生物炭与氮肥互作通过调控根际微生物氮循环功能提升氮素利用效率的机制研究

针对农业生态系统中氮肥利用率低、环境损失严重的问题，华中农业大学团队通过根箱实验探究了生物炭与氮肥协同施用对玉米根际微生物氮循环功能的影响。研究发现，2%生物炭添加使N2和N4处理的氮利用率分别提升247.1%和29.3%，并激活了谷氨酸降解、硝酸盐还原等微生物功能通路。该研究为通过微生物调控实现农业减氮增效提供了理论依据。

　　

氮素是农业生产的关键限制因子，但传统氮肥利用率仅30-40%，过量施用导致温室气体排放、水体富营养化等环境问题。生物炭作为具有多孔结构和表面活性的环境友好型改良剂，虽已被证实可改善土壤肥力，但其与氮肥协同调控根际微生物氮循环功能的机制尚不明确。

华中农业大学资源与环境学院团队在《Soil and Tillage Research》发表研究，通过设置2个生物炭梯度（0%、2%）和4个氮肥水平（0、50、100、200 mg kg^-1）的根箱实验，结合宏基因组学技术，系统解析了生物炭-氮肥互作对玉米生长、氮素利用及根际微生物功能的影响。

关键技术包括：1）根箱实验分离根际与本体土壤；2）高通量宏基因组测序分析微生物功能；3）同位素示踪技术量化氮素利用效率；4）扫描电镜观测根系形态。

【植物生长与氮素利用效率】
生物炭使N1-N4处理的根生物量分别提升138.7%-192.6%，N2处理的氮利用率激增247.1%。双向方差分析显示生物炭与氮肥对植株生物量存在显著交互效应（P<0.05）。

【根际氮循环功能特征】
宏基因组数据表明，生物炭-氮肥协同处理激活了谷氨酸降解（glutamate degradation）和硝酸盐还原（nitrate reduction）通路，但抑制了固氮功能。关键菌属如鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）和链霉菌（Streptomyces）的丰度变化与NH₄⁺-N、NO₃^--N浓度显著相关。

【微生物调控机制】
生物炭通过扩大根系分泌物释放（如有机酸和酚类物质），塑造了以变形菌门（Proteobacteria）为主导的根际微环境。这些"生态系统工程师"通过调控有机氮矿化（organic N mineralization）和硝化-反硝化平衡（nitrification-denitrification balance），实现氮素形态转化与植物有效吸收。

该研究首次阐明生物炭-氮肥协同效应通过三重机制提升氮素效率：1）根系形态改造扩大吸收界面；2）物理吸附延缓氮素流失；3）微生物功能重组优化氮循环网络。这一发现为发展"微生物驱动型"精准施肥技术提供了新思路，对实现农业碳中和目标具有重要实践价值。