生物炭减氮施肥对甘蔗生长及根际微生态的长期调控效应：五年田间试验揭示微生物代谢与土壤肥力维持机制

《Biochar》：Effects of biochar on sugarcane growth and rhizosphere microecosystem under reduced nitrogen fertilization: a 5?year field experiment study

本研究针对长期减氮施肥下甘蔗根际微环境变化机制不清的问题，通过五年田间试验系统解析了生物炭与减氮配施对甘蔗生长性状、土壤理化特性、微生物群落结构及代谢通路的调控作用。结果表明：BF-BC处理显著提升甘蔗株高(10.81%)、茎粗(25.79%)和叶片氮平衡指数(33.90%)，促进有益菌群(Terrimonas/Actinobacteriota等)富集，差异代谢物显著富集于甾体衍生物、嘌呤核苷酸等通路，并有效降低土壤CO2排放。该研究为甘蔗可持续栽培的根际微生态调控提供了理论依据。

　　

在甘蔗产业作为中国重要糖料作物的背景下，氮肥过量施用导致的土壤酸化、养分失衡和微生物群落紊乱等问题日益凸显。传统施肥模式下，大量氮素通过淋溶、挥发等途径损失，不仅造成资源浪费，更引发农业面源污染。随着连作年限增加，甘蔗根际微环境持续恶化，最终制约产量和品质提升。生物炭作为一种新型土壤改良剂，其多孔结构和特殊理化性质在改善土壤结构、调节养分循环方面展现出潜力，但关于其与减氮施肥配合使用的长期效应，特别是对根际微生态系统的影响机制尚不明确。

为解决上述问题，Jia等人在《Biochar》发表了为期五年的田间试验研究成果。该研究设置基肥(BF)和基肥+生物炭(BF-BC)两种处理，首年施肥后连续四年不追肥，系统评估了生物炭在减氮条件下对甘蔗生长、土壤特性、微生物群落及代谢物的持续影响。研究首次揭示了生物炭长期作用下甘蔗根际微生态系统的响应规律，为甘蔗可持续生产提供了重要理论支撑。

关键技术方法包括：1）采用田间定位试验设计，监测五年间甘蔗农艺性状及土壤理化指标；2）通过高通量16S rRNA测序解析根际细菌群落结构；3）利用超高效液相色谱-质谱联用技术进行非靶向代谢组学分析；4）采用静态箱-气相色谱法测定土壤温室气体排放通量。

3.1 氮减量与生物炭改良对甘蔗特性及根际土壤性质的协同效应

BF-BC处理显著提高甘蔗株高、茎粗和叶片氮平衡指数，分别增加10.81%、25.79%和33.90%，但总根体积和平均根直径降低31.06%和21.53%。土壤pH和全钾含量显著提升17.74%和79.21%，而有机质、有机碳、全磷等指标明显下降。表明生物炭促进了细根分枝和养分高效利用。

3.2 氮减量结合生物炭对根际土壤和根系细菌群落变化的影响

BF-BC处理未显著改变细菌群落多样性，但显著富集Terrimonas、放线菌门(Actinobacteriota)等有益菌群。冗余分析显示土壤全氮、速效磷是影响细菌群落的主要因子。网络分析揭示了土壤因子与细菌类群间的复杂互作关系。

3.3 氮减量结合生物炭对根际土壤和根系微生物代谢的影响

代谢组学分析发现根际主要积累脂肪酸、甘油磷脂等化合物。BF-BC处理显著改变甾体衍生物、嘌呤核苷酸等代谢通路。相关性分析表明细菌群落与代谢物存在密切互作，如鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)与多种脂质代谢物正相关。

3.4 生物炭与氮减量对土壤性质、细菌群落和代谢物相互作用的联合效应

网络分析揭示了土壤性质-细菌-代谢物的复杂互作网络。土壤全钾与代谢物PG(19:0/17:0)和根瘤菌属(Mesorhizobium)正相关；土壤有机碳、有机质与橙皮素-7-Ο-葡萄糖苷等代谢物及酸性胶囊菌属(Acidicapsa)等细菌显著关联。

3.5 生物炭添加对甘蔗土壤N₂O、CH₄和CO₂排放的影响

BF-BC处理使CO₂排放量降低20.27%，N₂O排放减少12.21%，而CH₄排放增加107.14%。表明生物炭在长期作用下仍保持碳固存功能，但对甲烷代谢菌群产生了特异性影响。

研究结论表明，生物炭与减氮配施即使经过五年无追肥期，仍能通过优化根际微环境促进甘蔗生长。其机制包括：1）改善土壤理化性质，提高养分利用效率；2）调控微生物群落结构，富集有益菌群；3）重塑代谢物谱，激活关键代谢通路；4）增强土壤碳固存能力，减少温室气体排放。该研究建立的"土壤-微生物-代谢物"互作网络模型，为甘蔗等作物的可持续栽培提供了新思路，在农业碳中和背景下具有重要实践价值。