Effects of biochar addition on transformation, availability and soybean plant uptake of silicon and phosphorus in red soil
-
摘要:目的
大量研究证实添加生物炭能够提高土壤肥力、增加养分有效性及促进作物生长。中国南方地区红壤硅、磷元素有效性低，有必要研究生物炭添加对其化学形态和植物吸收的影响。
方法以富硅的稻秆生物炭和稻壳生物炭为供试材料，研究添加不同质量分数(0、1%、2%、4%)的生物炭对红壤硅、磷形态转化和有效性以及大豆植株养分吸收的影响。
结果不同种类、不同剂量生物炭处理均显著降低土壤交换性酸含量，提高土壤pH和C/N，增加土壤有效阳离子交换量及盐基饱和度，且添加量越大，涨幅越显著；稻秆生物炭的效果显著高于稻壳生物炭。生物炭处理的土壤有效态硅和活性磷组分NaHCO3−Po的含量分别较对照增加4.1%~85.0%和175.2%~
2139.6 %。添加生物炭显著增加大豆植株的干物质积累，改善根系形态，提高大豆根系和叶片的硅含量，促进根系对硅、磷元素的吸收转运，其中秸秆生物炭效果更为显著。结论施用秸秆和稻壳生物炭显著影响酸性土壤的磷素和硅素形态及转化，提高了养分有效性，促进植株对硅和磷的吸收和利用，其中秸秆生物炭的效果更佳。
Abstract:ObjectiveA large number of studies have confirmed that biochar can improve soil fertility, increase nutrient availability and promote crop growth. Given the low levels of silicon (Si) and phosphorus (P) elements in red soil in southern China, it is imperative to investigate the impacts of biochar addition on chemical speciation and plant uptake of Si and P.
MethodUsing Si-rich rice straw and husk biochar as test materials, the impacts of adding different doses (0, 1%, 2%, 4%) of biochar on the transformation and availability of Si and P in red soil, as well as nutrient uptake in soybean plants were studied.
ResultDifferent types and dosages of biochar significantly reduced exchangeable acid content in soil, while increased soil pH and C/N, effective cation exchange capacity and base saturation. The greater the amount of biochar added, the more significant the increase. Straw biochar was significantly more effective than husk biochar. Compared with control, the contents of soil available Si and labile P fraction NaHCO3-Po in biochar treatments increased by 4.1%−85.0% and 175.2%−
2139.6 %, respectively. Biochar application significantly increased dry matter accumulation in soybean plant, improved root morphological characteristics, increased Si concentration of soybean roots and leaves, promoted the uptake and transport of Si and P by roots, and the effect of straw biochar was more significant.ConclusionThe application of rice straw and husk biochar significantly affects the form and transformation of P and Si in acid soil, increases their availability, absorption and utilization by plants. Straw biochar shows better effect.
-
Keywords:
- Biochar /
- Red soil /
- Available silicon /
- Labile phosphorus /
- Nutrient absorption
-
牛结核病主要是由牛分枝杆菌Mycobacterium bovis引起的一种人兽共患病[1]，影响范围非常广泛，涉及大多数的哺乳动物宿主，包括人类、牛、鹿、骆驼、猪、猫等，值得注意的是牛分枝杆菌对野生动物和杂食动物的威胁同样严重。有报道，马[2-3]和羊[4-5]对结核病具有较高的耐受性。
发展中国家牛结核病的危害要远甚于发达国家。在缺乏有效措施和力度控制牛结核病的国家和地区，形势非常严峻。研究报道中10个欧盟国家大约60例的年度病例总数和拉丁美洲估计7 000例的病理报告充分说明了这一问题[6-7]。
结核分枝杆菌酪氨酸磷酸酶A(Protein tyrosine phosphatase，PtpA)是分枝杆菌中一个重要的磷酸化酶，启动子的表达只发生在生长缓慢的卡介苗细菌中，在快速增长的腐生类耻垢分枝杆菌中不表达[8]。PtpA基因是致病性分枝杆菌基因组中具有重要调控作用的一段基因，可通过和利用宿主NF-κB信号通路竞争结合宿主衔接蛋白TAB3，进一步发挥对宿主先天免疫应答的抑制作用，进而帮助结核分枝杆菌逃避宿主免疫系统的清除作用[9-10]。牛分枝杆菌在基因上虽然与结核分枝杆菌区别极小，但对宿主的致病机制却大为不同，对于牛分枝杆菌PtpA基因是如何通过NF-κB信号通路逃避宿主免疫系统清除作用的机制，是否和结核分枝杆菌PtpA基因相似，目前还不清楚。本研究旨在说明牛分枝杆菌PtpA蛋白是如何通过调控NF-κB信号通路来逃避宿主免疫系统清除作用的机制。
1. 材料与方法
1.1 DNA、细胞、质粒
牛分枝杆菌基因组DNA、人肾上皮细胞(HEK293T)、真核表达载体p3×FLAG-CMV-10、PEGFP-N1由华南农业大学兽医学院临床外科实验室保存；克隆载体pMD-18T Vector购自宝生物工程(大连)有限公司；pGL4.32[luc2P/NF-κB-RE/Hygro]报告基因质粒购自美国Promega公司
1.2 主要试剂和仪器
试剂：EX(Taq)酶试剂盒、核酸染料、DL2000 DNA Marker购自宝生物工程(大连)有限公司；限制性内切酶Not I、Xba I、T4连接酶购自NEB公司；2×Taq PCR Star Mix购自Genstar公司；琼脂糖购自Biowest公司；普通琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒、快速质粒小提试剂盒、无内毒素质粒大提试剂盒、IRDye 800CW Goat anti-Mouse IgG(H+L)购自LI-COR公司；溴化乙锭(EB)替代物购自广州晖鼎生物科技有限公司；SDS-PAGE试剂盒购自杭州弗德生物公司；预染蛋白Marker、转染试剂LipofectamineTM 3000 Transfection Reagent购自Thermo公司；聚偏二氟乙烯膜(PVDF膜，0.45 μm)购自GE公司；脱脂奶粉购自广州华奇盛生物科技有限公司；逆转录产品HiScript II 1st Strand cDNA Synthesis Kit、ChamQ TM Universal SYBR® qPCR Master Mix购自南京诺维赞生物技术公司；双荧光素酶报告基因检测试剂盒购自美国Promega公司、通用型总RNA抽提试剂盒购自广州东盛生物技术有限公司。
仪器：电泳成像系统(香港基因有限公司)、核酸电泳仪(美国BIO-RAD)、SDS-PAGE垂直电泳槽(美国BIO-RAD)、全能型蛋白转印系统(美国BIO-RAD)、恒温金属浴(北京天根生化科技有限公司)、LightCycler 480荧光定量PCR仪(罗氏(Roche)公司)。
1.3 引物设计与合成
根据NCBI公布的牛分枝杆菌PtpA全长基因和人源NF-κB信号通路相关细胞因子的基因序列设计引物(表1)。相关细胞因子包括：白细胞介素6(Interleukin-6，IL-6)、粒细胞−巨噬细胞集落刺激因子(Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF)、细胞凋亡抑制蛋白1(Cellular inhibitor of apoptosis 1，cIAP1又称BIRC-2)、细胞凋亡抑制蛋白2(Cellular inhibitor of apoptosis 2，cIAP2又称BIRC-3)。
表 1 引物名称及序列Table 1. Primer name and sequence引物名称
Primer name引物序列(5′→3′)1)
Primer sequence产物大小/bp
Product sizeFLAG-PtpA-F AAGGAAAAAA GCGGCCGCGGTGTCTGATCCGCTGCACG 492 FLAG-PtpA-R CTAG TCTAGATCAACTCGGTCCGTT IL-6-F GGTGTTGCCTGCTGCCTTCC 100 IL-6-R GTTCTGAAGAGGTGAGTGGCTGTC GM-CSF-F TCCTGAACCTGAGTAGAGACACTGC 100 GM-CSF-R CAGGTCGGCTCCTGGAGGTC BIRC-2-F AGACACATGCAGCTCGAATGAGAAC 100 BIRC-2-R AACACCTCAAGCCACCATCACAAC BIRC-3-F CTGTGATGGTGGACTCAGGTGTTG 100 BIRC-3-R TGGCTTGAACTTGACGGATGAACTC 1) 有下划线的序列为Not I、Xba I酶切位点
1) Sequences with underlines are Not I and Xba I restriction sites1.4 PCR扩增
以牛分枝杆菌基因组DNA为模板，利用所设计的引物，进行PCR扩增。PCR反应采用50 μL反应体系，含5 U/μL的EX Taq 0.5 μL、引物FLAG-PtpA-F 2 μL、引物FLAG-PtpA-R 2 μL (序列见表1)、2.5 mmol/L的dNTP Mixture 8 μL、Template DNA 2 μL、ddH2O 35.5 μL。PCR反应程序为：95 ℃预变性5 min；95 ℃变性30 s，60 ℃退火30 s，72 ℃延伸1 min，共35个循环；72 ℃终延伸5 min，4 ℃保存。预计扩增的目的片段大小为492 bp。PCR反应结束后，经15 g/L琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物。获得带有NotⅠ、Xba I酶切位点的PtpA全长基因。
1.5 构建重组真核表达质粒
对PCR产物进行纯化回收，将回收产物与p3×FLAG-CMV-10真核表达载体进行双酶切后，在T4 DNA连接酶的作用下于16 ℃金属浴过夜连接，将连接产物转化到大肠埃希菌DH5α感受态细胞，扩菌提取重组质粒后进行测序，重组质粒命名为FLAG-PtpA。
1.6 检测重组质粒在细胞中的表达
培养HEK293T细胞至汇合度约75%，使用转染试剂LipofectamineTM 3000 Transfection Reagent将测序结果完全正确的重组质粒转入细胞，转染48 h后，收集细胞提取总蛋白，进行Western blot检测。
1.7 双荧光素酶报告基因检测
通过共转pGL4.32[luc2P/NF-κB-RE/Hygro] Vector和FLAG-PtpA质粒，以10 ng/mL的TNF-α刺激细胞激活NF-κB信号通路后，观察PtpA蛋白对NF-κB信号通路激活作用的影响，试验设置对照组，分别于0、2、4、8、12、24和48 h用双荧光素酶检测试剂盒进行检测，通过对比萤火虫荧光素酶和海肾荧光素酶的相对荧光强度的比值确定NF-κB信号通路的激活情况，确定PtpA蛋白对NF-κB信号通路激活的作用。
荧光定量PCR(qPCR)检测细胞因子的表达量
HEK293T细胞培养后进行转染：一组不做处理，另一组转染FLAG-PtpA质粒。分别于0、2、4、8、12、24、48和72 h收集细胞，根据通用型总RNA抽提试剂盒说明书提取总RNA，按照逆转录产品HiScript II 1st Strand cDNA Synthesis Kit说明书进行cDNA的制备。以不同时间点样本的cDNA为模板，分别使用所设计的5组引物(序列见表1)同步进行扩增反应(每个样本引物均设置3个重复孔)，每个浓度梯度设置3个重复孔，设置阴性对照。根据ChamQTM Universal SYBR® qPCR Master Mix通用型qPCR预混液说明书配制反应体系及设置反应程序(需避光)，使用罗氏公司Roche Lightcycler 480系统进行qPCR，反应结束后根据Roche Lightcycler 480系统操作说明进行数据处理。使用2−ΔΔCt法[11]，计算分析不同细胞因子的mRNA相对表达量。
1.9 数据分析
双荧光素酶试验和qPCR试验数据利用GraphPad Prism 5.0软件进行分析和图表绘制，采用t检验法进行差异显著性分析。
2. 结果与分析
2.1 PtpA基因的扩增及重组表达载体的构建
将PtpA基因进行PCR扩增后得到492 bp的基因片段，与预期片段大小一致(图1)，将带有酶切位点的PtpA基因和p3×FLAG-CMV-10真核表达载体双酶切成功构建FLAG-PtpA重组质粒后，用p3×FLAG-CMV-10真核表达载体通用引物进行PCR扩增，得到约750 bp的片段(图2)，进行测序，测序结果与NCBI上公布的序列一致(Gene ID：887373)。
![]()
图 1 PtpA基因的PCR扩增1：PtpA基因的PCR扩增产物；M：DL2000 DNA marker；2：阴性对照Figure 1. PCR amplification of the PtpA gene1: PCR product of PtpA gene; M: DL2000 DNA marker;2: Negative control![]()
图 2 FLAG-PtpA重组质粒中PtpA基因的PCR扩增1：阴性对照；M：DL2000 DNA marker；2：PtpA基因的PCR扩增产物Figure 2. PCR amplification of PtpA gene in FLAG-PtpA recombinant plasmid1: Negative control; M: DL2000 DNA marker; 2: PCR product of PtpA gene2.2 重组质粒在细胞中的表达
2.2.1 细胞转染结果
培养HEK293T细胞至汇合度约75%，使用转染试剂LipofectamineTM 3000 Transfection Reagent对细胞进行脂质体转染。细胞分为转染组和非转染组。由于FLAG-PtpA载体质粒在细胞中表达的蛋白无荧光，无法简单而直接地判断质粒是否转入细胞，而增强型荧光蛋白报告基因质粒(pEGFP-N1)在细胞中表达的蛋白带有绿色荧光，可以直接在荧光显微镜下观察到，因此转染组共转染FLAG-PtpA载体质粒和pEGFP-N1质粒可以确定转染效率，非转染组不做任何处理。由图3的转染结果可以发现转染组转染效率约为50%。
![]()
图 3 真核表达载体转染293T细胞A1：293T未转染质粒(白镜)；A2：293T未转染质粒(荧光)；B1：293T转染FLAG-PtpA载体质粒+pEGFP-N1质粒(白镜)；B2：293T转染FLAG-PtpA载体质粒+pEGFP-N1质粒(荧光)Figure 3. Eukaryotic expression vector transfected 293T cellsA1: 293T untransfected plasmid (white mirror); A2: 293T untransfected plasmid (fluorescent); B1: 293T transfected FLAG-PtpA plasmid and pEGFP-N1 plasmid (white mirror); B2: 293T transfected FLAG-PtpA plasmid and pEGFP-N1 plasmid (fluorescence)2.2.2 Western blot检测结果
转染的细胞提取总蛋白用SDS-PAGE检测，发现在相对分子质量为22 000处可见特异性蛋白条带(图4)。之后以抗FLAG标签的抗体为一抗，对表达产物进行Western blot检测，结果显示，表达产物可与一抗特异性结合，证明该蛋白是PtpA蛋白(图5)，表明FLAG-PtpA重组质粒在HEK293T细胞中成功表达。
![]()
图 4 HEK293T细胞中FLAG-PtpA表达产物鉴定M：低相对分子质量蛋白质标准；1:空白对照；2：HEK293T细胞中转染p3×FLAG-CMV-10质粒；3：HEK293T细胞中转染FLAG-PtpA质粒Figure 4. Identification of FLAG-PtpA expression product in HEK293T cellsM: Low molecular weight protein standard; 1: Blank control; 2: p3×FLAG-CMV-10 plasmid transfected into HEK293T cells; 3: FLAG-PtpA plasmid transfected into HEK293T cells![]()
图 5 HEK293T表达FLAG-PtpA蛋白特异性分析M：低相对分子质量蛋白质标准；1：HEK293T表达的FLAG-PtpA蛋白Figure 5. HEK293T expression FLAG-PtpA protein specificity analysisM: Low molecular weight protein standard; 1: FLAG-PtpA protein expressed by HEK293T2.3 双荧光素酶报告基因检测结果
转染后细胞分不同时间点收集后经检测发现，转染2 h后，对照组萤火虫荧光素酶和海肾荧光素酶的相对荧光强度比值是试验组的2.93倍，差异显著(P<0.05)。转染4~24 h后，试验组与对照组相比差异极显著(P<0.01)，说明转染PtpA表达质粒与否对NF-κB信号通路的激活具有显著影响，PtpA蛋白对NF-κB信号通路的激活具有显著的抑制作用，特别在信号通路激活早期的影响更为明显(图6)。
![]()
图 6 PtpA蛋白对NF-κB信号通路激活的影响“*”、“**”和“***”分别表示差异达到0.05、0.01和0.001的显著水平(t检验)Figure 6. Effect of PtpA protein on activation of NF-κB signaling pathway“*”, “**” and “***” indicate the difference reaches 0.05, 0.01 and 0.001 significance levels respectively (t test)2.4 PtpA蛋白对NF-κB信号通路相关细胞因子表达量的影响
荧光定量结果经使用2−ΔΔCt法分析，计算不同细胞因子的mRNA相对表达量。利用分析软件Graphpad prism 5.0分析每个时间点试验组与对照组数据P值，结果显示，对照组IL-6、GM-CSF、BIRC-2和BIRC-3的表达量在转染2 h后分别是试验组的3.93、3.42、2.17和2.30倍；在转染4 h后分别是试验组的4.26、3.93、2.36和2.50倍。在转染2 h和4 h后，IL-6、GM-CSF、BIRC-2、BIRC-3的表达量与对照组相比都差异极显著(P<0.01)(图7)，说明PtpA蛋白对上述NF-κB信号通路相关的细胞因子在免疫早期具有显著抑制作用。这也与之前PtpA蛋白对NF-κB信号通路激活影响的研究结果一致。
![]()
图 7 细胞因子的mRNA表达量“*”、“**”和“***”分别表示差异达到0.05、0.01和 0.001的显著水平(t检验)Figure 7. mRNA expression of cell factors“*”，“**” and “***” indicate the difference reaches 0.05，0.01 and 0.001 significance levels respectively (t test)3. 讨论与结论
蛋白酪氨酸磷酸酶是从蛋白质上的磷酸化酪氨酸残基去除磷酸基团的一组酶。蛋白酪氨酸磷酸化是一种常见的翻译后修饰，可以为蛋白质相互作用和细胞定位产生新的识别基序，影响蛋白质稳定性并调节酶活性。维持蛋白酪氨酸磷酸化的适当水平对许多细胞功能是必不可少的[12]。使用半胱氨酰−磷酸酶中间体，酪氨酸特异性蛋白磷酸酶催化去除与酪氨酸残基连接的磷酸基团。这些酶是信号转导途径(例如MAP激酶途径)和细胞周期控制中的关键调节组分，并且在控制细胞生长、增殖、分化、转化和突触可塑性中发挥重要调控作用[13-16]。在结核杆菌感染宿主后，牛分枝杆菌PtpA基因的去磷酸化为结核杆菌逃避宿主免疫清除发挥着重要作用[17-18]。
本研究构建了FLAG-PtpA重组质粒，通过双荧光素酶报告系统对PtpA蛋白对NF-κB信号通路的具体作用做了初步探索。pGL4.32[luc2P/NF-κB-RE/Hygro]载体是信号通路报告载体和哺乳动物载体，含有5个NF-κB应答原件，可以驱动荧光素酶报告基因luc2P的表达，分析NF-κB信号通路是否激活。试验结果表明，PtpA蛋白对NF-κB信号通路的激活具有显著的抑制作用，特别在信号通路激活早期的影响更为显著。这一结果与前人报道[19-20]的结果相符合：结核分枝杆菌在感染机体后通过分泌一些蛋白来抑制宿主免疫应答，从而逃避宿主清除作用后藏匿于细胞内，在机体免疫能力降低后表现出致病力。本研究结果提示牛分枝杆菌PtpA蛋白可能在宿主感染病原菌后机体免疫应答早期抑制相关免疫应答信号通路的激活，从而帮助结核分枝杆菌逃避宿主免疫系统清除，使结核杆菌能够藏匿于机体细胞内。
本研究采用qPCR的方法继续探究了PtpA蛋白对NF-κB信号通路相关细胞因子表达量的影响，以进一步确定PtpA蛋白对NF-κB信号通路具体调控机制。结果表明，PtpA蛋白对NF-κB信号通路相关的细胞因子在免疫早期具有显著抑制作用，这一结果提示PtpA蛋白在调控宿主先天免疫应答作用上主要集中在免疫应答早期，这一结果与PtpA蛋白对NF-κB信号通路激活的影响结果一致。
目前对于结核病的防控研究已迫在眉睫，而现在所常用的检测及免疫手段都有着不可控的缺陷，对于结核病防控的研究来说，找到一种有效的治疗药物或者免疫药物是未来的研究方向。本研究以分枝杆菌一个重要磷酸化酶PtpA蛋白为目标，通过研究该蛋白对应答免疫相关的重要信号通路NF-κB信号通路的影响，揭示了PtpA蛋白在机体应答免疫中所发挥的具体作用，为后续研究有效的结核病防控药物提供了理论基础。
-
![]()
图 1 稻壳生物炭和稻秆生物炭处理对土壤硅形态的影响
CK：不施生物炭；DK1、DK2和DK4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻壳生物炭；DG1、DG2和DG4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻秆生物炭；相同颜色柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05，Duncan’s法)。
Figure 1. Effects of rice husk and straw biochar treatments on soil Si morphology
CK: No biochar; DK1，DK2 and DK4 are additions of 1%, 2% and 4% rice husk biochar, respectively; DG1, DG2 and DG4 are additions of 1%, 2% and 4% rice straw biochar, respectively; Different lowercase letters on bars of the same color represent significant differences among treatments (P < 0.05, Duncan’s method).
![]()
图 2 稻壳生物炭和稻秆生物炭处理对土壤磷形态的影响
CK：不施生物炭；DK1、DK2和DK4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻壳生物炭；DG1、DG2和DG4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻秆生物炭；各图中，相同形态磷柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05，Duncan’s法)。
Figure 2. Effects of rice husk and straw biochar treatments on soil P forms
CK: No biochar; DK1，DK2 and DK4 are additions of 1%, 2% and 4% rice husk biochar, respectively; DG1, DG2 and DG4 are additions of 1%, 2% and 4% rice straw biochar, respectively; In each figure, different lowercase letters on bars of the same form of P represent significant differences among treatments (P < 0.05, Duncan’s method).
![]()
图 3 稻壳生物炭和稻秆生物炭处理对大豆生物量的影响
CK：不施生物炭；DK1、DK2和DK4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻壳生物炭；DG1、DG2和DG4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻秆生物炭；各图中，柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P < 0.05，Duncan’s法)。
Figure 3. Effects of rice husk and straw biochar treatments on soybean biomass
CK: No biochar; DK1，DK2 and DK4 are additions of 1%, 2% and 4% rice husk biochar, respectively; DG1, DG2 and DG4 are additions of 1%, 2% and 4% rice straw biochar, respectively; In each figure, different lowercase letters on bars represent significant differences (P < 0.05, Duncan’s method).
![]()
图 4 稻壳生物炭和稻秆生物炭处理对大豆根系形态结构的影响
CK：不施生物炭；DK1、DK2和DK4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻壳生物炭；DG1、DG2和DG4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻秆生物炭；各图中，柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P < 0.05，Duncan’s法)。
Figure 4. Effect of rice husk and straw biochar treatments on root morphology and structure of soybean
CK: No biochar; DK1，DK2 and DK4 are additions of 1%, 2% and 4% rice husk biochar, respectively; DG1, DG2 and DG4 are additions of 1%, 2% and 4% rice straw biochar, respectively; In each figure, different lowercase letters on bars represent significant differences (P < 0.05, Duncan’s method).
![]()
图 5 稻壳生物炭和稻秆生物炭处理对大豆植株硅、磷吸收的影响
CK：不施生物炭；DK1、DK2和DK4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻壳生物炭；DG1、DG2和DG4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻秆生物炭；各图中，相同器官柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05，Duncan’s法)。
Figure 5. Effects of rice husk and straw biochar treatments on Si and P absorption of soybean plants
CK: No biochar; DK1，DK2 and DK4 are additions of 1%, 2% and 4% rice husk biochar, respectively; DG1, DG2 and DG4 are additions of 1%, 2% and 4% rice straw biochar, respectively; In each figure, different lowercase letters on bars of the same organ represent significant differences among treatments (P < 0.05, Duncan’s method).
表 1 稻壳生物炭和稻秆生物炭处理对土壤化学性质的影响1)
Table 1 Impacts of rice husk and straw biochar treatments on chemical properties of soil
处理
TreatmentpH b(交换性酸)/(cmol·kg−1)
Exchangeable acid content有效阳离子交换量/(cmol·kg−1)
Effective cation exchange capacity盐基饱和度/%
Base saturationC/N CK 4.55±0.04e 2.25±0.11a 3.9±0.1d 41.6±2.3e 5.9±0.1e DK1 4.76±0.03d 1.67±0.04b 3.5±0.1d 51.9±1.7d 7.9±0.1d DK2 5.09±0.02c 1.54±0.08b 3.1±0.1d 50.7±2.3d 12.2±0.9c DK4 5.33±0.01b 0.79±0.04c 3.3±0.1d 76.2±1.3c 18.9±0.3a DG1 4.86±0.04d 0.94±0.02c 6.5±0.9c 85.0±2.0b 6.8±0.2de DG2 5.28±0.03b 0.26±0.03d 8.4±0.5b 96.9±0.5a 11.2±0.3c DG4 6.68±0.05a 0.10±0.00d 13.1±1.0a 99.2±0.1a 15.9±0.6b 1) CK：不施生物炭；DK1、DK2和DK4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻壳生物炭；DG1、DG2和DG4分别为添加质量分数为1%、2%和4%的稻秆生物炭；表中数据为平均值±标准误，同列数据后的不同小写字母表示差异显著(P < 0.05， Duncan’s法)。
1) CK: No biochar; DK1, DK2 and DK4 are additions of 1%, 2% and 4% rice husk biochar, respectively; DG1, DG2 and DG4 are additions of 1%, 2% and 4% rice straw biochar, respectively; Data in the table are means ± standard errors, different lowercase letters in the same column represent significant differences (P < 0.05, Duncan’s method).
下载: 导出CSV
表 2 土壤硅、磷形态与植株硅、磷吸收的皮尔逊相关性分析1)
Table 2 Pearson correlation analysis between soil Si, P morphology and plant Si, P uptake
指标
Indexa b c d e f g h i j k l m n o p a 1.000 b 0.430 1.000 c 0.516* 0.741*** 1.000 d 0.559** 0.423 0.402 1.000 e 0.584** 0.231 0.081 0.447* 1.000 f 0.923*** 0.366 0.431 0.624** 0.728*** 1.000 g 0.839*** 0.273 0.317 0.431 0.729*** 0.938*** 1.000 h 0.959*** 0.449* 0.517* 0.529* 0.608** 0.953*** 0.853** 1.000 i 0.436* 0.264 0.435* 0.825*** 0.291 0.557** 0.401 0.430 1.000 j 0.020 0.091 −0.054 0.333 0.104 0.175 0.076 0.121 0.402 1.000 k 0.501* 0.555** 0.516* 0.805*** 0.297 0.489* 0.280 0.466* 0.734*** 0.328 1.000 l −0.118 0.241 0.281 0.449* −0.285 −0.070 −0.189 −0.143 0.494* 0.001 0.319 1.000 m 0.780*** 0.626** 0.516* 0.491* 0.470* 0.700*** 0.602** 0.784*** 0.196 −0.029 0.306 0.046 1.000 n 0.834*** 0.480* 0.599** 0.731*** 0.374 0.841*** 0.768*** 0.808*** 0.687*** 0.121 0.604** 0.297 0.677*** 1.000 o 0.763*** 0.478* 0.476* 0.656** 0.604** 0.833*** 0.847*** 0.720*** 0.644** 0.204 0.563** 0.137 0.559** 0.872*** 1.000 p 0.594** 0.536* 0.615** 0.559** 0.473* 0.691*** 0.731*** 0.585** 0.623** 0.135 0.544* 0.216 0.446* 0.810*** 0.872*** 1.000 1) a：有效态硅，b：有机结合态硅，c：铁锰氧化态硅，d：无定形态硅，e：残渣态磷，f：活性磷，g：中稳性磷，h：稳定性磷，i：根−硅，j：茎−硅，k：叶−硅，l：荚−硅，m：根−磷，n：茎−磷，o：叶−磷，p：荚−磷；*、**和***分别表示相关性达0.05、0.01和0.001的显著水平(Pearson法)。
1) a: Available Si, b: Organic bonded Si, c: Ferromanganese oxide Si, d: Amorphous Si, e: Residual P, f: Labile P, g: Intermediate-stable P, h: Stable P, i: Si in root, j: Si in stem, k: Si in leaf, l: Si in pod, m: P in root, n: P in stem, o: P in leaf, p: P in pod; *, ** and *** indicate correlations at the significant levels of 0.05, 0.01 and 0.001 respectively (Pearson method).
下载: 导出CSV
-
[1] 周新安, 年海, 杨文钰, 等. 南方间套作大豆生产发展的现状与对策(I)[J]. 大豆科技, 2010(3): 1-2. doi: 10.3969/j.issn.1674-3547.2010.03.001 [2] 张小明, 曾宪楠, 孙羽. 磷素对大豆生长发育影响的研究进展[J]. 大豆科学, 2016, 35(1): 176-180. doi: 10.11861/j.issn.1000-9841.2016.01.0176 [3] 董伟萍. 不同基因型大豆品种生理及产量性状对氮、磷及钾缺失的响应[D]. 长春: 吉林农业大学, 2023. [4] 邓伟明, 唐梦天, 郭玉栋, 等. 生物炭与磷肥添加对红壤团聚体及其磷组分分布的影响[J]. 土壤通报, 2023, 54(2): 352-363. [5] 王蕾, 王艳玲, 李欢, 等. 长期施肥下红壤旱地磷素有效性影响因子的冗余分析[J]. 中国土壤与肥料, 2021, 291(1): 17-25. doi: 10.11838/sfsc.1673-6257.19549 [6] 苏素苗, 杨春雷, 饶雄飞, 等. 硅对植物抗逆性影响的研究进展[J]. 华中农业大学学报, 2022, 41(6): 160-168. doi: 10.3969/j.issn.1000-2421.2022.6.hznydx202206018 [7] 王莹. 硅缓解大豆幼苗铝毒害的作用机制研究[D]. 新乡: 河南师范大学, 2022. [8] 许基磊. 三种外源添加剂对野大豆盐胁迫损伤的缓解效应及机理研究[D]. 扬州: 扬州大学, 2020. [9] 邝曦芝, 邓伟明, 唐乐乐, 等. 不同磷水平配施生物炭对土壤磷有效性和大豆磷吸收的影响[J]. 应用生态学报, 2022, 33(7): 1911-1918. [10] ENDERS A, HANLEY K, WHITMAN T, et al. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance[J]. Bioresource Technology, 2012, 114(1): 644-653.
[11] LEHMANN J, JOSEPH S. Biochar for environmental management: Science and technology[M]. London: Earthscan, 2009, 251-270.
[12] 马珍, 黄凯文, 张珍明, 等. 添加生物炭对土壤磷素有效性影响研究进展[J]. 东北农业大学学报, 2021, 52(8): 89-96. doi: 10.3969/j.issn.1005-9369.2021.08.010 [13] 张登晓, 高雅, 介红彬, 等. 生物质炭对农田土壤磷有效性的影响研究进展[J]. 河南农业大学学报, 2021, 55(2): 199-205. [14] 占亚楠, 王智, 孟亚利. 生物炭提高土壤磷素有效性的整合分析[J]. 应用生态学报, 2020, 31(4): 1185-1193. [15] 王耀锋. 生物炭对土壤−水稻体系中污染物和硅元素迁移行为的影响及污染阻控机制[D]. 杭州: 浙江大学, 2019. [16] 邢宇. 稻壳稻秆生物炭制备白炭黑条件优化与性能分析[D]. 哈尔滨: 东北农业大学, 2022. [17] 胡祖武, 吴多基, 吴建富, 等. 富硅生物炭有效提高红壤性稻田土壤不同形态硅含量及水稻产量[J]. 植物营养与肥料学报, 2022, 28(8): 1421-1429. doi: 10.11674/zwyf.2022022 [18] 李仁英, 邱译萱, 刘春艳, 等. 硅对水稻土磷吸附−解吸行为的影响[J]. 土壤通报, 2013, 44(5): 1134-1139. [19] 宋文涛, 田纪辉, 董宇豪, 等. 秸秆生物炭对水稻土和赤红壤磷素有效性及化学形态的影响[J]. 应用与环境生物学报, 2022, 28(6): 1422-1429. [20] 戴伟民, 张克勤, 段彬伍, 等. 测定水稻硅含量的一种简易方法[J]. 中国水稻科学, 2005, 19(5): 460-462. doi: 10.3321/j.issn:1001-7216.2005.05.013 [21] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000. [22] 刘光崧. 土壤理化分析与剖面描述[M]. 北京: 中国标准出版社, 1996. [23] SONG Z L, WANG H L, STRONG P J, et al. Increase of available soil silicon by Si-rich manure for sustainable rice production[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2014, 34(4): 813-819. doi: 10.1007/s13593-013-0202-5
[24] CONDRON L M, CORNFORTH I S, DAVIS M R, et al. Influence of conifers on the forms of phosphorus in selected New Zealand grassland soils[J]. Biology and Fertility of Soils, 1996, 21(1): 37-42.
[25] HEDLEY M J, STEWART J W B, CHAUHAN B S. Changes in inorganic and organic soil phosphorus fractions induced by cultivation practices and by laboratory incubations[J]. Soil Science Society of America Journal, 1982, 46(5): 970-976. doi: 10.2136/sssaj1982.03615995004600050017x
[26] HE Z Q, HONEYCUTT C W. A modified molybdenum blue method for orthophosphate determination suitable for investigating enzymatic hydrolysis of organic phosphates[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2005, 36(9/10): 1373-1383.
[27] 袁帅, 赵立欣, 孟海波, 等. 生物炭主要类型、理化性质及其研究展望[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(5): 1402-1417. doi: 10.11674/zwyf.14539 [28] BUSHRA B, REMYA N. Biochar from pyrolysis of rice husk biomass: Characteristics, modification and environmental application[J]. Biomass Conversion and Biorefinery, 2020, 14(5): 5759-5770.
[29] ZHAO S X, TA N, WANG X D. Effect of temperature on the structural and physicochemical properties of biochar with apple tree branches as feedstock material[J]. Energies, 2017, 10(9): 1293. doi: 10.3390/en10091293
[30] CHEN H M, MA J Y, WEI J X, et al. Biochar increases plant growth and alters microbial communities via regulating the moisture and temperature of green roof substrates[J]. Science of the Total Environment, 2018, 635: 333-342. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.04.127
[31] BLANCO-CANQUI H. Biochar and soil physical properties[J]. Soil Science Society of America Journal, 2017, 81(4): 687-711. doi: 10.2136/sssaj2017.01.0017
[32] LUO Y, DUNGAIT J A J, ZHAO X R, et al. Pyrolysis temperature during biochar production alters its subsequent utilization by microorganisms in an acid arable soil[J]. Land Degradation & Development, 2018, 29(7): 2183-2188.
[33] WANG L, BUTTERLY C R, WANG Y, et al. Effect of crop residue biochar on soil acidity amelioration in strongly acidic tea garden soils[J]. Soil Use and Management, 2014, 30(1): 119-128. doi: 10.1111/sum.12096
[34] PENG X, YE L L, WANG C H, et al. Temperature- and duration-dependent rice straw-derived biochar: Characteristics and its effects on soil properties of an ultisol in southern China[J]. Soil and Tillage Research, 2011, 112(2): 159-166. doi: 10.1016/j.still.2011.01.002
[35] EL-NAGGAR A, LEE S S, AWAD Y M, et al. Influence of soil properties and feedstocks on biochar potential for carbon mineralization and improvement of infertile soils[J]. Geoderma, 2018, 332: 100-108. doi: 10.1016/j.geoderma.2018.06.017
[36] HOSSAIN M Z, BAHAR M M, SARKAR B, et al. Biochar and its importance on nutrient dynamics in soil and plant[J]. Biochar, 2020, 2: 379-420. doi: 10.1007/s42773-020-00065-z
[37] XU M, WU J, YANG G, et al. Biochar addition to soil highly increases P retention and decreases the risk of phosphate contamination of waters[J]. Environmental Chemistry Letters, 2019, 17: 533-541. doi: 10.1007/s10311-018-0802-z
[38] SHI Y X X, YU Y C, CHANG E, et al. Effect of biochar incorporation on phosphorus supplementation and availability in soil: A review[J]. Journal of Soils and Sediments, 2023, 23: 672-686. doi: 10.1007/s11368-022-03359-w
[39] 白玉超, 朱婧, 王宗抗, 等. 利用稻壳炭提高复合肥料在土壤中的磷素有效性[J]. 植物营养与肥料学报, 2022, 28(4): 664-674. doi: 10.11674/zwyf.2021335 [40] XIAO X, CHEN B L, ZHU L Z. Transformation, morphology, and dissolution of silicon and carbon in rice straw-derived biochars under different pyrolytic temperatures[J]. Environmental Science and Technology, 2014, 48(6): 3411-3419. doi: 10.1021/es405676h
[41] 姚冬辉. 有机物料还田对土壤硅形态及水稻硅吸收的影响研究[D]. 南昌: 江西农业大学, 2023. [42] 邓杰, 王文慧, 赵启慧, 等. 生物质炭施用量对大豆生长及产量的影响[J]. 大豆科学, 2023, 42(2): 228-234. [43] 王文慧, 蒋志慧, 张纪, 等. 生物炭对大豆根际土壤酶活性及产量的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2023(6): 147-153. doi: 10.11838/sfsc.1673-6257.22001 [44] 侯伟男, 刘靖谕, 邢一唱, 等. 生物炭施入量对大豆生长发育及产量的影响[J]. 中国农学通报, 2021, 37(15): 14-19. doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2020-0374 [45] 邓金环. 生物炭改良酸性土壤及提高大豆硅磷吸收转化的机理研究[D]. 广州: 华南农业大学, 2019. [46] 张彦丽. 不同磷效率大豆基因型根形态构型对低磷胁迫的响应[J]. 中国农学通报, 2010, 26(14): 182-185. [47] 胡克伟, 肇雪松, 关连珠, 等. 水稻土中硅磷元素的存在形态及其相互影响研究[J]. 土壤通报, 2002, 33(4): 272-274. doi: 10.3321/j.issn:0564-3945.2002.04.008 [48] SILVA J A. Possible mechanisms for crop response to silicate applications[J]. International Symposium on Soil Fertility Evaluation, 1971: 805-814.
[49] ROY A C, ALI M Y, FOX R L, et al. Influence of calcium silicate on phosphate solubility and availability in Hawaiian latosols[J]. International Symposium on Soil Fertility Evaluation, 1971, 1: 757-767.
[50] MA J F, TAKAHASHI E. Effect of silicate on phosphate availability for rice in a P-deficient soil[J]. Plant and Soil, 1991, 133(2): 151-155. doi: 10.1007/BF00009187
[51] 胡克伟, 颜丽, 关连珠. 土壤硅磷元素交互作用研究进展[J]. 土壤通报, 2004, 35(2): 230-233. doi: 10.3321/j.issn:0564-3945.2004.02.030 -
期刊类型引用(1)
1. 刘蕾，杨易，徐金瑞. 结核分枝杆菌感染对NLRP3炎性小体活化的调控作用研究进展. 微生物学杂志. 2021(04): 91-97 . 
百度学术
其他类型引用(0)
计量
- 文章访问数: 91
- HTML全文浏览量: 19
- PDF下载量: 52
- 被引次数: 1
