化肥減量配施生物炭對鎘污染水稻土壤真菌群落的影響

丁 瑋，陽樹英，劉 洋

(湖南農業大學資源環境學院，湖南長沙 410128)

鎘是一種生物毒性極強的重金屬元素，近年來，農田土壤鎘污染的情況日趨嚴重，已成為我國土壤的首要污染物之一。水稻作為我國重要的糧食作物，同時也是喜鎘作物，極易從土壤中吸收累積鎘進而通過食物鏈進入人體造成極大危害。同時我國農田土壤還存在大量施用化肥導致施用量過高但利用率低等問題。生物炭是一種具有較高表面積、孔隙度、吸附性以及高穩定性的富含碳材料，研究發現，施用生物炭能夠起到促進農作物生長的作用，同時也具有改善土壤結構以及理化性質的效果，并且可以使得土壤中重金屬的生物有效性下降，還能夠有效降低水稻稻米對鎘的吸收量。

土壤微生物參與土壤生態過程，在生態系統物質循環和能量流動中起關鍵作用，能通過群落組成和結構變化較敏感地反映土壤條件的改變。反之，土壤的形態、理化性質等因素也會對微生物的群落產生影響。生物炭本身具有的特性對水肥具有良好的吸收保持能力，這也為微生物的生存提供了適宜良好的環境。王彩云等研究表明，10年連作土壤施入生物炭可顯著提高土壤微生物活性、Shannon指數和均勻度指數，同時顯著提高了土壤微生物對糖類、氨基酸類、酚酸類和胺類碳源的利用強度。眾多試驗結果表明，施加生物炭可以增加土壤中細菌、真菌和放線菌的數量。殷全玉等在煙地中連續4年進行生物炭施加處理，結果顯示生物炭的連續施加能夠對土壤真菌的群落結構起顯著性改善作用，但OTU數量及α多樣性指數未發生顯著性差異。李茂森等在植煙土壤中施加生物炭后，提高了毛霉門和擔子菌門的相對豐度，降低了子囊菌門的相對豐度。王義祥等研究在酸化茶園土壤中施加生物炭5年后，土壤pH值、可溶性有機碳含量、銨態氮和硝態氮含量都得到了提高，Chao指數、ACE指數和Shannon指數隨生物炭用量的增加呈先增加后降低的趨勢，被孢霉屬、木霉屬、毛殼菌屬的相對豐度增加，黑盤孢屬的相對豐度降低。楊文娜等研究化肥和有機肥配施生物炭對土壤磷酸酶活性和微生物群落的影響，結果表明，化肥和有機肥配施生物炭可增加果園植株根際土壤的酶活性以及根際和非根際土壤中和基因的多樣性。在化肥配施生物炭處理的研究中，楊浩鵬等研究表明，生物炭配施化肥處理不僅可以緩解化肥單獨使用帶來的負面效果，同時可達到肥料肥力合理釋放，化肥減量增效的效果。

已有研究證實，生物炭因自身具有多孔徑結構以及自身強大的吸附力，使鎘轉化為沉淀，減少了土壤中鎘的影響。另外，生物炭增加了土壤pH值，意味著土壤中鎘的活性也會降低。生物炭配施化肥能夠進一步有效地對土壤中的重金屬起到鈍化作用，并促進作物生長。但目前關于生物炭及化肥減量配施生物炭對鎘污染土壤的研究較少，尤其是對其土壤真菌群落結構影響的研究鮮見報道。因此，本研究設計一年期大田試驗，采用單施生物炭以及化肥減量配施生物炭等不同處理，采用高通量測序技術，以期明確不同處理對于土壤理化指標以及土壤真菌群落結構的影響，為單施生物炭以及化肥減量配施生物炭修復鎘污染土壤以及水稻安全生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

于2019年在湖南省瀏陽市永安鎮甘家屋農技站一塊鎘污染農田土壤上進行一年期試驗，該地地處113°17′E，28°15′N，永安鎮全年平均氣溫為 17.3 ℃，全年平均降水量為1 171.6 mm，水稻田土壤為潮泥土，土壤pH值為5.62，土壤初始鎘含量為0.53 mg/kg。水稻品種采用湘早秈45，供試生物炭采用稻殼生物炭，制備方式是將稻殼在500 ℃下進行高溫熱解4 h，生物炭基本化學性狀：pH值為10.4，含碳量為512 g/kg，含氮量為7.8 g/kg，其他元素合計為480 g/kg，容重為 0.16 g/cm。

1.2 試驗設計

試驗設計6個不同處理，分別為空白對照組(CK)，單施生物炭T1處理(30 t/hm)、T2處理(60 t/hm)，單施化肥處理(CKJ)、化肥減量配施生物炭T1J處理(生物炭30 t/hm)、T2J處理(生物炭60 t/hm)，不同處理重復3次。生物炭及化肥的具體施用量見表1，隨機區組設計，每小區42 m(6 m×7 m)。在水稻移栽前，一次性通過人工翻耕處理施入不同生物炭量。施肥前田間各小區田埂提前均采用耐用的黑色塑料薄膜將土壤進行覆蓋包裹處理，目的是為了防止不同處理之間發生竄肥竄水的情況，試驗地其他農作管理制度和措施均遵守當地常規管理制度。

表1 不同處理生物炭與肥料施用量

利用工具取土鉆在水稻收割前收集0～15 cm土層樣品，5點土樣法取樣后迅速混勻，取其中部分采用聚乙烯自封袋分裝，放入冰盒，委托諾禾致源生物科技有限公司進行ITS1高通量測序；剩余的部分土樣風干后進行過篩處理留存，用于檢測土壤理化性狀。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤真菌總DNA的提取 土壤真菌總DNA的提取，采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)方法進行，再采用瓊脂糖凝膠電泳方法檢測提取后的DNA樣品的完整性，以無菌水稀釋濃度至 1 ng/μL。

1.3.2 真菌高通量測序 PCR擴增是將稀釋后的基因組DNA作為模板，引物采用的是ITS1區帶有Barcode的特異性引物。使用Ion Plus Fragment Library Kit 48 rxns建庫試劑盒(賽默飛世爾科技公司)對PCR產物進行文庫的構建，通過Qubit定量檢測，結果合格后采用Ion S5TMXL(賽默飛世爾科技公司)上機測序。

1.3.3 土壤理化性狀測定 土壤pH值采用pH計PHS-3E型(上海雷磁)測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤碳、氮含量的測定使用元素分析儀(德國Elementar)；土壤鎘、鎂、鉀消解后采用電感耦合等離子發射光譜儀(ICAP7200)測量含量。

1.4 數據處理

以97%的一致性聚類OTU后進行物種注釋，使用Qiime軟件對土壤微生物多樣性進行計算，并將結果進行α多樣性分析；采用IBM SPSS 21.0進行方差分析和相關性分析；采用R語言分析對土壤理化性質以及土壤優勢真菌門群落間進行冗余分析；采用Duncan’s檢驗進行多重差異顯著分析。

2 結果與分析

2.1 測序數據分析

通過高通量測序，經過質控平均得到75 519條有效數據，從圖1可以看出，6個不同處理的樣品隨序列量的增加，OTU數目在快速上升后逐漸趨向于平坦，說明雖然存在有小部分低豐度類群未被覆蓋的情況，但是此結果已涵蓋絕大部分物種信息。從表2可以看出，不同處理條件下的樣品覆蓋率結果顯示均在98.90%以上，表明數據結果能夠對樣本土壤真菌群落組成達到基本反映。

對土壤樣品進行α多樣性分析，結果(表2)表明，T1、T2、T1J處理較對照降低了Simpson指數，但差異不顯著。生物炭配施化肥T2J處理較對照處理提高了Shannon指數，但差異不顯著。Chao1指數、ACE指數在處理后無顯著性差異，表明生物炭及配施化肥未顯著改變土壤真菌群落多樣性及豐富度。

表2 不同處理土壤樣品真菌群落多樣性指數分析

2.2 真菌群落結構分析

門水平上不同處理真菌的相對豐度見圖2，排名前10的菌門分別為子囊菌門(Ascomycota)、擔子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)、球囊菌門(Glomeromycota)、Aphelidiomycota、Kickxellomycota、單毛壺菌門(Monoblepharomycota)、被孢霉門(Mortierellomycota)、羅茲菌門(Rozellomycota)、芽枝霉門(Blastocladiomycota)。真菌的優勢菌門(相對豐度>5%)為子囊菌門、擔子菌門。對生物炭及配施化肥處理后的菌門相對豐度變化進行分析，擔子菌門的相對豐度在4.1%～28.4%，擔子菌門的相對豐度在生物炭處理及配施化肥處理后呈上升趨勢，其中T1J處理較對照組處理相對豐度顯著上升(<0.05)。壺菌門的相對豐度為0.5%～18.5%，T2處理顯著高于CK處理。

2.3 土壤真菌菌落與土壤理化性質的關系

2.3.1 土壤理化性質分析 不同處理土壤理化性質見表3，單施生物炭T1、T2處理以及化肥減量配施生物炭T1J、T2J處理較對照組土壤pH值均顯著提高，且隨著生物炭施加量升高而增加，CKJ處理較對照組土壤pH值顯著降低值。T2J處理較對照組土壤有機質含量顯著提高，T2處理顯著提高了土壤碳氮比。T2J處理較對照組全氮含量顯著提高；土壤全氮含量表現為隨著生物炭施加量的提高而逐漸上升，化肥減量配施生物炭T1J、T2J處理較單施生物炭T1、T2處理全氮含量提高但差異不顯著。土壤全鉀、全鎂含量在生物炭T1、T2處理后顯著性下降，化肥減量配施生物炭T1J、T2J處理較單施生物炭T1、T2處理全鉀含量升高。土壤鎘含量在生物炭處理后隨著生物炭施加量的增大而下降，化肥減量配施生物炭T1J、T2J處理較單施生物炭T1、T2處理鎘含量下降。

表3 不同處理土壤理化性質

2.3.2 生物炭及化肥配施處理條件下的土壤真菌群落與土壤理化性質的冗余分析 通過對不同處理土壤真菌群落結構與土壤理化性質進行冗余分析，分析結果見圖3，2個主要軸特征值分別為50.61%和26.43%，可以對77.04%的真菌群落變化進行解釋。土壤全氮含量、有機質含量與RDA1軸呈正相關，土壤全鎂、鎘含量與RDA1軸呈負相關，土壤碳氮比、pH值與RDA2軸呈正相關，土壤全鉀含量與RDA2軸呈負相關。T2處理與CK處理距離最大，說明生物炭T2處理改變了土壤真菌群落結構。土壤pH值、全氮含量及土壤碳氮比對真菌群落結構具有顯著影響。

2.3.3 不同處理土壤真菌主要菌群與土壤理化性質的Pearson相關分析 將土壤理化因子與主要真菌群落之間進行Pearson相關分析，從表4可以看出，其中主要真菌門共10個，其中顯示有5個真菌門的變化與土壤理化性質呈現出顯著性相關。其中，土壤pH值與壺菌門呈顯著正相關；土壤有機質含量與球囊菌門呈顯著正相關；土壤全氮含量與子囊菌門呈顯著正相關；土壤碳氮比與壺菌門呈顯著正相關，與被孢菌門、芽枝霉門呈極顯著正相關。

表4 真菌菌落與土壤理化性狀的Pearson相關分析結果

3 討論與結論

土壤微生物是土壤各項生態功能的重要參與者，土壤微生物的豐度以及多樣性能夠對土壤環境的改變產生靈敏的反映，而土壤真菌是有機物質分解和土壤生物量的主要組成部分，在農業生態系統中十分重要。生物炭配施化肥處理能夠提供更加充足的養分，對土壤C/N進行調節，能更大程度地提高有機物質的利用效率，激發土壤微生物的活性和增加有益菌數量，同時生物炭的碳骨架有較好的持水性和通氣性，能夠使得微生物的繁衍擁有更好的生存環境。本試驗結果表明，單施生物炭處理時，鎘污染土壤的多樣性及豐富度無顯著性改變，本結果與李茂森等的研究結果一致，而生物炭配施化肥處理較對照組雖然提高了土壤真菌群落多樣性，但差異不顯著。這種結果出現的原因可能是真菌大多作為分解者的角色存在于土壤中，但是生物炭作為一種極難分解的惰性碳，短時間內真菌對于生物炭無法達到充分有效的利用。

農田土壤真菌群落尤其是優勢類群與耕作土壤類型、耕作措施以及施肥因素等密切相關。鎘污染稻田土壤的優勢真菌類群是子囊菌門和擔子菌門，本結果與李紅宇等的研究結果一致。壺菌門在單施生物炭處理時相對豐度顯著性提高，與劉師豆等的研究結果一致。擔子菌是土壤中的重要分解者，在土壤中以腐生、寄生和共生的營養方式生存，其功能是分解木質化植被碎屑，有著很好的分解植物殘體中的木質纖維素的能力，生物炭配施化肥處理能夠較對照組顯著提高擔子菌門的相對豐度，表明生物炭配施化肥處理能夠對鎘污染土壤理化環境產生影響，提高部分菌門的相對豐度，利于腐生菌群成長。

通過RDA分析及Pearson分析進一步明確影響群落結構變化的環境因子，生物炭和化肥的添加改變了真菌群落結構，且高量生物炭處理對真菌群落結構的影響更為顯著；土壤pH值、全氮含量及土壤碳氮比對真菌群落結構具有顯著影響。單施生物炭處理及化肥減量配施生物炭處理顯著降低了鎘污染土壤鎘含量，同時配施化肥處理，能夠在豐富土壤養分含量的同時，利用生物炭具有較強的吸附性對土壤中的P、K、Mg等不同存在形態的營養元素產生吸附作用，豐富了土壤中有效性營養元素的含量，為真菌提供養分來源；同時，生物炭及化肥配施處理的情況下，土壤pH值得到調節，并且土壤中的碳、氮水平在生物炭及化肥的施加處理下，可以調節土壤真菌對其的利用能力，增加土壤相關酶的活性，從而影響真菌群落結構。

單施生物炭及化肥減量配施生物炭處理能夠降低鎘污染土壤鎘含量，并有助于改善土壤養分。生物炭及配施化肥處理對土壤真菌群落多樣性及豐富度無顯著性影響，生物炭配施化肥處理較對照處理顯著提升了擔子菌門的相對豐度，單施生物炭顯著提高了壺菌門的相對豐度。土壤pH值、全氮含量及土壤碳氮比是水稻土壤真菌群落分布的重要影響因素。