连续 4 年施用生物炭对土壤细菌多样性及其群落结构的影响

      过去的几十年间，以氮素为主的无机肥料被大量施用到耕地上用来提高作物产量，但是氮肥的过量施用并不总是能增加作物产量，甚至还会导致低的养分利用效率，土壤质量下降和环境恶化。发展集约化农业的重大挑战是维持土地生产力和阻止土壤退化。目前好的解决措施是在减少化肥施用的同时投入一定量的有机物料来减轻化肥的负面影响，同时增加作物产量和土壤养分。有机物料虽然可以提高土壤养分，但其长期效应大多较差，这是因为大多数的有机化合物会被矿化，只有少量低活性的物质会留存在土壤中。生物炭是生物质资源在高温贫氧条件下热解制成的富碳产物，和传统的木炭不同，生物炭的环境定位是专门应用于土壤的生态调理剂。由于它可以促进环境碳固存，还可以提高作物产量和减少肥料的使用，因此生物炭被认为是应对全球环境挑战的“双赢”方案。生物炭中的碳以惰性碳为主，不易被微生物降解，可以在土壤中稳定存在数百年 。
       土壤生物在养分循环转化，生物防治，碳库稳定和团聚体的形成等方面发挥重要作用。越来越多的研究表明，较高的微生物多样性可以增强生态系统和微生物功能的稳定性。生物炭疏松多孔的结构可为微生物的生长提供温床，其中丰富的碳源，生长因子和矿质营养有利于土壤微生物的生物量的增加。细菌繁殖周期短，速度快，数量最多，能够快速分解进入土壤的物质，是土壤生物学性状最佳反映者。目前，国内外学者做了大量关于生物炭施用后对土壤细菌群落结构影响的研究，HAN 等研究发现，连续多年施用生物炭改变了棉田土壤细菌群落结构，同时改变了土壤中接近半数细菌种类的相对丰度，这可能有助于改善棉田连作下土壤微生物多样性降低的问题。ZHANG 等指出生物炭的施入使土壤微生物的生物量和活性增加，并且在长期施用条件下微生物群落结构会不断得到改善。IMPARATO 等研究发现不同剂量生物炭的施入对土壤细菌群落的功能和结构多样性都存在一定的影响，但这种影响持续时间非常短。本研究从连续 4 年施用生物炭的田间改良试验中收集了土壤样品，主要为了探明生物炭长期施用对土壤理化性质的影响、研究生物炭长期施用对土壤微生物的影响以及土壤细菌群落结构与土壤环境因子的相关性。 

 结论与讨论 
      生物炭通过与土壤颗粒发生复杂的物理化学变化而实现对土壤养分的长期影响，主要表现在土壤 pH，含水率，孔隙度和阳离子交换量（CEC）的改善与土壤肥力的提升。生物炭的添加可以增加土壤总碳，并且对碳库的固持能力可以维持 3 年以上。考虑到生物炭自身的含氮量极低，因此它对土壤中有效氮的影响可以忽略不计。这里观察到生物炭对土壤碳氮比的增强效应主要是通过增加含碳量实现的。尽管生物炭中的惰性碳在其碳库固持量占了较大比重，但是在这一过程中微生物量碳也有增加。本研究中生物炭的添加增加了土壤 pH，这可能是生物炭大多呈碱性，且灰分含量较高，可以有效地降低土壤交换性 H+含量。土壤团聚体的特殊形态和层次结构是存储和维持有机质的良好载体。大型团聚体是由土壤的富碳有机物形成的，大型团聚体塑造的过程也诱导形成了微型团聚体。添加生物炭是增加有机质的有效方式，微生物的降解会消耗有机物，生物炭的稳定结构可以在一定程度上扭转土壤有机质的退化。加入生物炭的土壤含有较多数量的稳定团聚体，包括机械稳定性团聚体（DR）和水稳定性团聚体（WR），这可能是原生质体和细胞壁物质会在生物炭的生产过程被彻底分解，增加了营养物质的供给。生物炭施入土壤后可以降低土壤容重，增强土壤孔隙通透性并改善微生态环境，这是由于生物炭是有低密度的颗粒物组成的。 
      土壤微生物多样性的变化是应用生物炭改良土壤微生态环境的关注重点之一。生物炭的添加会引起土壤细菌相对丰度及多样性的变化。土壤施入生物炭显著增加了物种数目（OTUs），生物炭表面分布着专一性功能基团，可以吸附易矿化有机碳和 NH₄⁺ ，从而为微生物提供了丰富的能量来源。本研究发现，连续 4 年田间试验条件下施用生物炭增加了土壤细菌物种丰富度，且随着生物炭施用量的增加，细菌群落多样性呈现出显著的增加趋势，这与 XU 等 的研究结果相似。本研究观察到变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）是各处理土壤细菌群落的优势菌门，这也符合以往的研究结果。添加生物炭的土壤中绿弯菌门（Chloroflexi）相对丰度有所增加，而放线菌门（Actinobacteria）相对丰度则出现下降。另外，生物炭的施用还引起了一些功能菌属的变化，节杆菌属（Arthrobacter）、黄杆菌属（Flavisolibacter）和溶杆菌属（Lysobacter）的相对丰度显著增加；鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）的相对丰度降低，这主要与施用生物炭后土壤的微环境改变有关。不同施肥模式的土壤细菌物种类型基本一致，但不同分类水平的物种相对丰度存在一定差异，生物炭中可供细菌利用的营养成分相对有限，只有特定物种才能有效吸收利用养分。 
       土壤微生态环境与微生物的生长关系密切，土壤水分，孔隙度和养分状况都会对土壤细菌群落造成影响。生物炭能够通过改变土壤的物理化学特性，从而影响土壤微生物群落结构
和功能。本研究发现各级土壤团聚体指标是影响细菌群落结构的重要环境因子，有研究发现，土壤含碳量的增加可以促进细菌多样性，同时各级团聚体数量和比例均有明显增加，这和本研究的结果有相似之处。本研究发现生物炭对部分土壤细菌相对丰度的影响并未随生物炭用量的增加而加强，说明生物炭影响细菌群落的生态过程较为复杂，还需更进一步研究。 
      综上所述，生物炭添加到土壤中 4a 后改善了土壤理化特性，显著提高了土壤含水率、有机质含量和碳氮比，有效地增强土壤团聚体稳定性。施用生物炭 4a 后增加了土壤细菌丰富度，细菌群落结构明显改变。土壤容重、速效钾和团聚体指标是细菌群落结构变异的主导性因子。生物炭对于提升植烟土壤养分有效性和改良微生态具有明显的效果。但是还需要深
入研究生物炭对不同类型土壤生物学特性的影响，以期为生物炭的生态改良提供参考。