2017-08-10
派森诺生物再次与中国科学院南京土壤研究所合作，在《Soil Biology & Biochemistry》（影响因子4.857）上发表文章，揭示生物碳改良剂对稻田土壤排放N2O气体的促进作用。
研究背景
在农耕作物中，氮肥一直是被大量需求并广泛应用的肥料。但是由于氮肥的大量使用，现已造成了大气中N2O含量的持续增加。而在农耕土壤中，稻田土壤被认为是主要的大气N2O来源之一，因此，建立有效的农业温室气体减排管理方法迫在眉睫。
研究目的
在前人的研究中发现，生物碳改良剂能有效减少农耕土壤温室气体的排放量，并加强土壤的固碳能力、肥性以及增加作物产量，但是它对水稻田N2O气体排放情况的影响还不明确。本研究旨在从以下两方面探究生物碳改良剂对水稻田N2O气体排放量的影响：小麦秸秆来源的生物碳改良剂对水稻田中N2O形成的相关基因丰度的影响，以及对具有相关功能的微生物类群的群落结构的影响，为研究生物碳改良剂对农耕稻田土壤温室气体N2O排放量的影响奠定了一定的科学基础。
研究方法
测序技术：454 FLX平台
测序模式：细菌的amoA功能基因
实验对象：土壤样品
实验设计：取0~20cm处的水稻和小麦轮作土壤，风干后过2mm的网目筛；并取小麦秸秆经过烘干—慢热降解后过2mm的网目筛制成生物碳，将土壤、生物碳、N肥分为6个处理，每个处理4个生物学重复，进行实验室培养实验，在各个时间阶段进行理化性质测定，并对第14d的各组样品进行高通量测序：Control组（非热降解生物碳对照组）、1%biochar组（热降解率为1%的生物碳）、4% biochar组（热降解率为4%的生物碳）、Urea组（加尿素的无机N肥）、1% biochar+urea组（加尿素无机N肥和热降解1%的biochar混合物）、4% biochar+urea组（加尿素无机N肥和热降解4%的biochar混合物）。
研究结果
对不同处理组的样品进行理化性质测定、N2O气体排放量的测定、相关功能基因amoA，nirK，nirS及nosZ的定量PCR检测及细菌amoA基因进行高通量测序，得到如下结果：
对45天内不同处理样品的N2O气体排放情况进行检测，发现4% biochar、Urea、1% biochar+urea、4% biochar+urea四个组从第10天起N2O气体通量开始增加，并在第14天时达到各自峰值；并且由45天内各组N2O气体的累积排放量可知，4% biochar+urea组是最多的，与其他组具有显著差异。
对生物碳、N肥的添加以及它们同时添加对N2O气体排放情况、N2O气体形成相关功能基因丰度的影响进行ANOVA方差分析，由结果表格可知，Biochar×N fertilizer对N2O气体的排放有着关键的促进作用。
对45天内6个处理不同阶段的PH值进行测量，由折线图可知在前14天除了control组，其他组的PH值都有显著增加，而在14天之后又急剧下降，并且除了4% biochar组外，各组的PH值都逐渐达到4.5左右的稳定值。
对45天内无机N的含量进行检测，由折线图可知，在加N肥和不加N肥的处理之间，NH4+离子浓度并没有显著差异，并且在不加N肥的处理组中，加生物碳的2组处理组相较control组，NH4+离子浓度下降更快；NO3-离子浓度在前7天的所有处理中都很低，但是从7~14天期间除了control组，其它所有处理组中NO3-离子浓度都有显著增加，并且添加生物碳的处理组中，NO3-离子浓度要显著高于不添加生物碳的处理组。
在第7、14、25、45天时，对各个处理的样品中5个相关功能基因进行定量PCR检测，可知，生物碳的添加显著降低样品中古菌amoA基因丰度；尿素和生物碳的添加显著增加了各处理组7~14d中细菌amoA基因丰度；在第14d时4% biochar组中nirK基因丰度相较control组有显著增加；在第25d时，1% biochar和4% biochar组中nirS基因丰度相较control组有显著下降；nosZ的基因丰度在各个处理组中都呈现出类似的变化趋势，从7~14d明显下降，从14~25d明显上升，在第25d时达到最大峰值。
对Control、Urea、4%biochar及4%biochar+urea四个组的高通量测序结果进行PCoA分析，由图可知，不加生物碳和添加生物碳的处理组之间有明显的差异，并且Control和Urea的组间差异也大于组内差异。
对高通量测序结果中部分细菌amoA基因进行进化树的构建，我们发现AOB-amoA基因序列可分为三大集群，Nitrosospira clusters 12和13以及 Nitrosomonas cluster 6；其中Nitrosospira在4% biochar组中的相对丰度较Control组中有所降低，但Nitrosomonas却正好相反，它在添加生物碳的处理组中相对丰度反而有所增加。
总结
本研究从各个方面展开生物碳对稻田土壤温室气体N2O排放量影响的探究，将土壤理化性质、N2O排放量及土壤中微生物多样性组成情况等多角度研究结果相结合，阐明了生物碳对稻田土壤N2O排放的促进作用，为生物碳在农业生态中广泛应用提出了相左的坚实科学依据。
本研究的测序工作由上海派森诺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
点击链接，阅读原文献：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003807171730514X?via%3Dihub
