生物炭是一类富含碳的物质,主要由有机物质(通常是植物材料)在无氧或缺氧环境下高温分解生成的。高温生成的生物炭能够很好地耐受土壤中微生物的降解。同时,这些生物炭能够改变土壤理化性质,提高土壤肥力。土壤中添加生物炭还可以减少从土壤到环境的碳排放。为此,我们设计了一系列实验以探究不同原料生成的生物质炭对酸性土壤中微生物群落结构和土壤肥力的影响。第一个实验研究了不同有机原料在300℃C和500℃分别加温热解2h和4h制备不同类型的生物炭。通过测定生物炭的物理化学性质,来探究热解过程中时间和温度对生物炭特性的影响。生物炭、灰分含量、比表面积、pH、碳氮含量、碱性阳离子和电导率(Electric conductivity, EC)等性质随着生物炭热解温度的升高而增加,5000C热解生成的生物炭的这些性质均比300℃高,而氢、氧含量和阳离子交换量(Cationic exchange capacity, CEC)等性质则与之相反。此外,通过XRD和EDS分析发现,5000C热解生成的生物炭中CaCO3、SiO2和KCl的含量均高于300℃C生物炭。同时,FTIR光谱结果显示较高温度下生成的生物炭具有更稳定的结构。随着热解温度的升高,钾和磷的含量也随之升高。该实验结果表明,在一定条件下可以通过筛选不同的有机原料和热解条件制备出适用于提高土壤肥力或碳固定剂的生物炭。在第二个实验中,我们采用猪粪(SM)、果皮(FP)、芦苇(PA)和油菜(BR)等有机物料制备的不同类型的四种生物炭,供试土壤为红砂土和黄筋泥,生物炭添加量为3%(wt/wt),测定了培养过程中钾、钙、纳、镁、铝、铜、锌、铅、铬、镉、镍、钻、锰、铁、硼、钼等元素有效性的变化。土壤中铅、镉、铜、镍、锰、锌、铁的有效性在生物炭添加处理中显著增加,其中在SM生物炭处理中钼、铜和锌元素的有效性较高。包括钠、镁、钾和钙在内的可利用矿质元素的浓度在大多数生物炭处理中有显著的增加,然而其中镁和钙元素有效性在BR处理组中有所下降。经过90天的培养试验,测量了土壤中的磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)和土壤化学性质。原材料或生物炭种类和用量对土壤微生物群落结构和化学性质有显著的影响。红砂土中,与对照相比,施用1%和3%FP生物炭、1%SM生物炭和3%PA生物炭增加土壤细菌、真菌、放线菌、革兰式阳性和阴性菌和硫还原菌的PLFA含量,对照土壤具有较高含量的指示环境压力的异构与反异构PLFAs之比。原生动物的PLFA只在3%PA和1%BR生物炭处理中增加。冗余分析(Redundancyanalysis, RDA)显示在不同生物炭种类和添加量的情况下土壤微生物群落结构与土壤化学性质之间的关系,结果表明不同的生物炭引起了pH、可溶性有机碳(DOC)、总碳(TOC)和氮素(N)在内的化学性质的改变,同时也改变了微生物的群落结构,这些性质的改变可以作为土壤改良和C固定的指标。在黄筋泥土壤中,细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性菌、真菌细菌比例、环丙烷脂肪酸、异构脂肪酸、反异构脂肪酸、异构与反异构脂肪酸之比和硫还原菌的PLFA含量在1%和3%FP生物炭处理土壤中较高,1%SM和3%PA生物炭处理次之,但都高于对照,但所有生物炭处理土壤的原生动物PLFA含量均有显著的变化,而革兰氏阴性菌的PLFA含量则有所下降,土壤pH、K、可溶性有机碳和总碳的含量有所升高；而除了SM和FP生物炭处理,大多数生物炭处理土壤的硝态氮含量却有所下降。RDA分析显示,细菌、原生生物、异构脂肪酸、革兰氏阳性菌、饱和脂肪酸、硫还原菌、反异构脂肪酸、单不饱和脂肪酸、真菌PLFAs与土壤pH、DO、NO3-和交换态无机氮呈正相关,而且这些值在1%和3%PA、1%FP和3%SM生物炭处理中较高。革兰氏阴性菌、放线菌、环丙烷、厌氧菌、异构与反异构PLFAs之比、真菌细菌比、环丙烷脂肪酸与其前体脂肪酸之比和饱和脂肪酸与单不饱和脂肪酸之比等与土壤呼吸(C02)和可溶性有机碳呈正相关,同时这些值在3%FP生物炭添处理和对照中较高。RDA分析表明生物炭改变了土壤DOC、N、C含量以及微生物的群落结构。在第三个水稻盆栽试验研究中,将3%(wt/wt)的小麦秸秆生物炭分别添加到红砂土和黄筋泥土壤中。水稻收获时,测定不同处理土壤中淋溶液和醋酸铵可提取态养分以及水稻产量和微生物群落结构。添加生物炭后,红砂土和黄筋泥土壤pH分别从4.2和4.7增加到6.2和6.7,总氮分别增加135%和37%,有机碳增加90%和80%,但可溶性有机氮分别下降了24%和15%,可溶性有机碳分别下降40%和44%。同时生物炭添加降低了红砂土土壤中K、B、Cu、Mn和Zn的淋失,分别降低了24%、25%、80%、37%和33%；降低了黄筋泥土壤中Al、 B、Cu、Fe、Mn和Zn的淋失,分别降低了38%、50%、60%、43%、69%和83%。在红砂土土壤中可提取态的Al、Cu、Mn、Mo和Zn分别降低了22%、45%、22%、65%和62%；在黄筋泥土壤中Al和Mo分别降低了37%和45%。在两种土壤中,生物炭的添加促进了水稻对养分的吸收。同时,生物炭的添加通过增加土壤pH、总有机碳和可溶性有机碳等改变了土壤微生物的群落结构。生物炭的添加可以促进了作物对养分的吸收和土壤对养分的表面吸附,即添加生物炭降低了土壤养分的损失,却提高了土壤肥力和作物产量。