Nitrogen transformation and microbial community structure varied in apple rhizosphere and rhizoplane soils under biochar amendment  

生物炭改良下蘋果根際與根表土壤氮轉化及微生物群落結構的變化  

來源: Journal of Soils and Sediments Volume 21, pages 853–868, (2021)

《土壤與沉積物雜志》第21卷，2021年，第853-868頁

 

摘要  

本研究通過Illumina測序和qPCR技術，探究了蘋果木生物炭改良對蘋果根區（非根際、根際、根表）土壤細菌、真菌和古菌群落結構的影響，以及氮轉化功能基因（nifH、amoA、nirK、nirS、nosZ）豐度的變化。研究發現生物炭顯著改變了根區微生物群落組成：根表土壤細菌α多樣性增加，而根際土壤真菌和古菌多樣性降低。生物炭通過提升根際和根表土壤的固氮微生物（nifH基因）和N2O還原微生物（nosZ基因）豐度，使15cm和20cm土層N2O濃度分別降低13.7%和35.1%。網絡分析表明氮轉化功能基因與多個微生物門類存在密切關聯。

 

研究目的  

探究蘋果木生物炭改良對：1）根區不同分區（非根際/根際/根表）微生物群落結構的影響；2）微生物介導的氮轉化過程（固氮、硝化、反硝化）的調控機制；3）土壤N2O排放的抑制效應與微生物學關聯。

 

研究思路  

1. 實驗設計：設置對照（0%生物炭）與處理（1% w/w蘋果木生物炭）組，盆栽種植富士蘋果幼苗  

2. 分區采樣：按Edwards等方法分離非根際（NRS）、根際（RS）和根表（RP）土壤樣品  

3. 多組學分析：  

   ? Illumina MiSeq測序：細菌（16S V3V4）、真菌（ITS）、古菌（16S V5V6）群落結構  

 

   ? qPCR定量：氮功能基因（nifH、AOA/B amoA、nirK/S、nosZ）豐度  

 

4. 環境因子監測：  

   ? 土壤理化性質（pH、TOC、氮磷鉀含量等）  

 

   ? 原位氣體測量：Unisense微傳感器監測NO/N2O濃度  

 

5. 數據分析：RDA分析環境驅動因子，網絡分析微生物與功能基因關聯性  

 

測量的數據及研究意義  

1. 微生物群落結構（圖1，表2）：  

   ? 測量數據：生物炭使根表土壤細菌Shannon指數顯著提升（10.23→10.55），根際真菌指數降低（5.96→4.58），古菌多樣性在非根際土壤下降（3.86→2.99）  

   ? 研究意義：揭示生物炭對根區不同分區微生物的差異化調控，證實其通過改變碳源供給和孔隙結構選擇性促進細菌而抑制真菌/古菌  

 

 

2. 氮功能基因豐度（圖5）：  

   ? 測量數據：根際/根表土壤nifH（固氮）基因拷貝數增加1.8-2.3倍，nosZ（N2O還原）基因提升2.1倍；根際AOB amoA（細菌硝化）基因下降40%  

   ? 研究意義：從功能基因層面證實生物炭促進生物固氮和N2O還原，抑制硝化過程，為減少氮損失提供機制解釋  

 

3. 氣體濃度變化（圖6）：  

   ? 測量數據：生物炭使5-20cm土層NO濃度降低12.2-25.0%，15cm/20cm土層N2O濃度下降13.7%/35.1%  

   ? 研究意義：直接驗證生物炭對氮氧化物的減排效應，且減排效果隨土層加深而增強  

 

4. 微生物-基因網絡（圖7）：  

   ? 測量數據：構建包含12細菌門、4真菌門、3古菌門與6個功能基因的關聯網絡，發現Chloroflexi門與nirK基因、Crenarchaeota門與amoA基因形成核心節點  

   ? 研究意義：揭示跨物種的氮代謝功能協作網絡，解釋生物炭通過調控微生物互作影響氮循環的生態機制  

 

結論  

1. 生物炭通過提升土壤pH、有機碳和養分含量（表1），差異化調控根區各分區微生物群落：促進根表細菌多樣性，抑制根際真菌/古菌多樣性  

 

2. 生物炭增強根際和根表土壤的固氮能力（nifH↑）和N2O還原功能（nosZ↑），同時抑制細菌硝化作用（AOB amoA↓），優化氮轉化路徑  

3. 生物炭通過改變微生物群落結構驅動氮轉化過程，最終降低根區土壤N2O排放（圖6），減排效果在深層土壤更顯著  

4. 網絡分析表明氮功能基因與多種微生物門類存在復雜關聯（圖7），證明生物炭的影響是通過微生物群落整體功能重構實現的  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

本研究采用丹麥Unisense公司的NO-500和N2O-N微傳感器系統實現了對土壤氣體的原位高分辨率監測：  

 

1. 原位測量優勢：  

   ? 傳統氣室法只能測量地表通量，而微傳感器可穿透土壤剖面，直接獲取15-20cm深度的NO/N2O濃度梯度數據（圖6），精準定位生物炭的減排作用層  

 

2. 過程機制解析：  

   ? N2O濃度下降（13.7-35.1%）與nosZ基因豐度增加（2.1倍）的同步驗證，建立了從基因到功能再到氣體排放的完整證據鏈，證明生物炭通過增強微生物反硝化還原能力降低N2O排放  

 

3. 技術可靠性保障：  

   ? 研究強調對傳感器進行重復校準（方法2.6），確保數據準確性；原位測量避免土樣擾動導致的氣體逸散，真實反映根際微區氣體狀態  

 

4. 生態意義延伸：  

   ? 結合微生物數據發現：N2O減排效應與真菌多樣性下降（Basidiomycota↓66%）顯著相關（表2），暗示生物炭可能通過抑制某些產N2O真菌功能群實現減排，這為針對性調控提供了新方向  

 

Unisense微傳感器在本研究中起到了"橋梁"作用，連接了微生物分子數據（基因豐度）與宏觀生態環境效應（氣體減排），使研究從相關性分析上升到因果機制驗證，凸顯了高精度原位測量技術在現代環境微生物研究中的關鍵價值。