木炭生产对尼日利亚稀树草原土壤微生物群落、酶活性及磷硫循环的影响机制研究

本研究针对木炭生产导致的土壤生态失衡问题，通过分析尼日利亚西南部稀树草原的土壤样本，揭示了木炭生产区(CPS)相较于非生产区(NPS)显著提升微生物生物量磷(Bp)、磷酸酶(Pho)、硫代硫酸盐脱氢酶(Tsd)和二甲基亚砜还原酶(Dsr)活性的现象。研究发现CPS中铜(Co)、铁(Fe)等微量元素的垂直分布规律，为热带土壤可持续管理提供了关键数据支撑。

　　

在热带生态系统中，木炭生产作为重要的人类活动，正通过改变土壤理化性质深刻影响着养分循环过程。尽管已有研究关注木炭对碳储存的影响，但其对土壤微生物群落结构、磷硫循环关键酶及微量元素动态的调控机制仍存在显著知识空白。尼日利亚稀树草原作为典型的衍生生态系统，其土壤在木炭生产活动下面临着微生物活性紊乱、养分流失加剧等挑战，这直接威胁着区域生态安全和农业可持续性。

为系统解析木炭生产的生态效应，A. J. Adeyemo领衔的研究团队在Ekiti州三个典型木炭生产区(Irèle、Okè-àkò和Ipaò)展开多维度研究。通过采集0-45 cm不同深度的土壤样本，结合微生物培养、酶动力学分析和原子吸收光谱等技术，首次全面评估了木炭生产对土壤微生物生物量磷、磷硫循环酶及微量元素分布的影响。

关键实验技术

研究采用标准平板计数法测定细菌/真菌数量，改良氯仿熏蒸法提取微生物生物量磷，Bray 1法测定磷含量。通过PNPP底物法分析磷酸酶活性，铁氰化钾还原法检测硫代硫酸盐脱氢酶，并利用原子吸收光谱定量铜(Co)、锌(Zn)等微量元素。所有数据通过Minitab 17进行方差分析，Python库完成主成分(PCA)和层次聚类分析(HCA)。

微生物群落响应

这一结果印证了木炭改变土壤pH后形成的细菌优势生态位，同时高温处理选择性地抑制了真菌敏感性种群。

酶活性变化

磷酸酶(Pho)活性在CPS达2.94 mg/ml/min，较NPS提升65%。硫代硫酸盐脱氢酶(Tsd)在Ipaò的CPS位点出现12.93 μg/ml/min的峰值，表明木炭残留显著强化了有机硫矿化能力。值得注意的是，二甲基亚砜还原酶(Dsr)与土壤深度呈正相关(r=0.874)，揭示深层土壤可能存在特殊的硫氧化微生物群落。

微量元素分布

铁(Fe)和锰(Mn)呈现表聚特征，在0-15 cm层浓度最高。铜(Cu)在Okè-àkò的CPS位点达0.34 mg/kg，可能源于木炭生产设备的金属渗漏。PCA分析显示生物量P与细菌数量强相关(PC1载荷38.28%)，证实微生物活动是驱动养分循环的核心因素。

生态意义

该研究首次阐明木炭生产通过改变土壤微环境，创造性地提出"木炭-微生物-酶"三元互作模型：木炭的多孔结构为微生物提供避难所，其碱性特征促进磷酸酶分泌，而高温残留的有机硫化合物则激活了硫循环酶系。这种耦合效应虽然短期内提升了养分有效性，但长期可能导致生态功能单一化。研究结果为热带地区制定可持续的木炭生产规范提供了理论依据，特别强调需要监测表层土壤的金属累积风险。

发表在《Scientific Reports》的这项成果，不仅填补了木炭生态效应研究的空白，更为退化土壤的微生物修复提供了新思路。未来研究可进一步解析关键功能微生物的种群结构，开发基于酶活性指标的土壤健康评价体系。