研究揭示生物炭負激發效應的微生物關鍵物種競爭作用機制

土壤是全球碳循環的重要碳庫，土壤有機碳封存可以緩解大氣中CO2濃度的升高并提高土壤肥力。生物炭應用已被廣泛證實是一種有效促進土壤有機碳封存和提高產量的方法（Woolf et al.， Sustainable biochar to mitigate global climate change， Nat Commu， 2010），但是目前關于生物炭對土壤有機碳激發效應的生物學機制尚不清楚。通常認為生物炭通過影響土壤微生物的生物量和群落組成影響了土壤有機碳的礦化，由于不同氣候、土壤和作物系統中土壤微生物存在復雜的生物網絡結構和不同的關鍵物種（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哪些核心/關鍵物種（keystone taxa）起作用？解決這些機制問題可以為建立不同氣候土壤類型區的生物炭管理模式提供理論支撐。

中國科學院南京土壤研究所孫波課題組基于褐土生物炭田間試驗（設置不施肥、常規NPK肥、2.4-7.2-12 t/ha生物炭處理），結合Biolog、PLFAs和高通量測序方法，研究了細菌和真菌的群落組成及共發生網絡對土壤有機碳礦化的影響，并通過穩定性同位素核酸探針技術（DNA-SIP）驗證了微生物的網絡交互作用關系。研究發現生物炭施用顯著提高了土壤水分庫容和pH值，影響了土壤細菌和真菌群落的組成和共生網絡關系；生物炭施用導致細菌和真菌網絡中關鍵類群的競爭性交互作用增強。通過結構方程模型分析表明，網絡關鍵種與其他微生物間的競爭性交互作用提高了細菌和真菌多樣性，降低了碳水化合物分解代謝活性和土壤呼吸熵。利用13C穩定同位素標記培養試驗，證實了施用生物炭后細菌網絡關鍵物種變為節桿菌屬 (Arthrobacter) 和芽單胞菌科屬（Gemmatimonadaceae)，真菌網絡關鍵物種變為毛殼霉屬（Chaetomium）和青霉屬（Penicillium），施用生物碳促進了這些關鍵物種與其他微生物之間的競爭作用，導致生物炭的負激發效應。研究為建立生物炭調控土壤有機碳封存能力的方法提供了生物學依據。