生物炭基有机基质通过调控特定微生物群落促进屋顶农场番茄生长的机制研究

为解决城市化进程中土壤退化与粮食安全问题，研究人员开展了一项关于生物炭(biochar)与不同堆肥原料(海藻SW/咖啡副产品SCG/CS)复合基质对屋顶农场番茄生长及微生物群落影响的研究。结果表明，海藻基质通过提升磷含量和pH值，富集Acidibacter等有益菌群，使番茄增产56%，为城市农业可持续发展提供了新型基质优化方案。该研究发表于《Environmental Microbiome》。

　　

随着全球城市化进程加速，传统农业面临耕地缩减和土壤退化的双重挑战。屋顶农业作为"零占地耕作"(Zero Acreage Farming)的创新模式，既能回收有机废弃物，又能缓解城市热岛效应，但其核心瓶颈在于如何构建高效的栽培基质。西班牙国家研究委员会(ICA-CSIC)的Miguel de Celis团队在《Environmental Microbiome》发表的研究，揭示了生物炭与不同有机废弃物复合基质通过调控微生物群落促进番茄生长的分子机制。

研究团队采用16S rRNA和ITS扩增子测序技术，对比分析了海藻(SW)、咖啡渣(SCG)和咖啡银皮(CS)三种堆肥原料与生物炭(Biochar, BC)复合基质的微生物组特征。通过70L盆栽实验系统监测了番茄生长指标，并结合结构方程模型(SEM)解析了基质-微生物-作物的互作网络。

【基质特性决定微生物群落】
研究发现不同堆肥原料显著改变基质理化性质，海藻基质(SW)具有最高pH值(7.8±0.3)和磷含量(1420±210 ppm)，而咖啡银皮基质(CS)的电导率(EC)达3.2±0.4 mS/m。生物炭添加使碳氮比(C/N)提升18-22%，但微生物群落差异主要受堆肥原料驱动。海藻基质使细菌多样性增加48%，真菌多样性提高56%，显著高于咖啡基质和泥炭对照组。

【关键功能微生物鉴定】
通过共现网络分析识别出3个微生物亚群，其中模块2(富含Acidibacter、Altererythrobacter等细菌和Mortierellomycetes真菌)与番茄产量呈强正相关(r=0.82)。特别值得注意的是，海藻基质中Pseudorhodoplanes菌属丰度与果实产量存在剂量效应关系，每增加1%相对丰度可提升产量0.35kg/株。

【生物炭的协同效应】
虽然生物炭单独对微生物影响有限，但其与海藻复合基质(SW-BC)使番茄单株产量达4.2±0.7kg，较纯海藻基质提高23%。结构方程模型显示，生物炭主要通过降低EC值(β=-0.41)和促进功能微生物定殖(β=0.38)间接提升产量。

该研究首次系统阐明了城市农业中基质-微生物-作物的级联效应，为有机废弃物资源化提供了科学依据。海藻基质通过"富磷-调酸-培菌"三位一体机制，不仅替代了不可再生的泥炭资源，更创造了高达6.8吨/公顷的屋顶农场产量。研究提出的生物炭-堆肥复合基质配方，为实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的零饥饿(Goal 2)和气候行动(Goal 13)提供了可推广的技术方案。未来研究可进一步优化基质配比，开发针对不同作物的功能微生物组合，推动城市农业向精准化、生态化方向发展。