研究揭示生物炭負(fù)激發(fā)效應(yīng)的微生物關(guān)鍵物種競(jìng)爭(zhēng)作用機(jī)制

土壤是全球碳循環(huán)的重要碳庫(kù)，土壤有機(jī)碳封存可以緩解大氣中CO2濃度的升高并提高土壤肥力。生物炭應(yīng)用已被廣泛證實(shí)是一種有效促進(jìn)土壤有機(jī)碳封存和提高產(chǎn)量的方法（Woolf et al.， Sustainable biochar to mitigate global climate change， Nat Commu， 2010），但是目前關(guān)于生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)的生物學(xué)機(jī)制尚不清楚。通常認(rèn)為生物炭通過(guò)影響土壤微生物的生物量和群落組成影響了土壤有機(jī)碳的礦化，由于不同氣候、土壤和作物系統(tǒng)中土壤微生物存在復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不同的關(guān)鍵物種（Banerjee et al.， Keystone taxa as drivers of microbiome structure and functioning， Nat Rev Microb， 2018），目前仍然不清楚施用生物炭如何影響土壤微生物之間的交互作用，這些交互作用是通過(guò)哪些核心/關(guān)鍵物種（keystone taxa）起作用？解決這些機(jī)制問(wèn)題可以為建立不同氣候土壤類(lèi)型區(qū)的生物炭管理模式提供理論支撐。

中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所孫波課題組基于褐土生物炭田間試驗(yàn)（設(shè)置不施肥、常規(guī)NPK肥、2.4-7.2-12 t/ha生物炭處理），結(jié)合Biolog、PLFAs和高通量測(cè)序方法，研究了細(xì)菌和真菌的群落組成及共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響，并通過(guò)穩(wěn)定性同位素核酸探針技術(shù)（DNA-SIP）驗(yàn)證了微生物的網(wǎng)絡(luò)交互作用關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用顯著提高了土壤水分庫(kù)容和pH值，影響了土壤細(xì)菌和真菌群落的組成和共生網(wǎng)絡(luò)關(guān)系；生物炭施用導(dǎo)致細(xì)菌和真菌網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵類(lèi)群的競(jìng)爭(zhēng)性交互作用增強(qiáng)。通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模型分析表明，網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵種與其他微生物間的競(jìng)爭(zhēng)性交互作用提高了細(xì)菌和真菌多樣性，降低了碳水化合物分解代謝活性和土壤呼吸熵。利用13C穩(wěn)定同位素標(biāo)記培養(yǎng)試驗(yàn)，證實(shí)了施用生物炭后細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物種變?yōu)楣?jié)桿菌屬 (Arthrobacter) 和芽單胞菌科屬（Gemmatimonadaceae)，真菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物種變?yōu)槊珰っ箤伲–haetomium）和青霉屬（Penicillium），施用生物碳促進(jìn)了這些關(guān)鍵物種與其他微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)作用，導(dǎo)致生物炭的負(fù)激發(fā)效應(yīng)。研究為建立生物炭調(diào)控土壤有機(jī)碳封存能力的方法提供了生物學(xué)依據(jù)。