生物炭与微生物作用对土壤养分的调控

氮、磷、钾作为土壤养分中的基本营养物质,是评估土壤肥力的重要指标, 微生物的生长代谢活动是土壤营养元素循环的主要推动力。研究发现,生物炭可提高固氮菌、解磷菌、解钾菌等功能微生物的丰度,从而使氮、磷、钾等营养元素利用率得到显著提高。氮素是地球上含量最高的化学元素,也是植物生长必需的营养元素, 但土壤氮素损失严重, 影响着全球的环境质量、粮食安全和经济发展。提出在土壤中施用生物炭是一种减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率的方法.生物炭除自身含有氮素、能吸附土壤中氮元素等特性, 还能通过土壤微生物的氮素固持作用, 转化土壤氮素形态, 提高氮素利用率。研究表明, 施加生物炭能提高土壤碳氮比(C/N), 限制土壤微生物的氮素转化和反硝化, 对土壤NH4+和NO3具有显著的持留作用。如在滨海盐碱土中施用500℃的小麦秸秆生物炭后, 固氮菌群落丰度及其固氮能力显著提高。在菜田中施用600℃的玉米秸秆生物炭不仅增加了氨氧化古菌、氨氧化细菌及自生固氮菌的丰度, 优化了氨氧化微生物的群落结构, 还提高了土壤的总氮、硝态氮、氨态氮的含量。土壤磷素的作物利用率较低, 未被利用的磷素容易随地表径流进入表层水体, 引起水体富营养化等环境问题。生物炭的施用能提高土壤磷含量及其有效利用率。一方面, 一些生物炭本身含有较高的有效磷, 可作为传统磷肥的替代品；另一方面, 生物炭还可通过对磷的吸附、解吸以及调节土壤微生物群落结构等作用改变土壤中磷的循环和有效性。如玉米秸秆生物炭的施用可增强巨大芽孢杆菌、曲霉菌、欧文氏菌等解磷微生物的丰度与活性, 它们可通过分泌有机酸、磷酸酶和植酸酶将土壤中的有机磷和难溶性无机磷转化为可被作物吸收利用的有效态磷。由于原料紧缺、施用不合理等因素, 土壤缺钾也是土壤肥力丧失的一大原因。与土壤磷类似, 除了生物炭中钾的直接贡献作用外, 生物炭还可通过刺激微生物活性提高土壤有效钾含量。玉米秸秆生物炭可以提高土壤中胶质芽孢杆菌、环状芽孢杆菌和土壤芽孢杆菌等硅酸盐解钾菌的丰度和活性, 这些微生物可通过分泌有机酸来加速矿物晶体的溶解, 实现对含钾矿物的解钾作用, 从而增加土壤中有效钾含量。同时, 目前生物炭与微生物联用技术受到越来越多的重视, 将生物炭作为载体接种固氮菌、解磷菌、解钾菌等功能微生物, 可显著提高土壤养分。如小麦秸秆生物炭与枯草芽孢杆菌的联合施用可显著提高砂壤土中有效磷、速效钾的养分含量, 从而提高玉米产量和品质。在种植辣椒的黄壤中施加接种了丛枝菌根真菌的玉米秸秆生物炭, 辣椒根部氮、磷、钾的含量相较于单施用丛枝菌根真菌的对照组含量提高74.04%、106.42%和 78.82%。生物炭与微生物的共同作用可显著提升氮、磷、钾等营养元素的有效利用率, 对土壤肥力的改良具有积极作用。生物炭与微生物联用技术可有效改良土壤肥力, 提高生物炭和微生物肥在土壤肥力改良方面的发展潜力。