生物炭与堆肥的联合施用增强了城市绿地中的土壤碳封存效果

《Frontiers in Microbiology》：Co-application of biochar and compost enhanced soil carbon sequestration in urban green space

该研究以 Euonymus kiautschovicus 为模型植物，通过八种生物炭与堆肥组合处理，结合宏基因组测序和 MAGs 分析，揭示中低剂量生物炭（4-8%）与堆肥协同优化城市绿地土壤理化性质及微生物功能的关键机制。结果表明，BCC8 处理显著提升土壤水分（+27%）、有机碳（12.8 g/kg）和有效磷（+45%），同时重塑微生物群落结构，富集酸杆菌（8.72%）和硝化螺旋菌（1.42%），驱动碳固定基因（如 rTCA 和 CBB 途径）富集，证实生物炭-堆肥协同作用可平衡碳稳定与养分释放，为城市绿地碳汇管理提供新策略。

　　在城市绿化空间中，土壤的退化问题日益严重，其碳汇功能也逐渐减弱甚至消失。城市土壤与农业土壤在理化性质和微生物组成方面存在显著差异，例如土壤紧实度高、有机质含量低以及微生物群落异质性较强等。这些特性决定了城市土壤改良的机制与农业系统不同。因此，深入研究城市土壤中生物炭和堆肥的协同作用机制，对于优化城市碳汇管理策略具有重要意义。本研究以一种常见的景观植物——Euonymus kiautschovicus（紫叶小叶女贞）为模型系统，通过设置八个不同的处理梯度，包括对照组（CK）、单施生物炭（BC4、BC8、BC12）、单施堆肥（COM）以及生物炭与堆肥的组合处理（BCC4、BCC8、BCC12），系统地评估了这些土壤改良措施对土壤微生物群落结构、碳固定功能基因及其相互作用的影响。本研究不仅揭示了生物炭和堆肥在城市土壤中的生态效应，还为城市碳中和目标下的精准碳管理提供了理论依据。

生物炭是由生物质在缺氧条件下高温热解生成的一种具有高度芳香结构、大比表面积和高碳氮比的产物。它能够增强土壤的碳稳定性，同时改善土壤的物理化学性质，如提高土壤孔隙度、调节土壤pH值、增加持水能力等。相比之下，堆肥富含可溶性有机质和功能性微生物群落，直接促进土壤的养分循环，提升土壤中的氮、磷、钾等营养物质的可利用性。然而，单独使用生物炭或堆肥时，其对土壤的改良效果往往受到一定限制。例如，高浓度生物炭可能对氮素释放产生抑制作用，而堆肥则可能因快速分解导致有机质的快速流失。因此，生物炭与堆肥的协同应用被认为是一种潜在的解决方案，可以同时优化土壤的理化性质和微生物功能。

本研究中，生物炭与堆肥的组合处理（BCC4、BCC8、BCC12）在多个方面表现出显著的优化效果。其中，中低剂量的生物炭（4%至8%）与堆肥的结合显著提升了土壤的持水能力、微生物生物量以及土壤碳固定功能基因的丰度。例如，BCC8处理的土壤持水能力比对照组（CK）提高了27%，有机碳含量达到了12.8?g/kg，而BCC4处理的土壤可利用磷含量比对照组提高了45%。这些结果表明，生物炭与堆肥的协同作用不仅能够改善土壤的物理性质，还能通过调节微生物群落结构和功能基因表达，增强土壤的碳固定能力和养分循环效率。

微生物群落结构的变化是土壤改良效果的重要体现。研究发现，BCC8处理显著富集了Acidobacteria（酸杆菌门）和Nitrospira（硝化螺旋菌门），这些微生物的增加与碳固定基因的表达增强密切相关。此外，生物炭和堆肥的组合处理还促进了Chloroflexota（绿弯菌门）和Actinomycetota（放线菌门）的生长，这些微生物在土壤碳氮磷循环中发挥关键作用。值得注意的是，中高剂量的生物炭（如BC12）虽然在短期内提升了土壤的碳含量，但其高碳氮比可能导致氮素和磷素的限制，进而影响微生物的活性和多样性。因此，生物炭的添加量需要根据具体土壤条件进行调控，以避免过量添加带来的负面效应。

在碳固定功能基因的分析中，研究发现，Acidobacteria主导的还原三羧酸循环（rTCA）是土壤碳固定的主要途径之一，其基因丰度平均达到15.03，其中核心基因组MAG176在rTCA循环中表现出显著的高丰度。同时，Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环作为一种广谱适应性途径，在所有处理中均被检测到，其基因丰度平均为6.15，而MAG59作为CBB循环的核心基因组，在堆肥处理（COM）中表现出最高的丰度。这些发现表明，不同碳固定途径在城市土壤中具有不同的适应性，其功能基因的表达与微生物的种类和环境条件密切相关。此外，3-羟基丙酸循环（3-HP）和4-羟基丁酸循环（DC/4-HB）等途径在特定的土壤环境和微生物功能模块中表现出更高的活性，这为城市土壤修复和碳封存提供了新的研究方向。

微生物群落的多样性变化是评估土壤改良效果的重要指标。通过Alpha多样性分析，研究发现生物炭和堆肥的组合处理显著提升了微生物的丰富度和均匀度，其中BCC8处理表现出最高的微生物多样性。相比之下，单独使用高浓度生物炭（BC12）则对微生物多样性产生了一定的抑制作用。这可能与生物炭的高碳氮比和吸附能力有关，其可能对某些微生物的生长造成限制。然而，中低剂量的生物炭（如BC4和BC8）与堆肥的结合能够有效缓解这一问题，促进微生物的稳定增长。这种微生物群落的优化不仅有助于提高土壤的碳固定能力，还能增强土壤的养分循环效率，从而提升土壤的生态功能。

此外，研究还发现，生物炭的添加对土壤酶活性具有重要影响。例如，β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）和碱性磷酸酶（AKP）的活性在生物炭处理中显著提升，这可能与生物炭提供的稳定碳源和吸附作用有关。然而，高剂量生物炭（如BC12）可能会对某些酶的活性产生抑制作用，这与土壤中氮磷的限制性有关。而堆肥的添加则能够显著提升土壤中的可溶性氮和磷的含量，从而促进微生物的代谢活动。值得注意的是，生物炭与堆肥的组合处理在提升土壤酶活性方面表现出更好的协同效应，尤其是在中低剂量组合（BCC4和BCC8）中，这种协同作用尤为明显。

本研究还探讨了生物炭与堆肥在城市土壤中的潜在生态功能。例如，生物炭的高比表面积和吸附能力有助于减少土壤中多环芳烃（PAH）等污染物的潜在毒性，而堆肥则能够通过提供丰富的有机质和微生物群落，直接促进土壤的养分循环。生物炭与堆肥的协同应用不仅能够改善土壤的理化性质，还能通过调节微生物群落结构和功能基因表达，提升土壤的碳封存能力和生态稳定性。这些发现为城市土壤的碳管理和生态修复提供了重要的理论依据和实践指导。

然而，本研究也指出了当前城市土壤改良研究的一些局限性。目前大多数研究主要集中在单一改良剂的应用或低剂量组合的效应，而对于高剂量生物炭与堆肥的相互作用及其对土壤微生物群落的长期影响仍缺乏系统研究。此外，许多研究依赖于16S rRNA测序或单一功能基因的检测，而未能全面分析微生物群落的多维功能特征。因此，未来的研究需要进一步探讨生物炭和堆肥在不同剂量下的长期生态效应，并结合多组学技术，更深入地解析其对土壤微生物群落和碳固定功能的调控机制。

综上所述，本研究通过系统分析生物炭和堆肥在城市土壤中的协同作用，揭示了其对土壤理化性质、微生物群落结构和碳固定功能的综合影响。研究结果表明，中低剂量的生物炭与堆肥组合能够显著优化土壤的持水能力、碳库稳定性和养分可利用性，同时促进微生物多样性与功能基因的表达。这些发现不仅为城市土壤的碳管理提供了科学依据，也为未来城市生态修复和碳中和目标的实现提供了新的思路和技术路径。