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科研 | SBB：大比表面積的生物炭通過刺激N2O還原微生物的生長從而降低N2O的排放（國人佳作）


編譯：微科盟溫水 ， 編輯：微科盟木木夕、江舜堯 。
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導(dǎo)讀在生物炭上定殖的細(xì)菌和古菌具有氮代謝能力 。 比表面積（SSA）較大的生物炭可能會(huì)提高氧化亞氮（N2O的排放 ， 但其中機(jī)理目前尚不清楚 。 為此 ， 我們自制了不同SSA的生物炭 ， 利用16S與nosZ基因的高通量測序（High-throughput Sequencing）技術(shù)、氮循環(huán)功能基因的qPCR技術(shù)并結(jié)合熒光原位雜交（FISH）技術(shù) ， 開展了為期56天的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn) 。 研究包括5個(gè)處理：不添加、只添加尿素、添加尿素與3種不同SSA的生物炭（SSA分別為1193、2023和2773 mg-1） 。 結(jié)果表明 ， 2023 mg-1以內(nèi)）而增加 ， 當(dāng)SSA>2023 m2g-1 ， 與只添加尿素相比 ， 添加生物炭降低了37%的排放 。 SSA最大的生物炭提高了土壤pH、NH-N、NO-N、C/N比和陽離子交換量 ， 進(jìn)而影響細(xì)菌多樣性、豐度、群落組成、以及排放 。 生物炭SSA越大 ， 氮循環(huán)相關(guān)功能基因越高 ， 包括固氮基因（nifH）、硝化基因（amoA）和反硝化基因（nirK、nirS、和nosZ） 。 SSA較小的生物炭提高了氨氧化細(xì)菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）的數(shù)量 ， 導(dǎo)致土壤O的排放增加 。 另外 ， 添加最大SSA的生物炭后 ， nosZ豐度增加 ， nosZ/(nirK+nirS+amoA)增大 ， 導(dǎo)致土壤的排放減少 。 生物炭中與土壤中的nifH、amoA、nirK和nosZ呈正相關(guān)關(guān)系 。 我們的研究得出 ， SSA較大的生物炭通過刺激N2O排放 ， 因此 ， 在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用生物炭時(shí)應(yīng)將生物炭的相對SSA納入考慮因素 。論文ID
原名：Biochar with large specific surface area recruits N2譯名：大比表面積的生物炭通過刺激N2O還原微生物的生長從而降低N2期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：5.795發(fā)表時(shí)間：2021.03.13
通訊作者單位：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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結(jié)果
本研究生物炭的主要理化性質(zhì)如表S2所示 。 B1 ， B2和B3中灰分物質(zhì)、元素（C、H和O）和養(yǎng)分（N、P和K）含量相似 。 掃描電鏡圖片顯示 ， B3比B2和B1有更豐富的多孔結(jié)構(gòu)（紅色箭頭處 ， 圖1a） 。 生物炭的比表面積（SSA）、總孔體積（VT）和總孔直徑（Dp）排序?yàn)椋築3> B2> B1（圖1b-c） 。
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圖1. 不同生物炭（生物炭1：B1 ， 生物炭2：B2和生物炭3：B3）的掃描電鏡圖（SEM）（a）、比表面積（b）、總孔體積（c）和總孔徑（d） 。 （a）中的紅色箭頭表示生物炭的多孔結(jié)構(gòu) ， 其可作為微生物的潛在棲息地 。2. 氧化亞氮的排放 22O排放分別提快兩天和四天 ， 其次是SSA最大的生物炭處理（B3）的土壤 。 N2O排放量與生物炭SSA呈負(fù)相關(guān)關(guān)系 ， 即B1處理（3055 μg N m?2·h?1）>B2處理（2272 μg N m?2·h?1）>+N處理（1788 μg N m?2·h?1）>B3處理（1068 μg N m?2·h?1） 。 56天培養(yǎng)結(jié)束后 ， 不添加尿素和生物炭處理的土壤中N22O累積排放量最高（578.7 mg m-2） ， 這是僅尿素處理土壤（+N）的1.6倍 。 另外 ， 與+N處理相比 ， 中等SSA的B2處理中N22
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圖2. 在56天的培養(yǎng)過程中 ， 5個(gè)處理的N2O排放量的動(dòng)態(tài)變化（a）、總累積量（b）,以及NH含量的變化 。 不同處理之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異由小寫字母表示（p<0.05） 。 Control表示不添加對照 ， +N表示僅添加尿素 ， NB1 ， NB2和NB3表示不同比表面積的生物炭與尿素的組合 。3. 土壤pH和無機(jī)氮 尿素和生物炭添加顯著影響土壤 pH（圖S1） 。 培養(yǎng)過程中（第3天除外） ， +N處理降低了土壤pH值 。 生物炭添加下 ， 土壤pH降低速度變緩 ， 但此時(shí)pH值仍高于不添加生物炭的+N和Control處理 。土壤NH-N含量隨氮肥添加而增加 ， 但與Control相比 ， 其他處理在培養(yǎng)前14天呈明顯下降的趨勢 ， 隨后達(dá)到相對穩(wěn)定的水平（圖2c） 。 相反 ， 與Control相比 ， 其他處理土壤中NO-N含量較高且在前14天呈明顯增加且隨后相對穩(wěn)定的趨勢（圖2d） 。 培養(yǎng)第7天后 ， 生物炭SSA>2023 m的處理中NO和只添加尿素的處理 。 在培養(yǎng)的前14天內(nèi) ， 添加氮肥（尿素）的處理中NH44. 氮肥與生物炭添加對土壤細(xì)菌群落組成的影響 PCA分析表明不同處理的細(xì)菌群落組成存在顯著差異（圖3a） 。 PCA1軸和PCA2軸分別解釋了OTU數(shù)據(jù)的62.5%和22.6% ， 累積解釋率為85.1% 。 PCA1軸將未添加生物炭的Control和+N處理與添加生物炭的NB1~NB3處理的細(xì)菌群落分開 。 相比Control處理 ， +N與NB1~NB3處理中土壤細(xì)菌的α多樣性（香農(nóng)指數(shù)）較低（圖3b） 。 然而 ， 最大SSA的NB3處理的Chao 1指數(shù)高于Control和+N處理（圖3b） 。最豐富的細(xì)菌門分別是變形菌門（Proteobacteria）、 芽單胞菌門 （Gemmatimonadetes）、放線菌門（Actinobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）、厚壁菌門（Firmicutes）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、浮霉菌門（Planctomycetes）和WPS-2菌門 ， 這些菌占土壤中所有細(xì)菌的91％以上（圖3c） 。 生物炭添加增加了土壤中纖維桿菌門（Fibrobacteres）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、棒狀桿菌門（Rokubacteria）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形桿菌門（Proteobacteria）的相對豐度（圖S2） 。 ） 。 50%以上的細(xì)菌OTUs豐度因生物炭的添加而增大 ， 也有50%以上的細(xì)菌OTUs豐度在只添加尿素或零添加的處理中較高的 ， 盡管后者差異不顯著（圖3d） 。 CCA分析表明 ， 生物炭添加通過影響土壤化學(xué)性質(zhì)如：土壤pH、NH43-N、C/N比和陽離子交換量進(jìn)而影響細(xì)菌群落組成（圖S3a） 。 同樣 ， N2-N、C/N比和陽離子交換量顯著相關(guān)（圖S3b） 。

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