养分负载型生物炭与根际促生菌协同重塑根际微生态，提升滨海盐碱地生产力

《Agriculture》：Interaction Between Nutrient-Laden Biochar and PGPR Reshapes Rhizosphere Microbiome to Reclaim Coastal Saline–Alkali Soil Fertility Zelong Peng, Qing Yang, Xu Li, Xinyu Zhang, Zhengyuze Wang, Xueyou Liang, Jianzhi Xie, Zhiling Gao and Chunjing Liu

这篇研究性论文探讨了养分负载型生物炭（NBC）与根际促生菌（PGPR）联合应用对滨海盐碱地的改良效应。研究发现，二者协同可显著降低土壤pH、提升有机质（SOM）与有效磷（AP）等养分含量，并通过重塑根际微生物群落结构（如富集有益菌Nocardioides、抑制病原菌Fusarium），增强氮磷转化与碳代谢功能基因丰度，最终使玉米增产52.5%。该研究为盐碱地修复提供了兼具物理改良、化学供肥与生物活性的综合技术方案。

　　

1. 引言

全球粮食安全因人口增长与耕地稀缺而备受挑战，滨海盐碱地的合理开发与利用被视为农业可持续发展的重要途径。这类土壤普遍存在盐分高、pH值高、结构差及养分缺乏等问题，制约作物生产力。传统物理化学改良方法（如排水、施用石膏）存在成本高或易导致土壤板结等局限。生物炭因其多孔结构和独特理化性质，已成为盐碱地改良的有前景材料，它能降低钠吸附比（SAR）、提高土壤持水性、增加有机质。然而，单一生物炭应用常因养分供应不足，限制了其与微生物接种剂的协同效果。本研究提出将负载养分的生物炭与特定根际促生菌（PGPR）联合施用，旨在通过物理载体、化学营养与微生物活性的整合，实现盐碱地生产力的协同提升。

2. 材料与方法

试验于2024年在河北沧州黄骅的滨海轻度盐碱地进行，共设置5个处理：对照（CK）、单纯羊粪生物炭（BC）、养分负载型生物炭（NBC）、生物炭+微生物接种剂（MBC）、养分负载型生物炭+微生物接种剂（MNBC）。生物炭施用量为10 t·ha^?1，接种菌为解磷解钾的Paenibacillus mucilaginosusPM12（有效活菌数2×10⁸CFU·mL^?1），施用量为75 L·ha^?1。养分负载型生物炭通过将原始生物炭浸泡于养殖废水中72小时制备。玉米品种为‘新单58’，于2024年6月27日播种，9月27日收获。在喇叭口期、乳熟期和成熟期分别测定玉米农艺性状、产量及土壤理化性质，并于喇叭口期采集根际土壤进行宏基因组测序，分析微生物群落结构与功能。

3. 结果

3.1. 养分负载型生物炭结合PM12促进玉米生长并改善土壤理化性质

所有生物炭处理均显著提高了玉米株高、地上与地下生物量，其中MNBC处理效果最显著，其株高、地上生物量和地下生物量均最高。MNBC处理的玉米产量达10889.10 kg·ha^?1，较CK增产52.5%。在土壤养分方面，MNBC处理在成熟期的土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）含量均显著高于其他处理。在降低碱度方面，MNBC处理在整个观测期均表现出最强且最稳定的降pH能力，成熟期土壤pH为8.02，较CK降低0.30单位。

3.2. 养分负载型生物炭结合PM12重塑根际微生物群落多样性及组成

微生物接种（MBC处理）是形成更高多样性、更均匀细菌群落的主要驱动力。养分负载处理（NBC和MNBC）则显著提高了真菌群落的丰富度、多样性和均匀度。主坐标分析（PCoA）表明，不同处理间细菌和真菌群落结构均存在显著分离。在群落组成上，MNBC处理特异性地富集了与碳代谢相关的Sphingomicrobium和Candidatus Saccharimonadales中的一个未分类属。真菌方面，MNBC处理中关键分解菌门Basidiomycota的相对丰度增至17.11%，近乎CK的两倍，同时潜在植物病原菌Fusarium的相对丰度被显著抑制。

3.3. 不同生物炭改良剂对微生物群落代谢功能的影响

在氮代谢方面，MNBC处理导致与硝化和反硝化相关基因的丰度整体增加，表明在养分和微生物联合作用下，多种氮转化途径得到整合性增强。在磷代谢方面，微生物接种（MBC处理）显著增强了无机磷溶解潜力，而MNBC处理则引发了最显著的磷饥饿响应。在碳代谢方面，养分负载处理（NBC和MNBC）对生物合成代谢略有促进作用。

3.4. 细菌属对氮、磷、碳代谢基因的贡献

不同处理显著改变了负责土壤氮、磷、碳转化的微生物类群的分类学贡献模式。例如，在氮循环中，Nocardioides是硝化（nxrA, nxrB）和硝酸盐同化还原（nasA）基因的核心贡献者。在磷循环中，高亲和力磷酸盐特异性转运系统（pstA, pstC）主要由unclassified_f__Nitrososphaeraceae贡献。MNBC处理不仅保持了unclassified_f__Nitrososphaeraceae在磷传感和获取方面的高贡献，还保留了Rubrobacter强大的有机磷矿化功能（phoD）和Nocardioides的磷储存潜力（ppk1），并整合了碳代谢中acs、frdA和tktB等基因的高贡献，从而构建了更完整高效的碳代谢微生物网络。

3.5. 土壤性质、微生物组与玉米生长性能的相互作用

相关性分析结合Mantel检验表明，根际土壤pH与玉米生长参数及产量呈极显著负相关，而土壤养分（SOM、TN、AP）与所有玉米生长参数呈极显著正相关。结构方程模型（SEM）进一步阐明，土壤pH和水溶性盐含量（SSC）通过负向影响SOM，间接抑制了TN和AP含量，从而最终制约玉米产量。模型解释了对玉米产量73.0%的总方差，其中AP和TN对产量具有最直接且强烈的正向效应。

4. 讨论

MNBC处理通过整合物理载体、化学营养和生物活化，表现出对轻度滨海盐碱地玉米生长和产量最显著的提升效果。这归因于其同时改善多种土壤限制因子的综合能力：生物炭基质物理吸附盐分离子并降低根际pH；负载的养分构成直接资源库；接种的功能菌P. mucilaginosusPM12通过代谢物分泌持续活化土壤中的磷和钾，并协助调节pH。三者互作缓解了特定立地的土壤逆境和养分限制。

在微生物层面，单一微生物接种剂（MBC）通过竞争生态位显著改变了细菌群落结构，而养分负载（NBC）则显著增强了真菌群落的丰富度和多样性。MNBC处理则产生了独特的整合效应，组装了一个功能上更具弹性且平衡的细菌群落，同时富集了土壤分解者如Basidiomycota，并最全面地抑制了多种潜在真菌病原菌。

在功能上，MNBC处理实现了氮、磷、碳等关键土壤养分循环的功能协同，促进了多种生物过程的同步增强。由多个类群执行互补功能形成的内部协调代谢网络，显著提高了根际养分的整体转化和周转效率。此外，功能重塑可能使根际微生物组朝向更环境友好的轨迹发展，例如在强化氮转化同时，保持了相对较高的一氧化二氮还原酶基因（nosZ）丰度，暗示了减少N₂O排放的潜力。

5. 结论

养分负载型生物炭与PGPR（P. mucilaginosusPM12）的整合施用，是复垦滨海盐碱地、提升玉米生产力的高效策略。MNBC处理通过协同缓解盐碱胁迫和提升土壤肥力，富集了关键有益细菌类群和真菌分解者，抑制了潜在病原菌，并建立了一个更复杂高效的微生物代谢网络。该网络在氮转化、磷溶解和碳代谢方面表现出增强的功能潜力。结构方程建模揭示，由这个功能强大的微生物组所促进的土壤有效磷和全氮的增加，是产量提升最直接和显著的驱动因素。本研究为设计集物理、化学和生物组分于一体的协同性生物炭-微生物改良剂，以实现盐碱地可持续修复，提供了机制框架。