BIOCHAR | 生物炭增加土壤微生物量并改变胞外和胞内酶活性：全球整合分析

将生物炭添加到土壤中是一种增强土壤碳（C）固存、减少温室气体排放、改善土壤质量和提高农作物生产力的潜在管理策略。生物炭对土壤微生物和酶活性的影响与生物炭在实现这些收益方面的潜力密不可分。我们用来自72篇论文的964个数据点，进行球整合分析，来评估生物炭添加对土壤微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）以及12种酶的活性的影响，并确定影响这些土壤微生物特性的关键因素。

我们发现生物炭对酶活性的影响随土壤类型、生物炭特性和所研究酶的类型而变化。生物炭显著提高了MBC和脲酶、碱性磷酸酶和脱氢酶的活性，而对其它的酶无显著负面影响。在低pH（<6.5）、低总碳（<20 g kg^-1）、低总氮（<2 g kg^-1）和质地细（包括黏土，黏壤土和粉砂土）的土壤中，生物炭的施用对提高MBC和酶活性更有效。在350-550°C的热解温度下制备的生物炭具有高pH（> 10）和低C/N比（<50），它们的添加增加了土壤MBC以及脲酶和脱氢酶的活性。生物炭添加可以增加野外条件下MBC和N-获取相关的酶的活性，但在实验室培养的实验中却没有。

在短期研究中（使用生物炭100天之内），生物炭的添加提高了脲酶的活性，而在超过1年的长期研究中，生物炭的添加提高了碱性磷酸酶的活性。生物炭的施用增加了MBC和某些土壤酶的活性，而对任何水解酶和氧化酶均无负面影响，这表明其具有提高土壤质量的潜力，特别是对土壤微生物数量和酶活性有限而肥力低下的退化土壤。这项研究还表明，可以将生物炭设计成使其具有特定性质，以增强特定土壤中微生物数量和酶活性。

1.生物炭施用对土壤酶活性和微生物生物量的总体影响

生物炭的施用显著增加了脲酶、碱性磷酸酶和脱氢酶的活性，分别比对照组增加了23.1%、25.4%和19.8%，但未影响其他酶的活性。施用生物炭可将和N-获取相关的酶的活性提高23.3%，但不会影响和C-获取和P-获取相关的酶的活性。生物炭的施用也使MBC显著增加21.7%，但对MBN没有影响。在酸性土壤中生物炭对MBC的影响率与C-获取和N-获取相关的酶的影响率具有显著的线性关系（P <0.05），而在中性和碱性土壤中则没有。在酸性土壤中，生物炭对MBC的影响率与C-获取相关的酶的影响率呈负相关（P = 0.002），与N-获取相关的酶的影响率呈正相关（P <0.01）。

2.生物炭对不同土壤中脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和N-获取相关的酶的活性及MBC的影响

生物炭对土壤酶活性和MBC的影响取决于土壤特性。施用生物炭可使在总碳小于10 g kg^-1的土壤中的尿酶活性增加33.3%，使总碳含量在10-20 g kg^-1的土壤中尿酶的活性增加31.2%。生物炭的施用还提高了总氮小于2 g kg^-1的土壤中脲酶的活性。在质地细的土壤中施用生物炭可明显增加脲酶活性。同样，在中性土壤中，生物炭的施用使脱氢酶活性增加40%。生物炭的施用对碱性磷酸酶的活性的影响取决于土壤的pH、总碳、总氮和质地：在酸性土壤中增加52%，而在中性和碱性土壤中则无影响；在总氮小于10 g kg^-1和10-20 g kg^-1的土壤中分别增加25.7%和36.6%，在田间试验中增加67.4%，但在实验室培养和温室实验中则没有影响。

在酸性和碱性土壤中，生物炭显著提高了和N-获取相的酶的活性分别为26.6%和27.3%。在总碳小于10 g kg^-1的土壤中增加了34.8%；总氮小于1 g kg^-1的土壤中增加了32.7%；而在田间和温室实验中分别增加23.5%和21%。在酸性和碱性土壤中生物炭的施用分别显著提高了MBC达16.6%和38.7%；总碳小于10 g kg^-1和10-20 g kg^-1的土壤分别增加23.6%和23.2%；在粗质地和细质地土壤中分别增加22.1%和18.6%。

3.生物炭特性对脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶、N‑获取相关的酶活性和MBC的影响

生物炭对尿素酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和N-获取相关的酶活性以及MBC增加的影响还取决于热解温度、制作生物炭的原料类型以及有关的生物炭特性（例如pH和C/N比）。在高温下（高于550 °C）制作的生物炭的施用增加了尿素酶活性25.9%。以粪便为原料制作的生物炭的施用，尿素酶的活性增加了23.9%，高pH（>10）的生物炭的施用增加了尿素酶的活性达33.5%，而生物炭的施用量对尿素酶的活性没有显著影响。但是，较低的生物炭施用量（低于3%）以及由农作物残留物和木材作为原料制作的生物炭的生物炭施用显著提高了碱性磷酸酶的活性。在低热解温度（低于350 °C）和低C/N比（低于50）条件下制备的生物炭可提高脱氢酶活性。在温室实验中，生物炭的施用使得脱氢酶活性显著增加了31.8%。在短期研究中，生物炭显著增加了脲酶的活性，而在长期研究中，增加了碱性磷酸酶的活性。

通过施用基于粪便为原料制作的生物炭，在中等热解温度（350-500 °C）制作的、具有高pH（高于10）的生物炭和施用量低（<低于1%）的情况下，和氮-获取相关的酶显著增加。具有较低C/N比（<100）的生物炭以及田间和温室实验条件下生物炭的施用均显著提高了和N-获取相关的酶的活性。同样，以作物残渣和城市废弃物为原料制作的的生物炭，具有高pH（>8）和低C/N比（< 100）的生物炭以及除了3-5%的添加量以外的所有生物炭施用量均显著提高了MBC。在田间试验中生物炭的施用显著增加了MBC。

向土壤中添加生物炭显著地增加了MBC以及脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和与N-获取相关的酶的活性，而且活性增幅随土壤性质、与生物炭有关的特性、施用量和实验类型而有很大的变化。整合分析还显示，尽管在某些实验中添加生物炭降低了某些酶的活性，生物炭的施用并未显著降低我们研究的酶的活性。生物炭对MBC和酶活性的中性和显著正效应，以及生物炭对CH₄和N₂O排放的负面影响表明生物炭在提高土壤质量的同时能够缓解全球气候变化。

论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-020-00039-1

BIOCHAR简介

BIOCHAR是由沈阳农业大学主办并与施普林格•自然集团合作出版的全英文季刊（缩写BCHA，ISSN: 2524-7972，E-ISSN: 2524-7867）。

期刊涵盖农业科学、环境科学、材料科学等领域。下设生物炭制备、生物炭材料、生物炭与可持续农业、生物炭与生态环境、生物炭与气候变化、生物炭与农村发展等栏目，接收综述、 观点、原创研究、快报、短评等文章。

近年来，生物炭相关研究得到了国内外学者的普遍关注，学术群体不断壮大，科研成果日渐丰富，产业化发展态势良好。BIOCHAR将为全球学者搭建一个高效的学术交流平台，为生物炭产业发展做出贡献。

https://www.springer.com/42773