磷改性生物炭在锰污染土壤中调控碳封存、微生物群落及锰稳定化的耦合机制

《Applied Soil Ecology》：Coupled regulation mechanisms of carbon sequestration, microbial communities, and manganese stabilization in manganese-contaminated soil by phosphorus-modified biochar

磷钾改性芦苇生物炭对锰污染土壤的协同修复与碳封存机制研究。通过制备KH?PO?改性生物炭（PKBC），系统评估其在提高土壤有机碳稳定性（POC和MAOC增加达17.81-42.66 g·kg?1）、抑制CO?排放（4%处理较对照减少27.3%）及调控锰形态（交换态Mn减少）中的作用。研究揭示PKBC通过增强土壤磷钾有效性（AP和AK分别提升至35.31和355.32 mg·kg?1）、改变微生物群落结构（Nitrospirota和Acidobacteriota丰度增加）及促进有机-无机复合作用，实现污染治理与碳固存的协同增效。

　　本研究围绕一种名为PKBC的磷改性生物炭对锰污染土壤中碳积累、CO?排放以及微生物群落结构和功能的影响展开，旨在探索其在土壤修复和碳固存方面的潜力。研究背景显示，随着采矿活动的迅速发展，重金属污染问题日益突出，其中锰（Mn）污染因其对生态环境的潜在威胁而受到广泛关注。锰在土壤中主要以可氧化、可还原和残余等形式存在，其过量积累可能对植物生长和生态系统健康产生负面影响。目前，针对锰污染土壤的修复方法包括物理、化学、生物及综合修复等，而生物炭因其独特的理化性质和环境调节能力，被认为是极具潜力的修复材料之一。

在本研究中，研究人员从锰污染土壤中采集了芦苇（*Arundo donax* L.）作为生物炭的原料，并通过磷酸盐（KH?PO?）改性处理，再进行热解生成磷改性生物炭（PKBC）。该生物炭随后被应用于不同比例的土壤实验中，以评估其对土壤碳固存、CO?排放、微生物群落结构和锰形态变化的影响。研究结果表明，随着PKBC添加比例的增加，土壤中的可利用磷（AP）、可利用钾（AK）以及蔗糖酶（SUR）和尿酶（URE）活性显著提高，同时土壤有机碳（SOC）及其稳定组分的积累也相应增强，而CO?的累积排放则有所下降。这表明PKBC不仅能够促进土壤中有机碳的固定，还能有效减少碳的流失。

进一步的分析发现，土壤中CO?排放主要受到可氧化碳（ROC）和阳离子交换容量（CEC）的影响。ROC代表土壤中容易被微生物分解的有机碳，而CEC则是衡量土壤吸附能力的重要指标。随着PKBC的添加，土壤的理化性质发生了显著变化，其中CEC的下降可能与生物炭对土壤矿物的固定作用有关，而pH值的微小变化则可能影响微生物活性和有机碳的分解速率。此外，研究还发现，PKBC能够显著改变土壤微生物群落的结构，使群落的组装机制从以r-选择策略为主转变为以K-选择策略为主。K-选择策略通常与微生物群落的稳定性和功能多样性相关，表明PKBC的应用可能促进了土壤微生物群落的成熟和功能的优化。

微生物群落的结构变化不仅体现在优势菌群的转移上，还体现在微生物之间的相互作用网络上。通过构建微生物共现网络，研究人员发现PKBC对土壤微生物群落的影响主要集中在某些特定的模块上，如M2、M3和M5模块。这些模块与土壤的理化性质密切相关，特别是与AP、AK、SOC、POC、MAOC等碳相关指标，以及可交换锰和可还原锰的含量。这种网络结构的变化可能反映了PKBC在促进土壤碳循环和稳定碳储存方面的作用，同时也在一定程度上调节了土壤中锰的形态和生物可利用性。

在探讨PKBC对锰污染土壤中碳固存和CO?排放的影响机制时，研究发现其主要通过两个方面发挥作用。一方面，PKBC中的稳定碳能够长期存在于土壤中，从而增加土壤碳库的容量。另一方面，PKBC通过影响微生物活动、酶促反应和土壤矿物-有机质相互作用，间接促进新碳的积累和固定。在微生物群落的调整过程中，研究人员观察到从r-策略到K-策略的转变，这可能意味着在PKBC的影响下，土壤微生物群落变得更加稳定和功能化。r-策略微生物通常以快速生长和繁殖为特征，而K-策略微生物则更倾向于在资源有限的环境中维持稳定的种群结构。这种转变可能有助于土壤碳的长期固定和生态系统的恢复。

此外，研究还发现PKBC的添加促进了土壤中可氧化锰和残余锰的转化。这种转化可能与土壤理化性质的变化以及微生物群落的调整密切相关。例如，土壤中可交换锰的减少和残余锰的增加可能意味着锰的迁移性降低，从而减少了其对植物和土壤生态系统的潜在危害。同时，微生物活动的变化，如催化酶活性（CAT）的增强，可能通过氧化作用促进锰的转化，进而影响土壤的氧化还原状态和碳的矿化过程。这些变化表明，PKBC不仅能够通过物理和化学作用稳定土壤中的锰，还能通过微生物介导的生物地球化学过程进一步优化土壤的碳循环。

研究还揭示了PKBC在土壤修复中的协同效应。一方面，它通过提高土壤中的营养元素（如磷和钾）含量，为微生物提供了更多的生长资源，从而促进其代谢活动和碳转化能力。另一方面，PKBC的添加可能通过改变土壤的pH值和CEC，间接影响微生物的群落结构和功能。例如，较高的CEC可能增强土壤对有机碳的吸附能力，从而减少其矿化速率和CO?的释放。此外，PKBC对微生物群落的影响还体现在其对特定功能模块的调控上，如M2、M3和M5模块。这些模块与土壤中不同形式的碳和锰密切相关，可能在土壤修复和碳固存过程中发挥关键作用。

研究进一步探讨了PKBC对土壤微生物群落结构和功能的影响。通过高通量测序和网络分析，研究人员发现PKBC的添加显著改变了土壤微生物的组成，尤其是对某些优势菌群的影响更为明显。例如，在2% PKBC处理组中，*Nitrospirota*和*Acidobacteriota*等K-策略菌群的相对丰度增加，而*Proteobacteria*等r-策略菌群的丰度则有所下降。这种变化可能反映了土壤环境的优化，使得微生物群落更倾向于维持稳定的结构和功能。此外，微生物群落的组装过程主要受到随机因素的影响，但某些特定模块可能对环境变化更为敏感，从而在土壤修复过程中发挥重要作用。

在探讨PKBC对土壤碳固存和CO?排放的调控机制时，研究还发现其在不同添加比例下的效果存在差异。例如，1% PKBC处理组虽然提高了SOC的积累，但其CO?排放量相对较高，可能与微生物的初始分解活动有关。而4% PKBC处理组则表现出较低的CO?排放，这可能与其较高的CEC和土壤稳定碳的比例有关。这些结果表明，PKBC的添加比例对土壤碳循环和微生物活动具有显著影响，合理选择添加比例可能有助于实现碳固存与土壤修复的协同效应。

总体而言，本研究为锰污染土壤的修复和碳固存提供了新的思路。PKBC作为一种改性生物炭，不仅能够提高土壤的碳固存能力，还能通过调控微生物群落和土壤理化性质，减少锰的生物可利用性，从而降低其对生态环境的潜在危害。此外，研究还发现，PKBC在不同添加比例下的效果存在差异，其中2%的添加比例在锰稳定、微生物活性和生态改善之间取得了较好的平衡，为实际应用提供了参考依据。这一发现对于推动生物炭在重金属污染土壤修复中的应用具有重要意义，也为实现碳中和目标提供了技术支持。