施用生物炭对土壤动物群落的影响研究进展

土壤动物是土壤生物群落不可或缺的组成部分,是调控土壤生态过程重要的生物驱动因子。探明向土壤中施加生物炭对土壤动物群落的影响及二者之间的相互关系,对深刻认识土壤生态系统的运行机制、评价土壤生态服务功能具有重要意义。本文综述了施用生物炭对土壤动物群落的影响及机制,包括生物炭原料、制备温度、施用量的差异对土壤动物群落造成的直接影响,及以生物介导(改变植物生理特性、提高微生物数量)和非生物介导(土壤理化性质的改变)环境条件的改变对土壤动物群落造成的间接影响。低量生物炭添加下(生物炭与土壤质量比＜5%),对土壤动物的生长繁殖和行为活动起促进作用,若施炭量过高(＞10%),则会产生毒害;土壤动物的行为活动也会影响生物炭的稳定性。未来应该加强长期田间定位、时空变异性、多学科交融和分析预测等方面的研究。     

生物炭对土壤理化和微生物性质影响研究进展

生物炭是生物质原料限氧热解制备的高度芳香化和富含碳元素的黑色固体物质。生物炭所具有的独特的性质使生物炭在土壤改良方面具有很大的潜力, 已成为当前农业科学领域的研究热点。但是, 生物炭的性质受原料和热解温度的影响。生物炭性质和土壤环境条件的差异可在较大程度上影响生物炭改良土壤的效果。因此, 必须根据土壤的主要障碍因子, 选择合适的生物炭施加方案, 以期得到较好的土壤改良效果。综述了近年来国内外有关生物炭对土壤理化和微生物性质影响的研究进展, 探讨了生物炭改变土壤性质的机制和影响因素, 阐述了生物炭研究和应用中存在的一些问题, 从而为生物炭在农业领域的应用提供一定的思路。     

生物炭在土壤中的生态效应研究进展

生物炭是一类具有比表面积大、疏松多孔、含碳量极高的固体物质, 近年来, 作为一种新型的环境材料受到广泛的关注。然而, 由于原料种类、制备工艺等诸多因素的影响, 生物炭的应用对土壤生态系统的影响表现复杂多样。在此综述了不同原料制备的生物炭的理化特征, 总结了生物炭对土壤生态系统中植物、土壤动物、土壤微生物生态的影响, 最后针对生物炭的土壤生态效应研究提出展望, 为生物炭正向调控土壤生态系统以及生物炭的合理应用提供参考。     

不同施肥方式对苏北杨树人工林土壤微生物碳源代谢的影响

施NPK肥是提高人工林土壤肥力的有效措施之一,生物炭作为土壤改良剂,可以改良土壤物理性质,与有机肥同施有利于土壤保持养分;同时,施用生物炭被认为是缓解全球气候变暖的重要途径之一,因此受到关注。然而,关于这些不同施肥方式对土壤微生物群落碳源代谢及生态安全的影响和机制还缺乏了解。本试验以苏北沿海杨树人工林为试验基地,应用4种不同的施肥方式,即CK(对照组)、T1(NPK肥)、T2(NPK肥+生物炭)、T3(高浓度生物炭),分析不同施肥处理对土壤微生物在不同碳源利用方面的差异,以及施用生物炭是否影响土壤微生物代谢活性和碳源代谢多样性。结果表明:不同施肥方式土壤微生物代谢活性大小表现为:T3T2T1CK,其中T3与CK差异显著,表明高浓度生物炭能显著提高土壤微生物代谢活性。微生物碳源利用多样性指数表现为:T3T2T1和CK,其中仅有Mc Intosh指数T3显著高于CK,在对6类碳源中的聚合物的利用上,T3显著高于CK,表明高浓度的生物炭添加会促进喜食聚合物的微生物群落生长,并具有改变土壤微生物多样性的潜力。主成分分析结果表明,增加主成分个数能够更有效地表达完整的信息,不同施肥方式在碳源利用上差异不明显,表明微生物群落功能稳定,短期施肥没有改变微生物碳源代谢多样性,而生物炭虽然可以显著提高土壤微生物代谢活性,但并没有显著改变其碳源代谢多样性。     

生物质炭对土壤氮素循环的影响及其机理研究进展

生物质炭因其特殊的理化性质,具有改良土壤、持留养分、提高肥力及增加土壤碳库贮量的作用,成为土壤生态系统生物地球化学循环和农业固碳减排领域的研究热点.作为一种人为输入的新材料,生物质炭将直接或间接地参与土壤氮素物质的周转,进而对土壤生态系统功能产生深远的影响.本文综述了生物质炭输入对土壤生态系统氮素循环的影响研究,重点概述了生物质炭对土壤氮素物质吸附作用以及硝化作用、反硝化作用和固氮作用等生物化学过程的影响,并对其潜在的机理进行了分析.在此基础上,对今后生物质炭与土壤氮素循环的相互作用进行了展望.     

生物炭影响农田温室气体排放的研究进展

针对生物炭在农业生产中对温室气体排放的影响问题,论文综述了近几年有关生物炭对农田生态系统CO2、CH4和N2O三种主要温室气体排放的影响研究,发现生物炭总体上可以减少温室气体的排放,但其实际效果受生物炭种类、土壤理化性质和微生物活性与丰度等多种因素的影响。为此,本文进一步总结了生物炭影响农田系统温室气体排放的作用机理。提出了三条可能机制:(1)生物炭疏松多孔,具有吸附性,依靠自身的吸附作用吸收土壤中的温室气体;(2)生物炭能改变土壤理化性质,使土壤疏松,团聚体和固体物含量提升,抑制土壤矿化,固碳能力提升,吸附性增强;(3)生物炭能改善土壤微生物的生存环境,提高土壤微生物的丰度和活性,微生物活动增强,可以更多地固定土壤中的氮,影响温室气体的排放。通过生物炭途径可助力农业碳减排。     

土壤呼吸对秸秆与秸秆生物炭还田的响应及其微生物机制

土壤呼吸释放CO_2是温室气体排放的重要途径之一,减少土地利用中温室气体排放、增强土壤碳汇聚能力对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物炭具有改善土壤理化性质、增加作物产量、调节土壤微生物性质等特性。本研究采用室外盆栽的方式,以地肤草为目标植物,研究了芦苇、水稻、互花米草三种农林秸秆及其秸秆生物炭还田对土壤的改良效应,以及对土壤呼吸的影响及其微生物机制。结果表明:秸秆及其秸秆生物炭均可改善土壤肥力,促进植物生长,且生物炭改良效果略好于秸秆直接还田。但秸秆生物炭还田的土壤呼吸显著低于秸秆直接还田,其中芦苇生物炭最低。秸秆直接还田可促进土壤β-糖苷酶、脱氢酶和活性微生物量等微生物活性指标,从而促进土壤呼吸,增加土壤CO_2的释放,而生物炭还田对土壤微生物活性无显著的促进作用,反而有一定的抑制作用,这可能是由于生物炭中易降解有机物含量很低,可降解性较低的缘故。     

生物炭介导植物病害抗性及作用机理

生物炭是生物有机材料在缺氧或限氧条件下经高温热裂解后生成的固体产物，在固碳减排、污染修复、土壤改良等方面具有较大的应用潜力。研究表明，生物炭在植物病害胁迫中也起重要的抗性作用。综述了国内外关于生物炭缓解植物病害的相关研究，重点介绍了生物炭在降低病害和提高植物抗性方面的作用机理。生物炭通过诱导植物增强系统抗性，改良土壤理化特性，改变土壤微生物群落结构，增加土壤有益微生物类群的丰度和活性，吸附病原菌及其产生的有毒物质等来降低病原菌对寄主植物的侵害作用，从而促进植物生长和增强植株抗病性。生物炭对病害的抗病效果与生物炭的原料类型、用量、土壤及病害类型等有关。未来的研究应重点应围绕"生物炭-土壤-植物病害"体系，借助组学手段，深入研究生物炭介导植物病害的分子机理。     

生态有机肥对番茄青枯病及土壤微生物多样性的影响

采用田间小区试验和FAMEs分析研究了不同用量生态有机肥对番茄青枯病的抑制效果和土壤微生物的影响。结果表明,连作地番茄青枯病发生率为100％,施生态有机肥显著地降低了连作地番茄青枯病的发生。用量为1kg·m^-2和0.5kg·m^-2时,番茄青枯病发生率分别为39％和50％,两种施肥量间差异不显著。施生态有机肥后土壤微生物群落脂肪酸指纹发生明显改变,革兰氏阴性菌生物标记物cyc17：0的含量增加,真菌生物标记物c18:2w6的含量增加,作为AM菌根的生物标记物c16:111c呈上升趋势。聚类分析表明,对照和施生态有机肥处理土壤微生物脂肪酸指纹之间的最短距离是1.08,不同施用量处理之间的最短距离是0.70。施用生态有机肥能调控土壤微生物群落结构,促进有益微生物的生长,增强土壤生态系统的稳定性和抑病性,从而提高了土壤质量。     

生物炭对温室黄瓜不同连作年限土壤养分和微生物群落多样性的影响

以温室黄瓜连作6年和10年土壤添加质量比为5%生物炭为处理,以不添加生物炭为对照,采用桶栽的方法,研究了生物炭对不同年限连作土壤养分和微生物群落多样性的影响.结果表明: 与连作土壤相比,生物炭处理的连作6年土壤的黄瓜单株产量提高11.4%,连作10年土壤产量提高62.8%.施入生物炭显著降低了2种连作土壤容重,显著提高了有机质、速效磷含量、阳离子交换量(CEC)和pH;显著提高了土壤细菌数量和细菌/真菌,降低了真菌和尖孢镰刀菌数量,使土壤类型由真菌型向细菌型转变,尤其对连作10年土壤作用最为明显,土壤细菌和细菌/真菌分别是未处理的2.00和3.64倍,真菌和尖孢镰刀菌数量分别是未处理的54.8%和55.9%.土壤微生物群落碳源利用分析表明,10年连作土壤施入生物炭可显著提高土壤微生物活性、Shannon指数和均匀度指数,分别是未处理的1.50、2.14和1.31倍,同时显著提高了土壤微生物对糖类、氨基酸类、酚酸类和胺类碳源的利用强度,分别是未处理的1.62、1.81、1.74和1.93倍.相关性分析表明,土壤容重、速效磷含量、CEC和pH 4个指标对微生物群落变化的影响较显著.综上,生物炭通过对连作土壤理化性质及土壤微生物生态系统的改善,优化了黄瓜根区环境,促进了黄瓜产量的提高,缓解了温室黄瓜连作障碍.     

不同还田方式对砂质潮土理化性质及微生物的影响

为探索不同物料还田方式对中低产田砂质潮土的改良效果,在黄淮海平原麦玉轮作区典型砂质潮土上进行了连续6季的田间小区试验,设置全量秸秆翻耕还田(TS),秸秆等碳量的生物炭(TB)及半量秸秆半量生物炭配合翻耕还田(TSB),全量秸秆免耕覆盖还田(NTS)和半量秸秆半量生物炭配合免耕覆盖还田(NTSB),共5种还田方式。结果表明,与常规秸秆翻耕还田(TS)相比,生物炭翻耕还田(TB)显著降低土壤容重,增加玉米各个生育期土壤水分和p H值,有机质含量提升了16.4%,但TB处理的土壤大团聚体降低了21.2%和微生物数量降低了16.1%;翻耕秸秆配合生物炭还田(TSB)除了显著降低了大团聚体数量,对其余理化及微生物指标的影响均不显著;免耕模式下的秸秆还田(NTS)和秸秆生物炭配施(NTSB)分别在玉米生长的喇叭口期和收获期显著增加了土壤水分含量、耕层土壤的微生物数量和有效降低砂质潮土分形维数,对容重和有机质含量有一定的改善,其中NTSB有机质含量提升了14.9%和微生物数量增加了53.7%,对砂质潮土改良效果更好。总体来说,短期内用等碳量的生物炭替代秸秆翻耕还田更多的表现为物理的掺混效应,虽能有效提升土壤有机质含量,但不能有效改善砂质潮土的物理结构及生物性质,一半秸秆用生物炭替代还田对该类土壤的理化及微生物指标的改良效果也不显著,而免耕条件下秸秆配合生物碳还田效果最佳,可为砂质潮土的改良提供新的途径和理论依据。     

生物焦对土壤生态系统的影响效应

生物焦是生物残体在厌氧条件下高温裂解产生的,其主要成分为碳,芳香化程度很高,具有孔隙多、比表面积大、电荷密度高、不易分解等特点。目前的一些研究显示,生物焦具有提高土壤阳离子交换量（CEC）和pH、改善土壤肥力和健康状况、增加作物产量、减少温室气体排放等作用。生物焦施于土壤后,还具有增加土壤微生物量、改变土壤微生物群落结构,促进部分微生物生长等影响效应。然而,目前有关生物焦的研究还大都局限于表观效应上,缺乏对其微观内在机制的深入探讨。     

施用生物质炭和羊粪对宿根连作茶园根际土壤微生物的影响

茶树长期宿根连作会导致土壤酸化严重、土壤营养不平衡、根际土壤微生态结构恶化.研究生物质炭、羊粪对宿根连作茶树生长以及土壤微生物群落结构和功能的影响,探讨其对宿根连作茶树土壤环境的调节效果,可为宿根连作茶园土壤微生态的改善提供理论依据.本研究以宿根连作20年的茶园土壤为对象,利用Biolog技术和磷脂脂肪酸(PLFA)方法,研究施用生物质炭(40 t·hm^-2)和羊粪替代部分化肥对连作茶树产量和品质、土壤化学性质、根际土壤微生物群落功能和结构的影响.结果表明:施用生物质炭、羊粪1年后酸化茶园土壤的p H和土壤养分显著提高,并提高了茶叶产量.与常规施肥相比,施用生物质炭、羊粪替代部分化肥处理显著提高了茶树根际土壤微生物的碳源代谢活性和微生物多样性,对胺类、碳水化合物和聚合物的相对利用有所增加.生物质炭和羊粪处理的根际土壤总PLFA含量分别比常规施肥处理提高了20.9%和47.5%,羊粪处理还显著降低了总饱和/总单一不饱和脂肪酸比例.生物质炭和羊粪可改善茶园土壤酸化状况和土壤肥力,对宿根连作茶树的生长具有促进作用,两种措施均不同程度地增加了土壤微生物的代谢活性和微生物量、提高了多样性指数、改善了微生物群落结构.施用生物质炭和羊粪可作为调节宿根连作茶园根际土壤微生态的有效措施.     

Functional response of the soil microbial community to biochar applications

Biochar has the potential to mitigate the impacts of climate change and soil degradation by simultaneously sequestering C in soil and improving soil quality. However, the mechanism of biochar's effect on soil microbial communities remains unclear. Therefore, we conducted a global meta‐analysis, where we collected 2,110 paired observations from 107 published papers and used structural equation modeling (SEM) to analyze the effects of biochar on microbial community structure and function. Our result indicated that arbuscular mycorrhizal fungal abundance, microbial biomass C, and functional richness increased with biochar addition regardless of loads, time since application, and experiment types. Results from mixed linear model analysis suggested that soil respiration and actinomycetes (ACT) abundance decreased with biochar application. With the increase of soil pH, the effect of biochar on fungal abundance and C metabolic ability was lessened. Higher biochar pH associated with higher pyrolysis temperatures reduced the abundance of bacteria, fungi, ACT, and soil microbes feeding on miscellaneous C from Biolog Eco‐plate experiments. SEM that examined the effect of biochar properties, load, and soil properties on microbial community indicated that fungal abundance was the dominant factor affecting the response of the bacterial abundance to biochar. The response of bacterial abundance to biochar addition was soil dependent, whereas fungi abundance was mostly related to biochar load and pyrolysis temperature. Based on soil conditions, controlling biochar load and production conditions would be a direct way to regulate the effect of biochar application on soil microbial function and increase the capacity to sequester C.     

Soil and greenhouse gas responses to biochar additions in a temperate hardwood forest

Biochar additions can improve soil fertility and sequester carbon, but biochar effects have been investigated primarily in agricultural systems. Biochar from spruce and maple sawdust feedstocks (with and without inorganic phosphorus in a factorial design) were added to plots in a commercially managed temperate hardwood forest stand in central Ontario, Canada; treatments were applied as a top‐dressing immediately prior to fall leaf abscission in September 2011. Forests in this region have acidic, sandy soils, and due to nitrogen deposition may exhibit phosphorus, calcium, and magnesium limitation. To investigate short‐term impacts of biochar application on soil nutrient supply and greenhouse gas fluxes as compared to phosphorus fertilization, data were collected over the first year after treatment application; linear mixed models were used to analyze data. Two to six weeks after treatment application, there were higher concentrations of potassium in spruce and maple biochar plots, and phosphorus in spruce biochar plots, as compared to the control treatment. There were higher concentrations of calcium, magnesium, and phosphorus in the phosphorus plots. In the following spring and summer (9–12 months after treatment application), there were higher soil calcium concentrations in maple biochar plots, and phosphorus plots still had higher soil phosphorus concentrations than control plots. No treatment effects on fluxes of carbon dioxide, methane, or nitrous oxide were detected in the field; however, laboratory incubations after 12 months showed higher microbial respiration in soils from maple biochar plots as compared to spruce biochar, despite no effect on microbial biomass. The results suggest that the most important short‐term impact of biochar additions in this system is the increased supply of the limiting plant nutrients phosphorus and calcium. We expect that larger changes in mineral soil physical and chemical properties will occur when the surface‐applied biochar becomes incorporated into the soil after a few years.     

生物炭影响作物生长及其与化肥混施的增效机制研究进展

利用秸秆型生物炭进行还田改土不仅具有提升作物产量的潜力,而且能够产生明显的环境效益,现已成为当今国内外农业领域的研究热点.本文综述了近年来国内外有关生物炭添加影响作物生长的分子调控机制研究,尤其关注了生物炭与作物根系的互作效应;介绍了生物炭与化肥混施的生物学效应及可能的增效机制;展望了今后的研究方向,以期促进我国相关领域的研究.国内外的最新研究表明:生物炭土壤添加改善植物生长的关键是生长素相关信号转导分子,通过促进植物细胞扩增、细胞壁松弛、水及营养的转运等相关基因的表达,有利于植物的新陈代谢及生长.生物炭及其与根系的相互作用能够直接或间接地影响土壤物理、化学、生物因子,从而在炭、肥互作增效过程中起主导调控作用.