生物炭对土壤酶活和细菌群落的影响及其作用机制

摘要：生物炭因其独特的理化性质能够提高土壤碳氮矿化速率及改善土壤微生态环境，因此探索生物炭调控土壤微生态环境与土壤酶活及其作用机制对改善土壤质量具有重要意义。采用大田试验方式研究不同生物炭施用水平 0(CK2)、0.6(T1)、0.9(T2)、1.2(T3)和1.5(T4)t·hm-2以及完全空白对照(CK1：不施任何肥料和生物炭)对土壤养分、土壤酶活和细菌群落结构的影响。结果表明，生物炭施用后土壤容重降低，pH 值、速效磷、速效钾、有机质含量和碳氮比均升高，较CK2 处理提高的范围分别为0.32%~5.83%、14.09%~23.16%、0%~38.70%、7.49%~14.16%和4.06%~10.13%。随着生物炭用量的增加，4 个土壤酶活性均呈现先升高后降低的趋势；蔗糖酶(INV)、脲酶(URE)、过氧化氢酶(CAT)和中性磷酸酶(NPH)分 别较CK2 处理提高的范围为63.73%~166.37%、117.52%~174.03%、12.98%~23.59%和60.84%~119.71%。与此相对应的细菌多样性显著提升，尤其是增加了芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和变形菌门(Proteobacteria) 等促生菌的丰度；减少酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)的丰度。相关性分析表明土壤碳氮比是影土壤酶活性的关键影响因素，且土壤酶活又与细菌多样性存在显著的正相关关系；上述4 种土壤酶活与芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的相对丰度呈现极显著正相关关系(P<0.01)，其中CAT 是影响细菌群落结构的关键因子。本研究揭示了生物炭对土壤酶活及微生物菌落影响作用机制，为生物炭调控土壤酶体系和微生态生物学环境提供了理论依据。

土壤微生物是土壤酶的重要来源，土壤中所有的生物化学反应都有土壤酶的参与，土壤酶会影响土壤微生物数量及其群落结构。因此，生物炭施用后根际土壤研究重点之一就是土壤微生物与土壤酶活之间的关系。目前已有大量研究表明施用生物炭能够影响土壤酶活及土壤微生物多样性。Oleszczuk 等的研究通过将生物炭添加到蔬菜地土壤中发现，生物炭能够保护土壤酶且会提高大部分酶的活性。生物炭对不同土壤酶活性的影响是不同的，许云翔等的研究发现施用6a 生物炭后土壤脲酶活性增加量最大能达到36.5%，土壤酸性磷酸酶活性随着生物炭施加量的增加而增加，过氧化氢酶和多酚氧化酶的活性均降低。如今生物炭对细菌的影响已有大量报道，如Xu 等的研究发现经过生物炭处理后土壤细菌多样性增加，且与生物炭添加量呈正相关。对于生物炭影响土壤细菌的原因，Lehmann 等的研究认为土壤中添加生物炭能够促进细菌与其他菌根形成共生体，改善土壤生态系统中的细菌多样性；同时Ameloot 等的研究发现生物炭能够为土壤细菌提供一个舒适的栖息环境，因此而刺激土壤细菌功能和群落多样性发生变化；也有研究指出生物炭影响土壤微生物的活性和群落结构是由于生物炭可以改变微生物定殖栖息地的理化性质。基于此Nielsen 等提出微生物群落的转变可以与添加生物炭后养分周转和利用的变化相结合。

生物炭在应对农业发展、环境污染、气候变化和能源危机等方面具有重要的潜力。生物炭施用的土壤修复方式能够影响土壤肥力变化的发展方向与程度，而以土壤酶活及土壤微生物特征为代表的土壤生物学肥力又是揭示土壤变化规律和演变趋势的重要指标。目前的研究多聚焦于生物炭对土壤酶活和微生物多样性的影响等方面，但对于土壤酶活与细菌门类的相关关系及其作用机制研究鲜见报道。基于此，本研究通过田间试验，分析了不同生物炭添加量对土壤酶活、土壤细菌群落多样性、细菌门类的影响及其三者之间的相关性，通过探索施用生物炭后驱动土壤微生态变化的机制，以期为土壤保育和根际微生物定向调控提供科学依据。

生物炭能够显著提高4 种土壤酶活及土壤养分，且高添加量生物炭的作用大于低添加量生物炭。土壤养分及理化性质的改变，促进了根际土壤细菌群落的变化。生物炭作用过程中发现土壤碳氮比是影响土壤酶活性的关键因子之一，土壤酶活与芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)存在极显著正相关，与放线菌门 (Actinobacteria)存在极显著负相关关系(P<0.01)，CAT 是影响细菌群落结构的关键因子。可见生物炭在调控土壤微生态方面具有重要的生态学意义，可在一定程度上增加细菌多样性及改变菌群结构。综合以上研究结果，施用 1.2 t·hm-2 的生物炭为较适宜的添加量。