木醋液改性生物炭通过提升土壤磷有效性及微生物网络稳定性促进盐渍土大豆生长

《Environmental Technology & Innovation》：Wood vinegar-modified biochar improves soybean growth in saline soils by enhancing soil phosphorus availability and microbial network stability

　　

土壤微生物在植物适应盐胁迫过程中发挥关键作用，然而不同原料制备的木醋液改性生物炭如何调控盐渍土微生物群落及作物生长仍不明确。本研究通过盆栽试验，以1%（w/w）的施用比例设置玉米秸秆生物炭（MB）、木材生物炭（WB）、木醋液改性玉米秸秆生物炭（VMB）及木醋液改性木材生物炭（VWB）处理，探究其对大豆生长的促进作用及机制。结果表明，木醋液改性可增强生物炭的土壤改良潜力，但效应呈现显著的原料依赖性。其中VMB表现出最稳定的促生效果，显著提升大豆生物量及养分吸收。与MB相比，VMB通过降低植株Na+/K+比、促进根系发育、增强微生物磷周转、提高活性磷库含量、重塑根际微生物群落及提升微生物网络稳定性实现增产。相比之下，VWB的效应弱于WB且不具一致性。与原生生物炭相比，木醋液改性生物炭pH更低，溶解性有机碳（DOC）含量及阳离子交换量（CEC）更高，酚羟基与羧基官能团丰度增加，从而为微生物与植物生长创造更有利的土壤环境。玉米秸秆源生物炭较木材源生物炭具有更低的pH与电导率（EC），更高的比表面积、DOC、全氮及有效磷含量，这可能是其改性响应更强的内在原因。总体而言，VMB通过改善土壤磷有效性及微生物网络稳定性促进大豆生长，为盐渍土改良的生物质原料选择及可持续利用提供了理论依据。

该研究针对全球约1381万公顷盐渍土制约粮食安全的问题，指出传统石膏等改良剂存在肥效短、易引发二次污染等局限，而生物炭虽具备固碳、改土、降盐等多重效益，但其修复效率仍有提升空间。木醋液作为生物质热解副产物，富含乙酸等有机酸，可活化土壤磷素并刺激根系发育，但以往多与生物炭分开施用，直接改性生物炭以协同增效的机制尚不清晰。同时，盐渍土微生物受高盐、低有机质胁迫，代谢受限进而制约养分循环，而改性生物炭能否通过调节微生物营养限制、功能基因及互作网络来驱动作物生长，仍需深入解析。为此，研究人员以沿海盐渍土为对象，通过设置不同原料生物炭及木醋液改性处理，结合多组学手段，揭示改性生物炭-土壤-微生物-大豆的级联调控机制，成果发表于《Environmental Technology 》。

研究采用盆栽试验设计，供试土壤采自江苏大丰沿海盐渍农田0–20 cm耕层，供试作物为大豆品种‘齐黄34’。设置对照（CK）、木醋液（WV）、玉米秸秆生物炭（MB）、木材生物炭（WB）、木醋液改性玉米秸秆生物炭（VMB）及木醋液改性木材生物炭（VWB）共6个处理，生物炭施用比例为1%（w/w）。通过TTC法测定苗期根系活力，成熟期分器官测定生物量及氮、磷、钾、钠含量，WinRhizo软件扫描分析根系构型；采用改进Hedley分级法分析土壤磷组分，氯仿熏蒸法测定微生物生物量磷；基于荧光微平板法测定β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、N-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）及碱性磷酸酶（ALP）活性，通过酶化学计量向量模型评估微生物碳、氮、磷限制；利用磷脂脂肪酸（PLFA）技术分析微生物群落组成，Illumina NovaSeq平台进行根际土壤宏基因组测序，PCycDB数据库注释磷循环功能基因；选取丰度前500的基因构建微生物共发生网络，以自然连通性量化网络稳定性；采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）解析土壤性质-微生物-作物的级联驱动路径。

3.1 大豆产量及氮、磷、钾、钠吸收

生物炭与木醋液处理较CK显著提升大豆根、地上部及籽粒生物量，其中VMB增幅最高，根、地上部、籽粒生物量分别较MB提高11.5%、45.8%、40.2%。各处理显著降低植株Na⁺/K⁺比，VMB较MB进一步降低根与籽粒Na⁺/K⁺比48.7%与33.1%。生物炭处理使氮、磷、钾吸收量提升32.5%–115.5%、28.1%–146.4%、29.4%–105.1%，VMB较MB分别再提升46.6%、53.9%、35.3%，各处理间钠吸收无显著差异。

3.2 根系活力与形态

VMB处理根系活力最高，较MB与WB分别提升27.2%与17.8%。生物炭显著增加总根长、根表面积与根体积，VWB较WB显著降低平均根直径18.0%，VMB与VWB较对应原生生物炭分别提升根尖数23.7%与76.5%。

3.3 土壤化学性质

VMB处理土壤全氮含量较CK提升27.5%，生物炭处理使土壤有机碳提升51.8%–79.5%，速效钾提升17.6%–21.9%。各处理降低水溶性Na⁺含量7.6%–25.8%，VMB降幅最大，且较VWB显著降低水溶性Na⁺与Cl^-含量19.1%与26.4%。

3.4 土壤磷库变化

VMB与VWB较CK显著提升微生物生物量磷72.5%与21.9%，VMB较MB再提升37.6%。两改性处理均显著提高活性磷库13.1%–15.0%，其中VMB树脂态磷显著高于其余处理，VWB碳酸氢钠无机磷（NaHCO₃-P_i）最高，所有生物炭处理均提升碳酸氢钠有机磷（NaHCO₃-P_o）含量。

3.5 土壤酶活性与微生物磷限制

MB与VMB显著提升BG活性，WB与VWB无显著变化；NAG活性在MB、VMB、VWB中分别提升28.0%、29.9%、36.3%；LAP活性在WB与VWB中分别提升19.6%与29.6%；所有生物炭处理ALP活性降低12.4%–28.2%。酶化学计量向量角均大于45°，表明微生物普遍受磷限制，生物炭处理使向量角降低4.1%–5.0%，显著缓解磷限制。

3.6 根际微生物群落组成

生物炭处理使总磷脂脂肪酸（PLFA）含量提升37.4%–46.6%，细菌、真菌、丛枝菌根真菌（AMF）丰度同步上升。主成分分析显示处理间群落结构差异显著（R²=0.65，p<0.001），VMB处理中慢生根瘤菌属（Sinorhizobium）与中华根瘤菌属（Mesorhizobium）相对丰度最高。冗余分析表明仅水溶性Na⁺显著影响群落结构（R²=0.44，p<0.05）。

3.7 微生物功能基因

VMB与VWB显著降低Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因K03315丰度，同时微生物生物量钠（MBNa）含量较CK提升2.8倍与1.5倍，VMB较MB与VWB分别高88.7%与51.4%。磷循环基因中，改性生物炭显著提升磷转运基因ugpC丰度，VMB特异性上调有机磷矿化基因phnF、phoA与olpA，而无机磷溶解基因无显著变化。

3.8 微生物网络结构与稳定性

VMB处理微生物网络自然连通性最高，与WB共同显著提升网络稳定性。网络拓扑特征显示，改性生物炭未增加网络复杂度，但通过优化节点关联强度增强了抗干扰能力。

讨论部分指出，木醋液改性通过降低生物炭pH、提升DOC与CEC、增加含氧官能团，强化了Na⁺吸附与养分持留能力，SEM-EDS证实老化改性生物炭表面富集更多Na，直接证明其盐固定效应。VMB较VWB表现更优，归因于其较低的pH与EC、较高的比表面积、DOC及氮磷含量，且木材源生物炭中碳酸盐缓冲组分削弱了木醋液的酸化效应。改性生物炭通过缓解盐胁迫、促进AMF增殖、增强有机磷矿化与微生物磷周转，打破盐渍土“微生物磷限制-植物缺磷”的恶性循环。结构方程模型明确，土壤pH与水溶性Na⁺的降低，通过重塑微生物群落、提升网络稳定性、改善根系构型与养分吸收，间接促进大豆生长。研究同时指出，单时间点采样未能捕捉微生物动态演替，未来需结合多时期监测与转录组验证。

结论表明，木醋液改性生物炭可显著促进盐渍土大豆生长，效应呈原料依赖性：玉米秸秆源改性生物炭（VMB）通过协同提升土壤磷有效性、根系发育与微生物网络稳定性实现最优增产；木材源改性生物炭（VWB）未表现出稳定优势，主要受限于其较高EC与碳酸盐缓冲能力。该研究为盐渍土改良的生物质原料筛选及改性生物炭精准施用提供了理论支撑，未来需进一步验证其长期修复效应。