通过过氧化氢改性的生物炭介导的土壤-植物系统中增强氮保留和微生物氮循环的机制洞察

《Geoderma》：Mechanistic insights into enhanced nitrogen retention and microbial nitrogen cycling in soil–plant systems mediated by hydrogen peroxide-modified biochar

氮素流失减少与氧化生物炭应用效果研究。氧化禽畜粪便和秸秆生物炭显著降低铵态氮（32%-29%）和硝态氮（59%-61%）淋失，提升肥料利用率至75%和60%。机制包括氧化增强表面官能团（氧基增加216%）、阳离子交换容量（CEC）提升及孔隙结构优化，抑制脲酶活性（降低至对照的90%以下），促进微生物氮循环（Chloroflexi减少19%-27%）。研究同时发现氧化生物炭提高土壤总氮11%-28%，但不同饲料源影响显著：禽粪氧化炭（OPBH）降低脲酶活性更有效，而秸秆氧化炭（ORBH）在氮素固定和微生物多样性调控方面更具优势。结论指出氧化生物炭通过物理吸附与生物调控协同作用，可减少氮素流失并提高作物吸收效率，但需结合具体土壤条件和饲料类型优化应用方案。

　　这项研究探讨了氧化生物炭对土壤氮素保留、植物吸收以及微生物动态的影响，旨在为减少氮素损失和提高肥料利用效率提供新的土壤改良策略。随着农业生产的不断发展，氮素的流失成为影响环境和作物产量的重要问题。传统肥料的使用虽然能够满足作物对氮素的需求，但往往导致大量的氮素通过淋溶、气体排放和径流等方式流失，不仅降低了肥料的使用效率，还对环境造成污染。因此，寻找一种既环保又有效的土壤改良措施成为当务之急。

生物炭作为一种具有广阔应用前景的土壤改良材料，因其独特的物理化学性质而被广泛研究。它能够通过吸附作用提高土壤中氮素的保留能力，从而减少氮素的流失。然而，生物炭的性能受多种因素影响，包括原料种类、生产条件、应用剂量和土壤特性等。为了进一步提升生物炭的氮素保留能力，研究者尝试了多种改性方法，其中以过氧化氢（H?O?）为代表的氧化改性技术被认为是一种清洁且可持续的改性方式。相比传统的酸碱改性方法，H?O?改性生物炭不仅避免了有害副产物的产生，还减少了对土壤结构的破坏，同时提升了其表面活性，有助于增强氮素的吸附能力。

研究采用了一种创新的实验设计，通过柱实验和盆栽实验相结合的方式，系统评估了氧化生物炭在不同应用剂量下的氮素保留效果。实验材料包括两种来源的生物炭：鸡粪生物炭和稻草生物炭。这些生物炭在不同处理下进行了氧化改性，并通过添加肥料进行对比实验。实验结果表明，氧化生物炭在降低铵离子（NH??）和硝酸盐（NO??）淋溶方面表现出显著优势。具体而言，氧化稻草生物炭（ORBH）和氧化鸡粪生物炭（OPBH）在1%的应用剂量下，分别比肥料单独处理（F）降低了32%和29%的铵离子淋溶，同时比未氧化生物炭（RB和PB）降低了20%和8%。在硝酸盐淋溶方面，ORBH和OPBH分别比F降低了59%和61%，比RB和PB分别降低了51%和22%。这些结果表明，氧化处理能够有效提升生物炭的氮素吸附能力，从而减少氮素的流失。

除了氮素的淋溶问题，研究还关注了氮素的转化过程及其对植物吸收的影响。通过使用1?N标记的尿素进行实验，研究者发现，氧化生物炭不仅能够提高土壤中氮素的保留率，还能够促进氮素的缓慢释放，从而与植物的生长需求同步。这在一定程度上降低了氮素的快速转化和流失风险，同时提高了植物对肥料氮素的吸收效率。在植物吸收方面，实验发现，ORBH和OPBH处理的植物吸收了更高的氮素，其中ORBH处理的植物氮素回收率达到了75%，而OPBH为60%，远高于F处理的43%。这说明，氧化生物炭能够有效提高氮素的利用效率，减少氮素的浪费。

研究还深入探讨了氧化生物炭对土壤微生物群落的影响。通过16S rRNA基因测序和PICRUSt2预测功能基因丰度，研究发现，氧化生物炭处理的土壤中某些与氮素循环相关的微生物群落显著增加。例如，与尿素酶相关的基因（ureC、ureB和ureA）在F处理中丰度较高，而在氧化生物炭处理中则有所减少。这表明，氧化生物炭能够通过降低尿素酶活性，抑制尿素的水解过程，从而减少铵离子的快速释放和转化。同时，氧化生物炭处理中与硝酸盐还原相关的基因（narG和nrfA）以及硝酸盐和亚硝酸盐还原相关的基因（norB和nosZ）的丰度也有所提高，这可能意味着氮素在土壤中的循环过程得到了改善，从而减少了氮素的流失。

此外，研究还发现，氧化生物炭的添加对土壤的理化性质产生了显著影响。例如，氧化处理增加了生物炭的阳离子交换容量（CEC）和比表面积，从而提升了其对氮素的吸附能力。同时，不同原料的生物炭在氧化后的表现也存在差异。稻草生物炭在氧化后表现出更高的氮素保留能力，而鸡粪生物炭则在提高土壤中可利用磷和钾方面效果更明显。这种差异可能与生物炭的原料特性有关，例如稻草生物炭具有更高的表面活性和吸附能力，而鸡粪生物炭则富含营养物质，有助于促进微生物的生长和氮素的矿化。

实验还发现，氧化生物炭的应用剂量对氮素的保留和植物吸收效果具有显著影响。在相同原料条件下，1%应用剂量的氧化生物炭在氮素保留和植物吸收方面均优于0.5%剂量的处理，这可能与氧化生物炭的表面积和吸附能力随剂量增加而提升有关。然而，研究也指出，尽管氧化处理能够改善生物炭的性能，但其效果仍受到原料种类和应用剂量的限制。例如，在较低剂量下，氧化生物炭的氮素保留效果可能不如原始生物炭，这说明应用剂量是一个重要的影响因素。

从生态和农业可持续发展的角度来看，氧化生物炭的应用不仅有助于减少氮素的流失，还能提高氮素的利用效率，从而降低农业生产对环境的负面影响。然而，氧化生物炭对氮素循环的影响可能因土壤类型、气候条件和管理方式的不同而有所变化。因此，未来的研究应进一步探索氧化生物炭在不同农业生态系统中的表现，以确定其在不同环境条件下的适用性。此外，为了更准确地评估氧化生物炭对土壤微生物功能的影响，还需要采用更直接的基因测序技术，如定量PCR或宏基因组测序，以验证预测的功能基因变化。

总体而言，本研究通过系统的实验设计和数据分析，揭示了氧化生物炭在改善氮素保留、减少氮素流失和提高植物氮素吸收方面的潜力。研究结果表明，氧化生物炭在提高土壤氮素保留和植物吸收效率方面优于传统生物炭和肥料单独处理，这为农业可持续发展提供了新的思路。然而，为了实现更广泛的应用，还需要进一步优化氧化生物炭的生产方法和应用条件，以确保其在不同土壤环境中的稳定性和有效性。同时，研究还强调了微生物群落变化对氮素循环的重要性，这为未来探索生物炭与土壤微生物相互作用提供了重要的理论依据。