2017-08-25
派森諾生物再次與中國科學院南京土壤研究所合作，在《Soil Biology & Biochemistry》（影響因子4.857）上發(fā)表文章，揭示生物碳改良劑對稻田土壤排放N2O氣體的促進作用。
研究背景
在農(nóng)耕作物中，氮肥一直是被大量需求并廣泛應用的肥料。但是由于氮肥的大量使用，現(xiàn)已造成了大氣中N2O含量的持續(xù)增加。而在農(nóng)耕土壤中，稻田土壤被認為是主要的大氣N2O來源之一，因此，建立有效的農(nóng)業(yè)溫室氣體減排管理方法迫在眉睫。
研究目的
在前人的研究中發(fā)現(xiàn)，生物碳改良劑能有效減少農(nóng)耕土壤溫室氣體的排放量，并加強土壤的固碳能力、肥性以及增加作物產(chǎn)量，但是它對水稻田N2O氣體排放情況的影響還不明確。本研究旨在從以下兩方面探究生物碳改良劑對水稻田N2O氣體排放量的影響：小麥秸稈來源的生物碳改良劑對水稻田中N2O形成的相關基因豐度的影響，以及對具有相關功能的微生物類群的群落結(jié)構(gòu)的影響，為研究生物碳改良劑對農(nóng)耕稻田土壤溫室氣體N2O排放量的影響奠定了一定的科學基礎。
研究方法
測序技術(shù)：454 FLX平臺
測序模式：細菌的amoA功能基因
實驗對象：土壤樣品
實驗設計：取0~20cm處的水稻和小麥輪作土壤，風干后過2mm的網(wǎng)目篩；并取小麥秸稈經(jīng)過烘干—慢熱降解后過2mm的網(wǎng)目篩制成生物碳，將土壤、生物碳、N肥分為6個處理，每個處理4個生物學重復，進行實驗室培養(yǎng)實驗，在各個時間階段進行理化性質(zhì)測定，并對第14d的各組樣品進行高通量測序：Control組（非熱降解生物碳對照組）、1%biochar組（熱降解率為1%的生物碳）、4% biochar組（熱降解率為4%的生物碳）、Urea組（加尿素的無機N肥）、1% biochar+urea組（加尿素無機N肥和熱降解1%的biochar混合物）、4% biochar+urea組（加尿素無機N肥和熱降解4%的biochar混合物）。
研究結(jié)果
對不同處理組的樣品進行理化性質(zhì)測定、N2O氣體排放量的測定、相關功能基因amoA，nirK，nirS及nosZ的定量PCR檢測及細菌amoA基因進行高通量測序，得到如下結(jié)果：
對45天內(nèi)不同處理樣品的N2O氣體排放情況進行檢測，發(fā)現(xiàn)4% biochar、Urea、1% biochar+urea、4% biochar+urea四個組從第10天起N2O氣體通量開始增加，并在第14天時達到各自峰值；并且由45天內(nèi)各組N2O氣體的累積排放量可知，4% biochar+urea組是最多的，與其他組具有顯著差異。
對生物碳、N肥的添加以及它們同時添加對N2O氣體排放情況、N2O氣體形成相關功能基因豐度的影響進行ANOVA方差分析，由結(jié)果表格可知，Biochar×N fertilizer對N2O氣體的排放有著關鍵的促進作用。
對45天內(nèi)6個處理不同階段的PH值進行測量，由折線圖可知在前14天除了control組，其他組的PH值都有顯著增加，而在14天之后又急劇下降，并且除了4% biochar組外，各組的PH值都逐漸達到4.5左右的穩(wěn)定值。
對45天內(nèi)無機N的含量進行檢測，由折線圖可知，在加N肥和不加N肥的處理之間，NH4+離子濃度并沒有顯著差異，并且在不加N肥的處理組中，加生物碳的2組處理組相較control組，NH4+離子濃度下降更快；NO3-離子濃度在前7天的所有處理中都很低，但是從7~14天期間除了control組，其它所有處理組中NO3-離子濃度都有顯著增加，并且添加生物碳的處理組中，NO3-離子濃度要顯著高于不添加生物碳的處理組。
在第7、14、25、45天時，對各個處理的樣品中5個相關功能基因進行定量PCR檢測，可知，生物碳的添加顯著降低樣品中古菌amoA基因豐度；尿素和生物碳的添加顯著增加了各處理組7~14d中細菌amoA基因豐度；在第14d時4% biochar組中nirK基因豐度相較control組有顯著增加；在第25d時，1% biochar和4% biochar組中nirS基因豐度相較control組有顯著下降；nosZ的基因豐度在各個處理組中都呈現(xiàn)出類似的變化趨勢，從7~14d明顯下降，從14~25d明顯上升，在第25d時達到最大峰值。
對Control、Urea、4%biochar及4%biochar+urea四個組的高通量測序結(jié)果進行PCoA分析，由圖可知，不加生物碳和添加生物碳的處理組之間有明顯的差異，并且Control和Urea的組間差異也大于組內(nèi)差異。
對高通量測序結(jié)果中部分細菌amoA基因進行進化樹的構(gòu)建，我們發(fā)現(xiàn)AOB-amoA基因序列可分為三大集群，Nitrosospira clusters 12和13以及 Nitrosomonas cluster 6；其中Nitrosospira在4% biochar組中的相對豐度較Control組中有所降低，但Nitrosomonas卻正好相反，它在添加生物碳的處理組中相對豐度反而有所增加。
總結(jié)
本研究從各個方面展開生物碳對稻田土壤溫室氣體N2O排放量影響的探究，將土壤理化性質(zhì)、N2O排放量及土壤中微生物多樣性組成情況等多角度研究結(jié)果相結(jié)合，闡明了生物碳對稻田土壤N2O排放的促進作用，為生物碳在農(nóng)業(yè)生態(tài)中廣泛應用提出了相左的堅實科學依據(jù)。
本研究的測序工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
Lin Y, Ding W, Liu D, et al. Wheat straw-derived biochar amendment stimulated N 2 O emissions from rice paddy soils by regulating the amoA genes of ammonia-oxidizing bacteria[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 113: 89-98
點擊鏈接，閱讀原文獻：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003807171730514X?via%3Dihub
