生物炭对土壤固氮微生物的影响研究

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(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

土壤酸化、板结、重金属超标等问题随着化肥的过量施用变得日益严重。如何在不减少作物产量的前提下减少化肥的施用是解决土壤问题的关键。

自然界中存在固氮菌、解磷细菌和解钾细菌等功能微生物，通过这些功能微生物在土壤中的生长繁殖，达到解钾、释磷、固氮的功能，从而为植物生长提供养料，并逐步减少化肥的使用成为了改善土壤现状的重要可行方案。

而生物炭独特的理化性质决定其可以作为土壤改良剂，同时可以为微生物的生长提供营养物质与生存空间。在总结生物炭对土壤以及土壤中固氮微生物影响的研究基础上，探索生物炭作为功能微生物载体的可行性。

1 生物炭的基本性质及对土壤的影响

1.1 生物炭的结构特征

生物炭是生物质在缺氧的条件下热解得到的固态产物。生物炭的微观组成多是芳香环片层，这些片层高度扭曲、紧密堆积[1]，如图1所示的电镜图片，可见其乱层结构[2]和大的比表面积特征，而不同材质热解生成的生物炭在结构上有一定差异。生物炭的孔隙率和比表面积是其重要的结构特征，很大程度上决定着生物炭潜在性能的发挥。一般来说，生物炭的性能与孔隙率和比表面积成正比，表现为生物炭的良好的吸附性与持水性。

图1 不同材料热的生物炭电镜图

1.2 生物炭对土壤理化性质的影响

1.2.1 生物炭对土壤容重的影响

容重较低且有机质含量高的土壤更有利于土壤中营养的释放、养分的保留，并降低土壤板结程度，对种子的萌发具有促进效果。生物炭自身的容重很小，当生物炭与土壤混合后可以降低土壤容重并提高土壤生产力。Eastman[3]在粉砂土壤上施用 25g /kg 的生物炭，土壤容重从1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3。

1.2.2 生物炭对土壤酸化的影响

大部分生物炭呈现碱性。近几年来的研究表明，生物炭通过三种途径进行影响酸性土壤的pH值：1.生物炭自身含有碱性物质，可以对土壤中的酸性物质进行中和。2.生物炭的添加可以促进土壤中有机氮的矿化，消耗质子，从而提高土壤pH。3.生物炭的巨大比表面积可以吸附土壤中的,从而抑制硝化作用，提升土壤pH。张祥等[4]通过试验得到向土壤中施加2%的生物炭可以使土壤pH提高0.55。

1.2.3 生物炭对阳离子交换量(CEC)的影响

阳离子交换量(CEC)(指土壤能吸附的交换性阳离子(Ca+、K+、Na+、Mg+)的最大量)是评价土壤肥力的关键指标。生物炭自身含有部分交换性阳离子，因此将生物炭施入土壤可以提高土壤的阳离子交换量。张雯[5]在土壤中施入20t/hm-2的木炭生物炭，土壤阳离子交换量值从5.7cmol/kg 增大到5.9 cmol/kg。随着生物炭施入量的增加，土壤阳离子交换量增大程度为0.1～3.7 cmol/kg。

1.3 生物炭对土壤微生物的影响

研究表明生物炭对土壤中微生物的活性产生了积极的影响。Hale等[6]将600℃的松木炭与砂质土混合4周后发现细菌(肠道杆菌)的数量增加了16%。Ameloot[7]等人将700℃的柳木炭分别施入砂土和黏土中，发现微生物的生物量增加了29%和62%。 生物炭对微生物活性的积极作用体现在：1.它可以为土壤微生物的生长提供易于降解的有机代谢物和营养物质。2.生物炭具有较强的吸附能力，可以吸附对微生物生长有害的物质(如：邻苯二酚、甲酚、木糖醇、甲醛、丙烯醛等)。3.生物炭的孔隙可以为微生物提供生存空间，减少了微生物之间的生存竞争，有益于菌根真菌的繁殖与活性。很多文献认为无论是细菌还是真菌，生物炭的孔隙都能更好地保护其免受竞争者的影响。但究竟是孔隙的物理位置还是表面的吸附为微生物提供保护，还需要进一步的研究来确定。这一问题的揭示将成为生物炭与微生物之间作用机理的关键。

2 微生物的氮循环

氮在自然界中的循环转化过程。是生物圈内基本的物质循环之一。土壤微生物氮循环的主要环节是:硝化与反硝化作用、氨化作用和固氮作用。

2.1 硝化与反硝化作用

2.2 氨化作用

氨化作用是微生物分解有机含氮化合物并释放出氨的过程。土壤中的有机含氮化合物除可溶性氨基酸外，其他物质都不能被植物直接吸收，必须经过微生物分解，将氨释放出来，才能供植物利用。

2.3 生物固氮作用

氮是合成蛋白质和核酸等生物分子的必要条件。虽然大气中含有78%的氮气，但是大多数生物都不能直接利用大气中的氮。生物固氮是指在某些特定的条件下自然生态系统中的固氮微生物，在细胞中固氮酶的催化下将大气中的N2还原成铵的过程。自然界能够固氮的微生物很多,根据微生物固氮的特点及与植物的关系可分为：自生固氮、共生固氮和联合固氮。生物固氮是全球生态系统最主要的氮源，它和光合作用被并称为地球生命活动的基石。

3 生物炭对固氮效果和固氮微生物的影响

3.1 生物炭对硝化作用的影响

一项研究报告称，土壤生物炭的添加增加了热带地区可耕地的硝化作用。Song[8]在中国温带地区土壤中添加生物炭后发现古生菌和细菌的基因拷贝数得到了增加。Nelissen等[9]发现，土壤在添加生物炭后，总硝化反应增加了13%，总氮化程度增加了34%。

3.2 生物炭对氨化作用的影响

研究发现生物炭的添加可以促进氨化作用。例如，Nelissen等[10]报告说，在15N示踪剂培养试验中，土壤添加生物炭后总氮化量增加了两倍。利用同样的方法，Prommer等[11]通过18个月的田间试验发现，土壤有机氮的形成减少，总硝化反应的增加。

3.3 生物炭对固氮微生物的影响

一些实验室和实地研究揭示了生物炭对土壤中微生物固氮的积极作用。通过同位素法和乙炔还原法等固氮效果评价方法，以及分子生物技术——诸如定量聚合酶链反应(qPCR)和DNA测序等方法，都证实生物炭增加了固氮酶的活性、根瘤数，以及固氮微生物的丰富程度。

孟颖等[17]发现，在土壤中施加不同类型的生物炭，能有效提高玉米苗期的生物固氮作用，促进了纤维素降解菌和固氮菌的生长。宋延静等[18]利用实验室模拟的方法向滨海盐碱土中添加生物炭，通过空白实验对照发现添加生物炭可有效改变滨海盐碱土固氮菌的群落结构，促进了土壤固氮菌的生长，从而增加土壤氮素输入，增加了土壤氮素供应。Harter[14]证明生物炭可以增加固氮霉基因的拷贝数量。Anderson[12]等人用不同的生物炭行了盆栽试验，并使用了T-RFLP与16SrRNA基因测序，阐明生物炭施加应用对微生物群落的影响，结果表明生物炭增加了许多已知的固氮细菌家族的相对丰度，如黄根瘤菌、弗兰基科和根瘤菌科。同时，利用稳定同位素技术对豆科植物共生固氮的研究也揭示了类似的趋势。在贫瘠的土壤中生物炭也能提高固氮菌的固氮效率。在盆栽试验中，Rondon[16]等人研究证明，在低肥力的情况下，将木材衍生的生物炭添加到一种低浓度的氧化土中，可以改善普通咖啡豆的共生固氮。Singh R[19]等，发现在贫瘠的土壤中施加生物炭，有利于根瘤形成。Makoto Ogawa[20]等通过对无氮培养基上培养的游离的固氮菌进行为期一周的木炭接种试验，证明生物炭可以成为根瘤菌的栖息地，这一结论为生物炭作为固氮根瘤菌载体提供了佐证。

4 结 语

生物炭作为新型的土壤改良剂，还田利用受到人们的关注。生物炭的组成及高孔隙率决定了它可以为微生物的生长提供营养物质与生存环境。在研究过程中人们发现了生物炭可以增强土壤微生物的氮循环，对固氮微生物的生长具有促进作用。笔者通过文献研究证实了生物炭可以作为固氮微生物的有效载体的可行性。生物炭与功能微生物的未来的研究，应从以下几个方面入手：1.确定适合固氮菌生长的生物炭基质，研制生物炭基固氮菌肥；2.揭示生物炭促进生物固氮的机理；3.研究生物炭作为其他功能菌载体的可行性，使生物炭最大的发挥它的土壤效应。