生物炭对灌溉农田酶活性、呼吸作用及微生物种群的影响

《Frontiers in Microbiology》：Impact of biochar on enzyme activity, respiration, and microbial population in irrigated farmland

　　

摘要翻译：本研究旨在探究两种氮肥水平下，不同生物炭施用量对小麦产量、土壤微生物活性、酶功能及CO?排放的影响，以确定改善土壤健康与减少排放的最优策略。采用随机区组设计，设置八个处理组合，包括两种氮肥用量（常规氮N1：300 kg·ha^?1，减量氮N2：255 kg·ha^?1）和四个生物炭水平（0、10、20、30 t·ha^?1）。研究人员分析了土壤微生物群落、呼吸作用、酶活性及CO?排放。结果表明，生物炭整体上提高了土壤微生物活性和多样性。在常规氮配合中量生物炭（N1B2）处理下，微生物活性指数最高。所有生物炭处理均提高了微生物多样性，酯类为微生物利用的主要碳源。减量氮配合中量生物炭（N2B2）处理较单独减量氮处理使累积CO?排放量降低4.42%。氮肥和生物炭均提高了蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性。研究得出结论：减量施氮（255 kg·ha^?1）配合中量生物炭（20 t·ha^?1）是改善灌溉小麦田土壤微环境并减少CO?排放的最优策略，但其长期效应需进一步评估。

论文解读：

一、研究背景与目的

干旱和半干旱地区在全球粮食安全中具有关键作用，但面临着气候变化和可持续农业生产的多重挑战。中国典型的干旱灌溉农业区（如新疆）土壤碳库稳定性低，氮肥利用效率有限。长期过量施肥虽然维持了作物产量，却导致土壤质量退化和温室气体排放增加。在全球碳中和和可持续农业背景下，需要通过综合土壤管理策略协同提升土壤肥力和碳固持能力。生物炭施用是改善土壤健康和增强碳固持的关键策略之一，其多孔性和化学稳定性可改善土壤有机碳的物理保护和化学吸附，同时通过塑造微生物栖息环境影响土壤碳氮循环。然而，现有研究多聚焦于短期单一生物炭施用的效应，对长期施肥条件下生物炭与氮肥协同作用所驱动的微生物机制认识不足。尤其是在土壤水分和养分耦合明显的干旱地区，生物炭对微生物能量获取策略、胞外酶活性及微生物种群功能演变的影响仍不明确。因此，研究人员在新疆北部典型灌溉农田开展田间试验，旨在评估常规施氮和减量施氮条件下不同生物炭施用量对（i）可培养土壤微生物碳源利用特征和功能多样性，（ii）土壤蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性，以及（iii）灌溉小麦农田土壤呼吸动态和累积CO?排放的影响，并分析这些响应是否受生物炭用量、施氮量及其交互作用的影响。研究人员假设生物炭会以剂量依赖方式改变微生物碳源利用特征和土壤酶活性，且这些响应取决于施氮水平；同时假设在减量施氮条件下，中等生物炭施用量相比不施生物炭的减量氮处理可降低土壤累积CO?排放，而更高生物炭用量不一定产生额外减排效果。

二、主要技术方法

田间试验位于新疆奇台小麦试验站，供试土壤为砂壤土，基础理化性质为pH 8.3、有机质13.8 g·kg^?1、全氮2.2 g·kg^?1、盐分1.4 g·kg^?1等。生物炭为玉米秸秆在450°C热解4 h制备，pH 9.3，全氮21.8 g·kg^?1。采用随机区组设计，设2个氮水平（N1: 300 kg·ha^?1，N2: 255 kg·ha^?1）和4个生物炭水平（B0: 0，B1: 10 t·ha^?1，B2: 20 t·ha^?1，B3: 30 t·ha^?1），共8个处理组，每处理3次重复，小区面积9 m²。春小麦品种为“新春37号”，2021年4月12日播种。关键测定方法包括：利用BIOLOG ECO微孔板分析土壤微生物碳源利用的功能多样性，计算平均颜色变化率（AWCD）及Shannon、Simpson和McIntosh多样性指数；采用LI-8100自动土壤CO?通量系统监测小麦生育期土壤呼吸速率并计算累积CO?排放量；采用二硝基水杨酸比色法、酚钠-次氯酸钠比色法和高锰酸钾滴定法分别测定蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性，并计算三种酶活性的几何平均值（GMEA）。采用双因素方差分析评价氮肥、生物炭及其交互作用的影响。

三、研究结果

1. 生物炭用量对土壤微生物碳代谢活性的影响

AWCD反映土壤微生物利用碳源进行代谢活动的程度。随着培养时间延长，各处理土壤微生物碳源利用呈S型增长趋势。培养0–36 h微生物活性较弱，AWCD缓慢上升；36–120 h进入快速增长期；120 h后趋于稳定。与N1B0相比，所有处理组的微生物碳利用效率均提高，其中常规氮配施中量生物炭（N1B2）处理的微生物活性最强。

2. 生物炭用量对多样性指数的影响

生物炭添加显著改变了土壤微生物的Shannon和McIntosh指数（p < 0.05）。N1B2处理获得最高的McIntosh指数（6.54），较N1B0提高20%；Shannon指数随氮肥和生物炭添加量增加而上升。双因素方差分析显示，氮肥、生物炭及其交互作用对微生物功能多样性均有显著影响。

3. 生物炭施用对土壤微生物碳源利用能力的影响

BIOLOG ECO板含31种碳源，分为6类。各处理中酯类碳源的平均利用率最高，胺类次之，氨基酸利用率总体较低。与N1B0相比，生物炭与氮肥配施提高了土壤微生物的整体碳源利用能力。糖类利用在N1B1处理下最高；酯类利用峰值出现在N2B1处理（OD??? = 1.38）；酸类利用在N1B3处理下最高（OD??? = 1.15）；胺类利用在所有处理中均低于N1B0。主成分分析（PCA）表明，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分别贡献44.4%和32.6%的方差，累计贡献77%；不同处理组在PCA图中分布于不同象限，表明生物炭与氮肥联合施用改变了可培养土壤微生物的碳代谢功能组成。

4. 生物炭用量对土壤累积CO?排放的影响

小麦生育前期（0–48天）各处理累积CO?排放快速上升，后期（48–84天）上升趋缓。与N1组相比，N2组CO?总释放量明显增加。在N1组中，累积CO?排放随生物炭用量增加而升高，N1B3、N1B2和N1B1处理分别较N1B0增加41.2%、51.9%和34.3%（p < 0.05）。N2组趋势相似，但N2B2处理的累积CO?排放最低（429.45 g·m^?2），较N2B0降低4.4%。

5. 氮肥和生物炭用量对土壤酶活性的影响

脲酶活性在各处理间差异显著（p < 0.05）。无生物炭条件下，N2B0较N1B0脲酶活性高33.7%；常规氮水平下，脲酶活性随生物炭用量先升后降，N1B2处理最高（45.84 mg·100 g^?1·3 h^?1），较N1B0提高60.5%。蔗糖酶活性在N2B0较N1B0高17.2%；N1组中N1B2处理最高（1.14 m·g^?1）；N2组中N2B3和N2B1分别较N2B0提高9.32%和11.89%。过氧化氢酶活性N2B0较N1B0高7.8%；N1B2处理最高（4.97 mL·g^?1）；N2组各生物炭处理较N2B0提高7.8%–11.7%。各处理的总酶活性（GMEA）均显著高于N1B0，N1B2处理最高（5.97）。

四、讨论与结论

研究人员利用BIOLOG ECO生态板证实，生物炭与氮肥联合施用显著提高了AWCD、Shannon指数和McIntosh指数，表明微生物活性明显增强。这一协同效应可能源于生物炭的孔隙结构改善土壤通气性和养分吸附能力，为微生物提供适宜栖息环境；而减量施氮降低了土壤有效氮，抑制了需氧自养固氮菌和氨化细菌的生长，导致N2组微生物活性低于N1组。碳源利用特征分析显示，联合施用改变了微生物的碳代谢功能谱，且响应依赖于生物炭剂量；但高剂量生物炭可能通过提高pH、盐分等物理化学限制因素对微生物产生抑制，具体抑制因子尚需进一步研究。关于土壤CO?排放，研究指出本试验所测定的CO?通量仅代表土壤CO?释放（包括根系呼吸和异养微生物呼吸），并未测定净碳平衡。生物炭向土壤添加了稳定碳，其温室气体净效应取决于生物炭固碳与原生有机质矿化激发效应之间的权衡。在多数处理组合下，生物炭刺激了土壤CO?释放，而N2B2处理较N2B0出现适度降低。酶活性的升高可能反映了微生物代谢活性增强或可培养微生物群落功能组成的变化，但由于未直接测定微生物生物量碳或细胞丰度，尚不能将其归因于生物量增加。

研究结论认为：生物炭处理可通过影响土壤关键酶活性改善土壤状况，其对土壤CO?释放的影响取决于施用量。在新疆北部灌区农田短期施用生物炭可维持或改善作物产量，但可能无法完全减少CO?释放。在试验条件下，N2B2处理（减量氮配合中量生物炭）的累积CO?排放量最低。然而，由于本研究仅测定了土壤CO?释放通量而非全碳平衡，净碳固持潜力需通过长期土壤有机碳库监测进一步评估。尽管如此，N2B2作为减少北疆灌区麦田CO?释放的潜在施肥策略，仍需长期观测验证。