生物炭调控土壤有机磷矿化与作物磷吸收的机理研究

Organic phosphorus (P) is a substantial component of the soil bioavailable P, there are increasing evidence suggested that biochar application enhance organic P mineralization, but the underlying mechanisms are still not clear. In present study, red, brown and calcareous Fluvo-Aquic soils with different pH were treated with three kinds of biochar (rice, wheat and corn straw) application, microbial gene clusters encoding phosphatase, phosphatase activities and organic P fractions are investigated by gene-targeted metagenomics approach, spectrophotometric method and 31-P nuclear magnetic resonance (NMR) to explore their response to biochar additions. Relationships between gene clusters encoding phosphatase, phosphatase activities and organic P fractions in soil are analyzed by structural equation modeling (SEM) and redundancy analysis (RDA) to investigate the microbiological and molecular biological mechanisms involved in organic P mineralization under biochar additions. This study will improve our understanding of the regulatory mechanisms of biochar application in soil organic P mineralization and crop P acquisition, and provide theoretical foundations for promoting biochar application and reducing chemical fertilizer inputs in agroecosystems.

土壤有机磷是生物可利用磷的重要来源，生物炭在促进有机磷矿化利用方面具有巨大的应用潜力，但其对土壤有机磷矿化过程的影响及潜在作用机理尚不明确。本研究以不同pH值的红壤、棕壤和潮土为供试土壤，以水稻、小麦和玉米秸秆制备供试生物炭，以玉米为供试作物，利用靶位宏基因组测序技术研究生物炭添加对不同土壤微生物来源磷酸酶基因群落特征的影响及其与磷酸酶活性的关系；利用液体31P核磁共振技术与分光光度法等研究生物炭在不同土壤施用后对有机磷组分及各自专性磷酸酶活性的影响，以探明生物炭添加对土壤有机磷酶促矿化过程的影响及其潜在作用机理；并在此基础上研究生物炭添加条件下土壤有机磷矿化与作物磷吸收之间的关系，为利用生物炭调控土壤有机磷转化及促进作物磷吸收、推动生物炭在化肥减施增效中的应用提供理论依据。

磷是植物生长必需元素之一，土壤磷有效性往往是限制植物生长的主要因素之一。生物炭在提高土壤磷有效性方面具有巨大的应用潜力，但其影响土壤磷循环的关键过程及驱动机制尚不明确。本项目以不同pH值的赤红壤和褐土为供试土壤，以稻杆和鸡粪制备供试生物炭，采用qPCR、高通量测序、液体31P核磁共振、团聚体湿筛分级等技术，研究了不同磷水平下（0、30、90 kg P ha-1；不施磷、低磷、高磷）添加生物炭对（1）土壤磷有效性与植物磷吸收，（2）土壤团聚体稳定性与磷组分分布和（3）解磷微生物群落结构与调控因素的影响三方面内容。.研究结果发现，（1）不同磷水平配施生物炭显著提高了土壤速效磷，且低磷水平添加生物炭处理速效磷增幅最大，其在赤红壤应用对植株生长和磷吸收的促进效应强于褐土；同时低磷配施生物炭显著增加碱性磷酸单酯酶活性并降低活性有机磷含量，表明低磷加炭促进活性有机磷的矿化。（2）生物炭促进粗大团聚体形成与稳定性，低磷处理增幅最大；生物炭显著降低粗大团聚体全磷、总有机磷、NH4F-Po和NaOH-I-Po含量，同时增加细大团聚体HCl-Pi和NaOH-II-Pi含量与微团聚体总无机磷、HCl-Pi和NaOH-II-Pi含量；表明生物炭与低量磷肥配施在低磷土壤可有效改善红壤团聚体结构与稳定性，同时促进大团聚体有机磷的活化与微团聚体无机磷的固持，保障作物磷素供应。（3）低磷配施生物炭促进碱性磷酸酶活性及其介导的有机磷矿化，酶活性的增加与phoD基因拷贝数无关，而与C:P驱动的phoD细菌群落组分变化有关；低磷配施生物炭促进形成更复杂的phoD细菌群落，且有限富集小单孢菌科（Micromonosporaceae）在碱性磷酸酶的分泌与有机磷的矿化中起重要作用。综上，本项目结果证实，低磷条件下配施生物炭可有效改良红壤磷有效性，这与改变的解磷微生物群落结构和增加的碱性磷酸酶分泌有关。本研究结果为利用生物炭调控土壤有机磷活化及促进作物磷吸收、推动生物炭在化肥减施增效中的应用提供了理论依据。