贵州石漠化土地生物炭修复对土壤微生物群落结构和功能多样性的影响

Land degradation is one of the most serious environmental problems in all the word. Rocky desertification is one of main type of land degradation in the karst region of Guizhou province, which has an area of about 4.11E+06 hm2 and will continue to expand in the future. How to protect land sources, grain output and restrain its degradation is of particular importance. The technology of returning biochars to fields is one of the latest hi-technologies, which promotes ecological restoration in rocky desertification areas. Understanding changes of soil microbial diversity under the biochar remediation is of great scientific and practical importance for preventing land degradation. Aiming at this problem, using pyrosequencing technique, quantitative PCR and genomic library, the project intends to study changes of soil microbial community structural and functional diversity (bacteria and fungi) response to biochar applications on the basis of a long-term biochar experiment under different crop patterns (corn and rapeseed). Hereby, 1) responds of the sensitive microbial community indicators to biochars under different crop patterns are investigated. 2) thresholds and main driving factors of soil microbial communities to biochars are revealed. 3) response patterns and mechanisms of microbial community structural and functional diversity to biochar applications are discussed. This research will provide scientific basis for ecological restorations and C, N biogeochemical cycles in rocky desertification lands mediated by soil microorganisms.

土地退化是全球最严重的环境问题之一。石漠化是贵州喀斯特地区最主要的土地退化方式，面积达4.11E+06 hm2，未来还将进一步扩大，如何在保证现有土地资源和粮食产量前提下遏制其退化就显得尤为重要。近年来兴起的生物质炭化还田技术，有望实现石漠化土地生态修复。认识生物炭修复过程中土壤微生物多样性变化对预防土地退化具有重要科学意义和实际应用价值。为此，本项目拟以生物炭长期定位试验为基础，利用现代高通量测序技术、结合传统定量PCR和基因克隆文库等分析方法，系统研究不同作物种植制度下（玉米和油菜）土壤细菌和真菌群落结构和功能多样性随生物炭施入量的变化，据此认识不同种植模式中生物炭敏感指示微生物类群，揭示微生物群落组成和多样性变化对生物炭的响应阈值及主要驱动因子，阐明生物炭输入对土壤微生物群落结构与功能多样性的影响机制与规律，为预测微生物介导的石漠化土地生态修复和碳、氮生物地球化学循环提供科学依据。

生物炭作为一种土壤改良剂被广泛应用于土壤固碳和环境污染修复中。然而，关于生物炭对喀斯特土壤微生物影响的研究相对较少，而这些微生物群落在喀斯特碳氮元素循环和污染物降解中起着关键作用。为此，本项目以西南喀斯特地区典型农田为基础，开展生物炭不同施用比例（0.0%，1.0%， 2.5%，5.0% 和 10%（w/w））对不同作物种植制度下土壤微生物群落组成和多样性的影响。结果表明：生物炭增加了玉米根际和非根际土壤pH，总碳（TC），总氮（TN）和总氢（TH）含量。同时，生物炭改变了土壤微生物群落组成和多样性，特别是在生物炭施用量较高时。随着生物炭施用量增加，根际土壤Gemmatimonadetes相对丰度逐渐增大， Bacteroidetes，Firmicutes和Cyanobacteria相对丰度逐渐降低。然而在非根际土壤中，随着生物炭施用量增加，Proteobacteria 和Chloroflexi相对丰度逐渐增加，Bacteroidetes 和 Verrucomicrobia相对丰度却逐渐降低。典范对应分析（CCA）显示微生物群落组成与根际和非根际土壤性质（pH，TC，TN和TH含量）密切相关，说明生物炭通过影响喀斯特地区土壤理化性质进而显著改变微生物群落组成。此外，生物炭添加也增加了植烟和非植烟土壤pH，有机物，TC，TN和C/N。经过90天生长周期后，植烟和非植烟土壤中99%的苯醚甲环唑均已降解，而5.0%生物炭处理中植烟和非植烟土壤中苯醚甲环唑的降解率分别仅为88%和83%。同时，随着生物炭施用量增加，作物对苯醚甲环唑的吸收量显著降低。与对照相比，1.0%，2.5% 和 5.0%生物炭处理烤烟苯醚甲环唑的残留量分别降低了24%，41% 和45%。同时，生物炭显著增加了植烟和非植烟土壤中具有降解苯醚甲环唑的功能菌群（Sphingomonadaceae 和 Pseudomonadaceae）相对丰度。因此，生物炭通过改变土壤功能菌群的群落组成和丰度，最终降低了喀斯特地区土壤中苯醚甲环唑的生物有效性。