李光炫，石岸，張黎明, ，邢世和, ，楊文浩, *

1. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；2. 土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002

目前中國土壤重金屬污染問題十分突出，由于土壤重金屬污染具有隱蔽性強、長期性、不可逆性、高毒性等特點，被認為是最為嚴重的環(huán)境問題之一（徐建明等，2018），根據(jù)2014年國務(wù)院發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，土壤鉛、鋅和鎘等重金屬污染物點位超標率已達 1.5%、0.9%和7.0%，以上表明中國耕地土壤重金屬污染狀況不容樂觀（陳能場等，2017）。因此，安全有效的修復(fù)重金屬污染土壤具有重要生態(tài)及社會意義。

原位化學(xué)鈍化是重要的土壤修復(fù)技術(shù)，通過將鈍化劑加入土壤，改變重金屬的賦存形態(tài)，降低其在土壤中的移動性和生物利用性，從而降低土壤中重金屬的生物毒性（徐婧婧等，2019）。該技術(shù)具有成本低、操作便捷和環(huán)保等優(yōu)點，是一種經(jīng)濟高效且可持續(xù)的的土壤修復(fù)方式。生物質(zhì)炭因來源廣、制作成本低、孔隙度大、比表面積大、性質(zhì)穩(wěn)定、吸附能力強和環(huán)保等特點被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬修復(fù)鄰域（周春海等，2020）。目前，國內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)炭修復(fù)土壤重金屬污染的研究已經(jīng)開展了許多工作，大多從生物質(zhì)炭的原料、來源、改性方式、裂解溫度和制備時間等方面來研究（Cao et al.，2010；何緒生等，2011），而對于不同粒徑生物質(zhì)炭粒徑對土壤中重金屬鈍化及微生物特性的研究報道較少。有研究表明，生物質(zhì)炭粒徑越小對土壤容重、田間持水量、團粒結(jié)構(gòu)及重金屬離子吸附的改良效果越好（Hossain et al.，2020）。土壤重金屬修復(fù)的最終目的不僅是去除污染物，更重要的是恢復(fù)土壤生產(chǎn)及生態(tài)功能（茍帥帥等，2020）。當(dāng)生物質(zhì)炭施入土壤后不僅可以通過改善土壤結(jié)構(gòu)來促進土壤微生物的代謝活動和改變微生物群組成，而且還可以為微生物提供良好的生長庇護所和養(yǎng)分。眾所周知，中國是全球食用菌產(chǎn)量第一大國，食用菌產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生大量廢菌棒，如果處理不當(dāng)，進入土壤或者水體，會造成環(huán)境污染。因此，本研究以廢菌棒為材料制備生物質(zhì)炭，以礦區(qū)重金屬復(fù)合污染土壤為修復(fù)對象，探究不同粒徑生物質(zhì)炭對污染土壤理化性質(zhì)、有效態(tài)重金屬含量、土壤酶活性以及細菌群落結(jié)構(gòu)的影響，明確土壤修復(fù)過程中微生物群落變化的主控因素，從重金屬鈍化及土壤微生物角度評價不同粒徑生物質(zhì)炭對污染土壤的修復(fù)，為廢菌棒生物質(zhì)炭在重金屬污染土壤修復(fù)方面的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自于福建省尤溪縣的鉛鋅礦區(qū)，土壤類型為山地紅壤，其本底值為：pH值 6.12，有機質(zhì)含量2.73 g·kg-1，總氮、全磷、全鉀含量分別為 76.51、35.95、161.33 mg·kg-1，速效氮、有效磷和有效鉀含量分別為 58.20、24.55和 161.21 mg·kg-1，全量鎘、鋅、鉛含量分別為1.41、130.28、150.92 mg·kg-1，有效態(tài)鎘、鋅、鉛含量分別為0.93、98.61、26.04 mg·kg-1。采集0—20 cm土壤樣品，自然風(fēng)干后挑去肉眼可見的植物根系、石頭、碎屑等雜質(zhì)，風(fēng)干，磨細過2 mm尼龍篩保存?zhèn)溆谩?/p>

生物質(zhì)炭原料取自于古田縣食用菌生產(chǎn)企業(yè)，選取了2種不同基質(zhì)材料，分別為海鮮菇廢菌棒和秀珍菇廢菌棒。海鮮菇菌棒的主要原料為：木屑，麩皮，石灰，玉米粉和棉籽殼。秀珍菇菌棒的主要原料為：木屑，玉米粉，磷酸二銨，石膏，石灰和麥麩。本試驗將以室內(nèi)風(fēng)干的廢菌棒為生物質(zhì)炭原料。將制備原料加入封閉式裂解爐內(nèi)（淮安華電環(huán)保機械制造有限公司），裂解前通入氮氣3 min，趕走爐中空氣，使?fàn)t內(nèi)處于無氧狀態(tài)，以每分鐘10 ℃的升溫速率開始裂解，直至溫度達到 500 ℃后保持恒定，120 min后停止裂解，待其自然冷卻后取出研磨均勻，過篩后分別儲存于干燥容器中備用。生物質(zhì)炭性質(zhì)見表1。

表1 供試生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of biochars

1.2 試驗設(shè)計與處理

本試驗以海鮮菇廢菌棒和秀珍菇廢菌棒為原料，制備了海鮮菇廢菌棒生物質(zhì)炭和秀珍菇廢菌棒生物質(zhì)炭，將上述兩種生物質(zhì)炭分別過2 mm（C）、1 mm（M）、0.5 mm（F）篩，并以此設(shè)置了不同粒徑生物質(zhì)炭處理下的土壤培養(yǎng)試驗，試驗共設(shè)置了7個處理，無添加對照（CK），不同粒徑海鮮菇廢菌棒生物質(zhì)炭：海鮮菇廢菌棒粗粒徑生物質(zhì)炭（HC），海鮮菇廢菌棒中粒徑生物質(zhì)炭（HM），海鮮菇廢菌棒細粒徑生物質(zhì)炭（HF）；不同粒徑秀珍菇廢菌棒生物質(zhì)炭：秀珍菇廢菌棒粗粒徑生物質(zhì)炭（XC），秀珍菇廢菌棒中粒徑生物質(zhì)炭（XM），秀珍菇廢菌棒細粒徑生物質(zhì)炭（XF），每個處理重復(fù)3次。生物質(zhì)炭以2%的比例（李江遐等，2015）與土壤均勻混合，并調(diào)節(jié)土壤含水量為70%的田間最大持水量，培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)，培養(yǎng)箱溫度控制在25 ℃，每隔2天用稱重法補充土壤水分。培養(yǎng)120 d后，采集土壤樣品，一部分新鮮土壤樣品存于4 ℃冰箱，以此分析土壤酶活性；一部分存于-80 ℃冰箱，用于分析土壤微生物群落；剩余部分風(fēng)干過 2 mm篩，用于土壤化學(xué)性質(zhì)測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤化學(xué)指標測定

土壤相關(guān)化學(xué)性質(zhì)測定參照《土壤農(nóng)化分析(第3版)》（鮑士旦，2000）進行。其中，土壤pH值采用電位法（pHS-3E，雷磁，中國）測定（土∶水=1∶2.5），有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱）測定，溶解性有機碳（DOC）含量通過TOC分析儀測定（土∶水=1∶2），速效氮采用堿解擴散法（硫酸滴定）測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提法（鉬銻抗比色）測定，有效鉀含量采用乙酸銨浸提法（火焰光度計-BWB-F，BWB，英國）測定。

1.3.2 土壤酶活性分析

土壤酶活性測定方法參照關(guān)松蔭（1986）的方法，其中，土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法（578 nm）測定，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法（570 nm）測定、轉(zhuǎn)化酶采用 3, 5-二硝基水楊酸比色法（508 nm）測定、蛋白酶采用碳酸鈉比色法（680 nm）測定。

1.3.3 土壤細菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性

采用 Power Soil DNA 試劑盒（MoBio Laboratories，美國）從土壤中提取微生物 DNA。選定16S r DNA V3—V4區(qū)，以338F和806R作為引物進行PCR擴增，產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，并通過 Axy Prep DNA試劑盒 Axygen Biosciences回收純化。構(gòu)建好的文庫通過 IlluminaMiseq高通量測序平臺進行測序（上海，派森諾生物技術(shù)有限公司）。并利用 Trimmomatic和 Pear軟件過濾數(shù)據(jù)，利用 usearch軟件去除嵌合體，對合格的序列進行聚類分析（97%相似水平），然后進行相關(guān)群落多樣性分析。

1.3.4 土壤重金屬測定

重金屬浸出毒性含量的測定是參照美國環(huán)保署推薦的固體廢棄物毒性浸出法（Rubab et al.，2020），即TCLP浸提法測定。稱取過1 mm篩的風(fēng)干土樣10.00 g于100 mL塑料廣口瓶中，再加200 mL提取劑（提取劑的配制：加5.7 mL冰醋酸和64.3 mL 1 mol·L-1NaOH于500 mL去離子水中，定容至1000 mL容量瓶，溶液pH為4.39），置于25 ℃ 200 r·min-1振蕩 18 h，0.45 μm 濾紙過濾后取適量濾液于ICP-MS（Perk inElmer Ne xION 300X）測定。土壤 Cd、Zn、Pb全量的測定：土樣加入HNO3-HCIO4-HF（4∶1∶1）后于電熱板上加熱煮至澄清透亮，洗入容量瓶并定容，過濾后于ICP-MS（Perk inElmer NexION 300X）上測定（Rubab et al.，2020）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為3個重復(fù)，數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2010軟件進行處理，圖形采用0rigin 8.5和SigmaP1ot 12.5軟件制作，采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析（One-way AN-OVA）不同處理間的差異（P＜0.05），顯著性檢驗采用鄧肯（Duncan）法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑生物質(zhì)炭對土壤pH和速效養(yǎng)分的影響

不同粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤 pH、速效養(yǎng)分含量的影響見表2。與CK相比，生物質(zhì)炭的添加均顯著提高了土壤pH值、DOC、速效氮、有效磷和有效鉀的含量，其中土壤pH值提升范圍為1.49—2.08個單位，DOC、速效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量分數(shù)提升范圍分別是 37.50%—113.36%、17.44%—42.77%、10.03%—39.56%和 281.13%—412.39%。此外，土壤pH值、速效氮、有效磷、海鮮菇DOC和海鮮菇有效鉀質(zhì)量分數(shù)均表現(xiàn)為細粒徑生物質(zhì)炭處理最高，而秀珍菇處理的土壤DOC和有效鉀質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為中粒徑最高，說明較小粒徑生物質(zhì)炭對土壤pH、速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的提升效果比粗粒徑好。

表2 不同粒徑生物質(zhì)炭下土壤pH、速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)相關(guān)分析Table 2 Correlation Analysis of Soil pH and Available Nutrient Content under Different Particle Size of Biochar

2.2 不同粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤有效態(tài)重金屬的影響

不同粒徑生物炭處理有效態(tài) Cd、Zn、Pb的質(zhì)量分數(shù)變化情況見圖1。從圖1可知，與CK相比，生物質(zhì)炭的添加均降低了土壤有效態(tài)鎘（Cd）、鋅（Zn）、鉛（Pb）的質(zhì)量分數(shù)，質(zhì)量分數(shù)下降幅度分別為 12.1%—24.8%、8.3%—31.4%和 32.9%—53.7%。其中，土壤有效態(tài)Cd、Pb和秀珍菇處理的有效態(tài) Zn質(zhì)量分數(shù)隨著生物質(zhì)炭粒徑的減小而降低，且均表現(xiàn)為細粒徑生物質(zhì)炭處理最低；而海鮮菇處理的土壤有效態(tài) Zn隨著生物質(zhì)炭粒徑的減小呈現(xiàn)出先降低后上升的趨勢，且表現(xiàn)為中粒徑最低。綜上可知，生物質(zhì)炭的添加能鈍化降低有效態(tài)重金屬（Cd、Zn、Pb）的質(zhì)量分數(shù)，且較小粒徑生物質(zhì)炭對有效態(tài)Cd、Zn、Pb的鈍化效果比粗粒徑好。

圖1 不同粒徑生物質(zhì)炭處理下土壤有效態(tài)Cd、Zn、Pb的質(zhì)量分數(shù)Figure 1 The mass fraction of soil available Cd, Zn and Pb under different particle sizes of biochar treatment

2.3 不同粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤酶活性的影響

不同粒徑生物炭處理對脲酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶活性的特征變化情況見圖2。由圖2可知，不同粒徑生物質(zhì)炭處理的土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶活性均顯著高 CK，且活性隨生物質(zhì)炭粒徑的減小而增強，均表現(xiàn)為細粒徑生物質(zhì)炭處理的酶活性最高，說明生物質(zhì)炭的添加能提高土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶的活性，且細粒徑生物質(zhì)炭處理增強效果比粗粒徑好；此外，轉(zhuǎn)化酶的細粒徑處理提升效果最為突出，說明生物質(zhì)炭的粒徑大小對轉(zhuǎn)化酶活性的影響較大。圖中顯示，與CK相比，生物質(zhì)炭的添加顯著降低了土壤磷酸酶的活性，其中，海鮮菇處理隨生物質(zhì)炭粒徑的降低而降低，而秀珍菇處理隨生物質(zhì)炭粒徑的降低曾顯現(xiàn)出相對平穩(wěn)趨勢，說明粒徑變化對海鮮菇磷酸酶活性的影響比秀珍菇大。

圖2 不同粒徑生物質(zhì)炭處理下酶活性特征情況Figure 2 Characteristics of enzyme activity under different particle size biochar treatment

2.4 不同粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性的影響

利用Alpha Diversity對每個樣本的細菌多樣性指數(shù)進行分析，從OTU水平上通過Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)考察不同處理土壤細菌的α多樣性。其中，Chao1指數(shù)表示樣品中所含 OUT數(shù)目，用來評估物種總數(shù)；ACE指數(shù)表示群落中所含 OUT數(shù)目，用來評估物種總數(shù)；通過R軟件MASS工具包對樣品OTU進行多樣性分析，結(jié)果圖3所示。

圖3可知，與CK相比，生物質(zhì)炭的添加顯著提高了土壤細菌Chao1指數(shù)（圖3A），說明生物質(zhì)炭的添加能顯著增加土壤物種總數(shù)；從不同粒徑處理間比較，海鮮菇與秀珍菇生物質(zhì)炭處理的Chao1指數(shù)均表現(xiàn)為中粒徑（HM、XM）最高，而粗、細粒徑處理并未呈現(xiàn)出最高值，說明中粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤物種總數(shù)的提生效果比粗、細粒徑好。從圖3B可知，與CK相比，物質(zhì)炭的添加顯著提高了土壤中微生物的 ACE指數(shù)，說明生物質(zhì)炭的添加能顯著增加土壤物種總數(shù)；從不同粒徑比較來看，海鮮菇中粒徑（HM）、秀珍菇細粒徑（XF）處理的ACE指數(shù)最高，而海鮮菇粗粒徑（HF）、秀珍菇細粒徑（XC）處理呈現(xiàn)出最底值，說明ACE指數(shù)對不同粒徑的響應(yīng)不同。

圖3 不同粒徑生物質(zhì)炭處理下土壤細菌多樣性指數(shù)Figure 3 Soil bacterial diversity index under different particle size biochar treatments

為研究不同粒徑生物質(zhì)炭處理細菌群落組成及其相對豐度，將不同處理門水平進 OTU代表序列的分類和繪制（圖 4）。門水平上至少一組分別大于10%和1%定義為優(yōu)勢群。圖4可知，不同處理的優(yōu)勢細菌門分別為 Actinobacteria、Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Gemmatimonadetes、Nitrospirae和 Firmicutes，另外還有其他豐度較低且目前數(shù)據(jù)庫無法鑒定的細菌門。從門水平上看，與空白CK相比，不同粒徑生物炭處理均增加了Actinobacteria相對豐富度，增加了13.03%—24.57%，其中，海鮮菇與秀珍菇生物炭處理的放線菌門隨粒徑的降低而升高，均表現(xiàn)為較小粒徑處理增強效果高于粗粒徑。綜上可知，生物質(zhì)炭的添加均能提高土壤放線菌群，且細粒徑生物質(zhì)炭處理提升效果比粗粒徑好。

圖4 門水平上不同處理土壤樣品的細菌群落組成及相對豐度Figure 4 Bacterial community composition and relative abundance of soil samples under different treatments at phylum level

選取不同粒徑生物炭處理下培養(yǎng)土壤中相對豐度大于 1%的細菌物種進行屬水平聚類，進行Spearman相關(guān)性分析（P＜0.05），根據(jù)顯著性水平作出熱圖（圖5），并通過顏色的深淺將數(shù)據(jù)的大小直觀表現(xiàn)出來，紅色表示正向增加，并隨著紅色加深，細菌數(shù)量越多；反之，藍色表示負向減少，并隨著藍色加深，細菌數(shù)量減少越多。從圖5可知，與 CK相比，不同粒徑生物質(zhì)炭處理均顯著增加了 Kribbella、Terrabacter、Streptomyces、Pseudonocardia、Paenarthrobacter、Micromonospora、Bradyrhizobium、Nitrobacter、Actinophytocola、Lentzea、Pseudarthrobacter、Nonomuraea、Sinomonas、 Variibacter、 Blastococcus和Solirubrobacter等16個菌屬相對豐度，且16個菌屬菌屬均隨著粒徑的減小呈現(xiàn)出上升趨勢。

圖5 屬水平上不同處理土壤樣品的細菌群落變化Figure 5 Changes of bacterial community in soil samples under different treatments at genus level

為了進一步了解土壤理化性質(zhì)、重金屬與優(yōu)勢細菌屬的相關(guān)性，運用VIF和BioENV分析8種影響因子，將其與OTU注釋到的16個增量細菌屬水平菌群做 Spearman分析（圖 6），環(huán)境因子主要為：有效態(tài)重金屬（Pb、Zn和Cd）含量、土壤pH值、土壤速效養(yǎng)分（DOC、速效氮、有效磷和有效鉀）含量。由圖6發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子有效態(tài)重金屬含量與 Actinophytocola、Micromonospora、Lentzea、Bradyrhizobium、Pseudarthrobacter、Nitrobacter菌屬極顯著負相關(guān)，與 Kribbella、Pseudonocardia、Terrabacter、Paenarthrobacter、Sinomonas、Blastococcus、Nonomuraea、Variibacter顯著負相關(guān)，環(huán)境因子土壤 pH 值、土壤速效養(yǎng)分與Actinophytocola、Lentzea、Paenarthrobacter、Nitrobacter極顯著正相關(guān)，與 Kribbella、Pseudonocardia、Micromonospora、Terrabacter、Bradyrhizobium、Pseudarthrobacter、Sinomonas、Phycicoccus、Blastococcus、Nonomuraea、Variibacter顯著正相關(guān)。此外，圖中發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理所增量的 16個細菌屬均與重金屬含量呈負向相關(guān)系，與土壤pH值、土壤速效養(yǎng)分呈正向相關(guān)性。

圖6 環(huán)境因子與細菌屬水平菌落組成Spearman分析Figure 6 Spearman analysis of environmental factors and bacterial community composition at genus level

3 討論

3.1 不同粒徑生物質(zhì)炭對土壤pH、速效養(yǎng)分的影響

研究表明，生物質(zhì)炭添加可以改善酸性土壤、提高速效養(yǎng)分的質(zhì)量分數(shù)（張祥等，2013），本研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的添加均顯著提高了土壤 pH、DOC、速效氮、有效磷和有效鉀的質(zhì)量分數(shù)，其中，粒徑越小，土壤pH值的提升效果更好，可能是因為生物質(zhì)炭粒徑越小，其比表面積和孔隙度越大，增加了生物質(zhì)炭上鹽基離子（如鉀、鈣等）與土壤中交換性H+、交換性Al3+的相對接觸面積，加之生物質(zhì)炭自身含有大量的碳酸鹽、微量金屬氧化物和堿性官能團（Baker et al.，2008）。本研究中，生物質(zhì)炭的添加顯著提高了土壤的DOC含量，且細、中粒徑比粗粒徑的提升效果好，這可能是因為較小粒徑的生物質(zhì)炭比粗粒徑生物質(zhì)炭擁有更大的比表面積、微孔結(jié)構(gòu)和CEC，能顯著提高土壤保水、保肥能力（李佳軼，2019），進而通過提高了碳素活性來增強土壤 DOC養(yǎng)分。通過比較不同處理速效氮的質(zhì)量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)細粒徑的速效氮質(zhì)量分數(shù)最高，這可能是因為生物質(zhì)炭粒徑越小，增加了生物質(zhì)炭吸附 NO3-、NH4+等離子的接觸（鄭華楠等，2019），進而激發(fā)了土壤氮素活性轉(zhuǎn)化，以此提高了速效氮的質(zhì)量分數(shù)。本研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加之所以顯著增加土壤的有效磷的質(zhì)量分數(shù)，可能是因為生物質(zhì)炭促進了土壤中原有的閉蓄態(tài)磷向有效磷轉(zhuǎn)化（李艷春，2017），且兩種材料的生物質(zhì)炭均表現(xiàn)為細粒徑的有效磷含量最高，這可能是因為生物質(zhì)炭粒徑越小孔隙度越大，給微生物提供更大的附著空間，使微生物活性提高，進而增加了土壤有效磷的質(zhì)量分數(shù)。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的添加均顯著提高了土壤有效鉀的質(zhì)量分數(shù)，且海鮮菇表現(xiàn)為細粒徑的有效鉀質(zhì)量分數(shù)最高，而秀珍菇表現(xiàn)為中粒徑的有效鉀質(zhì)量分數(shù)最高，這可能是因為生物質(zhì)炭材料不同而導(dǎo)致有效鉀質(zhì)量分數(shù)存在差異性。另外，生物質(zhì)炭施入土壤后，會使自身含有氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素釋放到土壤中，進而提高了土壤養(yǎng)分（張志軍等，2020）。土壤綜上可知，生物質(zhì)炭處理能顯著提高pH值、DOC及速效養(yǎng)分的質(zhì)量分數(shù)，且較小粒徑的提升效果比粗粒徑好。

3.2 不同粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤有效態(tài)重金屬的影響

生物質(zhì)炭因比表面積大、孔隙度高、性質(zhì)穩(wěn)定而被用于去除土壤和水中有機和無機污染物（楊萌等，2020）。本試驗研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的添加顯著降低了TCLP浸提態(tài)Cd、Zn、Pb的質(zhì)量分數(shù)，一方面，可能是因為生物質(zhì)炭具有巨大的比表面和孔隙度，通過吸附機理，使更多的重金屬離子與生物質(zhì)炭自身含有的酚羥基、羧基發(fā)生絡(luò)合/螯合作用（高天一等，2019），進而通過吸附鏈條將有效態(tài)重金屬鈍化為穩(wěn)定的重金屬形態(tài)，最終降低了有效態(tài)重金屬的賦存形式。另一方面，生物質(zhì)炭自身呈堿性，能有效降低土壤的酸性，這有利于有效態(tài)重金屬鈍化為穩(wěn)定的殘渣態(tài)，進而降低了有效態(tài)重金屬的的質(zhì)量分數(shù)。本研究還發(fā)現(xiàn)，粒徑較小的生物質(zhì)炭處理比粗粒徑處理的重金屬鈍化降低更顯著，可能是因為生物質(zhì)炭粒徑越小，孔隙度越大，靜電吸附力增強，使生物質(zhì)炭表面吸附、絡(luò)合和陽離子π鍵等作用增強（鄒小玲等，2019），進而增強了重金屬離子的鈍化反應(yīng)；此外，生物質(zhì)炭粒徑越小，則比表面積、持水力增加，這使生物質(zhì)炭表面的附著位點增加，進而增加了微生物的棲息附著點，同時也能吸附更多的營養(yǎng)物質(zhì)（Tang et al.，2016），由此促進微生物分泌出更多的酶降解轉(zhuǎn)化重金屬離子，使重金屬離子被轉(zhuǎn)化為微生物可吞食態(tài)，因此，細粒徑生物質(zhì)炭比粗粒徑生物質(zhì)炭鈍化效果好。

3.3 不同粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤代謝反應(yīng)過程中的重要參與者，土壤有機質(zhì)在各種酶促反應(yīng)下釋放出各種植物養(yǎng)分（劉悅暢等，2020），土壤酶活性的高低對于促進土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要積極意義。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加均顯著增強了土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶的活性，且均表現(xiàn)為細粒徑處理酶活性最高。一方面，可能是因為生物質(zhì)炭粒徑越小，其比表面積越大，促使酶反應(yīng)底物附著于生物質(zhì)炭表面的作用越強，提高了酶活性，加之小粒徑生物質(zhì)炭較高的比表面積和孔隙度為微生物的生存提供了生長繁殖的多尺度生態(tài)位（Williams et al.，2009），這為土壤菌群提供適宜的生存環(huán)境，因而促進微生物分泌更多的酶；另一方面，生物質(zhì)炭的分解作用可為土壤提供養(yǎng)分、轉(zhuǎn)化土壤氮素，促進土壤微生物生長繁殖，分泌更多的土壤酶（包建平等，2020）。本試驗還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加顯著降低了土壤磷酸酶的活性，且細粒徑的酶活性最低。一方面，可能是因為細粒徑生物質(zhì)炭表面發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)能吸附更多的反應(yīng)底物，會對酶、營養(yǎng)物質(zhì)及微生物產(chǎn)生共定位和吸附效應(yīng)，加之小粒徑生物質(zhì)炭表面具有更高的電勢，能吸附大部分酶和底物，進而降低磷酸酶活性（胡華英等，2019）；另一方面，生物質(zhì)炭的添加在提升了土壤速效磷的同時會一定程度上抑制磷酸酶酶促反應(yīng)（韓志旺等，2021）。以上表明，生物質(zhì)炭處理會不同程度的影響土壤酶活性，其中細粒徑生物質(zhì)炭的影響程度比粗粒徑大。

3.4 不同粒徑生物質(zhì)炭處理對土壤細菌多樣性和群落組成的影響

細菌群落多樣性指數(shù)可反映細菌的物種豐度（Ameloot et al.，2013），本研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的添加均顯著提高了土壤中微生物的Chao1和ACE多樣性指數(shù)，可能是因為生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供多樣性的生存環(huán)境，加之生物質(zhì)炭通過靜電作用吸附較多的營養(yǎng)物質(zhì)，為微生物提供了多樣性食物（吉春陽等，2021），因此，生物質(zhì)炭的添加有利于多種微生物生長繁殖，進而提高了生物多樣性指數(shù)。本研究還發(fā)現(xiàn)，與粗粒徑相比，較小粒徑生物質(zhì)炭能更好的提升微生物多樣性，一方面，可能是因為生物質(zhì)炭粒徑越小，比表面越大，空隙分布均勻，從而增加了許多新的吸附位點（鄒小玲等，2019）；另一方面，粒徑小的生物質(zhì)炭能更好的提高微生物吸附大量的營養(yǎng)物質(zhì)以供微生物吞噬利用養(yǎng)分物質(zhì)，綜上，小粒徑生物質(zhì)炭對細菌群落多樣性的提高比粗粒徑生物質(zhì)炭效果好。

本研究中，生物質(zhì)炭的添加顯著增加了Streptomyces、Actinophytocola、Pseudonocardia、Micromonospora等17個菌屬的相對豐度。有研究顯示，以上增量優(yōu)勢菌屬大多對重金屬有較強的耐受性，同時也能有效促進植物的生長，如Streptomyces在植物促生、重金屬耐受性等方面具有重要作用，能促進植物生長和增強植物抗病性，對于一些致病菌具有較強的拮抗作用（陳越渠等，2021），Terrabacter具有溶磷、固氮、鐵載體產(chǎn)生、淀粉水解等特性，能降解減少土壤中復(fù)雜的有害物質(zhì)，并對重金屬具有有較強的適應(yīng)能力（劉冰冰等，2020）；Paenarthrobacter具有較強的磷降解作用，通過代謝物有機酸對不溶性磷酸鹽進行溶解，將產(chǎn)酸菌可作為土壤污染修復(fù)劑（姬文秀等，2019），Pseudarthrobacter菌群能夠通過自身的分泌物（如呵哚乙酸、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸、脫氨酶）和溶磷等有效促進植物生長，進而提高了植物對重金屬的抗性，Sinomonas對單環(huán)芳烴有較高降解能力，以此提高植物的耐毒性，Blastococcus能分解頑纖維素、木質(zhì)素等頑固型有機物，也能促進植物生長和控制土壤疾病傳播（Zarate et al.，2021）。Nitrobacter和Bradyrhizobium參與土壤反硝化過程，有助于銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，提高氮素有效性（董達等，2021），綜上可知，生物質(zhì)炭的施加能夠有效促進降解菌、土著菌等有益菌的生長，尤其是小粒徑生物質(zhì)炭增強作用最好，一方面，較小粒徑生物質(zhì)炭表面能棲息大量的微生物，從而顯著增強微生物自身代謝分泌等作用，以此強化土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，另一方面，較小生物質(zhì)炭為微生物提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，微生物通過分解營養(yǎng)物質(zhì)的同時也為植物生長發(fā)育提供必要的營養(yǎng)，進而增加土壤肥力（袁仁文等，2020），以此促進植物生長的同時也加強了污染土壤的修復(fù)能力。

通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭后增加的細菌群落屬水平豐度與 pH及土壤速效養(yǎng)顯著正相關(guān)，與重金屬含量顯著負相關(guān)。有研究表明，土壤pH、養(yǎng)分含量以及重金屬等環(huán)境因子是影響土壤細菌組成和群落結(jié)構(gòu)的重要因子，且重金屬毒害會抑制微生物的生長繁殖（周顯勇等，2019）。說明土壤微生物群落的變化能夠反應(yīng)土壤肥力的水平，同時也可作為重金屬污染修復(fù)過程中的生物指示指標。本研究表明，生物質(zhì)炭能夠改善污染土壤微生態(tài)環(huán)境改變土壤細菌群落，且這種改善與土壤環(huán)境因子的改變有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）不同粒徑生物質(zhì)炭處理均能提高礦區(qū)土壤的pH值、DOC及速效養(yǎng)分，且小粒徑生物質(zhì)炭的改善效果最佳。

（2）不同粒徑生物質(zhì)炭處理均能有效降低礦區(qū)土壤的有效態(tài) Cd、Zn、Pb，且小粒徑生物質(zhì)炭的鈍化效果最佳。

（3）不同粒徑生物質(zhì)炭處理均能提高礦區(qū)土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶活性以及細菌多樣性和有益菌群數(shù)，且小粒徑生物質(zhì)炭的提高效果最佳。