生物炭与有机肥协同调控沙壤土微生物网络复杂性驱动多功能性提升的机制研究

针对沙地生态修复中微生物机制不明的问题，西北农林科技大学团队通过田间试验揭示了生物炭（25-50 t/hm2 ）与有机肥（10 t/hm2 ）联用可提升沙壤土多功能性52%，其核心驱动力来自微生物网络复杂性（细菌R2 =0.25，原生生物R2 =0.36）而非群落多样性，为荒漠化治理提供了理论依据。

　　

在全球荒漠化加剧的背景下，沙质土壤退化已成为威胁10亿人生存的重大环境问题。传统治理手段如植被恢复见效缓慢，而单一施用生物炭虽能改善土壤结构，却存在养分供给不足的缺陷。这种"碳多营养少"的矛盾，使得沙地生态系统功能恢复陷入瓶颈。更关键的是，土壤微生物作为地下引擎如何响应复合修复策略，至今仍是黑箱。

西北农林科技大学的研究团队在毛乌素沙地展开了一项突破性研究。通过设计3水平生物炭（0/25/50 t/hm²
）、2水平有机肥（0/10 t/hm²
）和4种植被组合的田间试验，首次揭示了"生物炭-有机肥-微生物"三元互作机制。研究采用高通量测序分析细菌/真菌/原生生物群落，结合土壤多功能性指数（涵盖有机碳SOC、总氮TN等8项指标）评估，发现高剂量生物炭与有机肥联用可使土壤多功能性飙升52%，SOC含量暴涨761%，TN提升207%。

关键技术方法
试验在陕西神木试验站（半干旱气候）进行，采集0-20 cm土层样本。采用Illumina测序分析16S rRNA（细菌）、ITS（真菌）和18S rRNA（原生生物），构建共现网络计算拓扑特征。土壤功能测定包括SOC（重铬酸钾氧化法）、TN（凯氏定氮）、TP（钼锑抗比色法）及碳矿化潜力（密闭培养-气相色谱法）。

研究结果

1. 单因素与多功能性响应
• 生物炭单独作用：高剂量（B3）使SOC、TN、速效钾（AK）分别提升395%、105%、106%（p<0.05）
• 协同效应：B3+M2处理下SOC达7.61 g/kg，显著高于对照（0.88 g/kg）
• 意外发现：植物多样性对功能提升无显著影响

2. 微生物群落重构
• 多样性悖论：细菌α多样性下降而原生生物上升，真菌仅响应生物炭剂量
• 关键驱动因子：SOC、TN、TP解释微生物群落变异的32.7-41.8%

3. 网络复杂性主导
• 拓扑特征：有机肥提升细菌网络连接数（R=0.62），生物炭增强真菌模块性
• 功能关联：原生生物网络复杂度解释多功能性变异36%（p<0.001），远超多样性指标（R²
=0.14）

结论与意义
该研究颠覆了"多样性决定功能"的传统认知，证实微生物互作网络复杂度是沙壤土修复的关键预测指标。生物炭通过构建微孔栖息地（habitat creation）与有机肥协同调控营养流，促使寡营养型微生物向富营养型转化。这种"物理-化学-生物"三级联动机制，为荒漠化治理提供了新范式——即通过精准调控微生物互作而非简单增加物种数来提升生态功能。

成果发表于《Agriculture, Ecosystems》的这项研究，不仅解决了沙地修复中"碳氮磷协同增效"的技术难题，更开创了"微生物网络工程"这一新兴研究方向。其建立的剂量效应模型（生物炭≥25 t/hm²
+有机肥10 t/hm²
）可直接指导我国北方沙区生态实践，对实现"碳中和"目标具有双重意义：既提升碳汇能力，又减少农业废弃物（生物炭原料）的环境压力。