生物炭基改良剂对轻度镉污染稻田土壤酶活性、微生物生物量及细菌群落的影响

《Frontiers in Microbiology》：Effects of biochar-based amendments on enzyme activity, microbial biomass, and bacterial communities in mildly cadmium-contaminated paddy soils

　　

轻度镉（Cd）污染严重制约了中国南方稻田土壤的安全利用。生物炭材料可钝化土壤Cd，但单一生物炭的综合改良效应往往有限。目前，系统揭示复合生物炭改良剂如何调控土壤酶活性、微生物生物量及细菌群落的田间研究仍显不足。本研究旨在明确水稻-油菜轮作田间条件下，复合生物炭改良剂对土壤酶活性、微生物生物量及细菌群落结构的响应。研究人员假设由生物炭、菜籽有机肥（ROF）、钙镁磷肥（CMPF）和黄腐酸（MFA）组成的复合改良剂能够优化土壤微生境，降低Cd生物有效性，激活养分循环相关酶，并稳定土壤细菌群落多样性。研究人员将玉米秸秆生物炭、竹生物炭和椰壳活性炭三种生物炭分别与ROF、CMPF和MFA按一定比例混合。结果表明，生物炭基改良剂使脲酶（S-UE）活性显著升高19.95%–42.09%（p < 0.05）；但酸性磷酸酶（S-ACP）活性降低。此外，蔗糖酶（S-SC）、硝酸还原酶（S-NR）和纤维素酶（S-CL）活性与对照（CK）相比无显著变化。生物炭基改良剂使土壤微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）分别显著升高30.10%–64.16%和12.07%–123.68%（p < 0.05）。玉米秸秆和竹生物炭改良剂显著升高微生物生物量磷（MBP），而椰壳活性炭改良剂降低MBP。细菌群落的Chao 1和Shannon指数均高于CK。变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和放线菌门（Actinobacteriota）在各处理中占优势。变形菌门和放线菌门相对丰度略有升高，酸杆菌门降低。绿弯菌门被玉米秸秆和竹生物炭富集，但被椰壳活性炭抑制。属水平上，生物炭基改良剂显著升高硫杆菌属（Thiobacillus）相对丰度，对其他属影响较小。综上，施用复合生物炭基改良剂改善了稻田土壤质量，促进了土壤细菌群落丰富度和多样性。本研究补充了生物炭基改良剂技术的微生态机制，为中国西南轻度Cd污染稻田土壤安全利用提供理论支撑与技术参考。

研究背景方面，土壤重金属污染已成为威胁农业安全与人体健康的全球环境问题，其中镉（Cd）在稻田土壤中迁移性与生物有效性高，易富集于稻米并通过食物链危害人体。原位钝化修复中，生物炭因低成本、环境友好且高效而被广泛认可，但单一生物炭成本高、改良不全面，且既有研究多聚焦盆栽模拟与宏观钝化率，缺乏真实淹水稻田下对土壤酶活性、微生物生物量及高通量细菌群落的系统联合解析。研究人员前期同田试验已阐明复合改良剂对Cd钝化与稻米品质的物理化学效应，但未触及微生物与酶的微生态响应这一维持修复稳定性的关键。为此，研究人员在四川南充蓬安轻度Cd污染紫色砂壤稻田开展水稻-油菜轮作田间试验，假设生物炭匹配常规肥剂的有机-无机复合改良剂能优化微生境、降Cd生物有效态、激活养分循环酶并稳定细菌多样性，从而填补上述空白。

关键技术方法上，研究人员布设完全随机区组田间试验，以CK及玉米秸秆生物炭（A组）、竹生物炭（B组）、椰壳活性炭（C组）各按20%、40%、60%比例搭配ROF、CMPF、MFA（各10%）形成A1–A3、B1–B3、C1–C3共9处理，每处理3重复、每小区20 m²，移栽前5天施改良剂10 t ha^?1。土壤理化采用pH计、Eh计、CEC淋洗法、ICP-OES测总Cd与DTPA-Cd；酶活性按比色法测脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、硝酸还原酶、纤维素酶、过氧化氢酶；微生物生物量碳氮磷用氯仿熏蒸提取法；细菌群落用OMEGA土壤DNA试剂盒提基因组，扩增高变区V3–V4（引物338F/806R），Illumina NovaSeq 250 bp双端测序，QIIME2+DADA2降噪得ASV，SILVA 132注释，结合α/β多样性、RDA、SparCC共现网络与PICRUSt2功能预测，统计用单因素ANOVA与LSD（p<0.05）。

研究结果部分，3.1材料表征与理化性质中，SEM-EDS与FTIR显示三种生物炭具分层孔架与芳香C=C、羧基、酚羟基，CMPF为磷酸盐晶体、ROF为有机团聚、MFA为絮状多孔；BET表明椰壳活性炭比表面95.6 m² g^?1最高，玉米秸秆生物炭pH 10.4最强碱。3.2土壤理化性质表明改良剂普遍升pH 0.03–0.39单位、降Eh 13.8%–20.8%、升TN、TP、CEC、SOC、DOC，DTPA-Cd降9.58%–27.10%，B3、A3、B2升pH显著，C1、A1、B1、B3降DTPA-Cd显著。3.3土壤酶活性与微生物生物量中，S-UE升19.95%–42.09%，S-ACP显著降（A3降35.61%最高），S-SC/S-NR/S-CL无显著变；MBC升30.10%–64.16%，MBN升12.07%–123.68%（B3最高123.68%），MBP在A3、B3显著升而在C2、C3降。3.4序列与细菌多样性中，30样本获1,249,595条高质量序列，优势门为Proteobacteria、Chloroflexi、Acidobacteriota、Actinobacteriota等占75%以上；相较CK，Acidobacteriota降、Actinobacteriota升，Thiobacillus在A3、B1、B2显著升。3.5 α多样性中Good’s覆盖>98%，Chao1在A3升32.27%，Shannon各处理升3.89%–10.58%，Pielou_e>85%。3.6群落结构中Venn显示核心ASV 19,799个，PCA中PC1/PC2解释56.6%/15%，A1近CK，玉米秸秆/竹生物炭组富集Chloroflexi（如Anaerolinea），椰壳活性炭组偏Gemmatimonadota与Bacteroidota。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出复合生物炭基改良剂通过提升pH、CEC与有机碳、降低DTPA-Cd，改善了土壤微生境，从而激活脲酶并扩充MBC/MBN，使细菌Chao1与Shannon升高、Proteobacteria与Actinobacteriota略增、Acidobacteriota缩减、Chloroflexi受秸秆/竹炭正向选择而受椰壳炭负向抑制，属水平Thiobacillus富集可能与硫氧化及Cd形态转化有关。结论为：施用由生物炭、ROF、CMPF和MFA构成的复合改良剂可改善轻度Cd污染稻田土壤质量，促进土壤细菌群落丰富度与多样性，优化酶活性与微生物生物量特征；该研究补充了生物炭基改良剂微生态机制，为中国西南地区轻度Cd污染稻田的安全利用提供了理论支持与技术参考。论文发表于《Frontiers in Microbiology》。