盐碱土改良利用攻关研究【华中农大最新出版】:沿深度梯度探究铁改性生物炭对盐碱土壤化学性质和细菌群落的改善作用

学术   2024-07-31 23:44   四川  

我国东部四个气候带农田土壤有机碳保护机制取得进展

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题目沿深度梯度探究铁改性生物炭对盐碱土壤化学性质和细菌群落的改善作用

Insight into amelioration effect of iron-modified biochar on saline-alkali soil chemical properties and bacterial communities along a depth gradient

文章类型:Research Article

作者:

王吉元1,2, Riaz MUHAMMAD2, Saba BABAR1, Zeinab El-DESOUKI1, 李宇轩1, 王响玲1, 夏晓阳1, 姜存仓1,*

单位:

1华中农业大学

2仲恺农业工程学院

文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1002016024000651

DOI: 10.1016/j.pedsph.2024.07.001.

Citation:  Wang J Y, Muhammad R, Babar S, El-Desouki Z, Li Y X, Wang X L, Xia X Y, Jiang C C. 2024. Insight into amelioration effect of iron-modified biochar on saline-alkali soil chemical properties and bacterial communities along a depth gradient. Pedosphere. https://doi.org./10.1016/j.pedsph.2024.07.001.



快速了解本文

本文主要探讨了铁改性生物炭(FB)对盐碱土壤化学性质和细菌群落在不同土层深度的影响。研究发现,铁改性生物炭能显著改善土壤的化学性质,包括pH值、有机质含量、电导率(EC)和钠吸附比(SAR),铁改性生物炭在提高表层土壤酶活性和减少底层土壤盐基阳离子含量方面表现出显著效果,并且显著增加了土壤中有益细菌的丰度,铁改性生物炭能够通过降低土壤盐分和提供碳源来促进微生物活动,从而改善盐碱土壤的质量。


关键点

1.研究方法

  • 铁改性生物炭的应用:本研究采用铁改性生物炭(FB)来改良盐碱土壤,与传统的生物炭(PB)相比,铁改性生物炭具有更高的反应活性和更强的吸附能力,能够更有效地改善土壤的理化性质。

  • 培养实验设计:研究设计了一个为期28天的土柱培养实验,细致地监测了不同处理在不同时期对不同深度土壤性质的影响。这种动态监测方法能够更准确地反映处理对土壤的持续影响。

2. 主要结论

  • 土壤酶活性显著提高:研究发现,铁改性生物炭处理能够显著提高土壤酶活性,包括蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶等。酶活性的提高表明土壤的生物活性和养分循环能力增强,有助于土壤健康的恢复。

  • 有益细菌丰度增加:1% FB处理增加了土壤细菌群落的α多样性,改变了细菌群落组成,并提高了有益细菌的丰度,不仅有助于土壤的生态稳定性,还能提高土壤的抗逆能力。

3. 微生物群落结构的变化

  • 特定菌属丰度的变化:通过多组比较分析发现1% FB处理增加了Pontibacter、Ammoniphilus和Azospirillaceae等有益菌属的丰度,同时减少了Thermincola和Piscibacillus等可能有害的菌属的丰度。这种变化有助于改善土壤的微生物生态环境。

  • 相关性分析:研究揭示了细菌群落结构变化与土壤化学性质之间的显著关联,特别是Firmicutes和Myxococcota的丰度与土壤pH、EC(电导率)和盐基阳离子含量呈负相关。这一发现表明,通过调整土壤化学性质,可以间接影响土壤微生物群落结构,为土壤改良提供了新的思路。

4.综合改良效果

  • 土壤理化性质的改善:铁改性生物炭处理显著提高了土壤有机质含量和pH值,改善了土壤的理化性质,有助于作物的生长和土壤健康的恢复。

  • 表层土壤的显著变化:研究特别指出,生物炭处理对0-10 cm表层土壤的影响最为显著。这一结果为实际农业应用中生物炭的使用提供了重要参考,表明生物炭在表层施用效果最佳。


ABSTRACT

The application of modified biochar has been proven to be a novel and promising strategy to improve saline-alkali soil. However, the effect of iron-modified biochar (FB) on the chemical properties of saline-alkali soil at different depths remains unclear. Therefore, we designed a soil column that divides the soil into three consecutive parts to explore the amelioration effect of iron-modified biochar on saline-alkali soil chemical properties and the response of bacterial communities along a depth gradient. The results showed that soil chemical properties were significantly improved with 1% FB application, while the amelioration effect of FB was different between topsoil and subsoil. A significant increment in activities of extracellular enzymes in topsoil and decrease in base cations in subsoil were observed in 1% FB treatment. Moreover, the abundances of halophilic taxa were higher in subsoil than in topsoil, especially for the phyla Bacteroidetes and Deinococcus. Furthermore, the abundance of beneficial bacteria (e.g., Alphaproteobacteria, Sphingomonas, and Pontibacter) in saline-alkali soil increased at 1% FB. Our results suggest the influence of iron-modified biochar on soil properties and bacterial communities along a soil depth gradient, providing a novel strategy for improving saline-alkali soil with biochar.

Key Words: base cations, extracellular enzyme, salinization, salt movement, soil depth


中文摘要

应用改性生物炭已被证明是一种新颖且具有前景的盐碱土壤改良策略。然而,铁改性生物炭(FB)对不同深度盐碱土壤化学性质的影响尚不明确。因此,我们设计了一个将土壤分为三部分的土柱来探讨铁改性生物炭对不同深度盐碱土壤化学性质改良效果以及细菌群落在深度梯度上对其的响应。结果表明,1% FB处理显著改善了土壤的化学性质,但FB在表层土壤和底层土壤中的改良效果不同。1% FB处理显著增加了表层土壤中胞外酶的活性,同时减少了底层土壤中的基本阳离子。此外,在底层土壤中,嗜盐菌的丰度高于表层土壤,尤其是拟杆菌门和放线菌门。此外,1% FB处理显著增加了盐碱土壤中有益细菌(如α-变形菌纲、鞘脂单胞菌属和红细菌属)的丰度。研究结果表明,铁改性生物炭对沿土壤深度梯度的土壤性质和细菌群落具有影响,为用生物炭改良盐碱土壤提供了一种新策略。

关键词:盐基阳离子、胞外酶、盐碱化、盐分移动、土壤深度



表1 生物炭样品的基本性质

图1 土柱示意图,包括表层(深度:5-15 cm)、中层(深度:15-25 cm)和底层(深度:25-35 cm)。尺寸:35 × 5.5(高度 × 直径,单位:cm)。
Fig. 1 Schematic of the soil column including top-layer (depth: 5-15 cm), middle-layer (depth: 15-25 cm), and sub-layer (depth: 25-35 cm). Dimension: 35 × 5.5 (height × diameter in cm).


图2 在培养7天和28天后,传统生物炭(PB)和铁改性生物炭(FB)改良剂(剂量=0.5%和1%)对不同深度土壤的pH值(A)、土壤有机质(B)、电导率(C)、钠吸附比(D)以及包括钾离子(E)、钠离子(F)、钙离子(G)和镁离子(H)在内的碱性阳离子含量的影响。不同的小写字母表示在相同土壤深度和采样时间下处理之间存在显著差异(Duncan检验,P < 0.05)。双因素方差分析的统计结果以F值表示。* P < 0.05;** P < 0.01。

Fig. 2 Effects of PB and FB amendment (dosage = 0.5% and 1%) on soil pH (A), SOM (B), EC value (C), SAR (D), and the content of base cations, including K+ (E), Na+ (F), Ca2+ (G), and Mg2+ (H), in different depth soils after 7 and 28 d of incubation. Different lowercase letter indicated significant differences between treatments under the same soil depth and sampling time according to Duncan's test (P < 0.05). The statistical results of two- way ANOVA are expressed in F-value. * P < 0.05; ** P < 0.01.


图3 在培养7天和28天后,不同深度的土壤胞外酶活性。A:β-葡萄糖苷酶(β-G)的活性;B:β-纤维二糖水解酶(CBH)的活性;C:β-木聚糖酶(β-X)的活性;D:N-乙酰葡糖胺酶(NAG)的活性。不同的小写字母表示在相同土壤深度和采样时间下处理之间存在显著差异(Duncan检验,P < 0.05)。双因素方差分析的统计结果以F值表示。* P < 0.05;** P < 0.01。

Fig. 3 Activities of extracellular enzymes in different depth soils after 7 and 28 d of incubation. A: The activity of β-glucosidase (β-G); B: The activity of β-cellobiohydrolase (CBH); C: The activity of β-xylanase (β-X); D: The activity of N-acetyl-glucosaminidase (NAG). Different lowercase letter indicated significant differences between treatments under the same soil depth and sampling time according to Duncan’s test (P < 0.05). The statistical results of two-way ANOVA are expressed in F-value. * P < 0.05; ** P < 0.01.


图4(A)培养28天后对照组、1% PB组和1% FB组的表层和底层土壤的Shannon多样性指数。P < 0.05表示显著差异。(B)基于Bray-Curtis距离的土壤细菌群落组成主坐标分析(PCoA)。(C)线性判别分析效应量(LEfSe),显示不同处理的表层和底层土壤中显著不同的细菌类群。区分类群由不同颜色的点表示,从中心向外分别代表门、纲、目、科和属水平。

Fig. 4  (A) Shannon diversity index in top and sub soils of the control, 1% PB, and 1% FB treatment after 28 d of incubation. P < 0.05 marked as *. (B) Principal Coordinates Analysis (PCoA) based on Bray-Curtis distance of the soil bacterial community composition. (C) Linear discriminant analysis Effect Size (LEfSe), showing significantly different abundant bacterial taxa in top and sub soils of different treatments. The discriminative taxa are represented by dots with different color, from the center outward, they represent the phylum, class, order, family, and genus levels.

图5 对照组(A)、1% PB组(B)和1% FB组(C)在28天后表层土壤和底层土壤中差异OTUs。每个点代表一个OTU。红点和绿点分别表示增加的OTU和减少的OTU。基于差异OTUs的细菌门相对丰度,在对照组(D)、1% PB组(E)和1% FB组(F)中的变化。

Fig. 5  Differential OTUs in top soil versus sub soil under the control (A), 1%PB (B), and 1%FB (C) treatments at 28 d. Each point represents a single OUT. The red and green points respectively represent enriched OUT and declined OUT. Relative abundances of bacterial phylum based on the differential OTUs in the control (D), 1% PB (E), and 1%FB (F) treatments at 28 d.

图6 在表层土壤(A)和底层土壤(B)中基于属水平的多组比较。对照组(C)、1% PB组(D)和1% FB组(E)中基于属水平的表层土壤和底层土壤的两组比较。*, ** 和 *** 分别表示在P < 0.05、P < 0.01 和 P < 0.001 水平上的显著性。

Fig. 6 Multi-group comparison based on genus level among treatments in top soil (A) and sub soil (B). Two groups of comparison based on genus level between top and sub soils in the control (C), 1%PB (D), and 1%FB (E) treatments. *, ** and *** represent significance at P < 0.05, P < 0.01 and P < 0.001, respectively.

图7 土壤化学性质与细菌类群在门水平(A)和属水平(B)的相关性分析。红色表示正相关,绿色表示负相关。*, ** 和 *** 分别表示在P < 0.05、P < 0.01 和 P < 0.001 水平上的显著性。

Fig. 7 Correlation analysis of soil chemical properties with phylum (A) and genus level (B) of bacterial taxa. Red colors indicate positive correlations, while green colors indicate negative correlations. *, ** and *** represent significance at P < 0.05, P < 0.01 and P < 0.001, respectively.


作者介绍






王吉元, Saba BABAR, Zeinab El-DESOUKI, 李宇轩, 王响玲, 夏晓阳 华中农业大学在读博士生,主要从事养分调控与资源高效利用。


Riaz MUHAMMAD 


博士 仲恺农业工程学院特聘副教授。研究方向为植物养分调控响应机制,主要围绕植株(柑橘、油菜及水稻)铝毒害和镉毒害抗性及营养诊断机制研究,在微量元素硼及硅纳米颗粒等方面也取得系列创新成果。以第一或合著者在行业认可的主流期刊JHM、Chemosphere、EP、JEM、Plant & Soil、 CREST、Journal of Cleaner Production、 EES、EEB、Science of The Total Environment、 Frontier in Plant Science等发表论文SCI 100余篇。(https://hjxy.zhku.edu.cn/info/1013/2918.htm)


姜存仓  


华中农业大学资源与环境学院教授。研究方向为养分调控及资源高效利用,致力于解决作物生长势弱、叶片黄化以及土壤障碍等瓶颈问题,通过图谱分析和多组学联用,在作物微量元素营养诊断、新型肥料研制和土壤地力提升等方面取得系列创新成果。是农业部长江中下游耕地保育重点实验室、湖北省自然科学基金创新群体、新型肥料湖北省工程实验室、微量元素研究中心固定研究人员;是中国中微肥创新联盟理事长,中国植物营养与肥料学会“养分循环专业委员会”副主任委员、“新型肥料专业委员会”委员,湖北省土壤肥料学会第十一届理事会理事;是湖北省标准化与质量研究院标准评审、教育部学位中心论文评审、国家自然科学基金评审等专家;是Front Plant Sci、Sci Rep、J Plant Sci、《植物营养与肥料学报》、《肥料与健康》编委, 是New Phytol、J Hazard Mater、Plant Soil、中国农业科学、植物营养与肥料学报等审稿专家。(http://zyhj.hzau.edu.cn/info/1183/7563.htm)


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期刊简介



陈怀满研究员序——《健康土壤培育与实践指南——健康土壤的生态管理》(原著第四版)出版


《健康土壤培育与实践指南——健康土壤的生态管理》(原著第四版)出版——朱永官院士序


《健康土壤培育与实践指南——健康土壤的生态管理》(原著第四版)出版——张甘霖研究员序

《健康土壤培育与实践指南——健康土壤的生态管理》(原著第四版)出版——张福锁院士序





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