研究| 生物炭对土壤微生物特性带来的影响

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农环格格有话说：

         9月23日周五（农历八月二十三），大家早安！！

今天文章讲述：

生物炭对土壤微生物量、微生物群落结构及土壤酶活性的影响，以此了解未来的研究方向。作者表述目前生物炭对土壤微生物特性影响的研究尚不够深入，未来应进一步探索生物炭与土壤微生物之间的相互作用机理。

来源：《南京林业大学学报》2016年2月29日出版。原标题：《生物炭对土壤微生物特性影响研究进展》。

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文   周之栋，卜晓莉，吴永波，薛建辉

南京林业大学南方现代林业协同创新中心,

南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037

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❖生物炭与土壤微生物

生物炭是在低氧条件下生物质经过热裂解得到的含碳丰富的产品，其可提高土壤酸碱度，具有保水保肥及改善土壤微生物特性等功能。

研究表明

生物炭的碱性性质及多孔性质提供了适宜微生物生长的微环境，从而增加了土壤微生物量碳、微生物量氮等的含量；生物炭含有的营养物质及多孔性质，促进了土壤中细菌及某些功能菌的生长，但同时生物炭中含有的重金属及多环芳烃等有毒物质对细菌生长存在抑制作用；相比于土壤细菌，生物炭高的 C/N 和大量难降解碳化合物更有利于土壤真菌生长，并且生物炭具有较大的孔隙度为真菌菌丝提供了附着位点；生物炭对微生物的促进作用间接提高了土壤中脱氢酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶等土壤酶活性。

❖生物炭对微生物特性影响的研究较少

制作生物炭的原料主要有农作物秸秆、畜禽粪便、木材加工剩余物、草类等。热解温度是影响生物炭特性的主要因素，研究发现随着热解温度的升高，生物炭芳香度和灰分含量增加，比表面积增大，pH 值升高，阳离子交换量降低。由于生物炭比未经过处理的生物质在土壤中稳定性高，且对植物生长及土壤性质具有改善作用，因此常被用作土壤改良物质。目前，有关生物炭改善土壤理化性质的研究报道中，普遍认为生物炭可以提高土壤阳离子交换量、养分保持和保水性，中和酸性土壤，促进对污染物的吸收等。而有关生物炭对微生物特性影响的研究较少，主要集中在微生物量、微生物群落结构、微生物功能、土壤酶活性等方面。微生物在土壤营养物质循环中起着主要作用，同时提供重要的生态系统服务功能。

目前，农业生产活动，如大量无机肥的施入，对土壤微生物群落结构产生重大影响，严重破坏了土壤微生物群落结构，减少了土壤微生物的多样性。生物炭具有巨大的比表面积和较高的孔隙度，可为土壤微生物提供栖息场所，保护其免受捕食者的捕食，并且提供微生物生长代谢所需的营养物质。因此，添加生物炭可以改善土壤微生物性质。

笔者对生物炭对土壤微生物特性影响的已有研究进行综述，分析添加生物炭后，土壤微生物群落结构、微生物丰度、土壤酶活性的变化及其原因，同时探索未来生物炭影响土壤微生物特性的研究方向，为进一步研究其相互作用机理提供参考依据。

生物炭对土壤微生物生物量的影响

土壤微生物生物量是土壤所有微生物的总量，对土壤营养循环和植物生长起重要作用。生物炭添加使土壤 pH 值升高，提供适宜微生物生长的土壤碱性微生境，有利于提高土壤微生物活性，增加土壤微生物丰度。

生物炭热解过程中残留的生物质油和不稳定的化合物吸附到生物炭表面，提供微生物生长代谢的主要底物，生物炭施入土壤后，短期内其结构会有变化，主要是表面的氧化，可以在一定程度上为土壤微生物提供碳源。此外生物炭的多孔性质使其对无机营养元素和可溶性有机碳具有较强的吸附能力，同时提高了土壤孔隙度，为微生物的生长繁殖提供了适宜的场所。Bargmann 等施加 2%和 4%（炭土质量比，下同）甜菜根和啤酒糟生物炭 8 周后发现，与不施加生物炭对照土壤相比，施加生物炭后土壤微生物量碳显著增加，土壤微生物量氮也增加 30%。Jien 和 Wang 施加 5%比例银合欢木材制成的生物炭于高度风化土中进行培育实验，105 天后发现施加生物炭显著提高土壤微生物量碳含量。Bamminger 等采用磷脂脂肪酸方法研究添加 2%比例生物炭到温带农田土壤对土壤微生物丰度的影响，结果表明生物炭可以增加土壤中总的微生物生物量，提高土壤微生物丰度。韩光明和胡雲飞等也发现添加生物炭土壤中微生物量碳含量升高。张星等添加玉米秸秆炭于玉米农田土壤中发现显著提高了土壤微生物量碳和微生物量氮含量。

然而，生物炭中存在的大量微生物难以降解利用的碳使生物炭具有较低的微生物有效性。Zavalloni 等发现短期内施加 5%浓度生物炭于土壤中对微生物量碳和微生物量氮没有影响。Bruun 等利用14 C 标记的生物炭研究表明施入土壤 20 天后微生物没有同化生物炭中的碳， Kuzyakov 等研究也发现生物炭施入土壤 624 天后只有 2.5%的碳转化为微生物生物量。Demisie 等施加炭土比为 0.5%、1%和 2%的橡木炭和竹炭于红壤中，发现添加 0.5%生物炭对微生物量碳增加效果最好，生物炭浓度过高反而没有显著的促进效果。

生物炭能够吸附许多无机营养物质（如 NH 4 + ，HPO 4 2- ）和溶解性的有机碳，并且一些特定的有机碳化合物比其他物质更容易被生物炭吸附，对生物炭处理的土壤进行熏蒸法提取测量微生物活性时可能会低估土壤中微生物量碳和微生物量氮，这种影响取决于生物炭种类和土壤类型。Bamminger 等施加 16 t.ha -1 和 32 t.ha -1玉米生物炭于森林土壤和农田土壤中，发现土壤微生物生物量没有显著的变化，可能原因是生物炭的吸附性能和森林土壤高异质性。Liang 等研究巴西富含黑炭土壤和邻近黑炭贫瘠土壤中微生物生物量差异，考虑到熏蒸提取法测定过程中黑炭吸附作用对微生物生物量碳提取率的影响，而采用同位素13 C 标记方法向方程中引进校正因子 E 校正提取误差。但是 Dempster 和 Durenkamp 等都发现生物炭并没有影响熏蒸提取法对 C 和 N 的提取效率。Dempster 等施加 25 t.ha -1 桉树生物炭于种植小麦的粗质土壤中，发现生物炭显著降低了土壤微生物量碳，而对微生物量氮没有显著影响。Durenkamp 等研究发现添加浓度 3.5%山毛榉生物炭和玉米生物炭减少了土壤中微生物量碳，分析可能是由于存在于生物炭中的有毒挥发性物质降低了微生物生物量。由此可见，生物炭的种类（例如原料、热解温度等）、施用比例以及土壤类型不同对微生物丰度的影响不同。

生物炭对土壤微生物群落结构的影响

生物炭可影响土壤理化性质，包括土壤 pH 值、土壤结构、可溶性碳的释放和微量元素的有效性，这些又反过来影响微生物活性和微生物群落结构。生物炭或者生物炭中某些易分解的成分为微生物提供有机物和无机营养元素，生物炭多孔性质增加了土壤微生物的生态栖位，并且为微生物提供避难场所保护其躲避捕食者。生物炭可以约束土壤中的有毒物质，如重金属、多环芳烃、农药等，减少它们的生物有效性，从而有利于改善微生物群落结构。生物炭对土壤微生物群落结构的影响与生物炭种类、施用量以及土壤类型有关。

1生物炭对土壤细菌群落结构的影响

对细菌群落结构的促进作用

不同种类生物炭对不同类型土壤细菌群落结构和特殊细菌类群影响不同。

生物炭处理土壤中 90%以上细菌为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、酸杆菌门（Acidobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia），不同细菌类别对生物炭处理产生的响应不同，大部分研究表明生物炭处理可以增加拟杆菌门、放线菌门、酸杆菌门和疣微菌门丰度，而降低变形菌门丰度。

Kolton 等添加 3%柑橘木生物炭于砂质土壤中提取根际细菌 16S rRNA 基因进行高通量焦磷酸测序，发现生物炭处理增加了拟杆菌门特别是黄杆菌属（Flavobacterium）丰度，而变形菌门丰度降低，但变形菌门中纤维弧菌（Cellvibrio）、噬氢菌属（Hydrogenophaga）和脱氯单孢菌属（Dechloromonas）丰度增加。与 Kolton 不同，Chen 等研究发现 40 t.ha -1 麦秆炭的稻田土壤变形菌门中嗜甲基菌科（Methylophilaceae）和嗜氢菌科（Hydrogenophilaceae）丰度减少 70%，其中土壤优势种群厌氧绳菌科（Anaerolineaceae）丰度增加 45%。Nielsen等研究发现生物炭处理（5.44 t/ha 和 1.1 t/ha）农田土壤中酸杆菌门、放线菌门和疣微菌门丰度更高，其中酸杆菌门在碳的生物地球化学循环中起重要作用，适宜降解生物炭以及土壤中顽固的碳化合物和有机物质。此外研究表明生物炭可以整体上增加土壤中总的细菌丰度。

生物炭处理可以增加土壤中某些功能细菌的丰度。功能细菌分解土壤有机物，释放养分，参与生物地球化学循环 。Anderson 等进行田间试验和盆栽试验发现生物炭促进了土壤中硝化螺旋菌属（Nitrospira）、叶杆菌属（Phyllobacterium）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）和生丝微菌属（Hyphomicrobium）。Muhammad等施加不同种类生物炭（猪粪炭、果皮炭、芦苇炭以及芜菁炭）到砂质壤土中，发现添加果皮炭土壤中硫酸盐还原菌最丰富，可能是由于果皮炭比其他几种生物炭具有更高的 pH。顾美英等也发现添加 2%小麦秸秆炭于灰漠土和风沙土中，对自生固氮菌、氨化细菌、亚硝化细菌具有明显促进作用。

生物炭的添加为降解顽固碳源的微生物提供了生长机会。许多研究发现生物炭的添加可以增加土壤中放线菌丰度。放线菌可以有效地降解复杂的芳香类化合物，例如木质素，放线菌门的丰度在含有较难降解碳的土壤中占有优势，这表明放线菌参与了生物炭的降解。Prayogo 等研究发现土壤中添加比例 0.5%和 2%柳枝生物炭可以增加放线菌的丰度。Christina 等采用培育试验研究发现森林土壤添加 10%栎木炭和草炭降低了土壤微生物多样性，但增加了放线菌门和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）中某些类群的相对丰度。放线菌对酸性土壤比较敏感，因此在具有不同酸碱性的土壤中放线菌对生物炭的响应效果不同，例如 Watzinger 等采用培育试验研究短期内添加麦壳炭对温带两种农田土壤（砂质酸性黏磐土和钙质黑土）微生物群落结构的影响，结果发现放线菌在酸性黏磐土中比在黑土中丰度增加更显著，原因可能是生物炭对酸性黏磐土的 pH 影响更大。此外，革兰氏阳性细菌也可利用生物炭中含有的芳香族碳，而革兰氏阴性菌在生物炭中缺少容易利用的底物，因此 Bamminger 等添加 2%生物炭到温带农田土壤，培养 37 天后，发现生物炭提高了革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌的比例。

对细菌群落结构的抑制作用

与之相反，也有研究表明，生物炭对细菌群落结构没有影响，甚至会抑制某些细菌类群的生长。由于生物炭中存在的毒性物质或者生物炭引起的土壤 pH 改变对部分土壤细菌产生抑制作用。Khan 等分别施加5t.ha -1 稻壳、稻秆和木屑及由这些原料制成的生物炭于农田土壤中，研究三种农业重要细菌慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）、硫酸盐还原菌和铁氧化菌的丰度变化，发现添加生物炭的处理较对照添加生物质处理土壤中三种农田细菌丰度减少，原因可能是生物炭的添加改变了土壤 pH，减少了细菌可利用的底物，从而抑制了三种农田细菌。Muhammad 等发现土壤中添加 3%高浓度猪粪炭和芜菁炭后，土壤总的微生物丰度下降。

有些研究发现生物炭对细菌群落结构没有影响，或者早期产生显著影响，随着生物炭施用时间延长，效应逐渐消失。Watzinger 等采用盆栽试验研究短期内添加 3%浓度麦壳生物炭和柳木生物炭对温带农田土壤细菌群落结构的影响，发现生物炭的添加并没有影响土壤细菌组成。与 Watzinger 等研究不同，Anderson 等施加辐射松生物炭于田园土壤中进行盆栽试验，结果发现生物炭显著改变了微生物群落结构，但在种植黑麦草的大田中分别施加 15t.ha -1 和 30t.ha -1 辐射松生物炭，经过两年田间试验，发现土壤中微生物群落结构没有明显变化，分析原因可能是田间试验相对于盆栽试验有许多不可控因素，而微生物群落结构变化是多因素相互作用的结果。Rutigliano 等向种植小麦的农田土壤施加 30t.ha -1 和 60 t.ha -1 木炭，处理 3 个月后发现某些功能细菌多样性发生显著变化，但处理 14 个月后功能细菌多样性在各处理间无显著差异，整个试验期间发现生物炭对细菌基因多样性没有显著影响，说明生物炭并不一定具有长期效应。

2生物炭对土壤真菌群落结构的影响

真菌比细菌更容易降解生物炭中的顽固性碳，且能更好地在生物炭的孔隙中生长以及利用额外的资源，因此生物炭的添加可以增加真菌的丰度，提高土壤真菌与细菌丰度比。Bamminger 等添加 2%生物炭到温带农田土壤 37 天后，发现生物炭提高了土壤中真菌和细菌的比例。Muhammad 等采用培育试验施加 1%和 3%浓度的猪粪炭、果皮炭、芦苇炭以及芜菁炭到砂质壤土中，培育 90 天后发现土壤真菌丰度显著增加，且随着生物炭用量增加真菌丰度及真菌与细菌丰度比增加。一般认为在 C/N 高的土壤中真菌占优势，因为真菌比细菌对C 的利用效率高，每单位生物量真菌比细菌需要的 N 少，但 Steinbeiss 研究发现施加低 C/N 的生物炭促进土壤真菌生长，且添加葡萄糖制成的不含 N 的生物炭有利于革兰氏阴性细菌生长，产生不同结果可能是由于所用的分析方法不同。目前农业生产中灭真菌剂的使用严重抑制了土壤中真菌活性，改变真菌群落结构，尽管Sopeña 和 Bending 发现添加生物炭对灭真菌剂的吸附和降解作用没有影响，但可以抑制农药对土壤真菌群落结构的改变。

与上述研究结果不同， Chen 等利用 DGGE 和 T-RFLP 技术研究酸性稻田土壤中施加麦秆炭对土壤真菌的影响，发现添加 40t.ha -1 生物炭降低了真菌基因丰度，其中的子囊菌门和球囊菌门基因丰度减少 。Rousk 等研究生物炭分别添加于草地土壤和农田土壤 1 星期后生物炭对土壤微生物的即时效应，结果发现在草地土壤中生物炭降低了真菌细菌丰度比，这可能是由于生物中含有微生物可利用的易降解的碳以及由于生物炭添加导致土壤pH 升高而释放的土壤有机质碳与肥沃土壤中其他营养元素搭配，促进了土壤细菌的生长；而在农田土壤中发现真菌细菌丰度比有微小的升高，可能是生物炭施入农田土壤后导致难降解的碳增多，从而更有利于真菌的生长。但 Rousk 等经过 1 年和 3 年的长期监测，发现生物炭对土壤真菌群落结构的影响并没有长期的效应，可能因为长期施用于田间土壤的生物炭中的盐基离子逐渐淋溶损失，生物炭 pH 最终趋于中性，失去了对土壤微生物群落结构的影响效应。

生物炭对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是土壤微生物过程的反映，酶活性越高土壤微生物过程越活跃。研究表明土壤中碳、氮、pH、阳离子交换量对土壤酶活性有积极的影响，生物炭通过影响这些指标间接对土壤酶起作用。生物炭中含有P、K、Mg 等土壤微生物需要的营养元素，可以促进土壤微生物活性，从而提高土壤酶活性。生物炭和土壤的性质不同，对土壤酶影响效果不同。

研究发现生物炭可以显著促进土壤水解酶活性，其中研究较多的为多糖水解酶类。Bamminger 等研究发现施加比例为 1.2%和 2.4%玉米生物炭于森林土壤显著增加了β-葡萄糖苷酶的活性，说明生物炭的添加为特异性的森林土壤酶提供了适宜的底物。Awad 等施加生物炭于砂土和砂壤土中，发现生物炭在砂壤土中比砂土中能更好地促进β-纤维二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶、几丁质酶的活性。Bailey等施加 2%柳枝稷生物炭于土壤中，发现生物炭处理显著增加了β-葡萄糖苷酶活性。周震峰等研究也发现0.5%、1%和 5%花生壳生物炭处理显著促进了土壤蔗糖酶和脲酶活性，且随着生物炭用量的增加酶活性逐渐升高。

此外，添加生物炭处理对土壤氧化还原酶（如脱氢酶、过氧化氢酶）活性也存在显著的促进作用。Sopeña和 Bending 研究发现施加炭土比例 0.1%、1%和 2%赤桉木生物炭可以增加土壤脱氢酶活性。Paz-Ferreiro 等施加不同种类的生物炭发现均增加了土壤脱氢酶活性。周震峰等研究也发现花生壳生物炭处理土壤中过氧化氢酶活性表现为前期抑制后期促进的作用。

生物炭对土壤酶的作用效果与生物炭和土壤酶的作用底物之间的反应有关，生物炭对酶底物的吸附作用阻止了酶活性位点与底物结合，从而抑制土壤酶活性。重金属及多环芳烃等毒性物质也可以抑制土壤酶活性，过多施用生物炭可能会向土壤引入大量重金属及多环芳烃从而抑制土壤酶活性。Oleszczuk 等研究发现施加 30t/ha 和 45t/ha 生物炭于土壤中都显著增加脱氢酶、脲酶、蛋白酶、碱性磷酸酶活性，而 30t/ha 生物炭具有更高的土壤酶活性。Demisie 等施加炭土比为 0.5%、1%和 2%的橡木炭和竹炭于红壤中，发现低浓度 0.5%处理可以更好地提高红壤中脱氢酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶的活性。顾美英等研究发现施加小麦秸秆生物炭于灰漠土中对脲酶有显著抑制作用。鉴于生物炭对酶底物的吸附作用在酶活性测定方面的影响，研究发现荧光测定方法比传统比色测定方法更适合测定施加了生物炭土壤中的酶活性。添加生物炭会改变土壤酸碱环境，从而抑制某些土壤酶活性。冯爱青等施加浓度 0.5%玉米秸秆炭于棕壤土中，发现对过氧化氢酶和中性磷酸酶活性表现出抑制作用。邹春娇等添加生物炭于黄瓜连作土壤中，发现蔗糖酶和脲酶活性显著升高，而中性磷酸酶活性降低，因为生物炭提高了土壤 pH 值，从而抑制了土壤中性磷酸酶活性。

研究展望

生物炭作为一种新型土壤改良剂，在改善土壤微生物性质方面已经展现出巨大的优势，生物炭施入土壤后，通过提高土壤酸碱度，增加土壤中有效养分含量，改善土壤孔隙度等直接或间接促进土壤微生物生长。大量研究表明生物炭可以增加土壤微生物丰度，改善土壤微生物群落结构，提高土壤酶活性，影响效应与生物炭种类、施用量以及土壤类型有关。

问题1

目前生物炭对土壤微生物性质的研究才刚刚起步，仍有许多问题需要解决，如施用生物炭所带来的负面影响还无法消除，针对土壤生物炭混合物的指标测定方法还不成熟。

生物炭生产过程中会产生重金属和多环芳烃等有毒物质，这些有毒物质随生物炭进入土壤后，对土壤微生物产生抑制作用，不利于土壤的改良，因此，应该改进生物炭生产技术，尽量减少甚至消除有毒物质，从而得到更清洁安全的生物炭。 

问题2

目前对生物炭的研究大多采用测定土壤的方法，测定生物炭及其与土壤混合物的方法还不成熟。

生物炭具有不同于土壤的结构性质，例如其含有大量难降解的碳化合物，具有较大的孔隙度以及较强的吸附性能，生物炭会吸附土壤中的某些物质而难以被提取，结果会低估对土壤微生物量及土壤酶活性等指标值的测定。因此，针对生物炭的特殊理化性质应研究出一套更为准确有效的指标测定方法。运用分子生物学手段及同位素技术，特别是高通量测序技术，研究生物炭对土壤微生物群落结构的影响，较之传统的研究手段能够更加细致地了解土壤中微生物变化，提高对土壤微生物多样性的认识，今后研究应注重运用先进的分子生物学等手段。

问题3

目前生物炭研究多集中在农田土壤，对林地土壤研究较少。特别针对苗圃、连作人工林地，由于传统培育管理制度及育苗技术的不当，导致土壤地力衰退，苗木存活率低，林木生长势弱。

未来研究应加强生物炭对此类型林地土壤的研究，以期改良立地条件，缓解地力衰退，提高造林成活率，实现林地土壤可持续利用。生物炭作为一种结构性质稳定的土壤改良剂，在改良土壤微生物性质方面可能存在一个长期效应。目前生物炭对土壤改良的研究多采用土壤培育、盆栽以及小规模短期大田试验，缺乏长期的田间试验研究。因此，今后研究应建立长期试验监测样地，探索大尺度下生物炭的作用规律，为生物炭进一步研究应用提供理论基础。

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