《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Characterization of cattle manure-derived biochar and its synergistic effects with inorganic and organic fertilizers on soil properties, microbial community, and forage maize yield
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生物炭对土壤肥力和植物生长的影响取决于其原料、理化性质和孔隙结构。然而，牛粪生物炭在实践中应用较少，其对作物产量的提升效果及内在机制仍不清楚。本研究对200?°C至600?°C热解得到的牛粪生物炭进行了性质和结构表征，随后开展田间试验，探究生物炭单独施用及其与
生物炭对土壤肥力和植物生长的影响取决于其原料、理化性质和孔隙结构。然而，牛粪生物炭在实践中应用较少，其对作物产量的提升效果及内在机制仍不清楚。本研究对200?°C至600?°C热解得到的牛粪生物炭进行了性质和结构表征，随后开展田间试验，探究生物炭单独施用及其与无机肥或有机肥配施对土壤性质、微生物群落结构以及玉米生长和产量的影响。综合考虑生物炭产率、孔隙特征、比表面积和官能团保留情况，选定300?°C为适宜热解温度，该条件下生物炭产率较高，达75.93%。结果表明，将无机肥施用量减少50%并配施生物炭（FB50）处理的玉米产量为63.33 t·hm?2，比全量无机肥处理（F；57.67 t·hm?2）高9.83%，尽管差异未达到统计学显著水平，但提示了减少化学肥料用量的可持续途径。生物炭可能通过支持关键微生物类群（如Chloroflexi、Proteobacteria和Firmicutes）改善玉米生长，这些微生物参与养分循环和酶活性调控。此外，生物炭与有机肥配施改善了土壤性质和微生物多样性，但未提高玉米产量。具体而言，全量有机肥配施生物炭（MB100）处理使土壤pH由4.78提高至5.31，土壤有机碳较单施有机肥（M）处理提高75.22%。总体而言，牛粪生物炭提供了一种实用的废弃物管理方案，可在减少化学肥料依赖的同时改善作物产量和土壤健康。
**牛粪生物炭的性质表征及其与无机肥和有机肥配施对土壤性质、微生物群落和饲用玉米产量的协同效应——论文解读**
**1. 研究背景与科学问题**
生物炭固碳被视为减少碳排放、缓解气候变化的潜在重要策略。生物炭富含碳且具有多孔结构，能够改善土壤理化性质、增强养分持留能力，从而促进作物养分吸收和生物量增加。然而，生物炭的原料来源从根本上决定其元素组成、官能团、孔隙度和比表面积等性质。植物源生物炭以纤维素、半纤维素和木质素为主，而动物源生物炭主要由蛋白质和多糖构成，二者热解后所得产物的理化特征差异显著。牛粪作为畜禽废弃物，若处置不当会释放污染物，危害空气质量和地表水、地下水安全；将牛粪转化为生物炭既能实现废弃物资源化，又可能带来农业和环境效益。尽管已有研究表明牛粪生物炭可提高生物量，但其对土壤性质和作物生长的具体影响仍未完全阐明。另一方面，过量施用化学肥料导致土壤酸化、有益微生物减少、土壤肥力下降等问题。生物炭与肥料配施被认为是减少化肥依赖、提升土壤肥力的可持续途径，但现有研究结果并不一致，甚至出现生物炭与有机肥配施降低作物产量的报道。因此，有必要系统探究牛粪生物炭单独施用及其与无机肥或有机肥配施对土壤性质、微生物群落和作物产量的影响。
**2. 研究内容与主要结论**
研究人员以牛粪为原料，在200?°C至600?°C不同温度下热解制备生物炭，通过形态学和光谱学表征筛选出性质较优的生物炭，随后开展田间试验，设置生物炭（B）、无机肥（F）、50%无机肥+生物炭（FB50）、100%无机肥+生物炭（FB100）、有机肥（M）、50%无机肥+有机肥（FM50）、50%有机肥+生物炭（MB50）、100%有机肥+生物炭（MB100）共8个处理，测定土壤理化性质、土壤酶活性、细菌和真菌群落结构以及玉米生长和产量指标。主要结论如下：300?°C是制备牛粪生物炭的适宜热解温度，该温度下生物炭产率为75.93%，兼具较大孔径、较高比表面积和较丰富的官能团；FB50处理在减少50%无机肥用量的情况下，玉米产量较全量无机肥处理（F）提高9.83%（差异不显著），表明生物炭可部分替代化学肥料而不损失产量；生物炭与有机肥配施（MB50、MB100）显著改善土壤pH、有机碳和微生物多样性，但未提高玉米产量。研究还发现，Chloroflexi、Proteobacteria和Firmicutes等关键微生物类群与土壤酶活性和磷循环密切相关，可能是生物炭促进玉米生长的微生物学机制。
**3. 关键技术方法**
研究人员采用扫描电子显微镜（SEM）观察生物炭表面形貌，利用氮气吸附Brunauer–Emmett–Teller（BET）法测定比表面积和孔隙参数，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定官能团。田间试验位于贵州省畜牧兽医研究所公牛站（贵州省黔西市；E 105°55′23″，N 26°58′1″），采用随机区组设计，3次重复。土壤理化性质分析包括pH、有机碳、阳离子交换量（CEC）、速效氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）和微生物生物量碳；土壤酶活性测定包括N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶和脲酶。微生物研究提取土壤总DNA，扩增细菌16S rRNA基因V3/V4区和真菌ITS1区，在Illumina MiSeq PE300平台测序，利用QIIME分析α多样性，基于Bray–Curtis距离进行主坐标分析（PCoA），通过LEfSe（LDA>3.0，p<0.05）鉴定差异标志微生物，并采用PICRUSt2和FUNGuild分别预测细菌和真菌群落功能。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验，并用Mantel检验和Pearson相关性分析揭示微生物群落与土壤性质、植物生长变量的关联。
**4. 主要研究结果**
**4.1 牛粪生物炭制备与表征**
热解温度显著影响生物炭产率：200?°C时产率为92.43%，300?°C降至75.93%，400?°C急剧下降至39.73%，此后降幅趋缓。比表面积在200?°C–400?°C时较低（最高8.15 m2·g
?1），500?°C和600?°C时分别升至20.49和31.42 m2·g
?1。平均孔径在400?°C时最大（334.1 nm），600?°C时最小（54.0 nm）。FTIR结果显示，200?°C和300?°C生物炭含有–OH、C–H、C=O、C–O等官能团，温度高于400?°C后这些官能团减少或消失。综合考虑产率、孔隙特征、比表面积和官能团保留，300?°C被选定为目标热解温度。
**4.2 生物炭对土壤理化性质的影响**
与单施无机肥（F）或有机肥（M）相比，单施生物炭（B）显著提高土壤pH。生物炭与有机肥配施呈剂量依赖地提高pH（MB100>MB50>M）。生物炭添加至无机肥中反而降低pH（FB100最低）。生物炭与肥料配施显著提高土壤有机碳含量，呈剂量依赖效应（FB100>FB50>F；MB100>MB50>M）。无机肥处理（F、FB50、FB100）的AK和AP含量显著高于有机肥处理（M、MB50、MB100），而FM50的AK和AP高于FB50和MB50，说明无机肥对速效养分的贡献大于生物炭。各处理间AN无显著差异。
**4.3 土壤酶活性响应**
MB50处理N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性最低，但MB100恢复至较高水平。F处理中N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性较高，而FB50和FB100中这些酶活性降低。F处理脲酶活性最低，但配施生物炭（FB50、FB100）显著提高脲酶活性。生物炭与有机肥配施（MB50、MB100）较M处理显著增强蔗糖酶活性。总体上，F和FM50处理的所有酶活性均高于其他处理。
**4.4 微生物群落组成与多样性**
16S rRNA和ITS测序表明，MB100具有最多的细菌和真菌独有OTU（分别为866和1062），FB50和FB100独有OTU较少。B和MB100的细菌Shannon和Simpson指数显著高于FB100，真菌Shannon指数在FB50中显著降低。PCoA显示不同施肥方式显著改变细菌和真菌群落结构。在门水平，Proteobacteria和Actinobacteriota为优势细菌门，占各处理总丰度的85%以上；真菌中Ascomycota占绝对优势，其次为Mortierellomycota、Basidiomycota和Chytridiomycota。
**4.5 差异标志微生物**
LEfSe分析显示，生物炭处理（B）的标志细菌包括Actinobacteriota、Acidobacteriota、Myxococcota和Chloroflexi；F处理富集Gammaproteobacteria、Xanthomonadales等10个主要细菌类群；MB100富集Rhizobiales、Firmicutes（如Bacillus）和TK10谱系；FB50和FB100富集Chloroflexi。真菌方面，B处理富集11个Ascomycota标志物，M处理以Epicoccum和Agaricomycetes为标志，MB100富集14个类群且多数属于Ascomycota。生物炭与有机肥配施增加Ascomycota和Rozellomycota丰度，降低Basidiomycota丰度。
**4.6 微生物功能预测**
PICRUSt2预测显示，F处理富集26个细菌功能类别，包括氨基酸代谢、外源物质降解和碳水化合物代谢；FB50富集脂肪酸代谢、鞭毛组装和叶酸生物合成；MB100富集芳香族氨基酸生物合成、能量代谢和维生素相关途径。FUNGuild预测表明，B处理以腐生真菌为主，MB100富集针对粪便、凋落物和木材分解的腐生真菌，FB50和FB100则表现出外生菌根和病原菌相关功能。
**4.7 玉米生长与产量**
FB100处理具有最高的株高和穗位高，B处理最低。FB50和FB100显著增加玉米整株重量，且FB50的穗直径与有机肥处理相当。生物炭单独施用（B）的玉米产量最低；FB50产量较B提高49.61%，较F和FB100分别高9.83%和2.39%（差异不显著）。生物炭与有机肥配施（MB50、MB100）与单施有机肥（M）相比未显著提高产量。
**4.8 微生物与土壤及植物生长的关系**
Mantel检验和Pearson相关分析表明，Firmicutes相对丰度与土壤有机碳、脲酶和β-葡萄糖苷酶活性显著正相关；Proteobacteria与CEC、AP、AK以及玉米整株重量和产量显著正相关；Chloroflexi与土壤有效磷及叶片性状强相关；Basidiomycota虽与土壤性质无显著相关，但显著影响穗重和穗直径。这些结果支持生物炭通过调节关键微生物类群促进养分循环和玉米生长的假设。
**5. 讨论与结论**
研究人员指出，300?°C热解牛粪生物炭具有大孔结构和丰富官能团，有利于土壤微生物定殖和养分转化。生物炭对土壤理化性质的影响具有双重性：与有机肥配施可提高pH和有机碳，而与无机肥配施则可能因化肥产酸超过生物炭缓冲能力而无法改善土壤pH。生物炭对酶活性的影响取决于配施对象和比例，既能抑制也能激活特定酶。无机肥是速效养分的主要贡献者，而生物炭通过改善微生物群落间接促进养分有效性。减少50%无机肥并配施生物炭（FB50）可获得与全量化肥相当的玉米产量，为减肥增效提供可行路径；生物炭与有机肥配施虽未增产，但显著提升了土壤肥力和微生物多样性。研究局限性在于仅为单季、单点田间试验，长期效应需进一步多年多点验证。总体而言，牛粪生物炭在废弃物资源化、减少化肥依赖和改善土壤健康方面具有应用潜力。
