基于生物炭的产脲酶细菌调控以增强沙土稳定性及植物生长适应性

《CATENA》：Biochar-based mediation of urease-producing bacteria for enhanced sandy soil stabilization and plant growth adaptability

　　

生物炭通过提高产脲酶菌的截留率并减少菌体解吸，提升了微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的效率。H?O?氧化进一步增强了生物炭对MICP的促进作用。植物响应揭示了矿化胶结增强与根系生长之间的权衡关系。氧化玉米秸秆生物炭在机械稳定和植物生长响应两方面均表现出较优的整体性能。

引言
风蚀是干旱及半干旱地区土地退化的重要驱动因素，也是制约农业生产和生态安全的关键环境问题（Kheirabadi等，2018；Pierre等，2014）。由于降水稀少、蒸散强烈、植被稀疏和风频高等自然因素，这些地区表层土壤通常干燥、松散且内聚力弱，极易发生颗粒的脱离、搬运和沉积（Colazo和Buschiazzo，2015）。这一过程导致表土流失、土壤肥力下降和土地生产力降低，进而加剧风沙荒漠化及沙尘暴的发生，对空气质量、能见度和人类健康构成长期威胁（Jiang等，2024；Sun等，2024；Zhou等，2025a）。

风蚀强度受多种因素共同控制，包括土壤性质、地表粗糙度、气象条件、有效风程和植被覆盖度（Zou等，2015）。为应对这一问题，已有研究提出了多种土壤固结和风蚀防治措施，包括机械屏障材料、有机高分子类稳定剂和生物结皮（BSC）（Fattahi等，2020b，Fattahi等，2021a；Meng等，2021）。典型措施如草方格沙障，可通过增加地表粗糙度和削弱近地表风速来降低风蚀风险；然而，其实施通常需要大量材料投入和劳动力成本，限制了其在资源匮乏沙漠地区的广泛应用（Dai等，2019；Li等，2006）。黄原胶、瓜尔胶和结冷胶等环境友好型生物高分子材料已被越来越多地应用于土壤加固，在增强表层土壤强度和提高抗风蚀能力方面展现出可观潜力。然而，这些材料大多水溶，在降雨或遇湿条件下可能发生强度退化甚至丧失，从而影响其长期稳定性（Lee等，2022；Peng等，2017）。通过促进生物结皮形成和恢复自然生物过程来增强土壤抗风蚀能力，被认为是具有生态优势的管理方式。然而，在形成初期，生物结皮结构较为脆弱，在不利环境扰动下可能发生退化或破坏（Fattahi等，2020a；Ferrenberg等，2015；Huang等，2025）。尽管现有防治技术在一定程度上缓解了风蚀问题，但在成本效益、耐久性和生态适应性方面仍存在局限。因此，有必要探索更加高效、稳定且适合区域的干旱及半干旱地区风蚀防治策略。

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种新兴的土壤改良技术，依赖于微生物代谢活动及相关反应动力学。其基本机理是：选定的产脲酶菌催化尿素水解生成NH??和CO?2?，随后CO?2?与环境中的Ca2?反应沉淀出CaCO?（Mohsenzadeh等，2024；Wang等，2024a）。生成的CaCO?晶体可填充土壤孔隙并胶结土颗粒，从而降低土壤渗透性并增强强度和刚度（Omoregie等，2019；Van Paassen等，2010）。相关反应过程见式（1）和（2）。近年来，MICP在边坡和堤坝加固、污染土壤修复、裂缝修补、渗漏控制、沉降调控、水土保持及废水处理等领域被广泛研究（Eltarahony等，2020；Fu等，2023；Meng等，2021；Xue等，2026）。此外，MICP在风蚀防治和抑尘方面也展现出良好的应用前景（Wang等，2018；Zomorodian等，2019）。然而，MICP在干旱及半干旱地区沙漠土壤中的应用研究仍然有限。一方面，沙漠土壤贫瘠，保水保肥能力弱，可能限制微生物生长和碳酸钙沉淀，从而影响加固效果。另一方面，现有研究主要关注MICP对土壤力学性能和抗风蚀能力的改善，而固化土壤的生态功能，尤其是其适宜植物或作物生长的能力，仍缺乏深入了解（Cao等，2024；Naeimi等，2023；Zhou等，2026）。因此，开展MICP固化沙漠砂质土壤及其与植物建植相容性的研究，对于未来风蚀缓解策略的发展具有重要意义。

CO(NH?)? + 2H?O → 2NH?? + CO?2?
Ca2? + CO?2? → CaCO?↓

生物炭（BC）是在厌氧条件下通过农林废弃物热解转化产生的富碳材料（He等，2021）。它通常具有发达的孔隙结构、高比表面积和优良的阳离子交换能力，其表面富含含氧官能团，如羧基和羟基。这些理化性质赋予生物炭优异的保水保肥能力，使其在土壤改良中得到广泛应用（Gong等，2019；Khare和Goyal，2013；Liu等，2025）。此外，生物炭的孔隙和稳定结构可作为微生物的理想载体，提供附着位点和保护性微生境，有助于微生物在复杂或胁迫环境中的定殖和增殖（Gao等，2022；Luz等，2018；Zhou等，2025b）。同时，生物炭的表面结构可作为矿物沉淀的成核位点，促进CaCO?的形成和沉积，从而提高生物矿化效率（Pandey等，2020）。最近的研究表明，将生物炭引入MICP系统可产生协同效应，在维持微生物活性、促进沉淀成核和加速晶体生长方面发挥重要作用，从而显著改善土壤结构和工程性能（Liu等，2026）。

研究表明，生物炭的吸附性能及其作为微生物载体的能力在很大程度上取决于其理化性质，而这些性质受到原料类型、制备方法和热解工艺参数的强烈影响（El-Naggar等，2018；Wang等，2020）。使用H?O?对生物炭进行氧化改性可有效增加表面含氧官能团的丰度并增强表面电荷密度，同时对其孔隙结构和比表面积的影响相对有限（Wang和Wang，2019）。基于上述认识，本研究将生物炭引入基于MICP的砂质土壤固化系统，重点考察生物炭原料类型和氧化改性对其作为产脲酶菌载体功能性能的影响。具体研究内容包括以下方面：（i）以三种典型农林废弃物——玉米秸秆、松树锯末和核桃壳——为原料制备生物炭，并使用H?O?进行氧化改性。系统分析了不同生物炭类型在砂质土壤系统中对产脲酶菌的吸附行为及其内在机理。（ii）评价了不同生物炭辅助MICP处理对砂质土壤物理力学稳定性、抗崩解性能、养分动态变化及植物生长适应性的影响。（iii）从材料结构与功能的角度出发，筛选和评价了适合作为产脲酶菌载体的生物炭类型，阐明了生物炭-MICP联合系统的机理，确定了产脲酶菌的最佳复合载体材料。本研究旨在深化对生物炭理化性质如何调控生物炭辅助MICP系统中细菌截留和生物矿化的理解，并为开发具有风蚀防治应用潜力的砂质土壤固化策略提供依据。

## 砂质土壤

本研究使用的土壤样品采集自中国乌海—玛沁高速公路中卫段附近（104°57′55.69″E，37°33′44.39″N）。该土壤主要由中粒和细粒颗粒组成，粒径大于0.5 mm、0.5–0.25 mm、0.25–0.075 mm和小于0.075 mm的颗粒比例分别为14.36%、58.60%、24.37%和2.67%。土壤样品的物理性质和颗粒级配曲线分别见表1和图1。

## 细菌吸附与解吸

不同砂柱的细菌吸附动力学曲线如图2a和b所示。各砂柱中细菌的截留表现出明显的两阶段特征。在初始运行阶段（0–60 min），吸附迅速发生，吸附容量急剧增加，随后吸附速率逐渐下降。60–90 min后，系统进入饱和稳定阶段，并逐渐趋近动态平衡。这表明……

## MICP改善砂质土壤

结果表明，MICP处理能有效改变未经处理砂质土壤的基本特征，包括松散、低内聚力和结构稳定性差。对于未处理砂质土壤，颗粒间的物理接触是维持堆积结构的主要机制，缺乏稳定的胶结界面。因此，在外荷载或水力扰动作用下，土壤容易发生颗粒重排、分散和塌陷（Liu等，2023b）。

## 结论

本研究探讨了生物炭（BC）作为产脲酶菌载体在基于MICP的砂质土壤固化系统中的应用，重点关注了生物炭原料类型和氧化改性的影响。主要结论如下：

（i）MICP处理通过在砂粒表面和颗粒接触区沉积CaCO?，提高了砂质土壤的结构稳定性。然而，由此产生的矿物胶结也增加了根系穿透……

## CRediT作者贡献声明

周业雄：撰写——初稿撰写、调查研究、概念构思。刘大祥：项目管理、形式分析、概念构思。张江浩：可视化、方法论、数据整理。王林芝：验证、资源提供。沈维波：撰写——审阅与编辑、验证、经费获取。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究得到国家自然科学基金（U2243225和42577220）、榆林市科技计划项目（CXY-2022-170）、西安市科技计划项目（23NYGG0046和24NYGG0003）及陕西省政府教育服务地方特色计划项目（23JE017）的资助。

周业雄 | 刘大祥 | 张江浩 | 王林芝 | 沈维波