生物炭调控镉污染稻田土壤微生物群落结构差异响应机制研究

本研究针对镉污染稻田安全农业生产难题，通过两年田间试验探究生物炭修复下土壤微生物群落响应机制。发现生物炭使水稻镉积累降低13.56-24.56%，HOAc可溶性镉降低35.65-52.5%，显著促进镉向氧化态和残渣态转化。细菌多样性显著提升且受氧化态镉主导，真菌群落则主要受pH调控，揭示了微生物群落对生物炭修复的差异化响应规律。

　　

在重金属污染治理领域，镉(Cd)污染因其高迁移性和强毒性已成为全球性环境问题，尤其在水稻主产区的南方中国，稻田镉污染严重威胁粮食安全与人体健康。虽然现有物理化学修复技术能降低镉有效性，但往往成本高昂且易破坏土壤生态功能。生物炭(BC)作为一种环境友好的有机改良剂，以其多孔结构、高pH值和丰富官能团等特性，在重金属固定化和土壤改良方面展现出巨大潜力，但其长期施用对土壤微生物群落的影响机制尚不明确。

针对这一科学问题，浙江大学科技学院生物质废弃物资源化利用浙江省重点实验室的张敏研究员团队，在《Scientific Reports》发表了为期两年的田间试验研究成果。该研究通过设置0(CK)、7.5(C1)、15(C2)和30 t·ha^-1(C3)四个生物炭施用梯度，综合运用BCR三步连续提取法、16S rRNA基因测序、网络分析和多元统计等方法，系统解析了生物炭对镉形态转化和微生物群落结构的长期影响。

关键技术方法包括：在钨矿下游镉污染稻田开展田间试验设计；采用BCR连续提取法分析镉形态分布；运用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA和ITS测序；通过共现网络分析识别关键微生物类群；利用冗余分析(RDA)揭示环境因子与微生物群落的关联性。

植物生长和镉吸收：生物炭处理显著降低了糙米镉含量13.65-24.16%，且C1处理效果最优，同时水稻产量呈现增加趋势，表明生物炭在保障粮食安全方面具有双重效益。

土壤化学性质和镉形态：生物炭使土壤总有机碳(TOC)显著增加17.5-22.6%，可溶性有机碳(DOC)在C1处理升高而高剂量处理降低。最显著的是HOAc可溶性镉降低35.65-52.5%，镉主要向氧化态和残渣态转化，证实了生物炭的长期固定化效果。

细菌和真菌丰度与多样性：细菌Chao1指数增加而真菌Simpson指数降低，表明生物炭对微生物多样性产生差异化影响。古菌(Archaea)相对丰度(4.48-6.11%)随生物炭用量增加而升高。

微生物群落组成：优势细菌门包括变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)等，生物炭使酸杆菌门增加而变形菌门减少。真菌群落中以子囊菌门(Ascomycota)为主(70.52-79.61%)，生物炭处理使担子菌门(Basidiomycota)减少而接合菌门(Zygomycota)显著增加。

网络分析与关键类群：共现网络识别出酸杆菌门、浮霉菌门(Planctomycetes)和奇古菌门(Thaumarchaeota)为细菌关键OTUs，子囊菌门为真菌关键类群，这些微生物在维持网络稳定性中起核心作用。

环境因子与微生物群落关系：RDA分析揭示细菌群落主要受氧化态镉、DOC和可还原态镉驱动，而真菌群落对pH变化最敏感，表明两类微生物对环境变化的响应机制存在本质差异。

研究结论表明，生物炭通过直接改变土壤理化性质（如提升pH和营养元素）和间接影响微生物活动，促使镉向稳定形态转化。细菌群落对镉固定化和碳循环过程响应敏感，而真菌群落更易受pH变化调控。这种微生物响应分异现象为精准调控土壤微生态系统提供了理论依据。该研究不仅证实了生物炭在重金属污染农田安全利用中的长期有效性，还为基于微生物群落调控的污染治理策略提供了新视角，对实现农业可持续发展具有重要实践意义。