玉米秸秆及其衍生生物炭回归田地对土壤碳组分、碳转化酶活性以及cbbL细菌群落结构的影响

《Frontiers in Microbiology》：Impact of corn straw and straw-derived biochar returning to the field on soil carbon fractions, carbon-converting enzyme activities, and cbbL bacterial community structure

秸秆还田与生物炭配施对黑土区土壤碳转化及微生物群落的影响：田间试验表明，单独施用秸秆（T1）或秸秆与生物炭按1:3比例配施（T3）可显著提高土壤有机碳（OC）、可溶有机碳（DOC）和微生物生物碳（MBC）含量，并增强碳矿化效率（13.28%）。酶活性（SCL、SAI、SSC）普遍提升，其中T1的SSC活性增幅最大（53.17%）。cbbL细菌群落结构受生物炭处理影响显著，Alphaproteobacteria和Nitrobacter相对丰度下降，Thioalkalivibrio和Sulfurifustis上升。土壤酶活性与碳组分直接关联，驱动碳矿化，而微生物群落结构对碳矿化的影响不显著。综合分析表明，秸秆还田在提升土壤碳库和作物产量的同时，经济性优于纯生物炭应用。

　　本研究探讨了在东北地区典型黑土区，不同比例的玉米秸秆和秸秆衍生生物炭对土壤碳转化酶活性及土壤中*cbbL*细菌群落结构的影响。通过三季连续的田间试验，研究人员设定了五种处理方式，以评估秸秆和生物炭在不同应用比例下对土壤有机碳（SOC）矿化、碳转化酶活性及微生物群落结构的综合影响。这些处理包括不添加碳源的空白对照（T0）、单独施用玉米秸秆（T1）、单独施用生物炭（T2）、以及以1:3和3:1比例混合施用秸秆和生物炭（T3和T4）。研究结果表明，尽管所有处理均对土壤中易分解有机碳（LOC）无显著影响，但对SOC、溶解性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）产生了显著提升。同时，土壤碳转化酶活性如纤维素酶（SCL）、淀粉酶（SAI）和蔗糖酶（SSC）也表现出显著变化，其中某些处理下酶活性的提升幅度超过50%。此外，所有处理均显著降低了*cbbL*细菌群落中优势类群α-变形菌（Alphaproteobacteria）和优势属*Nitrobacter*的相对丰度，表明秸秆和生物炭对微生物群落的结构和功能具有深远影响。

在探讨碳转化酶与土壤碳组分之间的关系时，研究发现这些酶的活性直接影响土壤碳组分的水平，从而决定了SOC的矿化能力。这种酶活性的增强不仅有助于土壤中碳的转化过程，还可能促进碳的稳定化和固定。例如，土壤中较高的DOC和MBC含量表明微生物对有机碳的利用率增强，从而推动了SOC的矿化。然而，这种矿化过程的增强并不一定意味着土壤碳的流失，而是反映了土壤碳组分的动态变化，以及微生物对碳转化的调控作用。

此外，研究还指出，秸秆和生物炭的应用显著改变了土壤的物理化学性质，包括pH值、总氮（TN）、可利用磷（AP）等。这些变化进一步影响了土壤中微生物群落的组成和活性，从而间接影响了碳转化过程。特别是生物炭的应用，由于其具有高比表面积、多孔性和丰富的官能团，不仅能够稳定土壤中的碳，还可能通过提供适宜的微环境促进自养微生物的生长和代谢，进而影响*cbbL*细菌群落的结构和功能。相比之下，玉米秸秆的直接应用虽然能够显著提升酶活性，但其对微生物群落的结构影响较小，主要体现在促进微生物代谢和增加碳的可利用性方面。

从土壤碳矿化角度出发，研究发现玉米秸秆单独应用或与生物炭以1:3比例混合时，SOC的矿化量显著增加。这可能与玉米秸秆中易分解碳组分的高生物可利用性有关，这些碳源能够快速被微生物利用，从而促进碳的转化和矿化。然而，单独施用生物炭并未显著提升SOC的矿化，反而可能通过其稳定的碳结构减缓矿化过程，从而增强土壤的碳储存能力。这表明，秸秆和生物炭在促进土壤碳转化方面具有不同的作用机制，秸秆主要通过提升微生物活性和酶活性来加速碳的矿化，而生物炭则通过物理保护和稳定碳结构来延缓矿化，从而提高碳的长期固存能力。

研究还通过结构方程模型（SEM）分析了土壤碳组分、微生物群落结构及碳转化酶活性对SOC矿化的影响路径。结果显示，玉米秸秆的直接应用显著提升了碳转化酶的活性，从而促进了SOC的矿化。而生物炭的应用虽然对*cbbL*细菌群落的多样性有积极影响，但对酶活性产生了抑制作用。这种酶活性与微生物群落结构之间的差异可能源于生物炭的物理特性，如其多孔结构和高比表面积，为微生物提供了更多的附着位点和稳定的环境，从而促进了自养微生物的生长，但对异养微生物的代谢活动则可能产生一定的抑制效应。

在土壤碳转化酶活性方面，研究发现不同处理下SCL、SAI和SSC的活性均有所提升，但提升幅度因处理方式而异。其中，玉米秸秆单独应用的处理（T1）在SAI和SSC的活性提升方面最为显著，分别增加了19.26%和53.18%。而混合处理（T3）则在SCL活性提升方面表现最佳，达到17.84%。这些结果表明，秸秆和生物炭的协同作用可能通过提供多样化的碳源和改善土壤结构，从而提升碳转化酶的活性，促进土壤碳的转化和矿化。然而，生物炭单独应用时对酶活性的提升效果不如秸秆，这可能与其化学组成和物理结构的稳定性有关。

在微生物群落结构方面，研究发现所有处理均显著改变了*cbbL*细菌群落的组成，其中生物炭的应用对微生物群落的多样性影响更为显著。相比之下，玉米秸秆的应用对微生物群落的结构变化较小，主要体现在某些优势属如*Nitrobacter*和*Thiobacillus*的相对丰度变化上。这些变化可能与土壤环境的变化有关，例如pH值的调整、有机质的增加等。此外，生物炭的应用还促进了某些特定微生物的生长，如*Thioalkalivibrio*和*Sulfurifustis*，这可能与其提供的微环境和碳源特性有关。

总体而言，本研究揭示了秸秆和生物炭在不同比例下对土壤碳转化过程的综合影响。尽管秸秆和生物炭均能提升土壤碳组分和酶活性，但它们的作用机制存在差异。秸秆主要通过提供易分解的碳源，促进微生物代谢和碳的矿化，而生物炭则通过其稳定的碳结构和物理特性，减少微生物对碳的分解，从而提高土壤的碳储存能力。这些发现为东北地区黑土区的碳固存和土壤肥力提升提供了科学依据，也为农业可持续发展和碳减排策略的制定提供了新的思路。