生物炭对土壤微生物群的作用机制分析(2)

　　2. 2生物炭对土壤微生物群落结构的影响
　　
　　土壤微生物群落结构的多样性意味着养分被有效地转移至植物中或保留在土壤中。土壤微生物多样性与土壤理化性质（ 如土壤类型、水分、温度、营养元素、通气性和酸碱度等） 存在明显的相关性，而生物炭的添加能够改变土壤理化性质，从而导致土壤微生物群落结构发生相应变化。比如，亚马逊黑土及生物炭改良土壤中细菌、真菌和古菌的群落组成因土壤理化性质的不同而差异显着，且这种差异在属、种以及科的水平上都有所体现[6,31-33].KIM等[6]和O'NEILL等[32]在亚马逊黑土中发现了酸杆菌和变形细菌的2种新的进化枝。另外，KIM等[6]还采用寡核苷酸指纹组分分析技术，比较了采自亚马逊河西部富含生物炭的亚马逊黑土和原始森林土壤，发现亚马逊黑土的细菌多样性比森林土增加25%.
　　
　　另一方面，通过对亚马逊黑土及经生物炭改良的温带土壤的研究发现，含生物炭的土壤中古菌和真菌多样性降低[33].KHODADAD等[31]也发现了类似 的 现 象： 即 无 论 低 温 （250 ℃） 还 是 高 温（650 ℃） 热解形成的生物炭，都会使土壤微生物多样性降低，其原因可能是生物炭中可供微生物利用的资源单一，造成土壤中有机质和养分缺乏，从而影响微生物的生长。
　　
　　2. 3生物炭对土壤微生物活性的影响土壤微生物是土壤中物质转化的动力，同时又以自己的生命活动产物来丰富土壤有机组分，于是土壤中的矿物质、有机质和生物构成了特殊的无机-有机-生物复合体。因为土壤生物化学反应主要是酶促反应，所以了解土壤微生物的活动状况以及土壤酶活性具有重要意义。近年来，在生物炭作用下，有关土壤生物化学过程的强度和酶活性研究日益受到重视。
　　
　　2. 3. 1生物炭对土壤呼吸作用的影响
　　
　　土壤呼吸是指通过土壤微生物对凋落物和土壤有机质的分解以及土壤动物与植物根系的呼吸，从土壤中释放CO2的生态系统过程。土壤呼吸作用是土壤中能够产生CO2的所有代谢活性的总和，在一定程度上反映了土壤微生物总的活性和土壤肥力。土壤p H值、温度、水分、有机质以及有效养分含量都能影响土壤呼吸作用强度，而生物炭能改善 土 壤 的 这 些 特 性，从 而 促 进 土 壤 的 呼 吸 作用[34-36].LUO等[35]研究发现，无论高温还是低温条件下形成的生物炭，当施用于土壤180 d后，都能显着增加土壤有机碳的矿化作用。
　　
　　生物炭对土壤有机碳矿化率的影响因生物炭和土壤类型以及生物炭施用时间的不同而不同。FARRELL等[37]研究表明，小麦生物炭和桉树生物炭施用于土壤的前10 d内，土壤有机碳矿化率分别增加73. 2% ±15. 5%和106. 0% ±6. 0%,10 d之后，土壤 有 机 碳 矿 化 率 却 显 着 下 降 并 低 于 对 照。AMELOOT等[38]研究发现，生物炭显着降低了土壤呼吸作用，其原因可能是生物炭中的碳难以被微生物利用或大部分以碳酸盐形式沉淀，从而抑制了微生物活动[37].
　　
　　2. 3. 2生物炭对土壤酶活性的影响
　　
　　土壤酶与土壤中的生物化学反应、土壤肥力及土壤生产力密切相关，是土壤新陈代谢的重要因素，它与生活着的微生物细胞一起推动着物质的转化。因此，土壤酶活性大小常常作为衡量土壤健康状况的重要指标，其活性受土壤养分含量、p H值、CEC、持水性及孔隙结构的影响[4].大量研究表明，生物炭作为一种新型的土壤改良剂，可以改善土壤理化性质，提高土壤酶活性。OLESZCZUK等[4]研究发现，当生物炭施用量为30 t·hm-2时，可显着增加土壤脱氢酶、脲酶、蛋白酶及碱性磷酸酶活性，而对酸性磷酸酶活性无显着影响； 当生物炭施用量为45 t·hm-2时，土壤脱氢酶、蛋白酶及碱性磷酸酶活性开始下降。AMELOOT等[39]研究发现，700 ℃条件下形成的生物炭使土壤脱氢酶活性增加，而350℃条件下形成的生物炭使土壤脱氢酶活性下降，表明生物炭对土壤酶活性的影响因生物炭和土壤类型、生物炭施用量及土壤酶种类的不同而不同。
　　
　　3 生物碳影响土壤微生物的作用机制
　　
　　生物炭对土壤微生物丰度、活性以及群落结构的影响非常复杂，影响程度与土壤及生物炭的类型、理化性质、试验条件等有密切的关系。国内外许多研究表明，生物炭可对土壤微生物丰度及多样性产生显着影响。该结果可能的作用机制主要包括： 提供碳源和氮源等营养物质[40]; 改善土壤理化性质（p H值、CEC、持水性、通气性及保肥性等）[41];产生或吸附抑制微生物生长的物质，如乙烯、多环芳烃等[42]; 为土壤微生物提供栖息场所[5]等。
　　
　　3. 1生物炭改变土壤有效养分
　　
　　生物炭具有较高的电荷密度，并且能激活部分稳定态元素，使其成为活化态，因此，生物炭能增加土壤CEC,使 土 壤 有 效 磷 及 碱 性 阳 离 子 的 量 增加[34].生物炭还可吸附土壤溶液中的养分和阳离子，并且 自 身 含 有 少 量 土 壤 微 生 物 可 利 用 的 养分[24].因此，当生物炭添加到土壤中后，可以使土壤中的有效生物养分（ 如碳、氮、磷和金属离子等）增加，从而减轻贫瘠土壤中微生物生长的养分限制[24,30,35].SPOKAS等[43]分析了70种不同生物炭中所含的挥发性有机物，并从中鉴别出140种化合物，这些挥发性有机物可能抑制或促进微生物活性。由于挥发性有机物具有水溶性，当生物炭施用于土壤中后，可使土壤水溶性有机碳增加，为土壤微生物提供有效碳源[37].匡崇婷等[44]研究发现，当向红壤水稻土中施加w为0. 5%和1. 0%的小麦生物炭之后，土壤有机碳含量分别增加3. 34和6. 47 g·kg-1.此外，添加w为0. 5%小麦生物炭的土壤 中，其 微 生 物 量 碳、氮 含 量 分 别 比 对 照 高111. 5% ~ 250. 6%和11. 6% ~ 97. 6%; 添 加w为1. 0%小麦生物炭的土壤中，其微生物量碳、氮含量分别比对照高58. 9% ~243. 6%和55. 9% ~110. 4%.
　　
　　另外，因生物炭主要由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成，具有极强的稳定性，其中大部分碳不能被微生物所利用[40].但最新的研究表明，所有非自养的微生物都能利用生物炭，尤其是革兰阳性菌，说明生物炭中可能缺乏促进革兰阴性菌生长的易分解的有机质，如可溶解的碳水化合物、氨基酸、小分子多肽等[37,45].这也反映了生物炭对微生物群落的影响取决于生物炭和微生物的类型以及其他可能的因素。
　　
　　3. 2生物炭改变土壤p H值
　　
　　大量研究表明，土壤p H值对土壤微生物数量、多样性及活性的变化有着重要影响[35,46-47].在其他环境条件相同的情况下，当p H值从3. 7上升至8. 3时，土壤微生物量也会随着增加。而且土壤细菌和真菌对p H值变化的反应不一样。随着土壤p H值增加到7左右，土壤细菌丰度会增加，而真菌在总生物量上没有变化，但当p H值继续上升时，真菌的繁殖速率会急剧下降[46].
　　
　　土壤添加生物炭后，其p H值可能增加，也可能下降，这主要取决于生物炭和土壤本身的p H值及理化性质[47-50].生物炭的p H值取决于原料、热解温度和氧化程度等因素，一般在4以下或12以上，且大部分生物炭呈碱性[48].生物炭表面含有许多带负电荷的酚基、羧基和羟基官能团，这些官能团可以吸附土壤溶液中的H+,使土壤溶液中的H+浓度减少，从而导致土壤p H值上升[49].生物炭中的硅酸盐、碳酸盐和碳酸氢盐也可以与土壤溶液中的H+结合而使土壤p H值上升[51].但生物炭对碱性和有机质含量高的土壤p H值没有显着影响，这可能与土壤有机质的缓冲能力有关[50].由于微生物和生物炭表面的空间接近性，生物炭的p H值对土壤微生物丰度有重要影响[52].LUO等[35]研究发现，当低温热解形成的生物炭施用于酸性土壤中时，土壤p H值显着升高，且 土 壤 微 生 物 量 显 着增加。
　　
　　3. 3生物炭对有毒物质的吸附作用
　　
　　生物炭通过纳米孔或苯环之间π-π健的相互作用吸附抑制微生物生长的有毒物质，这可能使微生物丰度增加[53].生物炭对多环芳烃的吸附主要取决于生物炭的生产条件及多环芳烃的化学结构。多环芳烃是弱极性的，能以共价键合在极性生物炭表面，而高温热解形成的生物炭一般具有较高的芳香性及纳米孔结构，因此，其对极性有机物的吸附也更强[53-55].袁敏等[55]研究发现，随着炭化温度的增加，稻草生物质炭对环丙氨嗪的吸附量显着增加，其中600和800 ℃条件下热解制备的稻草生物质炭对环丙氨嗪的最大吸附量分别是等量稻草秸秆的16. 8和20. 1倍。MATSUHASHI等[56]研究发现，当向土壤中添加用木屑快速热解制成的生物炭后，芦笋根际丛枝菌根菌的入侵数量有一定增加，而这主要是因为生物炭吸附了抑制丛枝菌根菌生长的芳香酸。同样地，当向高盐含量的琼脂培养基中添加活性炭后，芽孢杆菌的繁殖率也显着增加，说明活性炭吸附了培养基中的盐分，使其有利于芽孢杆菌的生长[56].
　　
　　另外，在一定的条件下，生物炭吸附的有毒物质会被解吸出来，并仍具有抑制土壤微生物生长的作用。AKIYAMA等[57]通过水培试验研究发现，活性炭能吸附丛枝菌根菌的信号物质（ 如金内酯等） ,即使用丙酮溶液将吸附在生物炭中的信号物质解吸出来，其对囊霉菌的菌丝生长仍具有刺激作用。POLLOCK[58]将生物炭中解吸出来的有毒物质加入琼脂培养基中，发现其能抑制百日咳杆菌的生长，表明生长抑制类物质被保存在生物炭中。这些研究表明，生物炭能吸附一些有毒物质，使其在短期内不影响土壤微生物的生长，但是，当土壤水进入生物炭颗粒中后，这些储存的物质很可能会被解吸出来，并再次刺激土壤微生物的生长[28].
　　
　　3. 4生物炭为土壤微生物提供栖息地
　　
　　生物炭的孔径通常小于16 μm[59],而土壤细菌的平均尺寸为1~4 μm,真菌为2~64 μm,土壤原生生物的尺寸为8~10 μm,土壤微型节肢动物的尺寸为100 μm~ 2 mm[60].因此，生物炭的孔状结构适合大部分土壤细菌和真菌的定殖，而排斥大尺寸的微型节肢动物。PIETIKAINEN等[5]研究发现，细菌能吸附在生物炭表面，使它们不易被淋溶，从而使细菌丰度增加，但生物炭对真菌丰度没有影响，这可能是由于真菌菌丝的网状结构使其移动性变差。生物炭还可能通过疏水引力或静电力吸附土壤微生物。生物炭 的等电 势点通 常非 常低 （p H值<4）[61],在等电势点条件下活性炭对大肠杆菌的吸附很微弱，但随着疏水引力的增加，其对大肠杆菌的吸附能力也显着提高[62].
　　
　　研究表明，生物炭对土壤微生物的影响主要取决于土壤理化性质的变化，如p H值、土壤含水量、阳离子交换量及有效养分等[28].当生物炭添加到土壤中后，只有与生物炭表面接触的土壤才会发生上述变化，而生物炭内部孔结构因为不能与土壤接触、较低的持水性以及较差的透气性而不适合微生物的定殖[35].QUILLIAM等[63]研究发现，当生物炭施用于土壤3 a后，其内外表面的微生物定殖量仍然非常少，其原因可能是生物炭中含有大量的矿物盐及多环芳烃，从而对土壤微生物产生毒性作用；此外，生物炭自身的拮抗作用、N和P的限制及其对阴阳离子的吸附可能影响微生物对有效养分的利用。