Effect of carbonized apple wood on nitrogen-transforming microorganisms and nitrogen oxides in soil of apple tree root zone  

碳化蘋果木對蘋果樹根區土壤中氮轉化微生物和氮氧化物的影響  

來源: European Journal of Soil Science, Volume 69, May 2018, Pages 545-554

《歐洲土壤科學雜志》，第69卷，2018年5月，第545-554頁

 

摘要  

摘要闡述了本研究探討碳化蘋果木（CAW）作為生物炭對蘋果樹根區土壤中氮轉化微生物和氮氧化物（如一氧化氮NO和氧化亞氮N2O）的影響。通過盆栽實驗，應用不同用量的CAW（0、5、10、20和40 g kg?1），發現CAW能改變微生物功能基因（如Anammox、amoA、nirS和nirK）的豐度，并減少NO和N2O濃度。適量CAW（如10 g kg?1）可提高土壤微生物生物量，調節氮轉化過程，從而減少溫室氣體排放。研究強調了CAW在農業土壤中 mitigating 環境問題的潛力。

 

研究目的  

研究目的是確定不同用量碳化蘋果木（CAW）對蘋果樹根區土壤中氮轉化微生物和氮氧化物的影響。具體目標包括評估CAW如何改變微生物功能基因的豐度、調節氮循環過程，以及減少氮氧化物排放，從而為可持續農業實踐提供依據。

 

研究思路  

研究思路包括進行盆栽實驗，使用2年生富士蘋果樹，土壤中施加不同用量的CAW（0、5、10、20和40 g kg?1）。實驗設計為隨機區組，重復三次。測量指標包括土壤微生物生物量碳、氮、磷（MBC、MBN、MBP）、氮轉化功能基因豐度（通過定量PCR）、土壤氮形式（如硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、銨態氮）、以及NO和N2O濃度（使用丹麥Unisense微電極系統進行原位測量）。通過冗余分析和相關性分析，探討CAW與土壤變量之間的關系。

 

測量的數據及研究意義  

1 微生物生物量數據：包括微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）和磷（MBP），數據來自表2。研究意義是這些數據反映土壤微生物活性變化，CAW應用（尤其是10 g kg?1）顯著增加微生物生物量，表明CAW能改善土壤健康，增強養分循環。  

 

2 氮轉化功能基因豐度數據：包括Anammox基因、氨氧化古菌（AOA）和細菌（AOB）的amoA基因、以及反硝化基因nirS和nirK的拷貝數，數據來自圖2。研究意義是基因豐度變化揭示CAW對氮轉化微生物的抑制或促進效應，例如適量CAW減少基因豐度，可能降低氮氧化物產生，為理解微生物機制提供依據。  

  

3 土壤氮形式數據：包括硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和銨態氮（NH4+-N）含量，數據來自表3。研究意義是CAW改變氮形態分布，如減少NO3--N并增加NH4+-N，表明CAW影響硝化和反硝化過程，有助于減少氮損失。  

 

4 氮氧化物濃度數據：包括NO和N2O在土壤中的垂直分布濃度，數據來自圖3。研究意義是CAW應用顯著降低NO和N2O濃度，直接顯示CAW在減少溫室氣體排放方面的作用，為評估環境效益提供關鍵證據。  

  

5 酶活性數據：包括硝酸還原酶（NR）和亞硝酸還原酶（NiR）活性，數據來自表3。研究意義是酶活性變化反映氮轉化過程的強度，CAW影響這些酶，進一步解釋氮氧化物減少的生化途徑。  

6 冗余分析數據：顯示土壤變量與功能基因豐度的關系，數據來自圖4。研究意義是RDA揭示CAW如何通過改變土壤性質（如MBC、NO2--N）影響微生物群落，突出環境因子的交互作用。  

  

 

結論  

1 CAW應用改變土壤微生物群落和氮轉化過程，適量CAW（如10 g kg?1）增加微生物生物量，減少硝酸鹽氮含量，并調節功能基因豐度。  

2 CAW顯著降低蘋果樹根區土壤中的NO和N2O濃度，表明其在減少溫室氣體排放方面的有效性，最佳用量為10 g kg?1。  

3 冗余分析和相關性分析證實，土壤變量（如微生物生物量碳和亞硝酸鹽氮）與功能基因豐度密切相關，CAW通過影響微生物活動間接調控氮氧化物產生。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense電極（如NO-500和N2O-N微電極）測量NO和N2O濃度數據具有重要研究意義。這些電極提供高精度、原位實時監測，能直接捕捉土壤中氣體的垂直分布和動態變化（如圖3所示）。研究意義在于：首先，電極數據允許高分辨率測量（如每2小時一次），揭示CAW應用后NO和N2O濃度的即時減少，增強了對氣體產生時空規律的理解；其次，原位測量避免了樣品擾動，數據更可靠地反映了根區微環境，與微生物活動（如反硝化基因豐度）結合，驗證了CAW通過抑制微生物過程減少氮氧化物的機制；最后，這種技術為評估生物炭在實地條件下的環境效益提供了準確工具，支持農業減排策略的開發。