The results indicated that the rational dosage of biochar application was not more than 5 g·kg1 (soil dry)
in calcareous cinnamon soil to maintain the microbial community structure and activity.
Keywords Biochar; Calcareous cinnamon soil; Microbial activity; Microbial diversity; Biolog; High-throughput sequencing;
Bacterial community
我国作物秸秆资源丰富, 约占世界总量的 25%
左右[1]。2001—2010 年, 中国平均年产粮食作物秸
秆约 5.1×108 t, 而每年的焚烧量约占作物秸秆总量的
21.6%, 排放的 CO、CO2及总碳量分别为 1.15×107 t、
1.57×108 t 和 4.77×107 t。这不仅造成了资源的浪费,
也极大地污染了环境 [2]。生物炭(或生物质炭, bio-
charcoal)是近年来较受关注的研究热点 , 指生物有
机材料在低氧或缺氧环境中经高温裂解后形成的产
物[34]。将作物秸秆废弃物高温裂解生产生物炭施入
土壤中可实现碳的封存[5], 减少 CO2的排放[6]。
生物炭含有作物生长所必需的大量和中微量元
素 , 且其孔隙结构发达 , 比表面积巨大 , 具有很强
的吸附能力 [7], 目前已被广泛应用于农业生产。有
关生物炭对土壤理化特性的影响已做了大量研究 ,
结果表明生物炭可增加土壤有机碳及矿质养分含
量 [812], 提高土壤的持水能力及保肥能力 [1315], 从
而提高肥料养分的利用效率[1617]。但在土壤生态系
统中, 几乎所有的养分转化过程都离不开土壤微生
物的作用, 它们直接或间接参与土壤有机质分解、
无机营养的循环、改善土壤结构等[1819]。生物炭的
多孔结构及对水肥的吸附作用使其为土壤微生物生
长与繁殖提供了良好的栖息环境[20], 施入生物炭后
土壤细菌、真菌和古菌的群落结构都发生了变化 ,
富含生物炭的亚马逊黑土的细菌多样性比未作处理
的土壤增加 25%, 而古菌和真菌的多样性下降[2122]。
也有研究表明, 施入生物炭后森林土壤的细菌多样
性下降[22], 生物炭对微生物的群落分布具有一定的
控制作用[23]。目前有关生物炭对土壤微生物群落多
样性影响的报导多集中在酸性土壤上[24], 而在石灰
性褐土上生物炭对土壤微生物群落多样性的影响却
鲜见报导。本文以秸秆生物炭为研究对象 , 采用
Biolog 与高通量测序相结合的方法研究在石灰性
褐土上施用生物炭后土壤微生物群落的变化特征 ,
旨在明确秸秆生物炭对石灰性土壤微生物群落的
影响, 为生物炭在石灰性褐土上的合理使用提供理
论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验所用土壤采自山西省农业科学院东阳试验
基地 0~20 cm 耕层, 土壤类型为石灰性褐土, 土壤
质地为砂质黏壤土(<0.002 mm 黏粒 19.8%, 0.02~
0.002 mm粉粒 22.3%, 2~0.02 mm砂粒 57.9%)。供试
土样风干后过 2 mm筛备用。供试土壤化学性质为: 有
机碳3.71 g·kg–1, 全氮0.48 g·kg–1, 有效磷3.08 mg·kg–1,
速效钾 83.82 mg·kg–1, CEC 13.14 cmol·kg–1, pH 8.3,
EC 0.16 mScm–1。供试生物炭由山西省工霄商社生
产, 由玉米秸秆在 300~500 ℃微氧环境下碳化而成,
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生物炭过 2 mm筛备用。生物炭基本化学性质: 全碳
369.87 g·kg–1, 全氮 6.56 g·kg–1, CEC 59.2 cmolkg–1,
pH 10.22, EC 10.97 mS·cm–1。供试作物为‘晋杂 34号’
高粱。
1.2 试验设计
试验采用盆栽方法, 共设 5 个生物炭施用水平,
即生物炭施用量分别为 0(CK)、5 g·kg1、10 g·kg1、
30 g·kg1、60 g·kg1(分别相当于 0 t·hm–2、13.5 t·hm–2、
27 t·hm–2、81 t·hm–2和 162 t·hm–2), 每个处理 3次重复。
N、P2O5和 K2O的添加量分别为 0.2 g·kg–1、0.15 g·kg–1
和 0.15 g·kg–1, 装盆前与土壤充分混匀, 再与生物炭
充分混匀后装入高 18 cm、宽 21 cm的试验用塑料桶;
每桶装土 4 kg, 各桶补充等量水分使土壤熟化 3周。
试验于日光温室内进行, 2014年 4月 15日播种,
7月 2日收获。试验结束时采集土壤样品, 采样时轻
轻去掉表层 2 cm的土壤, 采集 2 cm以下土壤鲜样并
立即放入冰盒带回实验室置于 4 ℃冰箱保存待测。
1.3 Biolog分析
称取 10.0 g新鲜土样置于装有 90 mL已灭菌生
理盐水(0.85% NaCl)的三角瓶内, 在转速 200 r·min1
下振荡 30 min, 静置 10 min 后用生理盐水(0.85%
NaCl)稀释到 10–3, 将稀释好的土壤悬浊液 150 μL接
种到 Biolog-Eco板(BIOLOG, Hayward, USA)的每个
微孔中, 接种后的 Eco 板在 25 ℃下培养。每隔 24 h
用 Biolog Reader仪(BIOLOG, Hayward, USA)测定波
长 590 nm和 750 nm的吸光值。
采用 Glassen 等[25]的方法分析 Eco-MicroPlate
的单孔平均吸光度, 即将单孔在 590 nm 和 750 nm
的吸光值分别减去各自对照孔的吸光值, 再用每个
对应孔 590 nm的值减去 750 nm的值为单孔实际颜
色反应的吸光值。利用该数据, 采用Garland和Mills[26]
的方法计算单孔平均吸光度值。
平均吸光度(AWCD)=∑(AiA0)/n (1)
式中 : Ai为各单孔实际吸光值 , A0为对照孔的吸光
值 , AiA0 为负值时则归为 0, n 为碳源种类(Eco-
MicroPlate为 31), AWCD值为 3次重复的平均值。
用 Shannon-Weinner 丰富度指数、 Shannon-
Weinner均匀度指数、碳源利用丰富度指数表征土壤
微生物群落功能代谢多样性[27]。采用 Eco-MicroPlate
培养 96 h的吸光值计算土壤微生物群落功能代谢多
样性指数, 计算公式别为:
Shannon-Weinner多样性指数(H′)=∑PilnPi (2)
式中: Pi=(AiA0)/∑(AiA0), Ai、A0含义同上 式, Pi为
有碳源的孔与对照孔的吸光值之差与整个微板总差
的比值。
Shannon-Weinner均匀度指数(E)=H′/lnS (3)
式中: H′为 Shannon-Weinner多样性指数, S为有颜色
变化的孔数量。
碳源利用丰富度指数(S)=被利用碳源的总数 (4)
碳源利用丰富度指数即颜色变化的孔数, 吸光
值小于 0.25视为颜色没有变化。
1.4 土壤细菌高通量测序
采取 OMEGA(D5625-01)试剂盒方法提取土壤
微生物基因组总 DNA, 操作步骤参照试验盒说明
书。提取物保存于20 ℃冰箱备用。
利用通用引物(341F-805R)扩增微生物 16SrDNA
基因的 V3-V4区域, 引物组成: 341F: CCTACGGGN
GGCWGCAG; 805R: GACTACHVGGGTATCTAATCC。
PCR反应体系如下: 5 L的 10×PCR Buffer, 0.5 L
的 dNTP(10 mmol·L–1 each), 10 ng的 Genomic DNA,
0.5 L的 Bar-PCR primer F(50 mol·L–1), 0.5L的
Primer R(50 mol·L–1), 0.5 L 的 Plantium Taq
(5 UL1) , 加无菌水使反应总体系为 50 L。PCR
反应条件如下: 94 3 min, 5×(℃ 94 30 s, ℃ 45 20 s℃ ,
65 30 s), 20×(℃ 94 20 s℃ , 55 20 s, ℃ 72 30 s), ℃
72 5 min℃ 。PCR产物进行琼脂糖电泳并对 DNA进
行切胶回收, 利用 Qubit2.0 DNA检测试剂盒对回收
的 DNA精确定量, 等量混合后测序。
1.5 数据统计分析
高通量数据分析主要步骤为: 1)根据 barcode序
列将各样本区分开并去除 barcode; 2)去除短片段序
列(序列长度小于 200 bp)及低质量序列(平均质量值
小于 20); 3)利用 Uclust软件根据序列之间的相似度
(97%)将 16SrDNA 基因序列归为不同的操作分类单
元(OTU); 4)从每个OTU序列中选取代表性序列, 采
用 RDP classifier软件(分类阈值大于 80%)对序列进
行分类鉴定, 得到细菌的分类学信息。
利用 mothur软件计算土壤细菌 α多样性指数,
其中, Chao1丰富度指数计算公式为:
Schao1=Sobs+N12/2(N2+1)N1N2/2(N2+1)2 (5)
式中: Sobs为检测到的所有 OTU的总数, N1为只有
一条序列的 OTU 数目, N2为只有两条序列的 OTU
数目。
Shannon多样性指数计算公式为:
SShannon=∑ni /N㏑ni /N (6)
式中: ni为各分类单元中包含的序列数, N为所有数
列之和。
采用 SPSS 18.0 进行方差(Duncan 检验法)和主
成分分析, Microsoft Excel 2007软件作图。差异显著
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性水平设为 α=0.05。
2 结果与分析
2.1 不同用量生物炭处理土壤微生物利用碳源的
动态特征
平均颜色变化率(AWCD)表示可培养微生物对
不同底物(碳源)的利用能力, 在一定程度上反映了
土壤微生物的生理代谢活性。通过对 31 种碳源
AWCD 值的动态监测(每隔 24 h)可知: 随着培养时
间的延长, 各处理 AWCD值均呈增长趋势。培养前
24 h, 各处理 AWCD值均很低, 24 h后迅速升高, 说
明碳源逐渐被利用 , 微生物代谢活性增强。CK、
5 g·kg1、10 g·kg1处理在培养 72 h前 AWCD值差
异不显著(P>0.05), 72 h 后 10 g·kg1处理显著低于
CK和 5 g·kg1处理(P<0.05); 30 g·kg1和 60 g·kg1处
理的 AWCD 值在整个培养期间均显著低于其他处
理 (P<0.05), 说明高量生物炭的施入影响了微生
物利用碳源的能力 , 其代谢活性降低。培养结束时 ,
各处理的 AWCD值表现为: 5 g·kg1≈CK>10 g·kg1>
30 g·kg1>60 g·kg1, 5 g·kg1、10 g·kg1、30 g·kg1和
60 g·kg1处理较 CK处理分别增加 1.57%、9.67%、
27.84%和53.73%(图 1)。

图 1 不同用量生物炭处理石灰性褐土土壤微生物利用
不同种类碳源的平均颜色变化率(AWCD)
Fig. 1 Average well color development (AWCD) for
different carbon sources utilized by calcareous cinnamon
soil microbial under different application rates of biochar

2.2 不同用量生物炭处理土壤可培养微生物多样
性指数
从表 1 可以看出, 随生物炭施用量增加土壤微
生物代谢功能的多样性指数、碳源利用丰富度指数均
呈减小趋势, 而均匀度指数则呈增加趋势。5 g·kg1
生物炭处理的多样性指数最高, CK和 5 g·kg1处理
间差异不显著(P>0.05), 其余 3 个处理间差异显著,
且都显著低于 5 g·kg1和 CK处理(P<0.05), 5 g·kg1、
10 g·kg1、30 g·kg1和 60 g·kg1处理较 CK处理分别
增加 0.16%、0.88%、3.14%和11.09%; 均匀度指
数随着生物炭施用量的增加而增加, 60 g·kg1 处理
的均匀度指数显著高于 CK、5 g·kg1、10 g·kg1和
30 g·kg1处理, 5 g·kg1、10 g·kg1、30 g·kg1和 60 g·kg1
处理较 CK 处理分别增加 1.14%、3.00%、3.73%和
13.76%。碳源利用丰富度指数随着生物炭用量的增
加而降低, 但 CK、5 g·kg1、10 g·kg1、30 g·kg1处
理间差异不显著(P>0.05), 而 60 g·kg1 处理显著低
于以上处理(P<0.05)。
表 1 不同用量生物炭处理石灰性褐土土壤微生物代谢
功能多样性指数
Table 1 Metabolic functional diversity index of microbial
community of cinnamon soil under different application rates of
biochar
生物炭施用量
Application rate
of biochar
(g·kg1)
多样性指数(H′)
Shannon-Wiener
index
均匀度指数(E)
Evenness index
碳源利用丰富度
指数(S)
Richness index
0 (CK) 3.056±0.002a 0.966±0.007b 23.667±0.577a
5 3.061±0.012a 0.977±0.011b 23.000±1.000a
10 3.029±0.001b 0.995±0.016b 21.000±1.000a
30 2.960±0.009c 1.002±0.038ab 19.333±2.082a
60 2.717±0.007d 1.099±0.027a 12.333±2.887b
同列不同字母表示差异显著(P<0.05), n=3。Different letters in the
same column show significant difference (P < 0.05, n=3).

2.3 不同用量生物炭处理土壤微生物主成分分析
主成分分析(principal component analysis, PCA)
是采取降维的方法将多个变量转化为少数几个综合
变量的方法。Garland[28]认为各处理在空间位置上的
差异与聚集在坐标轴上的碳源是相关联的。根据
96 h 的 AWCD 进行碳源利用主成分分析, 从 31 个
变量中提取 4个主成分, 其累积贡献率达 97.5%。第
1 主成分(PC1)贡献率为 54.06%, 第 2 主成分(PC2)
的贡献率为 24.40%, 第 3、4 主成分贡献率分别为
11.74%和 7.55%。对前 2个主成分进行分析, 将不同
处理在 2 个主成分上的得分值以 PC1、PC2 为横纵
坐标作图(图 2)。从图中可以看出, 在 PC1轴上, 各
处理被分为 2类, CK、5 g·kg1和 10 g·kg1处理分布
在 PC1 轴的正方向, 且 CK 和 5 g·kg1处理聚在起,
说明其土壤微生物群落具有相似的碳源利用模式 ,
其代谢功能相似 ; 而 30 g·kg1和 60 g·kg1处理分
布于 PC1 轴的负方向上。在 PC2 轴上 , 各处理被
分为 2 类, CK、5 g·kg–1和 30 g·kg1处理位于 PC2
轴的正方向, 10 g·kg1和 60 g·kg1处理位于 PC2轴
的负方向。
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图 2 不同用量生物炭处理石灰性褐土土壤微生物碳源
利用的主成分分析
Fig. 2 Principal component analysis of microbial community
utilizing carbon sources of cinnamon soil under different
application rates of biochar
2.4 高通量测序分析不同用量生物炭处理土壤细
菌多样性
从表 2 可以看出, OTU 数目随着生物炭施用量
的增加基本呈增加趋势, CK、5 g·kg1和 10 g·kg1处理
间差异不显著(P>0.05), 30 g·kg1和 60 g·kg1处理显著
大于以上处理(P<0.05)。5 g·kg1、10 g·kg1、30 g·kg1
和 60 g·kg1 处理 OTU 数目较 CK 处理分别增加
2.57%、1.09%、5.26%和 24.42%, 说明生物炭施用
量大于 5 g·kg1时可以增加土壤细菌 OTU的数目。
Chao1 指数用来估计群落中物种的总数, 随着生物
炭施用量的增加, 该指数呈增加趋势, 整体表现为
60 g·kg1>30 g·kg1>10 g·kg1>CK>5 g·kg1处理, CK
和 5 g·kg1处理间差异不显著(P>0.05), 其余各处理间
差异显著, 且显著大于 CK 和 5 g·kg1 处理(P<0.05),
各处理较 CK处理分别增加0.16%、5.73%、10.21%
和 37.68%。Shannon 指数用来描述群落中个体出现
的不确定性, 该指数越大, 群落多样性越高。可以看
出, 60 g·kg1生物炭用量下该指数最高, 与 5 g·kg1、
10 g·kg1和 30 g·kg1处理间差异显著(P<0.05), 但与
CK处理差异不显著(P>0.05), 5 g·kg1、10 g·kg1和
30 g·kg1处理间差异不显著(P>0.05)。
表 2 不同用量生物炭处理石灰性褐土土壤细菌基因的
α多样性指数
Table 2 α-diversity index of soil bacterial gene of cinnamon
soil under different application rates of biochar
生物炭施用量
Application
rate of biochar
(g·kg1)
操作分类
单元数目
OTU number
丰富度指数
Chao1 index
多样性指数
Shannon index
0 (CK) 3 869.33±91.88c 8 391.19±138.96d 7.22±0.08a
5 3 770.00±86.71c 8 377.63±126.63d 7.09±0.10b
10 3 911.67±88.08c 8 871.63±134.94c 7.05±0.05b
30 4 073.00±81.06b 9 248.05±199.26b 7.07±0.05b
60 4 814.33±79.61a 11 553.16±208.75a 7.27±0.06a

2.5 高通量测序分析不同用量生物炭处理土壤细
菌在门水平的相对丰度
图 3 表明, 石灰性褐土的主要细菌菌群包括变
形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸
杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单
胞菌门(Gemmatimonadetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)、
疣微菌门(Verrucomicrobia)、厚壁菌门(Firmicutes)、
绿弯菌门(Chloroflexi)以及分类地位不明确和一些
稀有的细菌菌群。其中变形菌门是土壤中最为优势
的菌群, 占总 reads 数的 39.68%, 生物炭施用量为
5 g·kg1时土壤中该类群细菌的丰度与 CK处理差异
不显著, 生物炭施用量大于 5 g·kg1时, 土壤中变形
菌门的丰度显著增加, 10 g·kg1、30 g·kg1和 60 g·kg1
处理分别较 CK 处理增加 32.3%、21.1%和 16.7%。
拟杆菌门是石灰性土壤中的第 2 大菌群, 其丰度在
CK 处理中为 13.16%, 随着生物炭施用量的提高, 该菌
群的丰度显著降低, 5 g·kg1、10 g·kg1、30 g·kg1 和

图 3 不同用量生物炭处理石灰性褐土土壤细菌在门水平的相对丰度
Fig. 3 Bacterial community structure at phylum level in calcareous cinnamon soil under different application rates of biochar
第 6期 武爱莲等: 玉米秸秆生物炭对褐土微生物功能多样性及细菌群落的影响 741


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60 g·kg1处理分别较 CK处理分别减少 22.1%、55.3%、
66.8%和 50.5%。其他各类细菌菌群的丰度在不同处理
间也有相应变化(图 4), 可见土壤中施用生物炭会影响
土壤中各细菌菌群的丰度。同时热图也对各样本进行了
聚类分析, CK 处理和 5 g·kg1 处理最先聚在一起,
30 g·kg1和60 g·kg1处理聚在一起后再和10 g·kg1处理
聚在一起, 说明CK和5 g·kg1处理的细菌菌群相似, 而
10 g·kg1、30 g·kg1和 60 g·kg1处理的细菌菌群相似。

图 4 不同用量生物炭处理石灰性褐土土壤细菌门水平菌群热图
Fig. 4 Heatmap of bacterial community in cinnamon soil at phylum level under different application rates of biochar
3 讨论与结论
评价土壤微生物群落的方法主要有以生化技术
为基础的群落水平生理学指纹(Biolog方法)、生物标
记法(PLFA), 以及以现代分子生物学为基础的 DNA
长度多态性(T-RFLP)和 DNA 成分多态性(DGGE)及
高通量测序技术。Biolog 微平板法以微生物对不同
碳源的利用差异反映土壤微生物群落代谢能力的不
同, 碳源平均颜色变化率(AWCD)及土壤微生物代
谢功能多样性指数在一定程度上可以反映土壤微生
物的活性及多样性[29]。本研究结果表明, 随着生物
炭施用量的增加, AWCD值、土壤微生物代谢功能多
样性指数、碳源利用丰富度指数均呈降低的趋势, 总
体表现为: 5 g·kg1≈CK>10 g·kg1>30 g·kg1>60 g·kg1
处理, CK和 5 g·kg1处理间差异不显著, 而 10 g·kg1、
30 g·kg1和 60 g·kg1处理在整个培养期间的 AWCD
值和多样性指数显著低于 CK 处理; 均匀度指数随
着生物炭施用量的增加而增加, 这是因为大量生物
炭的施入提高了土壤 C/N, 而土壤微生物群落酶链
反应速度和最终能达到的程度与群落内能利用单一
碳源(底物)微生物的数目和种类相关 [28], 在没有氮
肥投入下生物炭的施入一方面可能是使土壤微生物
的数量降低, 另一方面可能是生物炭抑制某些种类
微生物的生长而使其种类减少, 说明生物炭的施入
改变了土壤原有微生物群落组分, 抑制了原有土壤
微生物种类的生长, 增加了适应环境的一些特异微
生物的种群。Dempster 等[30]的研究结果表明, 高用
量生物炭处理较对照显著降低了微生物量碳。乌英
嗄[31]、Marluthi 等[32]的研究结果也表明, 土壤中施
入生物炭改变了土壤微生物利用碳源的种类, 这与
742 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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本文研究结果一致。但也有研究表明, 白浆土、潮土、
灰漠土和棕壤土上施用玉米芯生物炭, 试验前期未
添加生物炭处理的 AWCD 以及多样性指标均高于添
加生物炭处理, 而试验后期生物炭施用量为 40 thm–2
(相当于本试验的 16 g·kg1用量)处理的 AWCD值以
及多样性指数最高[33], 这一方面与试验所用生物炭
的原料及生产工艺不同从而使生物炭的理化性质不
同有关, 主要体现在全碳含量及生物炭的 pH 值上,
也与土壤的质地和酸碱度有关, 另一方面也与作物
种类不同有关, 作物的根系分泌物对土壤微生物多
样性产生了影响[34]。
鉴于 Biolog 微平板法仅检测可培养的微生物,
不能全面反映土壤微生物的代谢多样性, 因此本文
结合高通量测序的方法, 从基因多样性的水平上研
究生物炭对土壤细菌多样性的影响。变形菌门、拟
杆菌门、酸杆菌门、放线菌门、芽单胞菌门、浮霉
菌门、疣微菌门、厚壁菌门和绿弯菌门是石灰性褐
土的主要细菌菌群, 施用生物炭能显著增加土壤中
变形菌门的丰度, 但却降低了拟杆菌门的丰度, 可
见生物炭影响了土壤中各细菌菌群的分布。5 g·kg1
和 CK 处理具有相似的细菌菌群, 石灰性褐土中生
物炭施用量为 5 g·kg1时, 不会影响土壤细菌的多样
性。与 Biolog方法不一致的是随着生物炭施用量的
增加, 土壤细菌的 OTU数目及丰富度指数呈增加的
趋势, 而多样性指数在 CK和 60 g·kg1处理较高, 其
余处理显著低于以上两处理, 这主要是因为决定该
指数大小的因素一是种群数目, 即丰富度; 二是种
群中个体分布的均匀性。因各处理的丰富度随生物
炭用量的增加而增加, 所以导致 5 g·kg1、10 g·kg1
和 30 g·kg1处理多样性较低的原因可能是其细菌菌
群分布的不均匀性, 菌群丰度分布图(图 4)也说明了
这一点。两种方法进行多样性分析的差异一方面可
能是由于各自方法的侧重点有所不同, 另一方面是
仅对土壤细菌进行了高通量测序分析, 而未涉及其
他种类的微生物, 这有待于进一步深入研究。
Biolog以及高通量测序方法均表明, 生物炭施入土
壤后使土壤原有微生物群落组分发生改变, 影响了土
壤细菌各菌群在土壤中的丰度, 使其分布的均匀性降
低。为了不影响微生物群落结构和功能, 石灰性褐土上
秸秆生物炭每次施用量不能超过 5 g·kg1(干土)。
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