《Frontiers in Plant Science》：Rhamnolipid-modified biochar improves the microenvironment of saline soils to enhance soil productivity
编辑推荐：
本研究聚焦干旱区盐碱地改良难题，通过田间试验揭示了鼠李糖脂改性生物炭(RBC)相较于普通生物炭(BC)在改善土壤理化性质、激活关键土壤酶（如脲酶RUE、蔗糖酶SUC、纤维素酶SCL等）、重塑微生物群落结构（富集变形菌门、子囊菌门等有益类群，抑制病原真菌）方面的卓越性能，并阐明了其通过“土壤-微生物-作物”级联调控通路提升土壤质量指数(SQI)与花生增产(27.57%)的内在机理，为盐碱地绿色可持续生产提供了创新性的理论与技术策略。
1 引言
土壤盐渍化是全球农业生产面临的主要环境制约因素，威胁土地利用效率和作物生长。据统计，全球约20%的灌溉农业受盐渍化影响，在干旱半干旱区尤为严重。盐分升高会破坏土壤团聚体结构，降低养分有效性，并通过渗透胁迫和离子毒性抑制根系生长，导致作物减产。生物炭(BC)是一种在限氧条件下高温热解有机生物质形成的富碳固体，具有多孔结构，可增强土壤保水性、吸附有害离子并促进微生物定殖。但其去除交换性阳离子的效率有限，且在盐胁迫下调控土壤微生态系统的能力不足。鼠李糖脂(RL)是一种由铜绿假单胞菌合成的糖脂类生物表面活性剂，其两亲结构可有效螯合有机物和金属离子，降低土壤盐分并改善根际微环境。然而，鼠李糖脂的强乳化性可能分散土壤团聚体，长期施用或降低土壤孔隙度和持水能力。生物炭与鼠李糖脂的协同作用可增强生物炭的分散性和吸附容量，同时改善其耐碱性，这为盐碱地修复提供了新思路。花生是中国重要的油料作物，但对土壤盐分高度敏感，盐胁迫会抑制其共生固氮微生物活性，加剧养分吸收障碍。新疆等盐碱化地区的花生平均产量显著低于全国平均水平。因此，揭示改性生物炭对盐碱地理化性质及微生物群落结构的调控机制，阐明土壤质量改善与花生产量形成的关联路径，对于提升盐碱地农业生产力具有重要意义。
2 材料与方法
2.1 研究区域
试验在新疆阿拉尔市现代农业院士专家工作站的田间试验基地进行。该区域属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年均降水量不足100 mm，蒸发量超过2000 mm。土壤质地为砂壤土，具有贫瘠和盐渍化突出的特征。
2.2 生物炭制备
以棉秆为原料制备生物炭(BC)和鼠李糖脂改性生物炭(RBC)。棉秆经干燥、蒸汽加热、酸预处理后，在500°C下热解2小时，研磨过筛得到BC。RBC通过将BC与鼠李糖脂溶液（鼠李糖脂:水=2:8）混合浸渍，室温平衡24小时制得。改性后，RBC的比表面积略有下降，平均孔径增大，氧(O)和氮(N)元素含量增加。
2.3 试验设计
试验设置三个处理：对照(CK，不施生物炭)、生物炭(BC，施用棉秆生物炭)、改性生物炭(RBC，施用鼠李糖脂改性生物炭)。每个处理3次重复，共9个试验坑。生物炭施用量为4 kg·m-2，均匀施入0-20 cm土层。稳定一周后种植花生品种“新花15”，采用三管六行膜下滴灌系统，并按照当地农业生产模式进行统一的田间管理。
2.4 测试指标与方法
在花生整个生长季采集0-20 cm土层混合土样，测定土壤理化性质、酶活性及微生物群落结构。理化指标包括土壤含水量(SMC)、总盐分(TDS)、总碳(TC)、总氮(TN)、有机碳(TOC)等。土壤酶活性测定包括脲酶(RUE)、碱性磷酸酶(AKP)、过氧化氢酶(CAT)、蔗糖酶(SUC)和纤维素酶(SCL)。采用PacBio Sequel II平台对土壤微生物的16S rRNA基因和ITS rDNA区进行全长测序，分析细菌和真菌群落结构。花生成熟后全量收获计产。采用主成分分析和客观赋权法计算土壤质量指数(SQI)。
2.5 数据处理
使用Excel 2016整理数据，SPSS 26.0进行方差分析和相关性分析，R语言进行微生物群落分析和偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析，结果用Origin 2024等软件可视化。
3 结果与分析
3.1 土壤微生物群落多样性分析
与CK相比，BC处理降低了细菌群落的观测物种数、ACE指数和Chao1指数，表明单一生物炭对细菌多样性有抑制作用。而RBC处理对这些指数降低的幅度小于BC处理，说明鼠李糖脂改性缓解了生物炭对细菌多样性的限制。在真菌群落中，RBC处理显著增加了观测物种数、ACE指数和Chao1指数，且增幅大于BC处理。主坐标分析(PCoA)表明，CK、BC和RBC处理的微生物群落结构明显分离，RBC处理显著改变了细菌和真菌的群落构成。
3.2 土壤细菌和真菌群落组成分析
在门水平上，细菌群落以变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)等为主。与CK相比，RBC处理增加了变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度。在属水平上，RBC处理显著富集了耐盐功能菌新芽孢杆菌属(Neobacillus)和Luteitalea。真菌群落以子囊菌门(Ascomycota)为绝对优势菌门。RBC处理使子囊菌门丰度增加了15.01%，并显著增加了壶菌门(Chytridiomycota)和捕虫霉门(Zoopagomycota)的丰度，同时抑制了担子菌门(Basidiomycota)和炭疽菌属(Colletotrichum)等潜在病原真菌。
3.3 微生物群落共现网络分析
细菌共现网络分析显示，与CK相比，BC处理显著降低了网络总连接数、平均度和平均聚类系数，削弱了细菌种间互作。而RBC处理的这些参数降低幅度很小，网络连通性保持较好。真菌共现网络则呈现相反趋势，BC和RBC处理均增强了网络连接，且RBC处理的增强效果更为显著。这表明RBC处理在缓解细菌互作抑制的同时，强化了真菌群落内部的协同作用。
3.4 土壤理化性质变化
在整个生长季，RBC处理显著提升了0-20 cm土层的TC（增加30.33%-45.20%）、TN（增加28.66%-55.76%）、TOC（增加244.07%-370.10%）和含水量(SMC，增加25.61%-42.42%），同时显著降低了总盐分(TDS，降低39.40%-56.78%）。BC处理对这些指标的改善幅度均小于RBC处理。
3.5 土壤酶活性变化
与CK相比，RBC处理显著提高了土壤脲酶(RUE，+31.67%)、蔗糖酶(SUC，+33.62%)和纤维素酶(SCL，+160.66%)的活性，对碱性磷酸酶(AKP)活性提升较小(+3.61%)，而过氧化氢酶(CAT)活性降低了14.13%。BC处理对酶活的调控作用整体弱于RBC处理。
3.6 土壤质量指数和花生产量变化
基于12项指标计算的土壤质量指数(SQI)显示，BC和RBC处理的SQI较CK分别显著提高了108.70%和278.26%。花生产量也相应显著提高，BC和RBC处理分别增产13.22%和27.57%。线性回归分析表明，SQI与花生产量呈极显著正相关(R2= 0.9118)。
3.7 土壤微生物群落结构驱动因子
相关性分析和随机森林模型表明，总碳(TC)、有机碳(TOC)和纤维素酶(SCL)活性是驱动细菌群落结构变化的关键环境因子。对于真菌群落，TC、TOC、TN、SMC、SQI和产量(Y)等是主要关联因子。子囊菌门与TC、TOC呈显著正相关，而担子菌门和毛霉门(Mucoromycota)与它们呈显著负相关。
3.8 土壤环境影响效应
偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析表明，模型拟合优度(GOF)为0.71。CK处理对土壤理化性质、酶活、真菌和产量均表现出负面效应。BC处理减轻了对土壤理化性质和产量的负面效应，并促进了对酶活和真菌的正面效应，但加剧了对细菌的抑制。RBC处理则显著增强了对土壤理化性质、酶活和真菌的正面效应，并缓解了BC处理对细菌的抑制。土壤理化性质对细菌有正面效应，对真菌有负面效应，并对产量有显著的直接正面效应。
4 讨论
4.1 鼠李糖脂改性生物炭对土壤理化性质的影响
RBC处理在提升土壤碳氮含量、降低盐分、增加含水量方面均优于BC。这归因于鼠李糖脂的乳化作用提高了生物炭的分散性和对有机质的吸附保持能力，其强螯合能力能与土壤盐基离子结合，羧基可与Na+形成不溶性复合物，从而降低盐分。同时，鼠李糖脂改善了土壤胶体润湿性，优化孔隙结构，减少水分蒸发。RBC处理显著激活了与氮转化和碳源分解相关的RUE、SUC和SCL酶活性。AKP活性提升较小可能与鼠李糖脂乳化改变有机磷形态有关。CAT活性降低表明生物炭应用减轻了土壤氧化应激。
4.2 鼠李糖脂改性生物炭对微生物群落的影响
BC处理降低了细菌alpha多样性，可能因其高孔隙度吸附养分，限制了多数细菌的生长。RBC处理缓解了这一限制，得益于盐分降低和养分条件改善。真菌alpha多样性在RBC处理中增加，特别是子囊菌门，因为它们更依赖易利用的小分子有机碳，而鼠李糖脂改性促进了生物炭中有机碳的释放。RBC处理富集了变形菌门、酸杆菌门等富营养型及与碳循环相关的菌门，以及新芽孢杆菌属等耐盐功能菌。在真菌方面，RBC处理富集了子囊菌门、壶菌门和捕虫霉门，后者作为寄生真菌可能抑制病原菌。同时，RBC处理抑制了担子菌门和炭疽菌属等病原菌。网络分析表明，RBC处理在缓解细菌网络连接削弱的同时，显著增强了真菌网络的复杂性和协同性，提升了微生物群落的稳定性与功能冗余。
4.3 土壤质量与环境因子对产量的协同效应
微生物群落组成与土壤TC、TOC、TDS、酶活等环境因子显著相关。随机森林分析确认TC、TOC和SCL是解释微生物群落变化最重要的因子。土壤质量指数(SQI)综合反映了土壤健康状况，其与花生产量的强正相关关系证明了土壤整体质量提升是增产的基础。PLS-PM路径分析揭示了RBC处理通过多路径协同作用促进产量的机制：改善土壤理化性质，激活酶活性，正向调控真菌群落，并缓解对细菌群落的抑制，最终形成一个促进作物生长的协同微生态系统。
5 结论
鼠李糖脂改性生物炭通过“土壤-微生物-作物”系统的级联调控机制，有效缓解了盐碱胁迫，显著改善了土壤理化性质（增加碳氮库、降低盐分、提高含水量），激活了关键土壤酶活性，重塑了土壤微生物群落结构（缓解细菌多样性抑制、增加真菌多样性、强化有益微生物功能、抑制病原菌），增强了微生物网络的协同互作，从而显著提升了土壤质量指数(SQI)，并最终使花生产量提高了27.57%。本研究揭示了鼠李糖脂改性生物炭通过物理化学和微生物学机制提升盐碱地土壤质量与作物产量的潜在路径，为干旱区盐碱地的可持续改良与农业绿色生产提供了理论与技术依据。同时，研究也间接提示了单一生物炭在盐碱地应用可能导致土壤细菌群落减少的潜在生态风险。未来研究需关注改性生物炭的经济适用施用量及长期效益，以推动其大规模应用。
