生物炭的添加促进了中国 fir 根际微生物群落的重建，以及其中关键物种和稀有类群的不同响应

《Rhizosphere》：Biochar addition drives the reconstruction of the rhizosphere microbial community of Chinese fir and the differentiated responses of its keystone and rare taxa

酸红壤养分及微生物群落响应生物炭热解温度与添加率研究。通过300天盆栽试验，发现600℃生物炭添加显著提升根际土壤总碳（TC）、有效磷（AP）等养分指标，且3%添加量效果更佳。微生物分析表明，高温处理（600℃）显著改变细菌（Acidobacteriota、Proteobacteria、Chloroflexi）和真菌（Ascomycota、Basidiomycota、Glomeromycota）关键物种组成，同时B600 treatments增强细菌稀有类群和真菌关键类群随机组装过程。研究揭示了生物炭通过调控根际化学环境影响微生物群落组装机制，为红壤改良提供新策略。

　　

郭小红|包明卓|包子阳|姜江|周传凡

中国江苏省南方可持续林业协同创新中心，江苏省土壤与水保持及生态修复重点实验室，南京林业大学，南京210037，中国

摘要

酸性红土的贫瘠性，尤其是其较低的磷有效性，严重限制了杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林的可持续发展。生物炭被广泛认为是改善酸性土壤的有希望的改良剂；然而，不同热解温度和施用率的生物炭如何调节根际中的养分状况和微生物群落，尤其是关键物种和稀有物种，目前尚不明确。为了解决这一知识空白，进行了一项为期300天的盆栽实验，使用在酸性红土中种植的杉木幼苗，并施加了300°C或600°C热解产生的生物炭，施用量为1%或3%（重量/重量）。生物炭的添加降低了溶解有机碳（DOC）的含量，但增加了大多数其他土壤养分指标，包括总碳（TC）、总磷（TP）和有效磷（AP），其中600°C生物炭处理的效果更为显著。300°C生产的生物炭对微生物的α多样性或群落组成影响较小，而600°C生产的生物炭显著改变了细菌和真菌的多样性和群落结构。特别是3%B600处理显著改变了关键微生物群的组成，而对稀有物种的影响有限。细菌和真菌群落主要是通过确定性过程组装的，尽管B600增加了随机过程的贡献。偏最小二乘路径模型显示，细菌群落结构显著受到关键物种和稀有物种的影响，而真菌群落结构主要由关键物种驱动。关键细菌物种主要属于Acidobacteriota、Proteobacteria和Chloroflexi，而关键真菌物种主要富集在Ascomycota、Basidiomycota和Glomeromycota中。具体来说，B300增强了细菌关键群的确定性组装，B600增加了细菌稀有群和真菌关键群的随机性，而真菌稀有群主要受随机过程控制。这些发现表明，杉木根际中的养分和微生物群落对生物炭的热解温度和施用量有不同的响应，为基于生物炭的酸性红土改良和杉木人工林的可持续管理提供了新的见解。

引言

杉木（Cunninghamia lanceolata）是中国南方最重要的造林树种之一。其造林面积已达约1000万公顷，蓄积量约为7.55亿立方米，在中国的人工林中排名第一，在国家木材产业中发挥着重要作用（Hu等人，2025年）。众所周知，杉木人工林主要分布在亚热带红土地区。然而，在长期单一栽培管理下，红土面临一系列生态和环境问题，包括肥力下降和严重酸化。特别是这些土壤中高浓度的铁和铝离子会强烈吸附磷，导致有效磷含量低，这已成为杉木人工林可持续发展的主要限制因素（Chen Y.等人，2024年；Chen X.等人，2024年）。因此，改善红土质量和提高磷的有效性对于杉木人工林的可持续管理至关重要。

生物炭因其多孔结构、丰富的表面官能团、碱性特性和多样的养分组成而被广泛认为是改善酸性土壤的有效改良剂。先前的研究表明，生物炭可以提高土壤pH值，增强养分保持能力，并刺激微生物活动。在酸性红土中，这些特性表明生物炭可能通过改善土壤物理化学性质和根际微环境来帮助缓解杉木人工林的生产力下降（Yang等人，2021年）。然而，生物炭的效果受其性质的影响很大，而这些性质又取决于热解温度和施用率。在较高热解温度下生产的生物炭通常具有更大的孔隙尺寸、更高的pH值和改变的养分组成，这可能对养分转化和微生物过程产生不同的影响（Weber等人，2018年；He等人，2023年）。同样，不同的添加率也会导致不同的结果。例如，低剂量的生物炭被发现会抑制微生物PLFAs，而高剂量的生物炭则会促进它们（Shan等人，2023年）。尽管越来越多的证据表明生物炭可以改善红土的物理化学性质并改变整体微生物群落，但大多数研究都集中在 bulk soil 上，而根际却受到的关注较少。根际是植物-土壤-微生物相互作用的核心界面，具有独特的碳输入、氧化还原条件和离子流动调节特性，使其对生物炭等外部改良剂特别敏感（Qu等人，2022年；Xiong等人，2021年）。在富含铁和铝氧化物且磷固定作用强的红土系统中，尚不清楚生物炭是否可以通过改变杉木根际的化学环境来提高养分有效性和重塑微生物群落。因此，阐明生物炭添加如何调节根际尺度上的土壤养分动态和微生物群落结构的机制对于理解森林人工林生产力恢复的过程和途径具有重要的科学意义。

土壤微生物是养分循环和生态系统功能的核心驱动因素，被广泛用作土壤健康的指标（Antoszewski等人，2022年；Qu等人，2022年）。随着高通量测序技术的发展，人们不仅关注整个微生物群落，还关注其中的特定生态群组。其中，关键物种是高度连接的生物，在维持群落结构和功能方面发挥着不成比例的重要作用，即使它们在数量上不占优势（Bai等人，2023年）。相比之下，稀有物种虽然数量较少（相对丰度<0.01%），但可以对微生物多样性、功能冗余性和生态系统韧性做出重大贡献（Li等人，2023年；Liu X.等人，2025年）。这两组物种被认为执行不同的但互补的生态功能：关键物种维持群落的连通性和功能稳定性（Liu X.等人，2025年），而稀有物种通常在环境压力下激活潜在的功能基因，从而增强系统韧性（Hou等人，2025年）。然而，大多数先前的研究都集中在整个群落组成的变化或主导物种上，而关键物种和稀有物种对生物炭添加的响应仍不清楚，特别是在森林根际系统中。此外，关键物种和稀有物种对环境变化的敏感性可能有所不同，包括养分有效性和土壤物理化学条件（Chakraborty S等人，2026年）。目前尚不清楚这些组在中国杉木根际中对不同热解温度和施用率的生物炭是否有不同的响应。

因此，本研究使用了来自福建省南平市一个第二轮杉木人工林的酸性红土，并在不同生物炭处理下培养了第三代杉木幼苗。将300°C和600°C生产的生物炭以1%和3%（w/w）的剂量施加，300天后分析了根际养分状况、微生物群落及其关键物种和稀有物种。我们假设：（i）生物炭的添加显著改善了根际土壤的养分水平，提高了磷的有效性，且效果随热解温度和生物炭剂量的增加而增强；（ii）生物炭的添加通过改善根际土壤的化学环境促进了微生物生长并重塑了群落结构；（iii）关键和稀有微生物物种对不同生物炭处理的响应模式不同。本研究为生物炭调节根际微生态的机制提供了新的见解，并为红土改良和杉木人工林的可持续管理提供了科学依据。

实验设计

实验在福建省南平市延平市的一个杉木人工林（26°39' W, 117°54' E）收集的表层红土（0-20厘米）中进行。该土壤具有强烈的酸性，水分和养分保持能力较差。生物炭与土壤充分混合，采用全因子设计，包括两种热解温度（300°C和600°C）和三种施用率（0%、1%和3% 重量/重量）。

生物炭添加改变了杉木根际土壤的养分状况

单因素方差分析结果（图1）显示，生物炭的添加显著增加了根际土壤中的总碳（TC）含量。除了1%B300处理外，所有添加生物炭的处理中TC含量约为对照组的两倍（20.53克/千克），且3%添加量的增加幅度大于1%添加量。总氮（TN）在B600处理中也显著增加，超过了对照组的两倍（3.95克/千克）。土壤C/N比仅在3%B300处理中显著增加（8.08）。

生物炭改善了根际养分状况，尤其是在较高热解温度下效果更明显

生物炭是一种富含碳的材料，通过热解产生，其碳含量通常随热解温度的升高而增加（Ding等人，2016年）。因此，添加生物炭后根际中的TC显著增加，并且随着热解温度和施用率的增加而上升（图1）。在一定范围内，较高的热解温度会产生pH值更高、比表面积更大和孔隙率更高的生物炭（Jin等人，2024年；Wang R.等人，

结论

本研究主要研究了在不同热解温度（300°C和600°C）下生产的生物炭以不同剂量（1%和3%）添加对杉木幼苗根际土壤的影响，重点关注其基本养分的变化、微生物群落及其关键物种和稀有群体的多样性和群落组装过程。生物炭的添加显著影响了根际土壤养分和微生物群落，存在明显差异

CRediT作者贡献声明

郭小红：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，正式分析。周传凡：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，概念构思。姜江：监督，资金获取。包子阳：验证，调查。包明卓：验证，方法学，调查，数据管理

未引用参考文献

Bray和Kurtz，1945年；Chen等人，2024年；Feng等人，2022年；Feng等人，2024年；Jones和Willett，2006年；Lehmann，2007年；Liu等人，2025年；Mulvaney，1996年；Murphy和Riley，1962年；Wang等人，2025年；Weber和Quicker，2018年；Zhang等人，2024年；Zhou等人，2024a。

数据可用性

本研究中使用或分析的数据集可在第一作者处合理请求下获得。

利益冲突

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。

资助

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF1304404）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF1304404）的支持。