生物炭改良对两种丹麦休耕土壤的土壤性质、胞外酶活性、氮循环相关基因及微生物组结构的影响（持续8年）

《Microbiological Research》：Eight-year effect of biochar amendment on soil properties, extracellular enzyme activity, N-cycling genes and microbiome structure in two Danish fallow soils

长期施用秸秆生物炭显著改善丹麦砂质黏土和粗砂土的理化性质，8年后仍持续提升水解酶（α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶等）活性，增加氮循环相关基因（AOA-amoA、AOB-amoA、nirS、nosZ Clade I）丰度，并改变原核微生物群落结构，但对真菌群落影响较小。

　　本研究探讨了生物炭在长期田间应用后对两种不同土壤微生物群落及其土壤健康的影响。研究团队在丹麦的两个典型土壤类型——砂质黏土土和粗砂土中进行了为期8年的田间实验，评估了生物炭对土壤理化性质、微生物群落结构以及土壤酶活性的持久影响。这些土壤在温和气候条件下进行实验，研究结果表明，即使经过8年，生物炭的添加仍然对土壤生态系统产生显著而持久的影响，尤其是在氮循环相关的基因丰度和微生物群落结构方面。

生物炭是一种由生物质热解产生的稳定、富含碳的产物，长期以来被研究用于改善土壤健康和缓解气候变化。已有大量研究表明，生物炭可以增强土壤的多种关键特性，包括pH调节、养分保持和水分保持能力。此外，生物炭还能缓冲温度波动，提高贫瘠土壤中的植物生产力，并减少氮氧化物（N?O）排放，这突显了其在可持续农业和气候缓解中的潜在价值。然而，大多数关于生物炭对农业土壤影响的研究主要基于短期实验，缺乏对生物炭长期影响的系统评估。因此，本研究旨在填补这一知识空白，为生物炭在农业生态系统中的长期作用提供科学依据。

在实验中，研究团队使用了田间淋洗器（lysimeters）来模拟实际土壤环境。他们选择了两种代表性的丹麦土壤：一种是砂质黏土土（Askov），其黏土含量为8%，砂为81%，粉砂为7%；另一种是粗砂土（Lundgaard），其黏土含量为3%，砂为94%，粉砂为2%。在2015年6月，他们向指定淋洗器的表层土壤（0–20厘米）添加了2%的秸秆生物炭，而其他淋洗器则作为对照组（0%生物炭）。经过8年的闲置管理后，于2023年8月对土壤样本进行了采集和分析。实验结果显示，生物炭的添加在两种土壤中均产生了显著的土壤理化性质变化，包括损失-燃烧法（LOI）和水分含量的增加，以及砂质黏土土pH值的显著提升。

生物炭对土壤酶活性的影响是本研究的另一重点。研究团队使用荧光底物法测定了土壤中多种胞外酶的活性，包括与碳、氮、磷和硫循环相关的五种关键酶：α-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、纤维素酶、磷酸单酯酶和芳香硫酸酯酶。结果显示，生物炭显著增加了这些酶的活性，表明其对土壤中有机质分解和养分释放具有持续的促进作用。而在粗砂土中，生物炭还显著提高了原核生物（如16S rRNA基因）和关键硝化基因（如AOA-amoA和AOB-amoA）的丰度，以及硝化作用基因nosZ的I类基因丰度。这些发现支持了研究假设，即生物炭能够通过改变土壤性质，刺激酶活性，并促进氮循环相关基因的表达。

此外，研究还发现生物炭显著增加了两种土壤中硝酸盐还原酶（nirS）基因的丰度，表明其对氮循环具有持续的影响。同时，生物炭还富集了与氮氧化有关的未知古菌属，该属属于Nitrosophaeraceae科。这些结果表明，生物炭在长期应用后仍然能够影响土壤微生物的组成和功能，特别是在氮循环过程中发挥重要作用。

研究还通过宏基因组测序分析了土壤微生物群落的结构变化。结果显示，生物炭对原核生物群落结构的影响显著，而对真菌群落的影响则较弱。尽管生物炭对两种土壤的微生物多样性没有产生显著影响，但其对微生物群落结构的改变仍然具有重要生态意义。研究团队发现，生物炭增加了与Nitrososphaeraceae科相关的ASV（扩增子序列变体）的相对丰度，同时减少了与酸杆菌科、微肽菌科以及真菌的Agaricales目相关的ASV的相对丰度。这些变化表明，生物炭可能通过改变土壤环境，影响不同微生物群落的生存和活动。

在讨论部分，研究团队指出，尽管生物炭对两种土壤的理化性质产生了积极影响，但其对微生物群落的影响因土壤类型而异。例如，在砂质黏土土中，生物炭显著增加了β-木糖苷酶和几丁质酶的活性，这可能与该土壤较高的有机质含量和较长的生物炭老化时间有关。而在粗砂土中，生物炭对微生物群落结构的影响更为显著，尤其是在氮循环相关基因和原核生物群落方面。这些发现表明，生物炭的长期效果可能受到土壤特性、环境条件以及实验设计的影响。

研究团队还指出，尽管生物炭对土壤酶活性和微生物群落结构有显著影响，但其对氧化酶活性（如过氧化物酶和酚氧化酶）的影响并不明显。这可能与氧化酶主要作用于芳香化合物有关，而生物炭引入的芳香结构在长期暴露后仍保持其顽固性，因此不易被微生物降解。此外，研究还提到，生物炭对真菌群落的影响相对较小，这可能与其在土壤中对复杂有机质分解的偏好有关。

总体而言，本研究的结果表明，生物炭在长期应用后仍然能够显著改善土壤的理化性质，并促进与碳、氮、磷和硫循环相关的酶活性和微生物功能。尽管生物炭对微生物群落结构的影响因土壤类型而异，但其在改善土壤健康和促进养分循环方面具有重要的生态价值。这些发现为生物炭在农业生态系统中的长期应用提供了科学依据，并强调了其在土壤管理中的潜在作用。未来的研究应进一步探讨不同生物炭原料和添加量对土壤长期效应的影响，以优化其在不同土壤类型中的应用策略。