生物炭与磷肥协同调控微塑料污染碱性土壤真菌群落及提升大豆生产力的机制研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Synergistic effects of biochar and phosphate fertilizer on fungal communities and soybean productivity in microplastic-contaminated alkaline soils

　　本研究针对碱性土壤磷生物有效性低及微塑料污染双重挑战，通过开展生物炭与磷肥协同施用对真菌群落结构和大豆生长的调控研究，发现中量磷肥(60-90 kg P ha?1)配施2%生物炭可显著提升土壤有效磷含量、富集溶磷真菌(如Aspergillus和Fusarium)，并促进大豆磷吸收量(最高58.19%)和产量(最高84.16%)。该成果为MPs污染农田的磷资源高效利用提供了理论依据和技术路径。

　　

在当今农业生产中，塑料地膜的使用为保墒增温立下汗马功劳，但其残留物——微塑料（MPs）——却悄然成为土壤健康的“隐形杀手”。尤其对于碱性土壤而言，这无疑是雪上加霜。碱性土壤本身就像一位“吝啬的守财奴”，其高pH条件使得施入的磷肥极易被固定，形成植物难以吸收的化合物，导致磷的生物有效性严重不足。大豆作为重要的粮油作物，对磷需求旺盛，在这种“内忧外患”（土壤本身磷有效性低，外加微塑料污染）的双重压力下，其生长和产量受到严重威胁。面对全球磷矿资源日益紧张和微塑料污染不断加剧的严峻现实，如何通过可持续的土壤管理策略，在污染环境中保障作物产量和土壤健康，成为摆在科学家面前的一道难题。

为此，发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上的一项研究，将目光投向了两种有潜力的土壤改良剂——生物炭和磷肥。研究人员提出一个科学假设：将两者结合使用，能否在微塑料污染的碱性土壤中“扬长避短”，通过改善土壤环境、调控微生物群落，来解锁被固定的磷，从而帮助大豆茁壮成长？为了验证这一设想，研究团队开展了一项精心设计的盆栽实验。

为了回答上述问题，研究人员主要采用了盆栽实验设计，设置了不同梯度的磷肥（0–180 kg P ha^?1）与2% (w/w)玉米秸秆生物炭的组合处理，在人工添加1%低密度聚乙烯（LDPE）微塑料的碱性土壤中种植大豆。通过分析土壤理化性质（如pH、有效磷AP、总磷TP、溶解性有机碳DOC等）、微生物功能基因（phoD、16S rRNA、18S rRNA）丰度（采用定量PCR技术）、真菌群落结构（基于Illumina NovaSeq高通量测序及网络分析）以及大豆生长指标（生物量、磷含量、产量），并结合多变量统计方法（如主坐标分析PCoA、冗余分析RDA、偏最小二乘路径模型PLS-PM）系统评估了协同效应。

3.1. 生物炭–磷肥组合对土壤理化性质的影响

研究发现，生物炭的添加显著改变了根际土壤的理化性质，其影响远大于对非根际土壤的影响。与单施磷肥相比，生物炭与中量磷肥（B-P60, B-P90）配合施用能显著提高根际土壤的有效磷（AP）含量（增幅达130%以上）和溶解性有机碳（DOC）含量，同时调节土壤pH和氮素形态。这表明生物炭主要通过根际过程来优化土壤微环境，增强养分有效性。

3.2. 生物炭–磷肥组合对大豆生长的影响

在作物响应方面，生物炭与中量磷肥（60和90 kg P ha^?1）的组合表现出最佳效果，使大豆总生物量分别增加40.73%和42.58%，磷吸收总量分别提升58.19%和34.44%，产量更是显著提高了74.38%和84.16%。这表明该组合能有效促进大豆对磷的获取与利用，从而支撑其生长和产量形成。

3.3. 生物炭–磷肥组合对功能基因丰度的影响

微生物功能基因分析显示，生物炭添加在根际土壤中显著提高了中低磷水平下（P30, P60）的phoD基因（参与有机磷矿化）和18S rRNA基因（真菌生物量指标）的丰度。这说明生物炭可能通过促进土壤中解磷微生物的活性，来驱动磷养分的转化与供应。

3.4. 生物炭–磷肥组合对真菌群落的影响

真菌群落结构分析是本研究的一大亮点。结果表明，生物炭是驱动真菌群落变化的关键因子，而非磷肥。生物炭的添加显著提高了根际土壤中具有溶磷功能的真菌（如Aspergillus和Fusarium）的相对丰度。这些真菌能够分泌有机酸，溶解土壤中难溶性磷酸盐。此外，共现网络分析揭示，生物炭使根际真菌网络的节点和连接数增加，负相互作用增强，表明微生物群落内部的竞争加剧，群落结构更复杂、稳定性更高。

3.5. 生物炭–磷肥组合对大豆-土壤系统的综合效应

通过偏最小二乘路径模型（PLS-PM）综合分析，研究揭示了作用机制：生物炭和磷肥主要通过改善根际土壤的理化性质（特别是提升AP、DOC和TC），进而影响真菌群落多样性和功能基因丰度，最终促进大豆对磷的吸收并提高产量。根际效应在调控养分循环、连接土壤微生物与植物生长中扮演了核心角色。

综合讨论部分，研究者深入剖析了其背后的机制。生物炭以其多孔结构和表面官能团，不仅能吸附微塑料减轻其毒害，还能为微生物提供栖息地和碳源，从而塑造特定的微生物群落。溶磷真菌（如Aspergillus和Fusarium）的富集是提升磷有效性的关键。此外，根际作为植物-土壤-微生物相互作用的“热点”区域，其微环境的变化对养分活化至关重要。研究也指出，生物炭的效果因土壤类型而异，在碱性土壤中单独使用效果有限，但与磷肥联用则能产生显著的协同效应。

本研究结论明确：在微塑料污染的碱性土壤中，联合施用2%生物炭与中量磷肥（60–90 kg P ha^?1）是一种有效的可持续农业管理策略。它通过调节土壤理化性质、重塑真菌群落结构（特别是富集溶磷真菌）、增强微生物网络复杂性，最终显著提高磷利用效率和大豆生产力。这项研究不仅为应对微塑料污染和磷资源限制的双重挑战提供了科学依据和技术途径，也强调了基于根际过程管理实现农业可持续发展的重要性。未来的研究可进一步关注不同土壤类型和长期田间效应，以优化该策略的实际应用。