生物炭對(duì)土壤固氮微生物的影響研究

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(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

土壤酸化、板結(jié)、重金屬超標(biāo)等問(wèn)題隨著化肥的過(guò)量施用變得日益嚴(yán)重。如何在不減少作物產(chǎn)量的前提下減少化肥的施用是解決土壤問(wèn)題的關(guān)鍵。

自然界中存在固氮菌、解磷細(xì)菌和解鉀細(xì)菌等功能微生物，通過(guò)這些功能微生物在土壤中的生長(zhǎng)繁殖，達(dá)到解鉀、釋磷、固氮的功能，從而為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)料，并逐步減少化肥的使用成為了改善土壤現(xiàn)狀的重要可行方案。

而生物炭獨(dú)特的理化性質(zhì)決定其可以作為土壤改良劑，同時(shí)可以為微生物的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與生存空間。在總結(jié)生物炭對(duì)土壤以及土壤中固氮微生物影響的研究基礎(chǔ)上，探索生物炭作為功能微生物載體的可行性。

1 生物炭的基本性質(zhì)及對(duì)土壤的影響

1.1 生物炭的結(jié)構(gòu)特征

生物炭是生物質(zhì)在缺氧的條件下熱解得到的固態(tài)產(chǎn)物。生物炭的微觀組成多是芳香環(huán)片層，這些片層高度扭曲、緊密堆積[1]，如圖1所示的電鏡圖片，可見其亂層結(jié)構(gòu)[2]和大的比表面積特征，而不同材質(zhì)熱解生成的生物炭在結(jié)構(gòu)上有一定差異。生物炭的孔隙率和比表面積是其重要的結(jié)構(gòu)特征，很大程度上決定著生物炭潛在性能的發(fā)揮。一般來(lái)說(shuō)，生物炭的性能與孔隙率和比表面積成正比，表現(xiàn)為生物炭的良好的吸附性與持水性。

圖1 不同材料熱的生物炭電鏡圖

1.2 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

1.2.1 生物炭對(duì)土壤容重的影響

容重較低且有機(jī)質(zhì)含量高的土壤更有利于土壤中營(yíng)養(yǎng)的釋放、養(yǎng)分的保留，并降低土壤板結(jié)程度，對(duì)種子的萌發(fā)具有促進(jìn)效果。生物炭自身的容重很小，當(dāng)生物炭與土壤混合后可以降低土壤容重并提高土壤生產(chǎn)力。Eastman[3]在粉砂土壤上施用 25g /kg 的生物炭，土壤容重從1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3。

1.2.2 生物炭對(duì)土壤酸化的影響

大部分生物炭呈現(xiàn)堿性。近幾年來(lái)的研究表明，生物炭通過(guò)三種途徑進(jìn)行影響酸性土壤的pH值：1.生物炭自身含有堿性物質(zhì)，可以對(duì)土壤中的酸性物質(zhì)進(jìn)行中和。2.生物炭的添加可以促進(jìn)土壤中有機(jī)氮的礦化，消耗質(zhì)子，從而提高土壤pH。3.生物炭的巨大比表面積可以吸附土壤中的,從而抑制硝化作用，提升土壤pH。張祥等[4]通過(guò)試驗(yàn)得到向土壤中施加2%的生物炭可以使土壤pH提高0.55。

1.2.3 生物炭對(duì)陽(yáng)離子交換量(CEC)的影響

陽(yáng)離子交換量(CEC)(指土壤能吸附的交換性陽(yáng)離子(Ca+、K+、Na+、Mg+)的最大量)是評(píng)價(jià)土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)。生物炭自身含有部分交換性陽(yáng)離子，因此將生物炭施入土壤可以提高土壤的陽(yáng)離子交換量。張?chǎng)5]在土壤中施入20t/hm-2的木炭生物炭，土壤陽(yáng)離子交換量值從5.7cmol/kg 增大到5.9 cmol/kg。隨著生物炭施入量的增加，土壤陽(yáng)離子交換量增大程度為0.1～3.7 cmol/kg。

1.3 生物炭對(duì)土壤微生物的影響

研究表明生物炭對(duì)土壤中微生物的活性產(chǎn)生了積極的影響。Hale等[6]將600℃的松木炭與砂質(zhì)土混合4周后發(fā)現(xiàn)細(xì)菌(腸道桿菌)的數(shù)量增加了16%。Ameloot[7]等人將700℃的柳木炭分別施入砂土和黏土中，發(fā)現(xiàn)微生物的生物量增加了29%和62%。 生物炭對(duì)微生物活性的積極作用體現(xiàn)在：1.它可以為土壤微生物的生長(zhǎng)提供易于降解的有機(jī)代謝物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。2.生物炭具有較強(qiáng)的吸附能力，可以吸附對(duì)微生物生長(zhǎng)有害的物質(zhì)(如：鄰苯二酚、甲酚、木糖醇、甲醛、丙烯醛等)。3.生物炭的孔隙可以為微生物提供生存空間，減少了微生物之間的生存競(jìng)爭(zhēng)，有益于菌根真菌的繁殖與活性。很多文獻(xiàn)認(rèn)為無(wú)論是細(xì)菌還是真菌，生物炭的孔隙都能更好地保護(hù)其免受競(jìng)爭(zhēng)者的影響。但究竟是孔隙的物理位置還是表面的吸附為微生物提供保護(hù)，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)確定。這一問(wèn)題的揭示將成為生物炭與微生物之間作用機(jī)理的關(guān)鍵。

2 微生物的氮循環(huán)

氮在自然界中的循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程。是生物圈內(nèi)基本的物質(zhì)循環(huán)之一。土壤微生物氮循環(huán)的主要環(huán)節(jié)是:硝化與反硝化作用、氨化作用和固氮作用。

2.1 硝化與反硝化作用

2.2 氨化作用

氨化作用是微生物分解有機(jī)含氮化合物并釋放出氨的過(guò)程。土壤中的有機(jī)含氮化合物除可溶性氨基酸外，其他物質(zhì)都不能被植物直接吸收，必須經(jīng)過(guò)微生物分解，將氨釋放出來(lái)，才能供植物利用。

2.3 生物固氮作用

氮是合成蛋白質(zhì)和核酸等生物分子的必要條件。雖然大氣中含有78%的氮?dú)?，但是大多?shù)生物都不能直接利用大氣中的氮。生物固氮是指在某些特定的條件下自然生態(tài)系統(tǒng)中的固氮微生物，在細(xì)胞中固氮酶的催化下將大氣中的N2還原成銨的過(guò)程。自然界能夠固氮的微生物很多,根據(jù)微生物固氮的特點(diǎn)及與植物的關(guān)系可分為：自生固氮、共生固氮和聯(lián)合固氮。生物固氮是全球生態(tài)系統(tǒng)最主要的氮源，它和光合作用被并稱為地球生命活動(dòng)的基石。

3 生物炭對(duì)固氮效果和固氮微生物的影響

3.1 生物炭對(duì)硝化作用的影響

一項(xiàng)研究報(bào)告稱，土壤生物炭的添加增加了熱帶地區(qū)可耕地的硝化作用。Song[8]在中國(guó)溫帶地區(qū)土壤中添加生物炭后發(fā)現(xiàn)古生菌和細(xì)菌的基因拷貝數(shù)得到了增加。Nelissen等[9]發(fā)現(xiàn)，土壤在添加生物炭后，總硝化反應(yīng)增加了13%，總氮化程度增加了34%。

3.2 生物炭對(duì)氨化作用的影響

研究發(fā)現(xiàn)生物炭的添加可以促進(jìn)氨化作用。例如，Nelissen等[10]報(bào)告說(shuō)，在15N示蹤劑培養(yǎng)試驗(yàn)中，土壤添加生物炭后總氮化量增加了兩倍。利用同樣的方法，Prommer等[11]通過(guò)18個(gè)月的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)氮的形成減少，總硝化反應(yīng)的增加。

3.3 生物炭對(duì)固氮微生物的影響

一些實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地研究揭示了生物炭對(duì)土壤中微生物固氮的積極作用。通過(guò)同位素法和乙炔還原法等固氮效果評(píng)價(jià)方法，以及分子生物技術(shù)——諸如定量聚合酶鏈反應(yīng)(qPCR)和DNA測(cè)序等方法，都證實(shí)生物炭增加了固氮酶的活性、根瘤數(shù)，以及固氮微生物的豐富程度。

孟穎等[17]發(fā)現(xiàn)，在土壤中施加不同類型的生物炭，能有效提高玉米苗期的生物固氮作用，促進(jìn)了纖維素降解菌和固氮菌的生長(zhǎng)。宋延靜等[18]利用實(shí)驗(yàn)室模擬的方法向?yàn)I海鹽堿土中添加生物炭，通過(guò)空白實(shí)驗(yàn)對(duì)照發(fā)現(xiàn)添加生物炭可有效改變?yōu)I海鹽堿土固氮菌的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了土壤固氮菌的生長(zhǎng)，從而增加土壤氮素輸入，增加了土壤氮素供應(yīng)。Harter[14]證明生物炭可以增加固氮霉基因的拷貝數(shù)量。Anderson[12]等人用不同的生物炭行了盆栽試驗(yàn)，并使用了T-RFLP與16SrRNA基因測(cè)序，闡明生物炭施加應(yīng)用對(duì)微生物群落的影響，結(jié)果表明生物炭增加了許多已知的固氮細(xì)菌家族的相對(duì)豐度，如黃根瘤菌、弗蘭基科和根瘤菌科。同時(shí)，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)豆科植物共生固氮的研究也揭示了類似的趨勢(shì)。在貧瘠的土壤中生物炭也能提高固氮菌的固氮效率。在盆栽試驗(yàn)中，Rondon[16]等人研究證明，在低肥力的情況下，將木材衍生的生物炭添加到一種低濃度的氧化土中，可以改善普通咖啡豆的共生固氮。Singh R[19]等，發(fā)現(xiàn)在貧瘠的土壤中施加生物炭，有利于根瘤形成。Makoto Ogawa[20]等通過(guò)對(duì)無(wú)氮培養(yǎng)基上培養(yǎng)的游離的固氮菌進(jìn)行為期一周的木炭接種試驗(yàn)，證明生物炭可以成為根瘤菌的棲息地，這一結(jié)論為生物炭作為固氮根瘤菌載體提供了佐證。

4 結(jié) 語(yǔ)

生物炭作為新型的土壤改良劑，還田利用受到人們的關(guān)注。生物炭的組成及高孔隙率決定了它可以為微生物的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與生存環(huán)境。在研究過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn)了生物炭可以增強(qiáng)土壤微生物的氮循環(huán)，對(duì)固氮微生物的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。筆者通過(guò)文獻(xiàn)研究證實(shí)了生物炭可以作為固氮微生物的有效載體的可行性。生物炭與功能微生物的未來(lái)的研究，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：1.確定適合固氮菌生長(zhǎng)的生物炭基質(zhì)，研制生物炭基固氮菌肥；2.揭示生物炭促進(jìn)生物固氮的機(jī)理；3.研究生物炭作為其他功能菌載體的可行性，使生物炭最大的發(fā)揮它的土壤效應(yīng)。