打开文本图片集

摘要：本研究通过田间试验的方法，系统评估生物炭与微生物菌剂联合施用对酸化土壤的改良效果及作用机制。结果表明，联合施用显著提高土壤pH 0.8-1.2个单位，总有机碳含量增加45%-62%，细菌数量提升2.1-2.8倍，微生物功能多样性指数提高34%-57%。机制分析表明，生物炭通过碱度中和与孔隙结构改善土壤物理化学性质，微生物菌剂通过代谢活动促进养分转化，二者协同构建"物理-化学-生物"三位一体的改良体系。研究为酸化土壤修复提供了技术支撑，并为新型土壤改良剂研发提供了理论依据。

关键词：生物炭；微生物菌；酸化土壤；改良效应；机制分析

引言：

土壤酸化已成为全球性农业环境问题。中国南方红壤区pH＜5.5的酸化土壤面积占比达42%，东北黑土区pH值年均下降0.05-0.1个单位。传统石灰改良法存在pH反弹、土壤板结等问题，而生物炭与微生物菌剂的联合施用因其环境友好、可持续性强等优势受到关注。生物炭通过其碱性特质和孔隙结构改善土壤环境，微生物菌剂则通过代谢活动加速养分循环，二者协同作用可能实现酸化土壤的深度改良。

一、材料与方法

（一）试验目的

本研究旨在通过田间试验与实验室测定相结合，系统分析、评估生物炭与微生物菌剂联合施用对酸化土壤的改良效应，揭示其协同作用机制，为酸化土壤修复提供技术方案与理论依据。

（二）试验材料

生物炭：以水稻秸秆为原料，在500℃限氧条件下热解制备，理化性质为：pH 9.2、比表面积128 m²/g、总孔容0.32 cm³/g、阳离子交换量（CEC）35 cmol/kg、灰分含量28.5%。

微生物菌剂：复合菌剂包含解磷菌（巨大芽孢杆菌）、固氮菌（圆褐固氮菌）和溶磷菌（胶质芽孢杆菌），有效活菌数≥2×10⁹ CFU/g，pH 7.0-7.5，菌体代谢产物含有机酸、植物激素及铁载体等。

供试土壤：采集自典型酸化农田（pH 4.8±0.2，有机质12.3 g/kg，交换性铝2.3 cmol/kg），土壤类型为红壤性水稻土，质地为黏壤土。

（三）试验设计

采用完全随机区组设计，设置4个处理组，每个处理3次重复，小区面积20 m²（5 m×4 m），具体如表1：

试验周期内种植水稻（品种：黄华占），常规施肥（N 180 kg/ha、P₂O₅ 90 kg/ha、K₂O 120 kg/ha），其他管理措施（灌溉、病虫害防治）一致。采样时间分别在基肥施用后30天、60天、90天和水稻收获期采集0-20 cm耕层土壤样品，每小区采用“S”形五点法混合取样。

（四）测定指标与方法

pH值：水土比2.5：1，pH计测定；

有机质：重铬酸钾外加热法；

交换性铝：1 mol/L KCl浸提，铝试剂比色法；

有效养分：碱解氮（碱解扩散法）、有效磷（NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法）、速效钾（NH₄OAc浸提-火焰光度法）。

微生物量碳：氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法；

微生物群落结构：高通量测序分析细菌16S rRNA基因V3-V4区，PLFA分析鉴定微生物生物量及群落组成；

微生物功能多样性：BIOLOG ECO板测定碳源代谢特征，计算Shannon指数、Simpson指数及AWCD值。

脲酶：苯酚钠比色法（以NH₄⁺-N含量表示）；

蔗糖酶：3，5-二硝基水杨酸法（以葡萄糖含量表示）；

过氧化氢酶：高锰酸钾滴定法（以0.1 mol/L KMnO₄消耗量表示）。

株高、茎粗：水稻分蘖期、抽穗期测定；

产量构成：成熟期测定有效穗数、每穗粒数、千粒重，计算实际产量。

二、结果与分析

（一）土壤酸度改良效应

联合施用处理土壤pH值从4.8提升至5.9，显著高于单施生物炭（5.3）和单施微生物菌剂（5.1）。机制分析表明，生物炭通过直接中和作用提高pH，而微生物菌剂通过代谢活动促进硝化作用，减少H⁺积累。XRD分析显示，生物炭中的碳酸盐矿物（如CaCO₃）与土壤H⁺发生中和反应，生成CO₂和H₂O。

（二）土壤养分提升效应

联合施用使土壤有机碳含量从12.3 g/kg提升至19.8 g/kg，增幅达62%。生物炭的孔隙结构（平均孔径15-20 nm）为微生物提供栖息场所，微生物菌剂分泌的胞外酶（如纤维素酶、蛋白酶）加速有机质分解。宏基因组测序显示，联合施用处理中参与碳循环的基因（如β-葡萄糖苷酶基因）丰度提高2.3倍。

（三）微生物群落结构优化

高通量测序结果表明，联合施用使细菌群落Shannon指数从3.2提升至4.7，拟杆菌门（Bacteroidetes）相对丰度增加18%，而酸杆菌门（Acidobacteria）减少12%。PLFA分析显示，革兰氏阳性菌/阴性菌比值从0.45提高至0.68，表明微生物群落稳定性增强。

（四）酶活性协同增强

联合施用使脲酶活性提高至12.3 mg NH₄⁺-N/（g·24h），蔗糖酶活性提升至38.6 mg葡萄糖/（g·24h）。生物炭的吸附作用稳定酶蛋白构象，而微生物菌剂分泌的辅酶（如FAD、NAD⁺）促进酶促反应。

三、机制分析

（一）物理-化学协同作用

生物炭的孔隙结构（中孔占比65%）为微生物提供庇护所，避免极端pH环境胁迫。SEM观察显示，微生物菌剂中的细菌在生物炭表面形成生物膜，厚度达3-5 μm。

（二）生物-化学协同作用

微生物菌剂分泌的有机酸（如草酸、柠檬酸）促进生物炭表面铁铝氧化物的溶解，释放被固定的磷素。同步辐射X射线吸收近边结构（XANES）分析表明，联合施用使土壤有效磷含量从15.2 mg/kg提升至28.6 mg/kg。

（三）电子传递网络构建

生物炭表面的持久性自由基（PFRs）与微生物细胞色素c之间发生直接种间电子转移（DIET），加速有机污染物降解。EPR检测显示，联合施用处理中PFRs浓度为1.2×1017 spins/g，显著高于单施生物炭（0.8×1017 spins/g）。

讨论：

相较于石灰改良，联合施用处理土壤pH稳定期延长至18个月，而石灰处理组在12个月后出现pH反弹。原因在于生物炭的碳封存作用（碳库稳定性达200-300年）持续中和土壤酸度，而微生物菌剂通过代谢活动维持土壤缓冲体系。联合施用处理作物产量提升32%-45%，化肥用量减少20%-30%。按水稻价格3元/kg计算，每公顷增收4500-6000元，扣除生物炭（1500元/t）和菌剂（300元/kg）成本后，净收益增加2500-4000元。

结论：

生物炭与微生物菌剂联合施用通过"碱度中和-孔隙保护-代谢驱动"三位一体机制，实现酸化土壤的深度改良。该技术体系具有以下优势，生物炭的碳封存作用维持pH稳定期达18个月以上；微生物菌剂促进生物炭表面养分释放，生物炭为微生物提供栖息场所；减少化肥用量20%-30%，降低农业面源污染风险。

参考文献：

[1]赵晶玉.生物炭基微生物菌剂—印度芥菜联合修复镉污染土壤研究[D].河南工业大学，2024.

[2]金明兰，赵海川，李华南，等.秸秆生物炭与生物菌剂协同处理对土壤中重金属和抗生素的影响[J].北方园艺，2024，（18）：84-91.

[3]邵亚旭.载体型微生物菌剂的制备及对盆栽大豆性状影响[D].黑龙江八一农垦大学，2024.

[4]张亚琪.生物炭协同微生物菌剂修复对镉胁迫下水稻及其微生境影响的研究[D].北方民族大学，2024.

[5]张思雨.新型炭基微生物菌剂制备与试验研究[D].黑龙江八一农垦大学，2023.D

[6]庞宁.复合微生物菌剂促进水稻改良盐碱地的研究[D].吉林农业大学，2021.