生物炭主要是由农业废弃物在低温厌氧的条件下热解生成的物质。生物炭在改良土壤物理结构、改善土壤养分环境、改善微生物生长环境等方面存在巨大的应用潜力。为了更深入了解生物炭对土壤养分环境、微生物群落以及土壤代谢的影响,本研究首先基于五种酸碱性不同的土壤探讨了不同类型土壤理化性质和微生物群落对生物炭的响应;进而设置了以黄棕壤为供试土壤、以柑橘为供试作物的长期（4年）盆栽试验,探讨了生物炭对酸性土壤钾素有效性的潜在影响及作用机制,并同步探究了土壤微生物、土壤代谢以及柑橘丛枝菌根真菌和根系内生细菌对生物炭的响应,最后系统的分析了定殖于生物炭表面的微生物群落组成、结构及功能。研究结果为生物炭在农业生产中改善土壤环境、提高钾素有效性提供了一定的理论依据及技术指导。得到的主要研究结果如下:1生物炭和化学肥料对不同类型土壤理化性质及微生物群落的影响生物炭对酸性土壤（红壤、黄棕壤、潮土）的理化性质具有更好的改良效果,其中,红壤的p H提升了0.5个单位,速效氮、磷、钾和有机质分别提升了43.14%、451.19%、355.76%和34.29%;黄棕壤和潮土的p H提升了0.5-1个单位,速效钾也至少提升24.87%。其次,生物炭和化学肥料对酸性土壤（红壤、黄棕壤、潮土）微生物群落的影响远高于碱性土壤（塿土、黑钙土）。在同为酸性土壤的红壤、黄棕壤和潮土中,单施生物炭几乎不会影响红壤细菌群落组成及结构,但却明显改变了黄棕壤和潮土的细菌群落组成及结构,这表明生物炭对酸性土壤的具体影响因土壤类型的不同而不同。此外,单一施用还是配合施用生物炭和化学肥料需要根据土壤类型和改良目的来决定。从细菌群落变化的角度分析,红壤和黄棕壤更适合炭肥配施;单施或配施生物炭和化学肥料对潮土均有利;塿土和黑钙土几乎未受到生物炭和化学肥料的影响。从真菌群落变化的角度分析,黄棕壤更适合单施生物炭;潮土更适合单施化学肥料或炭肥配施;黑钙土更适合炭肥配施;塿土则不会受到生物炭和化学肥料的显著影响。一般而言,土壤细菌群落主要受到p H、有机质的影响,而真菌群落主要对土壤养分环境的变化比较敏感,但不同类型土壤的微生物群落还会受到某些特有重要因子影响,如黄棕壤的细菌群落对酸性磷酸酶活性的变化较敏感、潮土的细菌群落对碱解氮的变化较敏感。综上所述,生物炭更适用于改良酸性土壤,但究竟是单一施用还是配施化学肥料需要根据土壤类型和改良目的决定。2生物炭和外源钾对酸性土壤钾素有效性的潜在影响及作用机制柑橘土壤缺钾的临界值为100 mg/kg,而柑橘叶片的钾含量低于0.7%则意味着缺钾。在不施用生物炭和外源钾时,土壤速效钾含量为108.01 mg/kg,临近缺钾,而柑橘叶片钾含量为0.59%,这表明该处理存在缺钾现象。施用生物炭和外源钾后,土壤速效钾含量达142.21-219.71 mg/kg,而柑橘叶片钾含量达1.37-1.67%。柑橘根尖活性氧类物质的积累量在不施外源钾和生物炭时较高,在施用生物炭后积累量明显降低,这表明生物炭有效缓解了柑橘的缺钾现象。另外,施用外源钾显著提高了土壤交换性钾和水溶性钾的含量,提升幅度达50-203%,同时缓效钾的含量也呈上升趋势;而在施用相同水平外源钾时,生物炭的应用导致交换性钾和水溶性钾的含量至少提高30%和11%,且缓效钾的含量呈下降趋势。从土壤速效钾含量的变化分析,2%生物炭在两年内具备降低40%常规钾肥施用量的潜力,随着时间的推移,潜力会有所降低,但在四年后仍至少具备降低20%常规钾肥施用量的潜力。通过土壤解钾菌的分离培养表明生物炭的应用明显促进了解钾菌的生长繁殖,进一步利用宏基因组测序证明解钾菌菌斑主要由Azotobacter和Pseudomonas组成。此外,土壤的黏土矿物主要由高岭石和伊利石组成,它们两者的总占比超过90%,而生物炭的应用降低了释钾能力较弱的高岭石占比,增加了释钾能力较强的伊利石占比。以上结果表明生物炭可能通过提升土壤中Azotobacter和Pseudomonas的数量及活性、促进粘土矿物的转化,进而由于解钾菌对粘土矿物的分解作用释放出伊利石中的钾,最终促进了缓效钾向速效钾转化的过程。综上所述,生物炭可以显著提高酸性土壤钾素有效性并替代一部分钾肥。3生物炭与外源钾对酸性土壤微生物、代谢产物及柑橘根系内生菌的影响土壤细菌的alpha多样性指数在施用生物炭后处于最高值,而真菌的alpha多样性指数在施用外源钾时处于更高水平;同样地,生物炭对细菌群落beta多样性的影响程度更大,而真菌群落的beta多样性主要受到外源钾的影响。本研究证明土壤细菌群落主要受到p H、有机质和阳离子交换量的影响,而真菌对养分环境的变化更敏感,这可能是造成细菌和真菌分别对生物炭和外源钾响应更强烈的原因。通过对土壤代谢产物的鉴定,生物炭和外源钾主要影响了土壤的六条代谢途径,包括咖啡因代谢,色氨酸代谢,苯丙氨酸代谢,嘌呤代谢,角质、琥珀和蜡的生物合成以及戊糖和葡萄糖醛酸酯的相互转化。同时,生物炭的应用导致以上代谢途径中大部分差异代谢产物的相对丰度显著提升,这表明生物炭可能促进了土壤代谢过程的进行。由于细菌群落更容易受到生物炭的影响,所以细菌可能在促进土壤代谢活动的过程中起到更重要的作用,普氏分析也进一步证明了细菌群落与土壤代谢存在显著相关性（p<0.01）。此外,WGA-Alexa488荧光染色表明柑橘在所有处理中均存在丛枝菌根真菌侵染的现象,实时荧光定量PCR则表明生物炭和外源钾的施用促进了丛枝菌根真菌的侵染,但高通量测序的结果证明柑橘丛枝菌根真菌和根系内生细菌的群落组成及结构并未受到生物炭和外源钾的显著影响。综上所述,生物炭的应用改善了酸性土壤养分环境、促进柑橘的生长,同时生物炭还通过改变土壤细菌群落影响土壤的代谢进程。4定殖于生物炭表面的微生物群落组成、结构及功能13C核磁共振表明生物炭施用于土壤后消耗了更多的烷氧碳。此外,扫描电镜证明常规储存条件下的生物炭会从储存环境中定殖极其丰富的微生物,但施入土壤后其表面定殖的微生物数量会有所提升,高钾环境下的生物炭表面定殖的微生物数量略高于低钾环境,但基本组成及功能均相同。宏基因组测序进一步证明定殖于生物炭表面的主要微生物均为有益菌,如Streptomyces、Pseudonocardia、Amycolatopsis、Betaproteobacteria、Actinokineospora、Pseudolabrys、Geobacter、Bradyrhizobium、Conexibacter和Sphingomonas。生物炭表面定殖的微生物主要涉及到的代谢通路包括碳代谢,氨基酸的生物合成,ABC转运器,群体感应,两组分系统,嘌呤代谢,氧化磷酸化,嘧啶代谢,原核生物中的碳固定途径和丙酮酸代谢,其中碳代谢排在首位。综上所述,生物炭表面定殖微生物的主要来源是储存环境中的微生物（如空气中的微生物）,而定殖的数量及丰度与其后期所处的环境有关,但基本群落组成及主要功能几乎没改变。