生物炭对土壤酶活和细菌群落的影响及其作用机制

摘  要：生物炭因其独特的理化性质能够提高土壤碳氮矿化速率及改善土壤微生态环境，因此探索生物炭调控土壤微生态环境与土壤酶活及其作用机制对改善土壤质量具有重要意义． 采用大田试验方式研究不同生物炭施用0( CK2)、0.6(T1) 、0.9(T2)、1.2(T3) 和 1.5(T4) t·hm^－2以及完全空白对照( CK1: 不施任何肥料和生物炭)对土壤养分、土壤酶活和细菌群落结构的影响。结果表明，生物炭施用后土壤容重降低，pH值、速效磷、速效钾、有机质含量和碳氮比均升高，较CK2处理提高的范围分别为0.32%～5.83%、14.09%～23.16%、0%～38.70%、7.49% ～ 14.16% 和4.06%～10.13%。随着生物炭用量的增加，4个土壤酶活性均呈现先升高后降低的趋势; 蔗糖酶(INV)、脲酶(UＲE)、过氧化氢酶(CAT)和中性磷酸酶(NPH)分别较CK2处理提高的范围为63.73%～166.37%、117.52%～174.03%、12.98%～23.59%和60.84%～119. 71%。与此相对应的细菌多样性显著提升，尤其是增加了芽单胞菌门( Gemmatimonadetes) 和变形菌门( Proteobacteria)等促生菌的丰度; 减少酸杆菌门( Acidobacteria)、放线菌门( Actinobacteria)的丰度。相关性分析表明土壤碳氮比是影响土壤酶活性的关键因素，且土壤酶活又与细菌多样性存在显著的正相关关系；上述 4 种土壤酶活与芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的相对丰度呈现极显著正相关关系(P＜0.01)，其中CAT 是影响细菌群落结构的关键因子。本研究揭示了生物炭对土壤酶活及微生物菌落影响作用机制，为生物炭调控土壤酶体系和微生态生物学环境提供了理论依据。
生物炭在应对农业发展、环境污染、气候变化和能源危机等方面具有重要的潜力。生物炭施用的土壤修复方式能够影响土壤肥力变化的发展方向与程度，而以土壤酶活及土壤微生物特征为代表的土壤生物学肥力又是揭示土壤变化规律和演变趋势的重要指标。目前的研究多聚焦于生物炭对土壤酶活和微生物多样性的影响等方面，但对于土壤酶活与细菌门类的相关关系及其作用机制研究鲜见报道。基于此，本研究通过田间试验，分析了不同生物炭添加量对土壤酶活、土壤细菌群落多样性、细菌门类的影响及其三者之间的相关性，通过探索施用生物炭后驱动土壤微生态变化的机制，以期为土壤保育和根际微生物定向调控提供科学依据。
    本试验于2019年 2～ 10 月于福建省南平市邵武市沿山镇进行，该烟区为烟稻轮作，土壤类型为水稻土，试验共设5个不同生物炭施用水平: 0t·hm^－2( CK2)、0.6t·hm^－2( T1)、0.9t·hm^－2(T2)、1.2t·hm^－2(T3)、1.5 t·hm^－2(T4)和1个完全空白对照( CK1: 不施任何肥料和生物炭)，每个处理设3次重复，随机区组排列。每个处理均常规施肥: 其中烟草专用肥 525kg·hm^－2、芝麻饼肥 675 kg·hm^－2、钙镁磷肥459 kg·hm^－2、氢氧化镁187.5 kg·hm^－2、硝酸钾345kg·hm^－2和硫酸钾00kg·hm^－2，氮磷钾比例为1∶0.78∶2.87。起垄前，所有物料于起垄前1d条施，施用生物炭后，将其他物料混匀后撒施于生物炭上。植烟行距1.2 m，株距0.5m，试验地四周设保护行，田间栽培管理按当地优质烟叶生产技术规范进行。

  生物炭能够显著提高4种土壤酶活及土壤养分，且高添加量生物炭的作用大于低添加量生物炭。土壤养分及理化性质的改变，促进了根际土壤细菌群落的变化。生物炭作用过程中发现土壤碳氮比是影响土壤酶活性的关键因子之一，土壤酶活与芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)存在极显著正相关，与放线菌门(Actinobacteria)存在极显著负相关关系(P＜0.01) ，CAT是影响细菌群落结构的关键因子。可见生物炭在调控土壤微生态方面具有重要的生态学意义，可在一定程度上增加细菌多样性及改变菌群结构。综合以上研究结果，施用1.2t·hm^-2的生物炭为较适宜的添加量.