生物炭与固氮菌协同改良滨海盐碱土的碳氮耦合机制及生态效应

针对滨海盐碱土高盐、低肥及生态功能退化问题，上海理工大学团队创新性地将加拿大一枝黄花生物炭与固氮菌（Azotobacter chroococcum）联用。研究发现2.5%生物炭+10 mL·kg?1菌剂处理90天后，土壤有机碳（SOC）提升74.75%，NO3?-N增加60.54%，并通过增强nifH基因丰度和氮酶活性实现碳氮协同增效，为入侵植物资源化与盐碱地绿色修复提供新范式。

　　

论文解读

滨海盐碱地被称为"地球的牛皮癣"，我国海岸线长达3.2万公里，仅渤海沿岸就有800万公顷盐碱地以每年1.2%的速度扩张。这些土壤中钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl^?）的积累导致作物出现"生理干旱"，而传统化学改良剂又面临地下水污染和土壤板结的困境。更棘手的是，外来入侵植物加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）在沿海地区疯狂蔓延，形成"绿色荒漠"。如何实现"变废为宝"——既消纳入侵生物量又改良盐碱地，成为生态工程领域的卡脖子难题。

上海理工大学环境与建筑学院团队在《Applied Soil Ecology》发表的研究给出了破题钥匙。研究人员创造性地将加拿大一枝黄花制备的生物炭与固氮菌（Azotobacter chroococcum）联用，首次揭示了二者协同改良盐碱土的碳氮耦合机制。通过90天的土壤培养实验，发现2.5%生物炭与10 mL·kg^?1菌剂组合使土壤孔隙度提升41.2%，交换性钠（Ex-Na）含量降低28.7%。更令人振奋的是，这种"碳框架+氮引擎"的组合使土壤有机碳（SOC）和硝态氮（NO₃^?-N）分别比单施菌剂提高74.75%和18.69%，比单施生物炭提高14.65%和60.54%。

关键技术方法
研究采用高温热解法（550°C）制备加拿大一枝黄花生物炭，通过Illumina高通量测序分析微生物群落，qPCR定量nifH基因（固氮功能基因），乙炔还原法测定氮酶活性。实验设置4个处理组：空白对照、单施生物炭（2.5%、5%、10%）、单施固氮菌（5、10、20 mL·kg^?1）及9个组合处理组，测定21项土壤理化指标。

主要研究结果

1. 单一改良剂的最优剂量筛选
   10%生物炭使土壤持水量提升53.8%，但pH仅微增0.3个单位，证明其缓冲盐碱能力。固氮菌单独处理使NH₄⁺-N转化率提高2.1倍，但需依赖外源碳源维持活性。

2. 协同效应的量化验证
   冗余分析显示，生物炭-菌剂组合对微生物群落变化的联合贡献率达27.64%，显著高于单因素作用（P<0.01）。共接种处理使变形菌门（Proteobacteria）相对丰度增加15.8%，这些菌群携带的nifH基因拷贝数提升3.2倍。

3. 碳氮互作机制解析
   生物炭中可溶性碳组分（DOC）为固氮菌提供"能量饮料"，使其氮酶活性飙升4.7倍；反过来，菌群代谢消耗生物炭中12.3%的不稳定碳，促使碳库稳定性指数（AOX）提高19.4%。

结论与展望
该研究开创了"入侵植物-生物炭-固氮菌"三位一体的盐碱地改良新模式。通过构建"碳供体-氮转化"的微生态循环，既破解了生物炭自身氮素养分不足的瓶颈，又克服了菌剂在贫瘠土壤中的存活难题。特别值得注意的是，生物炭对固氮基因（nifH）的选择性富集效应，为人工调控土壤微生物组提供了新思路。未来若能在田间尺度验证该技术的稳定性，将有望形成"铲除入侵植物-改良盐碱地-提升耕地质量"的闭环解决方案，对保障国家粮食安全与生态安全具有双重战略价值。