生物炭调控盐碱土磷素溶解与矿化机制：微生物群落与功能基因的协同作用

针对盐碱土磷素有效性低的难题，中国科学院团队通过两年田间试验，揭示生物炭通过降低pH（6.43%–13.17%）和电导率（55.87%–77.55%），显著提升CaCl2-P（97.38%）和有效磷（21.52%），并激活磷酸酶基因（phoR/pstS）和微生物（如Rokubacteriales）的协同机制，为盐碱土修复提供理论依据。

　　

全球土壤盐渍化正以每年10%的速度扩张，威胁着超过20%的耕地和33%的灌溉农田。盐碱土的高pH和高钠离子浓度导致磷（P）被固定为难以溶解的钙磷酸盐，使得这种对作物生长至关重要的养分利用率不足1%。传统磷肥在盐碱土中易失效，而生物炭因其独特的孔隙结构和表面官能团，被认为可能破解这一难题。然而，生物炭如何通过调控微生物“暗物质”与土壤化学性质的互作来释放磷素，仍是未解之谜。

中国科学院团队在吉林省乾安县盐碱土区开展为期两年的田间试验，设置0、30、60、120 t/ha四个生物炭梯度，结合宏基因组学和非靶向代谢组学技术，系统解析了生物炭提升磷有效性的双通道机制。研究发现，生物炭不仅直接改善土壤理化性质，更通过重塑微生物群落和激活功能基因形成“生物-化学”协同网络。论文发表于《Soil Biology and Biochemistry》，为盐碱土生态修复提供了全新视角。

关键技术方法
研究采用Illumina高通量测序分析细菌（16S rRNA）和真菌（ITS）群落结构，通过宏基因组测序鉴定磷循环功能基因（如phoD、pstS），并利用LC-MS/MS进行非靶向代谢组学检测。土壤磷组分采用连续提取法（BBP法）分离CaCl₂-P、Citrate-P等形态，同时测定土壤pH、电导率（EC）及酶活性。

研究结果

1. 土壤磷组分动态重分布
生物炭使活性最高的CaCl₂-P含量平均提升97.38%，Citrate-P和HCl-P分别增加35.2%和28.6%。值得注意的是，120 t/ha处理组将HCl-P（占总量80%）转化为有效磷的效率最高，表明生物炭能打破盐碱土中钙磷化合物的稳定结构。

2. 微生物群落结构与多样性调控
生物炭显著降低pH和EC，使细菌多样性指数（Shannon）提升1.8倍，其中P循环关键菌Rokubacteriales和RB41的相对丰度增加3.2倍。真菌群落对生物炭响应较弱，证实细菌主导盐碱土磷转化。共现网络分析显示，生物炭处理使微生物网络复杂度提升47%，关键节点菌Vicinamibacteraceae与CaCl₂-P含量呈显著正相关。

3. 功能基因与代谢通路激活
宏基因组分析发现，生物炭上调磷酸盐转运基因（pstS/phoU）表达量达2.1倍，有机磷矿化基因phoD和appA的拷贝数增加70%。代谢组学揭示糖类物质（如葡萄糖-6-磷酸）含量提升3.5倍，为微生物磷转化提供能量支持。

结论与意义
该研究首次阐明生物炭通过“土壤理化改善-微生物激活-基因上调”三级联反应提升盐碱土磷有效性的机制：① 生物炭中和碱性并吸附Na⁺，直接促进钙磷溶解；② 其多孔结构富集P循环功能菌（如Rokubacteriales），通过分泌有机酸进一步释放磷素；③ 激活phoR/pstS等基因表达，强化微生物磷转运能力。这一发现不仅为盐碱土修复提供了可量化施用的生物炭阈值（60–120 t/ha），更开创了“土壤-微生物-基因”多维调控的新范式，对全球退化土壤的生态恢复具有重要指导价值。