富硫生物炭的机理研究：提升土壤酶活性、养分循环与玉米早期生长

《Applied Soil Ecology》：Mechanistic insights into sulphur-enriched biochar: Enhancing soil enzymatic activities, nutrient cycling, and early maize growth

　　

•富硫生物炭（SEB）增加了磷（P）、硫（S）和钾（K）的有效性。
•SEB增加了微生物生物量（碳、氮、磷）以及磷和氮获取酶。
•SEB通过提高光合效率维持植物生长。

## 引言

农业面临的一个重大挑战是在作物生产力与环境管理之间取得平衡，因为磷（P）肥料的低效利用既威胁粮食安全又威胁生态系统健康（Liu et al., 2025）。磷是一种有限且地理分布受限的资源，对植物生长至关重要，但由于其固有的不移动性和在土壤中形成不溶性化合物的倾向，其农业应用效率极低（Yang et al., 2024）。超过80%的磷肥通过吸附或沉淀反应被固定，需要过量施用，而这有可能导致富营养化并消耗全球储备（Wang et al., 2025a）。化肥成本上升、高品质磷矿储备减少以及磷径流污染，凸显了创新策略的紧迫性——即提高磷的生物有效性并降低对化肥的依赖（Song et al., 2024; Wang et al., 2024）。与此同时，硫（S）正逐渐成为限制性次要营养元素，尤其在大气沉降减少的集约化耕作系统中（Kumar et al., 2026）。硫缺乏会限制蛋白质合成，并损害植物通过根系介导的酸化作用和生理过程活化土壤磷的能力（Barnard et al., 2025）。因此，同时增强磷和硫有效性、同时最大限度减少对矿物磷依赖的综合策略对于可持续农业至关重要（Bankole et al., 2024; Holatko et al., 2022）。

生物炭是生物质热解产生的富碳产物，已成为一种有前景的土壤改良剂，能够改善养分保持、调节吸附平衡并增强微生物介导的养分转化（Barbhuiya et al., 2024）。其多方面益处包括固碳、改善水分保持和增强养分循环（Zhang et al., 2025）。尽管其提高磷有效性的潜力已被广泛记录（Joseph et al., 2021），但常规生物炭对磷有效性的影响往往不一致，这归因于原料和热解温度差异导致的表面官能团、矿物相和pH缓冲特性的变化（Bekchanova et al., 2024）。这些局限性与固有的化学成分相关，可能缺乏针对硫等共限制性营养元素的特异性反应官能团，也无法刺激土壤-植物生物反馈回路（Ndoung et al., 2021）。因此，开发具有目标性养分协同效应的定制生物炭配方对于弥补这一差距至关重要（Hussain et al., 2025）。

许多近期研究将富硫生物炭（SEB）确定为一种有前景的材料，可通过利用硫氧化过程来改变土壤磷化学（Taheri et al., 2024; Taheri et al., 2022）。根据Zhang et al.（2016）的研究，该过程产生局部酸化，破坏铁磷和钙磷键合，促进被包裹磷的释放。此外，SEB已被证明能够将含硫官能团整合到生物炭表面，增强阴离子交换容量并刺激磷和硫的协同活化（Devi et al., 2023）。尽管具有这些优势，SEB调节土壤养分循环的机制途径尚不完全清楚，特别是其与磷、硫、氮以及微生物过程和植物生理响应之间的相互作用（Zhang HongJie et al., 2017）。很少有研究在统一框架内整合土壤化学、微生物化学计量学、酶促行为、根系表型和植物光生理（Grimm et al., 2025; Jia et al., 2025; Zhang et al., 2026）。

除直接的化学效应外，SEB可能通过影响微生物养分获取策略来影响土壤生物功能（Xia et al., 2023）。土壤微生物通过胞外酶（如碱性磷酸酶[ALP]、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶[NAG]和亮氨酸氨基肽酶[LAP]）介导磷和氮的转化，这些酶对磷和氮有效性的变化响应敏感（Jaffar et al., 2025a）。此外，有报道称SEB可改变土壤pH、氧化还原电位、溶解性有机质（DOM）和矿物相关养分库，从而可能重塑微生物生物量化学计量学（即碳:氮:磷比例）、酶分配模式和养分矿化能力（Holatko et al., 2022）。然而，将SEB诱导的生物化学变化与微生物生物量养分、溶解性养分库和酶动力学联系起来的定量证据仍然有限。虽然本研究中未直接测量这些机制途径，但它们为解释我们整合的土壤-植物响应提供了理论框架。

植物对SEB的响应同样复杂但至关重要（He et al., 2025）。改善的养分有效性和微生物养分转化可能增强早期根系构型（RSA）和植物生理表现（Zhang et al., 2026）。现代无损表型工具（如根系扫描系统和PhotosynQ叶绿素荧光指标）能够精细表征植物的光合效率、能量耗散途径和胁迫生理（Gracia-Romero et al., 2025; Zhang et al., 2023）。将这些植物水平指标与土壤生物化学和微生物特征整合，提供了SEB诱导的土壤过程与早期植物生长之间的强有力机制联系。然而，很少有研究系统地在一个实验框架内整合土壤化学（Amin and Mihoub, 2021）、微生物化学计量学、酶动力学（Bankole et al., 2024）、植物光生理（Sher et al., 2024）和根系形态（Zenda et al., 2021; Zhang et al., 2026）。

虽然SEB为优化养分有效性提供了有前景的策略，但其应用并非没有潜在的生态和农艺风险。过量或不适当施用SEB改良剂可能引发局部土壤酸化，潜在触发重金属的不利活化或使电导率升高至导致盐分胁迫的水平（Asif et al., 2025）。此外，硫物种的过度积累可导致瞬时养分失衡或直接产生植物毒性（Huang et al., 2023）。以往聚焦于常规未改性生物炭应用的研究经常报告对稳定磷库和微生物丰度影响中性、微小或高度不一致（Taheri et al., 2022; Xu et al., 2025）。这些不一致源于原料、热解条件、土壤性质和实验设计的差异（Bekchanova et al., 2024）。关键的是，大多数以往研究考察的是未经功能富集的常规生物炭（例如未添加硫），且很少有研究整合微生物和植物水平响应。本研究通过使用定制的富硫生物炭在跨学科框架内直接解决这些局限性。这些差异凸显了需要定制功能性改良剂如SEB，但其底层的同步机制仍然知之甚少。

与以往主要关注完全磷施肥条件下化学机制的SEB研究不同（Ahmed et al., 2025b; Amin and Mihoub, 2021; Devi et al., 2023），本研究独特地整合了土壤化学、微生物化学计量学、多酶活性、根系表型和光合效率，并在减少磷投入的条件下进行研究。为解决这些知识空白，我们试图实现以下目标：(i) 确定SEB能否通过增强的生物化学活化和改善的土壤-植物养分耦合来补偿减少的磷肥投入；(ii) 建立土壤养分库动态、微生物生物量养分和酶活性之间的因果关系。我们假设SEB将改善微生物生物量（MBC、MBN和MBP）和酶活性，促进养分有效性（N、P、K和S），最终提高光合效率和根系发育，从而在减少磷投入的情况下维持早期植物生长。

## 章节片段

### 研究所用土壤

土壤采集于2024年8月，来自中国陕西省武功县（34.38°N, 107.15°E）的一个长期（>5年）小麦-玉米轮作田。该田块采用保护性耕作措施，包括少耕或免耕以及秸秆留茬，以增强土壤健康并缓解半干旱黄土高原地区的水分限制。该地区属温带大陆性季风气候，年平均气温为12.3°C，年降水量为584 mm，年均日照时数为2196小时。

### 土壤矿物氮对SEB和磷肥水平的响应时间动态

在120天的培养期内，SEB施用诱导了NO??-N、NH??-N和碱解氮（AN）的显著（P < 0.05）时间依赖性变化（图1a-c）。值得注意的是，在P100和P75处理下响应差异显著。具体而言，与PB和CK相比，SEB施用（特别是在2%施用量下）在培养早期（第15-60天）增强了NO??-N和AN水平，同时在后期（第90-120天）稳定了氮有效性。

SEB在P100和P75两种处理下均对土壤NO??-N产生积极影响（图1）

### SEB介导的养分增强：酸化、配体交换和土壤养分库及微生物活性的富集

本研究提供了令人信服的证据，表明SEB显著提高了土壤磷有效性，为全球相关策略提供了改善磷利用效率的途径，特别是在磷施肥有限或低效的地区。以往研究已广泛记录了功能化生物炭（在本研究中为硫添加）提高土壤磷有效性的能力（Abbas et al., 2022; Ahmed et al., 2025b; Alfadil et al., 2021）。SEB处理下可溶性磷（AP）的显著增加，

### 结论

SEB的施用显著增强了土壤养分有效性、微生物功能和早期植物生长，即使在减少磷肥施用的情况下也是如此。这些观察到的关联而非直接证明的因果关系。我们的结果表明，SEB作为一种多功能土壤改良剂，同时解决了土壤中磷、硫、氮和钾的限制。与假设的硫氧化及相关酸化活化固定土壤磷一致，SEB增加了AS和……

### CRediT作者贡献声明

Muhammad Ahmed：写作——审阅与编辑，软件，方法，调查，正式分析，数据管理，概念化。Muhammad Tauseef Jaffar：写作——审阅与编辑，可视化，验证，软件，正式分析，概念化。Gan Hailing：写作——审阅与编辑，验证。Bai Zhenwu：写作——审阅与编辑，调查，正式分析。Zhang Yulin：写作——审阅与编辑，验证，资源，概念化。Zhang Jianguo：写作——审阅与编辑，验证。

### 参与同意

所有作者均参与了研究。

### 出版同意

所有作者均批准了本手稿的出版。

### 伦理批准

不适用。

### 资金支持

本研究得到了陕西省农业关键核心技术项目（2025NYGG011）、新疆干旱区农业研究所科技创新专项（XJHQNY-2025-6）和中国大唐大荔新能源有限公司农光互补项目（DTDL-XNY-2023-025）的支持。

### 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的与本报告工作相关的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

本研究得到了陕西省农业关键核心技术项目（2025NYGG011）、新疆干旱区农业研究所科技创新专项（XJHQNY-2025-6）和中国大唐大荔新能源有限公司农光互补项目（DTDL-XNY-2023-025）的支持。我们感谢匿名审稿人和编辑在提高本手稿质量方面提供的巨大帮助，以及实验……

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