利用酸改性生物炭基微生物菌剂和外源添加剂协同修复盐碱土，通过土壤 - 微生物 - 功能三方纽带提高小麦产量

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic remediation of saline-alkali soils using acid modified biochar-based microbial inoculants and exogenous additives enhances wheat yield through a tripartite soil-microbe-function nexus

　　

摘要

沿海盐碱土严重制约农业生产。通过田间小区试验，本研究调查了酸改性生物炭基微生物菌剂与不同外源改良剂（化肥、有机肥和有机酸）联合施用对沿海盐碱土的改良效果及其潜在的微生物驱动机制。与 CF 处理相比，酸改性生物炭基微生物菌剂与化肥（BMF）及与有机酸（BMOA）的联合施用均显著降低了土壤 pH 值和电导率（EC），同时提高了土壤养分水平和酶活性。这些处理也导致小麦产量显著改善，较 CF 对照分别增加了 14.43% 和 7.12%。BMF 处理富集了植物根际促生菌（PGPR，例如Massilia），而 BMOA 处理塑造了一个以泛化种（例如Pseudomonas）为主的高度多样化群落。综合统计分析表明，两种处理均显著提高了与碳（例如cbbL, fhs）、氮（例如ureC, nosZ）和磷（例如pky, phoR）循环相关基因的丰度，从而增强了土壤碳、氮、磷循环功能和土壤多功能性，这代表了土壤修复处理下与作物生产力提高相关的重要途径。总之，生物炭基微生物菌剂与化肥或有机酸的联合施用可以通过协同优化土壤环境、定向调节微生物群落和激活养分循环功能基因，构建“土壤改良 - 微生物重组 - 功能增强”的协同改良途径。这为沿海盐碱土的绿色可持续修复提供了可行的技术方案和理论依据。

引言

随着全球耕地面临越来越大的压力以及粮食需求持续增长，盐碱土的改良与可持续利用已成为确保全球粮食安全和促进生态可持续性的关键挑战 [1], [2]。盐碱土通常具有高 pH 值、盐分积累过多和养分失衡的特征，导致土壤结构恶化和生物多样性大幅下降，从而严重制约农业生产力及生态系统功能 [3], [4]。因此，开发环境友好且操作稳定的生物改良技术已成为研究优先事项。

尽管单一的改良措施具有各自的优势，但它们固有的缺点限制了其在盐碱土持续修复中的效果。传统的物理方法（如掺沙、覆盖和土地耕作）和化学改良剂（如石膏、腐植酸和高吸水性聚合物）可以暂时改善土壤条件，但它们经常受到高经济成本、重大生态危害和二次污染风险的制约 [5]。虽然生物炭能改善土壤微结构、促进作物生长和产量，并增强碳封存 [6]，但其在碱性土壤中的应用可能因其通常较高的 pH 值而受到限制，这可能会降低玉米和小麦的产量 [7]。通过酸改性，可以有效去除生物炭表面的杂质和金属沉淀物，同时引入羧基和其他功能基组。这种处理随后增强了阳离子吸附活性，并提高了生物炭在改良盐碱土方面的性能 [8], [9]。虽然单一的生物改良方法（如耐盐植物种植或微生物菌剂施用）可以改善土壤碳库并促进生物地球化学养分转化，但其效果受特定地点环境条件的强烈影响，且其长期稳定性往往不足 [10]。因此，结合多种技术优势的集成修复策略已成为解决当前瓶颈的必然方向。

结合生物炭和生物方法的集成修复策略已成为盐碱地改良的主流。生物炭基微生物菌剂的配制——微生物固定在改性生物炭上——已被证明可以缓解盐胁迫，增强作物耐盐性，促进养分吸收 [11], [12]，并显著促进植物生长 [13]。同样，生物炭与有机肥的联合施用显示出改善土壤肥力和提高作物生产力的巨大潜力 [14]，而生物炭基材料、有机酸和复合微生物菌剂的联合施用已被证明可以显著降低土壤盐度，提高养分有效性，并缓解甜高粱的盐胁迫 [15]。在此背景下，本研究调查了生物炭基微生物菌剂与外源改良剂的整合，以开发一种针对沿海盐碱土的新型协同修复策略。

尽管联合修复策略已成为盐碱土的主流方向，但关键挑战依然存在，包括长期效果不一致以及生物制剂功能的环境限制。生物炭基微生物菌剂和外源添加剂（如化学/有机肥料、有机酸）在田间条件下调节微生物群落组装的基本差异尚不清楚。土壤多功能性代表了土壤服务能力和多功能潜力的综合表现，与作物产量和质量密切相关。然而，尽管盐碱土修复中土壤多功能性的重要性日益受到认可，但生物炭基微生物菌剂和外源改良剂调节土壤多功能性的协同机制仍未得到充分理解，需要系统调查。因此，本研究旨在进行田间实验，具体目标如下：（1）筛选酸改性生物炭基微生物菌剂与不同外源添加剂针对沿海盐碱土的最佳组合；（2）阐明该组合调节土壤理化特性和微生物群落动态的潜在机制；（3）全面评估其对土壤多功能性的增强作用。这些目标旨在为沿海盐碱地的绿色可持续修复提供可靠的技术解决方案和理论基础。基于上述研究空白和研究目标，我们提出以下假设：（1）与单一施用相比，酸改性生物炭基微生物菌剂与特定外源添加剂的联合使用将显著降低土壤盐度和碱度；（2）预计这种集成改良方法将驱动微生物群落组装从随机调节转向确定性选择，从而导致土壤理化特性和群落动态发生变化；（3）预计这种组合的协同效应将增强土壤多功能性，基于先前报道的微生物特征，可能对碳封存和病原体抑制产生影响。

章节片段

地点描述与实验设计

田间实验在中国河北省沧州市南大港管理区进行（东经 117°20′-117°35′，北纬 38°21′-38°30′）。低海拔沿海地貌（海拔 2.9–5.4 米），结合浅地下水位和强烈蒸发，导致表面盐分积累和典型盐碱环境的发育。研究区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，特征是年均

土壤化学和生物特性

在土壤理化特性方面，BMF 和 BMOA 处理保持了显著更高的 TP、AP、SOM 含量（图 1B, C, E），而表现出比 CK 和 CF 处理显著更低的土壤 pH 和 EC 值（图 1F, G）。所有时期 TN 含量均未观察到显著变化。AN 含量先增加随后下降（图 1A, D），这可能归因于拔节期期间追肥的应用 [24]。酶活性

生物炭基微生物菌剂增强土壤养分有效性，改善土壤环境并促进小麦生长

盐碱胁迫通常以高 pH 值、高盐浓度和土壤结构差为特征，这严重损害作物的水分和养分吸收。它代表了限制盐碱土农业生产力的主要非生物约束。在本研究中，生物炭基微生物菌剂与肥料的合理联合施用，特别是与化肥（BMF）或有机酸（BMOA），协同增强了小麦产量

结论

通过田间小区实验，本研究系统阐明了生物炭基微生物菌剂（由酸改性生物炭作为耐盐植物根际促生细菌的载体组成）与化肥（BMF）或有机酸（BMOA）联合施用增强盐碱土中小麦生产力的协同机制。主要发现表明：（1）两种处理均通过降低土壤 pH

CRediT 作者贡献声明

李梦露: 写作 – 初稿，数据整理。 王宇: 调查。 王威帅: 写作 – 审查与编辑，验证，监督。 黄亚丽: 写作 – 审查与编辑，资金获取。 朱昌雄: 写作 – 审查与编辑。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会被认为影响了本文报告的工作。

致谢

我们感谢中国国家重点研发计划（2023YFD1902602-2）和养分资源高效利用国家重点实验室项目（KF2024-10）为本研究提供的资金。

李梦露 |王宇 |黄亚丽 |朱昌雄 |王威帅

河北科技大学环境科学与工程学院，中国石家庄，050018