共堆肥生物炭堆肥对铜污染土壤中蚯蚓回避行为及微生物呼吸的影响研究

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Effects of Co-Composted Biochar Compost on Earthworm Avoidance Behavior and Microbial Respiration in Copper-Polluted Soils

本研究针对啤酒花种植中长期使用铜基杀菌剂导致的土壤铜污染问题，探讨了以啤酒花藤蔓与生物炭共堆肥制成的改良剂对土壤生态的修复效果。通过蚯蚓回避行为实验和微生物呼吸测定，发现生物炭堆肥能有效缓解铜对土壤生物的毒性作用，主要归因于其改善土壤理化性质而非降低铜生物有效性。该研究为铜污染土壤的生物修复提供了新思路，具有重要的农学与环境生态学意义。

　　

在啤酒花种植领域，铜基杀菌剂的使用历史可追溯至19世纪，虽然有效防治了病害，但数十年的累积施用导致土壤铜含量严重超标，最高可达450 mg kg^-1，远超未污染土壤的2-40 mg kg^-1正常范围。这种重金属污染对土壤生物造成严重威胁：蚯蚓数量可减少30倍，微生物群落结构发生显著改变，关键酶活性下降，最终导致土壤健康状况恶化。面对这一严峻挑战，寻找有效的修复策略成为当务之急。

近期发表在《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》的一项研究提出了一种创新解决方案——利用啤酒花藤蔓与生物炭共堆肥制成的改良剂来修复铜污染土壤。研究人员假设这种改良剂能够降低铜的生物有效性，减轻对土壤生物的毒性效应。为验证这一设想，团队开展了一系列严谨的实验。

研究采用蚯蚓回避行为测试和微生物呼吸测定两大关键技术方法，系统评估了不同改良剂的效果。实验材料包括人工添加铜的土壤以及来自三个啤酒花园和一个苹果园的实际污染土壤，改良剂则包含两种生物炭比例(5%和20%体积比)的共堆肥堆肥、无生物炭堆肥、新鲜生物炭及其组合，并设置石灰处理作为对照。

蚯蚓回避行为测试结果显示，在无铜污染情况下，所有堆肥处理均对蚯蚓产生显著吸引效应。随着铜浓度升高(140 mg kg^-1和240 mg kg^-1)，未改良土壤中蚯蚓表现出明显回避行为，而堆肥添加能有效缓解这种回避反应。特别值得注意的是，当测试区与对照区均添加相同堆肥时，蚯蚓分布变得均匀，表明堆肥的积极作用主要源于其对蚯蚓的吸引而非铜生物有效性的降低。在不同来源的实际污染土壤中，堆肥同样表现出吸引效应，但效果因土壤特性而异。新鲜生物炭单独或与堆肥混合使用的效果与共堆肥生物炭堆肥无显著差异。

土壤呼吸测试结果表明，堆肥添加显著提高了基础呼吸速率和底物诱导呼吸(SIR)活性。无生物炭堆肥(HC)因含有更多可降解碳源，其促进效果最强。随着铜污染程度加重，微生物呼吸活性受到抑制，但堆肥改良能部分抵消这种负面效应。通过Gompertz模型拟合呼吸曲线发现，堆肥添加改变了微生物对葡萄糖的响应模式，减轻了碳限制现象。新鲜生物炭单独使用时对微生物活性的促进效果较弱，而与堆肥混合或通过共堆肥方式应用时效果增强。

研究结论表明，共堆肥生物炭堆肥能有效改善铜污染土壤的生态功能，但其积极作用主要归因于改良剂对土壤理化性质的整体改善，而非预期的铜生物有效性降低。短期内，无生物炭堆肥已足以缓解蚯蚓回避行为并刺激微生物呼吸，而共堆肥生物炭堆肥并未表现出明显优势。然而，考虑到生物炭在促进堆肥过程卫生化和长期土壤碳固存方面的潜力，其在长期田间应用中的价值仍需进一步验证。

这项研究由Johannes G?rl等人完成，为铜污染土壤的生态修复提供了重要理论与实践依据，特别是在啤酒花种植这一特定农业系统中。研究结果强调，在制定土壤修复策略时，不仅需考虑污染物的固定化，还应关注改良剂对土壤生物栖息环境的整体改善作用。