摘要

生物炭改良通常用于減輕農業土壤人為溫室氣體排放。一種新型生物炭——碳化蘋果木（CAW）以不同比例（0、5、10、20和40 g kg?1）施用于盆栽的兩年生富士蘋果樹（Malus domestica Borkh.cv.Fuji）的土壤中。通過定量PCR測定了參與微生物氨氧化（厭氧氨氧化和amoA）和反硝化作用（nirS和nirK）的功能基因豐度的變化，并使用微電極分析了處理土壤中一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N?O）的濃度。施用5和10 g kg?1CAW顯著增加了土壤微生物生物量碳、氮和磷，而添加5-40 g kg?1CAW改變了微生物氮轉化。此外，在5-20厘米土層深度施用5-40 g kg?1CAW降低了NO和N?O濃度。冗余分析顯示，施用CAW后，微生物功能基因與土壤變量（包括微生物生物量碳、一氧化氮、硝態氮和亞硝態氮）之間存在密切關系。這些結果表明，微生物氮轉化隨CAW施用量的不同而變化。施用適量CAW（即10 g kg?1）降低了參與微生物氮轉化的功能基因豐度，表明其與觀察到的蘋果根區土壤NO和N?O濃度降低存在潛在聯系。

引言

農業土壤是溫室氣體一氧化二氮（N?O）的重要來源。某些農業實踐釋放的N?O主要來源于微生物氮（N）轉化的中間產物，占所有人為N?O排放量的60%以上。因此，減輕和準確量化氮的去除過程對于確定氮在農業土壤中的歸宿越來越重要。向土壤中施用生物炭有潛力緩解這些環境問題。生物炭是通過生物質熱解產生的富碳固體。幾項研究表明，將生物炭摻入土壤可以對土壤微生物種類和群落、土壤質量、植物生長和溫室氣體排放產生多種影響。盡管有研究表明生物炭可以減少土壤N?O排放，但其潛在機制仍不清楚。相反，一些研究顯示生物炭施用沒有效果或增加了N?O排放。生物炭對土壤N?O排放影響的這些差異通常與生物炭的來源、熱解溫度和制備工藝、生物炭和肥料的施用比例、土壤類型或土壤含水量有關。

蘋果樹（Malus domestica Borkh.cv.Fuji）是多年生木本植物，碳化蘋果木（CAW）是一種獨特的生物炭，通過在低氧條件下高溫（700°C）燃燒蘋果枝條制成；它具有獨特的孔隙結構，并對蘋果樹根區的土壤細菌和真菌有特定影響。土壤微生物群落和功能基因豐度的變化可能揭示CAW對土壤氮轉化的影響。盡管土壤功能基因豐度不一定表明土壤微生物活性和功能的改變，但一些研究表明功能基因豐度的變化與土壤氮轉化相關。

氨的厭氧氧化參與在厭氧條件下通過產生N?O或氮氣（N?）從土壤中去除氮。硝化作用涉及銨（NH??）還原為硝酸鹽（NO??），通過羥胺（NH?OH）和亞硝酸鹽（NO??）的形成，由單氨加氧酶（由amoA基因編碼）和羥胺氧化還原酶催化。在氨氧化過程中，N?O可通過NH?OH的化學分解形成。Zhang等人證實氨氧化古菌（AOA）在酸性土壤的氨氧化中起突出作用，而氨氧化細菌（AOB）是中性和堿性環境中硝化作用的主要執行者。此外，一些研究關注了參與硝化作用的功能性amoA基因。反硝化作用是NO??最終轉化為N?的過程，釋放一氧化氮（NO）和N?O，而反硝化微生物的功能基因（亞硝酸還原酶基因）nirS和nirK常被作為代表性的分子標記。土壤NO和N?O主要來源于氮轉化微生物（如氨氧化微生物和反硝化細菌）的活動。這些微生物及其NO和N?O排放受土壤氮有效性、含水量、溫度、pH、有機碳和植被的調節。除了其強效的溫室效應外，N?O還以其對平流層臭氧的破壞性影響而聞名，引起全球日益關注。

盡管生物炭改良有潛力減輕氮氧化物排放，但生物炭的效果及其物理化學性質受其制備或原料類型的強烈影響。Pereira等人指出松木片生物炭減少了淋溶造成的氮損失。許多研究報告稱，木質生物炭通過增加固定化和減少淋溶來增強土壤中的氮保留，這影響了參與氮轉化的一些微生物功能基因，并通過改變氮轉化來減輕農業N?O排放。然而，木質生物質的制備和類型不同于一年生作物秸稈和稻殼，高溫CAW對土壤的生物學效應仍不清楚。因此，本研究旨在確定不同比例CAW施用（0-40 g kg?1）對盆栽兩年生蘋果樹根區氮轉化微生物和氮氧化物的影響。

材料與方法

土壤特性與碳化蘋果木（CAW）的表征

土壤采集自中國山東省泰安市（北緯36°10′，東經117°07′）一處耕地的0-20厘米深度。該土壤為砂質粘壤土（粘土12.8%，粉砂25.3%，砂61.8%），根據Shi等人的分類屬于褐土，Leptic Luvisol。土壤pH為7.1，含有總有機碳7.20 g kg?1，有效磷32.9 mg kg?1，有效氮26.6 mg kg?1，有效鉀102.5 mg kg?1，有機質12.41 g kg?1。碳化蘋果木是通過在N?環境中，于高溫碳化爐（Dotrust DC-B，中國北京）中700°C處理磨碎的冬季修剪蘋果枝條2小時制備的，定義為CAW。表1呈現了CAW的元素組成。CAW的掃描電子顯微鏡分析顯示存在獨特的排列有序的蜂窩狀孔隙，這可能代表了原料生物毛細管結構的碳質骨架。

表1：碳化蘋果木的理化性質