连续施用生物炭可改善盐碱土壤：对土壤多功能性、盐分再分布、微生物动态以及两年内棉花产量的影响

《Applied Soil Ecology》：Continuous biochar application ameliorates saline-alkali soils: Effects on soil multifunctionality, salt redistribution, microbial dynamics, and cotton productivity over two years

盐碱土中持续施用生物炭两年可显著改善土壤理化性质、酶活性及微生物群落结构，促进棉花生长。2%生物炭处理使浅层土壤有机质增加40.04%-62.35%，pH和电导率降低，同时减少根区可溶性Na?、Cl?和HCO??含量。微生物α多样性及有益菌（如Proteobacteria、Pseudomonadaceae）丰度提升，其变化与酶-盐动态关联密切。研究结果证实生物炭可持续缓解盐碱胁迫，增强土壤多功能性。

　　

王向玲|夏晓阳|穆罕默德·里亚兹|王继元|蒋存仓

华中农业大学资源与环境学院微量元素研究中心，中国湖北省武汉市，430070

摘要

生物炭为改良盐碱土提供了一种有前景的策略，但其对土壤多功能性的长期影响及修复机制仍需进一步研究。这项为期两年的盆栽实验评估了连续施用生物炭（0%、1%和2% w/w）对盐碱土土壤性质、酶活性、微生物群落以及棉花生长的影响。2%生物炭处理最有效地提升了土壤的多功能性，这主要得益于细胞外酶活性提高了15.00%–32.79%，以及碳循环相关酶活性的增强。生物炭施用使土壤有机质含量增加了40.04%–62.35%，同时降低了表层土壤（0–15厘米）的pH值和电导率（EC）。与此同时，盐分在土壤中发生了垂直再分布：深层土壤（16–30厘米）的电导率升高，而根区可溶性Na⁺、Cl^?和HCO₃^?含量显著降低。微生物群落向有益菌类如变形菌门（Proteobacteria）、假单胞菌科（Pseudomonadaceae）和根瘤菌目（Rhizobiales）倾斜，α-多样性增强，种间相互作用也更加紧密——这些变化主要由土壤酶的化学计量关系和盐离子动态驱动。这些改善使得生物炭处理下的棉花生物量在第二年显著增加。我们的研究结果表明，连续两年施用生物炭能够有效缓解表层盐分问题，促进养分循环，并增强土壤微生物群落的韧性，支持将其作为干旱农业生态系统中修复盐碱土的可持续策略。

引言

盐碱土的特点是pH值高、电导率（EC）高以及钠（Na⁺）含量过高（Zhang等人，2023年）。这类土壤会积累可溶性盐分，包括阳离子（Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）和阴离子（Cl^?、SO₄^2?、HCO₃^?）（Mukhopadhyay等人，2021年）。受盐影响的土壤中含有大量可溶性盐或交换性钠（Saifullah等人，2018年）。钠离子的毒性、养分缺乏以及土壤结构退化是全球性的农业可持续性问题（Gao等人，2024年）。在盐碱土中，高盐分不仅抑制微生物代谢过程，还减缓养分释放速度，同时对微生物群落和土壤酶活性产生不利影响（Garbuz等人，2022年；Hou等人，2021年）。先前的研究还表明，盐分会对土壤性质和肥力产生负面影响（Jia等人，2023年；Wagg等人，2019年）。土壤盐分会显著增加土壤离子的毒性，从而影响土壤微生物的代谢过程和整体健康。同样，有毒离子如Na⁺、CO₃^2?和Cl^?会降低细菌的数量和多样性，破坏土壤微生物生态（Rath等人，2016年）。Wang等人（2023年）报告称，长期盐碱化会使细菌群落向耐盐菌类转变，从而降低细菌多样性。通过向耐盐菌群转变，土壤微生物能够快速适应盐胁迫，减轻上述不利后果（Han等人，2022年；Jiao和Lu，2020年）。为了减轻盐分对微生物群落和作物的负面影响，修复盐害土壤通常需要去除可溶性盐分（Li等人，2023a）。因此，修复盐碱土是一项紧迫的任务。探索有效的盐碱土改良策略对于缓解农业生产压力至关重要。

施用土壤改良剂是提高盐碱土质量和土壤微生物功能活性的有效方法之一（Lu等人，2023年）。生物炭是一种富含碳的材料，具有高比表面积、大孔隙度和大孔体积（Nguyen等人，2024年），对于提升土壤质量和减少养分流失至关重要（Fu等人，2019年）。此外，生物炭中含有丰富的碱性矿物质和元素成分，如钾（K）、钙（Ca）、铁（Fe）和镁（Mg）（Xu等人，2022年；Li等人，2023b）。因此，生物炭被视为缓解土壤退化和保持土壤质量的可行方法（Yan等人，2022年）。先前的研究表明，生物炭独特的物理化学性质可以有效改善土壤微生态过程（Singh等人，2022年）。土壤多功能性指的是土壤同时维持多种生态系统服务的能力，包括养分循环、微生物活动和有机质稳定（Wagg等人，2019年；Hu等人，2021年）。在盐碱土中，多功能性与盐离子动态、酶的化学计量关系以及微生物群落结构密切相关。

生物炭施用后土壤中形成的大量微孔有助于吸收和保留各种物质（Li等人，2023c），从而增加土壤细菌的多样性和数量。多孔结构的生物炭还能增强微生物活性和土壤酶活性（Singh等人，2022年；Song等人，2020年）。目前大多数关于生物炭的研究都是在盆栽实验或短期田间试验中进行的（Cai等人，2024年；Piao等人，2023年；Zhang等人，2022b），结果表明生物炭施用对提高土壤质量和改善微生物群落组成有积极作用（Li等人，2023e；Wang等人，2023年）。尽管有上述好处，关于生物炭在盐碱土中的效果仍存在争议。有研究表明，生物炭的改良效果会逐渐减弱，甚至在六个月后消失（Sun等人，2022年）。此外，也有研究显示，连续施用生物炭12年对作物产量没有显著益处（Jin等人，2024年）。然而，生物炭在连续施用前后对土壤微生物的反应，以及其长期缓解盐碱胁迫的效果仍不明确。

为填补这些知识空白，我们进行了为期两年的盆栽实验，以明确连续施用生物炭对盐碱土性质和微生物过程的长期影响。本研究的目标是：（1）探讨连续两年施用生物炭对土壤物理化学性质、盐分和土壤多功能性的影响；（2）评估持续施用生物炭对浅层和深层土壤之间盐分垂直再分布的影响；（3）比较不同年份土壤多功能性、微生物群落组成的变化及其与关键环境因素的关系。

实验设计与土壤样品采集

该盆栽实验于2022年和2023年5月在华中农业大学的温室中进行。实验使用的盐碱土取自新疆阿拉尔（81°52′N, 40°56′E）。稻草经风干后粉碎并通过2毫米筛网，然后进行热解。热解在限氧条件下进行，加热速率为10°C/min^?1，最终温度为500°C，保持2小时。所得生物炭为

生物炭连续施用对土壤性质和植物生物量的影响

结果表明，连续施用生物炭显著改善了盐碱土的物理化学性质。生物炭施用降低了表层土壤的pH值、电导率（EC）和有效钾（K）含量，同时使有机质（OM）含量分别增加了40.04%和62.35%（表1）。此外，在1%的施用率下，生物炭显著降低了深层土壤的pH值

连续施用生物炭对两年间盐分分布及土壤物理化学性质的影响

盐碱土的修复主要通过降低土壤pH值和通过离子交换过程去除过量钠（Na⁺来实现（Luo等人，2017年）。

我们两年的研究结果清楚地表明，连续施用生物炭导致了土壤中盐分的显著再分布。具体来说，我们观察到表层土壤（0–15厘米）的电导率（EC）和可溶性Na⁺显著降低，而这些参数在深层土壤中有所增加

结论

总之，我们的研究结果表明，生物炭施用显著改善了盐碱土的质量，增强了植物生物量，并促进了土壤多功能性。与未改良的对照组相比，施用2%生物炭的土壤表现出更高的细胞外酶活性、碳循环相关酶活性和有机质含量。连续施用生物炭还显著降低了电导率、可溶性Na⁺、交换性Na⁺、Cl^?和HCO₃^?

作者贡献声明

王向玲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，实验设计，概念构建。 夏晓阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，实验设计，概念构建。 穆罕默德·里亚兹：撰写 – 审稿与编辑，软件应用，资源获取，实验设计。 王继元：方法学研究，数据分析。 蒋存仓：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法学研究，资金申请，概念构建。

资金来源与致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42167042）和新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室以及新疆生产建设兵团关键农业技术研究项目（编号：2023AA601）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。