Trichoderma harzianum 接种物与生物炭在轻质绿色屋顶基质优化中的应用

《Environmental and Sustainability Indicators》：Trichoderma harzianum inoculum vs. biochar for lightweight green roof substrate optimization

屋顶绿化轻质基质中生物炭（20%）和哈茨氏木霉接种体（1%）对持水、养分及微生物群落的影响研究。高比例生物炭提升养分但降低持水，而低比例THI保持最佳植物景观和持水性能。微生物分析显示两者分别富集有益菌属（Ellin6055、Bauldia等）和真菌（Ascomycota、Sebacinales），揭示不同改良剂对人工微环境微生物群落调控的差异性。

　　绿色屋顶（Green Roof, GR）作为一种创新的绿色基础设施（Green Infrastructure, GI），在多个城市规划和雨水管理策略中被广泛应用。它不仅能够提升城市的生态服务功能，还能增强城市生态系统在气候变化背景下的韧性。然而，GR的实施受限于屋顶承载能力，尤其是在未在建筑建设前考虑安装GR的情况下，设计时必须优先考虑结构安全。此外，GR的基质层在轻质化设计中具有关键作用，因为该层不仅承担着主要的重量，还直接影响GR的生态效益。基质层为植被层的植物提供了必要的水分和养分，其性能对于维持植物健康生长和景观效益至关重要。因此，优化GR基质的轻质设计对于推动其在更广泛的城市区域应用，并最大化其生态服务价值具有重要意义。

在实际的GR环境中，由于持续受到极端太阳辐射和风力的影响，尤其是在没有灌溉和管理的情况下，GR基质的水分和养分状况常常出现退化现象。因此，优化GR基质层的目标应是在保持轻质化的基础上，确保其具有足够的水分含量和良好的养分状态，以支持可持续的植物生长。近年来，一些改良材料，如生物炭（Biochar）和微生物接种物（Microbial Inocula）已被尝试用于改善GR的植物景观和水肥性能，而对基质层厚度和成分的改动则相对较小。研究表明，生物炭的添加可以改善GR基质的物理化学性质、持水能力以及可利用养分含量，从而促进植物生物量的增加。同时，生物炭能够减少由于径流冲刷导致的氮和磷的流失。然而，这些正面效果主要在天然土壤基质中被观察到，而是否在轻质基质混合物中仍然有效尚未完全明确。此外，生物炭对基质微生物群落的影响也尚未深入研究。

另一方面，一些微生物改良物已被证明可以积极改善GR的植物景观和生物多样性，例如*Trichoderma*属真菌和菌根真菌。*Trichoderma harzianum*是一种在GR基质层中常见的真菌，可能通过定殖于植物根系，与植物建立有益的相互作用，增强其水分和养分吸收能力，提高其对植物病原体的抵抗力，同时改善其在浅层基质中的适应能力。与生物炭相比，*Trichoderma harzianum*接种物（Trichoderma harzianum Inoculum, THI）作为微生物改良物用于GR基质优化，具有更低的添加比例要求，不会增加基质的负载，且作为生物活性产品，其碳足迹较低，成功定殖植物后对再施用的需求也较低，从而在大规模GR应用中更具成本效益和可持续性。然而，到目前为止，关于微生物改良物，包括THI，对轻质GR基质性能的影响尚未被充分研究。因此，研究THI对轻质GR基质的水肥相关性能以及其对暴露在极端微气候环境中的GR植物景观性能的影响，对于支持其作为生物炭替代改良物的潜力至关重要。此外，作为支持植物生长的主要因素，GR基质中的微生物群落也受到生物炭和THI的影响。因此，探索这些改良物对GR基质微生物群落的影响，不仅有助于揭示其在水肥性能和植物景观中的潜在微生物机制，还能加深我们对人工压力环境中的环境微生物群落及其对这两种改良物响应的理解。

本研究旨在比较生物炭和THI对轻质GR基质的植物景观和水肥相关性能的影响，并进一步描述其对微生物群落的调控作用。在本研究中，将优化后的轻质基质层（由40%泥炭土和60%蛭石组成）分别以高和低比例添加生物炭和THI，并设置一个未添加任何改良物的对照组（Control Group, CG），在无灌溉和管理的条件下进行为期三个月的现场调查。在此期间，对这些GR模块的植物景观、持水和养分保持性能，以及微生物群落的多样性和组成进行了测量和分析。基于此，我们提出了三个假设：（1）生物炭改良物可能对轻质GR基质的养分相关性能产生正面影响，同时对其水相关性能产生负面影响，更高的改良比例可能会增强这些效果；（2）尽管THI改良物不能直接提高基质的持水能力和养分含量，但可能在监测期间改善植物对轻质GR基质中水分和养分的可利用性；（3）轻质GR基质中微生物群落的多样性和优势类群对生物炭和THI改良物的响应可能会有显著差异。

研究结果验证了这些假设。生物炭改良物及其更高的添加比例显著降低了GR基质的持水性能，但提升了其养分状况。在模拟降雨实验中，我们的先前研究也观察到类似的结果，即在由40%泥炭土和60%蛭石组成的基质层中，随着生物炭添加比例的增加，基质层的持水能力下降，蒸散速率加快。然而，其他针对土壤基质GR的研究普遍报告了生物炭对雨水保持的显著正面影响，这表明生物炭在GR基质中的普遍正面效果受到基质混合物性质的限制。本研究再次强调，改良物对GR基质层的影响可能因基质混合物本身的特性而显著变化。自然土壤由于其较差的物理化学特性，通常不适用于GR基质材料，而几乎所有改良物都可能对它们的性能产生正面影响。因此，应通过在适合GR应用的优化基质混合物中进行测试，正确评估生物炭和其他改良物对GR基质性能的影响。

另一方面，高比例的THI改良物在监测期间增强了基质层的蒸发阻力和氮素保持能力，从而支持了GR模块的优越景观表现。虽然THI改良物没有在基质层中直接提高养分含量，但通过略微改善基质层的持水能力，减少了降雨事件中的流出量，从而在一定程度上减轻了养分流失。此外，THI改良物在基质层中形成的宏孔通道可以减少基质的热传导，抑制毛细水的上升。这些宏孔通道有助于减少水分的快速流失，从而提高基质层的持水能力。然而，高比例的THI改良物对植物景观的正面影响有限，与高比例生物炭相比，其对基质养分状况的改善作用较弱。但THI显示出较高的植物覆盖度和花序数量，尤其是在整个监测期间。这可能归因于有利的植物-微生物相互作用的建立，这将在后续部分进一步讨论。此外，本研究的一个主要局限是监测仅持续了三个月，地点位于中国东南部的亚热带季风气候区，因此尚不清楚生物炭和THI改良物对轻质GR基质的影响是否会随着不同区域气候类型和年际变化而改变。然而，当前的结果强烈支持THI作为生物炭在轻质GR基质优化中的可行且有前景的替代改良物。对于高产GR或配置的植物种类具有较高养分需求的情况，生物炭目前可能仍然是更优的选择。同时，低比例的THI改良物（0.25%）在监测期间并未对基质层的水肥相关性能和植物景观产生显著的正面影响。这表明，尽管THI和其他微生物改良物的所需添加比例相对较低，但它们可能仍存在一定的阈值效应或与不同植物种类的兼容性问题，其潜在机制仍需在未来进一步明确。

微生物群落分析也支持了我们的第三个假设，即生物炭和THI改良物对GR基质微生物群落的多样性和优势类群产生了显著不同的影响。具体而言，高比例的生物炭增强了基质中的细菌群落多样性，但降低了真菌群落的多样性。这一结果与先前的全球元分析结果一致，即生物炭的添加和增加显著促进了土壤细菌的多样性。然而，生物炭对土壤真菌多样性的影响则依赖于土壤的特性。因此，生物炭改良物对GR基质微生物群落多样性的影响可能是由于其提高了基质的pH值并改变了基质的养分状况，从而影响了某些原生微生物的生长。此外，高比例的生物炭在基质中引入了某些特定的有益微生物类群，如*Ellin6055*、*Pedomicrobium*和*Clitopilus*，这些微生物参与土壤碳氮循环，并在根际形成生物膜，从而促进植物生长。然而，低比例的生物炭（5%）虽然增加了某些有益微生物的丰度，如磷酸溶解细菌*Arthrobacter*，但也增加了某些常见植物病原菌的丰度，如*Fusarium*和*Chromelosporium*。因此，低比例生物炭的添加并未显著改善GR模块的植物景观，这可能与这些病原菌的主导丰度有关。同样，对照组（CG）在监测期间表现出较差的植物景观，其病原菌如*Colletotrichum*和*Rhizoctonia*的丰度显著高于所有改良后的GR模块。因此，在GR基质的优化和管理过程中，需要特别关注某些植物病原菌对植物的潜在威胁，这些病原菌是农业实践中备受关注但常被忽视的人工环境中的生物胁迫因素。

相比之下，低比例的THI改良物显著改善了GR模块的微生物群落多样性，特别是真菌群落。这与生物炭添加比例对微生物群落多样性的影响相似，即高比例的THI可能促进某些优势微生物类群占据生态位，与其他微生物竞争资源，从而抑制某些对环境变化敏感的微生物类群。更重要的是，TL和TH组在微生物群落中仍然保持了较高的*Trichoderma*丰度，这表明THI改良物在GR基质中的正面影响具有可持续性。*Trichoderma*能够促进土壤中氮和磷的可利用性，增加植物生长所需的吲哚乙酸（IAA）分泌，并改变微生物群落的结构。在本研究中，TH组的优势菌群包括*JGI_0001001-H03*、*Bauldia*以及顺序Sebacinales，这些菌群可能对植物具有潜在的有益作用，从而有助于改善GR模块的植物景观。然而，尽管TL组中*Coniochaeta*作为有益微生物占主导地位，其微生物多样性仍然较低，且植物景观表现不佳。因此，从上述研究结果和讨论来看，GR基质中的微生物多样性与有益微生物丰度以及植物景观之间可能存在解耦现象。*Trichoderma*等有益微生物的丰度增加可能比微生物多样性提升对植物生长和景观改善更为重要。因此，针对GR这一人工生态系统，设计和构建合成微生物群落（SynComs）对于提升其植物性能和可持续性具有重要意义。第一步是识别和选择能够共存并更好地适应GR复杂且具有压力的环境的有益微生物类群和物种，作为其微生物群落设计的核心。

综上所述，本研究验证了我们提出的三个假设。生物炭改良物及其更高添加比例显著降低了GR基质的持水性能，但提升了其养分状况。相反，只有高比例的THI改良物在监测期间通过增强基质的蒸发阻力和氮素保持性能，支持了优越的植物景观表现。此外，高比例的生物炭和THI改良物相较于低比例改良物，促进了更稳定和有益的微生物群落，具有不同的优势类群。总体而言，1% THI改良物在GR基质的植物景观、水肥性能和微生物群落中的正面作用，证明了其作为生物炭替代改良物在轻质GR基质优化中的潜力。同时，我们再次强调，改良物对GR基质优化的效果取决于基质本身的固有特性。未来的研究应更多地基于轻质GR基质，设计和优化该人工栖息地的微生物群落，从而增强GR在城市气候变化背景下的可持续实施和多种生态服务效益。