2025, Vol. 46
2. 宁夏大学生态环境学院, 银川 750021
2. College of Ecology and Environment, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
在玉米生产中, 施肥作为一项主要的农田管理措施, 可改变土壤微生物群落结构和作物的养分需求, 并影响微生物介导的土壤生化反应和生态系统功能[1]. 但由于常规肥料的易溶性, 单位时间内氮、磷、钾等养分的释放速率远大于作物的吸收速率, 只有50%~60%的氮和钾以及10%~25%的磷被作物吸收[2], 造成作物养分利用率低、作物品质及产量不能提升、资源浪费和土壤退化等问题, 进一步影响整个农业生态系统的健康[3]. 因此, 肥料“转方式、调结构”的需求迫在眉睫[4].
作为一种土壤改良剂, 生物炭是在无氧条件下对有机材料进行热化学处理而产生的一种高碳含量材料[5], 其多孔隙结构和高碳含量特点可改善土壤结构和养分供应[6, 7]. 目前, 在肥料配方中应用生物炭已成为一种新趋势, 以生物炭为载体生产出的炭基肥能降低养分溶解速度, 以可控的方式释放养分, 从而增加养分保留率并提高肥效, 为植物生长提供适当的营养, 比单一化肥施用更能提高土壤肥力和作物产量[8].
国内外研究表明, 炭基肥是化肥提质增效的重要发展方向[9]. 炭基肥中的生物炭阳离子交换能力强、高表面积、多孔结构和负电荷电位等特性有助于缓解养分流失. Li等[10]在烟草种植土壤中施用生物炭基肥, 发现施用量为3%~15%时, 全氮和全钾的损失分别减少了6.45%~8.36%和9.18%~11.82%. 有研究表明, 生物炭基复合肥可显著延长氮素供应期, 提高土壤全氮、速效磷含量, 促进作物对氮、磷吸收[11]. 炭基肥的高比例惰性碳含量和高抗腐稳定性可以抑制土壤有机质的长期周转, 刺激碳储存, 增加土壤有机碳含量[12, 13]. Abbhishek等[14]认为, 与单一矿物肥料相比, 施用炭基肥可以在稻谷收获时提高土壤有机碳含量44%~54%. 此外, 炭基肥还能提高与氮、磷、钾循环相关的土壤酶的活性, 提供基质和改变生态位, 进而影响土壤微生物群落结构[15]. El-Bassi等[16]研究发现生物炭基肥施用量显著影响土壤酶活性, 随着施用量增加, 脲酶活性和磷酸酶活性分别提高50%~149%和63%~285%. 同时, 炭基肥还能提高细菌和真菌的相对丰度[17], 增强负责磷酸盐溶解和氮循环的微生物群落[18], 抑制植物病原体[19]. 胡坤等[20]研究证明, 施用烟秆炭基肥在门水平提高放线菌门和拟杆菌门的相对丰度, 在属水平显著提高硝化螺旋菌属、布氏杆菌属的相对丰度. 综上, 生物炭基肥能够增加土壤有机碳含量、改善土壤理化性质、提升土壤酶活性及调整微生物群落结构.
在干旱和半干旱地区, 土壤养分缺乏和保水能力差是提高粮食产量和增强生产潜力的主要挑战[21]. 尽管前人的研究已经揭示了炭基肥的多种益处, 但其对干旱和半干旱地区土壤理化性质和微生物群落的具体影响尚未得到充分探讨. 因此, 本试验选择宁夏旱区为试验点, 玉米为供试作物, 炭基肥为供试肥料, 采集收获期玉米农田土壤, 测定其理化性质, 并通过高通量测序研究炭基肥对微生物群落的影响, 选取9种环境因子（包括土壤酶活性、土壤养分和土壤物理性质）, 应用模型构建和主成分分析等多种方法揭示炭基肥处理下环境因子与微生物之间的联系, 探索炭基肥料在旱区的应用效果, 以期为旱区农业可持续发展提供了理论支持.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验地位于宁夏同心县王团镇旱作节水科技园区（106°14′E, 38°29′N）, 该地区属于中温带半干旱大陆性气候, 年降水量约281 mm, 年蒸发量约2 400 mm. 土壤类型为黄绵土, 2021年土壤理化性（0~20cm）：ω（有机质）为4.49 g·kg-1, ω（全氮）为0.44 g·kg-1, ω（碱解氮）为32.49 mg·kg-1, ω（速效磷）为17.18 mg·kg-1, ω（速效钾）为111.42 mg·kg-1, 土壤容重为1.73 g·cm-3, pH为8.09, 土壤肥力偏低.
1.2 试验设计本试验采用随机区组设计, 每组3个重复, 设5个处理：CK（N 225 kg·hm-2, P2O5 180 kg·hm-2, K2O 45 kg·hm-2, 100%总养分）、T1（炭基肥1 125 kg·hm-2, 100%总养分）、T2（炭基肥1 013 kg·hm-2, 90%总养分）、T3（炭基肥900 kg·hm-2, 80%总养分）、T4（炭基肥788 kg·hm-2, 70%总养分）. 炭基肥为三聚地沃生物质炭基型复合肥, 总养分含量不低于40%（N∶P2O5∶K2O为20∶16∶4）, 生物质炭（以C计）含量不低于6%, pH为9.15. CK处理的磷肥、钾肥和60%氮肥作基肥结合整地施入, 40%氮肥在玉米大喇叭口期（7月23日）和吐丝期（8月27日）分两次等量追施；T1~T4处理的炭基肥一次性基施.
试验地小区面积60 m2（6 m×10 m）, 共15个小区. 供试作物为玉米, 品种为“先玉335”, 采用宽窄行覆膜种植, 宽行60 cm, 窄行40 cm, 株距22 cm, 于2021年4月10号播种, 10月4号收获. 在玉米生育期内采用膜下滴灌, 共6次滴灌, 总滴灌量3 300 m3·hm-2, 每次滴灌量分别占总滴灌量的5%、10%、20%、20%、15%和30%. 其它田间常规管理措施与当地大田一致.
1.3 土壤采集与测定在玉米收获期（10月4日）采集玉米农田土壤, 各小区采用五点法进行采集, 在去除地表植物凋落物和细根后, 用土钻采集0~20 cm土壤样品. 土壤样品均匀混合后分为两份：一份风干过筛后用于土壤理化性质及酶活性测定；另一份保存在-80℃冰箱中, 用于土壤微生物群落结构和多样性的测定.
土壤物理性质测定：利用环刀采集原位土柱, 通过环刀法测定土壤容重、孔隙度及田间持水量[22]. 土壤养分依据鲍士旦[23]的方法测定：土壤有机碳含量采用湿法氧化法；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤全磷含量采用氢氟酸⁃高氯酸消煮⁃钼锑抗比色法测定. 土壤酶活性依据关松荫[24]的方法：土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定；土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定.
土壤微生物测定：委托上海派森诺生物科技有限公司进行PCR扩增及16S高通量测序, 分析土壤微生物的多样性及物种组成, 并对只有菌群靶标基因测序数据的样本进行菌群基因或功能单元组成进行预测. 使用引物338F（5′-ACTCCTACGGGA GGCAGCA-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWT CTAAT-3′）对16S rDNA的V3-V4区进行扩增并构建文库, 通过Illumina MiSeq平台进行测序分析, 利用DADA2方法进行去引物、质量过滤、去噪、拼接和去嵌合体. 选用Silva数据库（http://www.arb-silva.de）对测序序列进行物种注释, 利用PICRUSt2软件基于样本中的标记基因序列丰度预测微生物的功能丰度.
1.4 数据分析采用Excel 2019进行试验数据统计. 采用IBM SPSS Statistics 20软件对土壤理化性质进行单因素方差分析（One-Way ANOVA）和土壤综合肥力PCA分析. 采用Origin 2024绘制土壤理化性质的柱状图、优势物种（门及属水平）组成及代谢通路的百分比堆积图、微生物α多样性的箱线图、代谢通路与土壤环境因子的Pearson相关性热图. 采用R 4.3.2的vegan、dplyr、ggcor、ggplot2、ape包基于Bray-curtis距离进行非度量多维尺度（NMDS）分析确定微生物β多样性差异；PCoA分析确定组间及组内代谢通路差异；Mantel test分析确定土壤环境因子与门水平优势菌群的相关性. 采用SmartPLS 4软件基于偏最小二乘路径模型以明晰炭基肥处理下土壤物理性质、土壤酶、土壤养分及微生物之间的路径关系.
2 结果与分析 2.1 炭基肥对土壤理化性质及土壤酶活性的影响施用炭基肥显著降低了旱区农田土壤容重, 增大了土壤间孔隙度, 并提高了土壤的田间持水量[图 1（a）~1（c）]. 较CK处理, T1~T3处理的土壤容重显著降低了8.26%~16.84%, 孔隙度及田间持水量分别显著增加了18.88%~38.48%和17.40%~24.58%, 炭基肥施用量过低（T4处理）对土壤物理性质无显著改善作用. 土壤养分含量随炭基肥施用量降低呈逐渐降低的趋势[图 1（d）~1（f）]. 较CK处理, T1和T2处理的有机碳、全氮和全磷含量分别显著增加13.68%~32.63%、25.00%~26.79%和35.00%~47.50%, 而有机碳和全氮含量在T4处理下分别显著降低了14.74%及19.64%. 土壤酶活性随生物质炭基肥用量降低呈先增加后降低趋势[图 1（g）~1（i）]. 较CK处理, 土壤脲酶活性在T1~T4处理下显著增加23.08%~117.31%, 土壤蔗糖酶活性在T1~T3处理下显著增加了23.27%~58.71%, 土壤碱性磷酸酶在T1~T2处理下显著增加了20.69%~31.03%.
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不同小写字母表示同一指标在不同处理间差异显著水平（P < 0.05） 图 1 土壤理化性质及酶活性 Fig. 1 Soil physical and chemical properties and enzyme activities |
非度量多维尺度（NMDS）分析不同处理下旱区玉米农田的土壤微生物群落结构间差异[图 2（a）]. 结果显示, 应力值（Stress = 0.079）小于0.1, 且各处理中的样点接近, 表明采集到的土壤重复性较好. CK处理的置信椭圆与各炭基肥处理没有相交, 表示组间差异较大, 说明施用生物质炭基肥对土壤微生物群落产生显著影响. 各处理的Goods_coverage指数均大于0.92[图 2（b）], 表明土壤中几乎所有物种都已被采集到, 分析结果具有代表性. Chao1、Shannon、Simpson、Faith_pd和Pielou_e指数主要分析微生物群落的丰富度及均匀度[图 2（c）~2（g）]. 其中, CK、T1和T2处理间的微生物群落的丰富度及均匀度无显著差异, 而较低的炭基肥施用量会（T3和T4处理）显著降低微生物的多样性指数.
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（a）为微生物群落β多样性分析；（b）、（c）、（d）、（e）、（f）和（g）为微生物群落α多样性分析, P值表示组间总体差异大小, 不同小写字母表示同一指标在不同处理间差异达显著水平（P < 0.05） 图 2 炭基肥对微生物群落多样性的影响 Fig. 2 Effects of carbon-based fertilizer on microbial community diversity |
在门水平, 微生物群落主要由变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、棒状杆菌门（Rokubacteria）、浮霉菌门（Planctomycetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）组成[图 3（a）]. 其中, 变形菌门、放线菌门和酸杆菌门相对丰度为71.50%~86.66%, 大小表现为：T2 > T3 > T1 > CK > T4. 较CK处理, T2和T3处理显著增加了变形菌门和放线菌门相对丰度（P < 0.05）, 降低了酸杆菌门相对丰度（P > 0.05）；T1~T4处理显著降低了拟杆菌门和浮霉菌门相对丰度（P < 0.05）.
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图 3 门水平及属水平优势物种 Fig. 3 Dominant species at phylum level and genus level |
在属水平, 微生物优势菌群主要由不动杆菌属（Acinetobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、柄杆菌属（Caulobacter）、Subgroup_6、气单胞菌属（Aeromonas）、KD4⁃96、贪铜菌属（Cupriavidus）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、溶杆菌属（Lysobacter）和MND1组成[图 3（b）]. 其中, 不动杆菌属、假单胞菌属和柄杆菌属相对丰度为15.50%~28.89%. 较CK处理、T2和T3处理显著提高了不动杆菌属、假单胞菌属和柄杆菌属相对丰度（P < 0.05）；T1~T4处理提高了贪铜菌属、溶杆菌属和MND1相对丰度（P > 0.05）.
2.2.3 微生物群落功能组成基于Bray_curtis距离采用多维尺度PCoA探究处理间微生物功能差异性[图 4（b）]. PCoA1和PCoA2总共解释了总体变化的74.9%, 各处理的土壤采集点分布聚集, 微生物功能组成相似. 不同处理下的微生物二级生物代谢通路主要分为6类[图 4（a）]. 氨基酸代谢、碳水化合物代谢、能量代谢、遗传信息处理、新陈代谢和其它代谢通路的占比表现为19.96%~20.14%、18.12%~21.34%、19.76%~20.36%、19.31%~20.67%、19.88%~20.32%和19.82%~20.23%, 处理间无显著性差异.
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（a）为微生物代谢通路分析；（b）为功能单元PCoA分析；（c）为代谢通路与环境因子相关性热图, *和**分别表示显著水平P < 0.05和P < 0.01, 色柱的绿色和橙色分别表示负相关和正相关, 颜色越深, 相关性系数越大 图 4 炭基肥对土壤微生物群落功能组成的影响 Fig. 4 Effects of carbon-based fertilizer on the functional composition of soil microbial community |
土壤物理性质、土壤养分及土壤酶活性对微生物功能产生显著影响[图 4（c）]. 氨基酸代谢和遗传信息处理与有机碳、全氮、全磷及蔗糖酶呈极显著相关（P < 0.01）；碳水化合物代谢与有机碳、全磷及蔗糖酶呈极显著相关（P < 0.01）, 与全磷显著相关（P < 0.05）；能量代谢与有机碳、全磷及蔗糖酶呈极显著相关（P < 0.01）, 与全氮和脲酶显著相关（P < 0.05）；新陈代谢与有机碳及全磷呈极显著相关（P < 0.01）, 与全氮和蔗糖酶显著相关（P < 0.05）.
2.3 炭基肥对土壤综合肥力的影响 2.3.1 微生物群落与土壤环境因子间关系环境因子中, 除土壤容重外, 其余环境因子间均呈正相关关系[图 5（a）]. 土壤物理性质与土壤养分之间, 容重与有机碳呈显著负相关（P < 0.05）, 与全磷呈极显著负相关（P < 0.01）, 而孔隙度与有机碳及全磷间关系则相反. 土壤物理性质与土壤酶活性之间的关系没达到显著水平（P > 0.05）. 土壤养分与土壤酶活性之间, 有机碳与蔗糖酶呈极显著正相关（P < 0.01）, 与碱性磷酸酶呈显著正相关（P < 0.05）；全氮与脲酶和蔗糖酶呈极显著正相关（P < 0.01）, 与碱性磷酸酶呈显著正相关（P < 0.05）；全磷与脲酶和碱性磷酸酶呈显著正相关（P < 0.05）, 与蔗糖酶呈极显著正相关（P < 0.01）.
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（a）为Mantel-test分析, 1.容重, 2.孔隙度, 3.田间持水量, 4.有机碳, 5.全氮, 6.全磷, 7.脲酶, 8.蔗糖酶, 9.碱性磷酸酶；（b）为PLS-SEM分析, *和**分别表示显著水平P < 0.05和P < 0.01；蓝色和黄色连线分别表示负相关和正相关；实线和虚线分别表示有无显著关系；连线上数值表示标准化的路径系数 图 5 炭基肥处理下土壤环境因子与微生物群落间的关系 Fig. 5 Relationship between soil environmental factors and microbial communities under carbon-based fertilizer treatment |
优势菌门与土壤环境因子之间的关系存在显著差异. 其中, 变形菌门与土壤田间持水量、有机碳、脲酶以及碱性磷酸酶显著相关（P < 0.05）；放线菌门与有机碳和蔗糖酶显著相关（P < 0.05）；酸杆菌门与土壤田间持水量和有机碳显著相关（P < 0.05）；绿弯菌门与蔗糖酶显著相关（P < 0.05）.
基于偏最小二乘法路径分析模型分析炭基肥处理下土壤物理性质、土壤养分、土壤酶和细菌群落之间关系[图 5（b）]. 生物质炭基肥对土壤物理性质（容重、孔隙度、田间持水量）、土壤养分（有机碳、全氮、全磷）和土壤酶（脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶）产生显著影响（路径系数 > 0.562, P < 0.05）；土壤养分对土壤酶产生极显著影响（路径系数= 0.832, P < 0.01）；微生物群落主要受土壤养分的极显著影响（路径系数=0.718, P < 0.01）.
2.3.2 主成分分析综合土壤物理性质、土壤养分、土壤酶活性以及优势菌群共12个指标分析炭基肥对土壤综合肥力的影响[图 6（a）]. 以特征值大于1共抽取到4个主成分, 贡献率分别为45.8%、23.5%、10.4%以及8.8%, 累计贡献率为88.5%, 基本反映土壤质量情况. 其中, 有机碳、全氮和全磷对PC1影响较大；孔隙度、放线菌门和绿弯菌门对PC2影响较大；脲酶、全磷和孔隙度对PC3影响较大；酸杆菌门、绿弯菌门和全氮对PC4影响较大. 进一步通过主成分得分与贡献率进行加权算出不同处理下的土壤综合肥力得分, 由大到小排序为：T2 > T1 > T3 > CK > T4, 表明旱区施用生物质炭基肥能改善玉米农田土壤状况.
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（a）为主成分图；（b）为各主成分贡献率；（c）为各处理的土壤综合肥力得分, 图中数值表示不同处理下各指标的综合得分, 数值越大, 炭基肥处理效果越好 图 6 炭基肥对土壤综合肥力的影响 Fig. 6 Effects of carbon-based fertilizer on soil comprehensive fertility |
干旱和半干旱地区砂壤土/沙壤土养分（氮/钾）供应不足是作物生产的限制因素, 而肥料中的碳、氮、磷元素是增加土壤中碳和养分储量的关键因素[25, 26]. 炭基肥能通过吸附土壤中的养分和提高旱区土壤持水能力来改善土壤质量, 进一步提高植物对养分的吸收[27, 28]. 本试验中, 土壤孔隙度和田间持水量与土壤养分呈正相关关系, 炭基肥处理显著降低了土壤容重, 提高了孔隙度及田间持水量. 较普通化肥处理, T1和T2处理的土壤有机碳、全氮和全磷含量分别显著增加了13.68%~32.63%、25.00%~26.79%和35.00%~47.50%. 这种效果归因于炭基肥中生物炭的芳香烃和烷基结构, 这些结构具有较强的化学稳定性, 不易被微生物氧化或分解, 从而确保了土壤中养分的长期保持, 有助于提升土壤肥力[29, 30]. 然而, 本研究也发现, 当炭基肥的施用量过低（T4处理）时, 有机碳和全氮含量分别显著下降了14.74%和19.64%. 根据前人研究推测, 在旱区滴灌条件下, 频繁的干燥-润湿循环会改变土壤微生物群的功能及其功能多样性, 影响土壤的碳和氮循环能力, 同时炭基肥施用量低难以维持土壤养分供应的长期平衡[31, 32].
土壤酶活性参与多种土壤功能过程, 可以作为干旱和半干旱生态系统土壤生态变化的指标. 炭基肥的施用可提升与养分循环相关的土壤酶活性[33]. 赵军等[34]研究发现, 炭基肥处理显著提高了土壤脲酶活性. 然而, 潘全良等[35]研究表明, 炭基肥对土壤脲酶活性无显著影响, 对土壤蔗糖酶活性具有抑制作用. Díaz等[36]认为土壤酶指数对干旱土壤的变化相当敏感, 与其它土壤理化性质相结合, 可以更好地了解土壤的生物化学过程. 本试验中, 土壤酶活性随生物质炭基肥用量降低呈先增加后降低趋势, T1和T2处理下的脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性分别显著增加49.04%~91.35%、48.88%~58.71%和20.69%~31.03%. 相关性分析表明, 土壤中的有机碳、全氮和全磷与脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶呈显著正相关；同时, 土壤孔隙度及田间持水量与土壤酶活性亦呈正相关. 这表明炭基肥改善了旱区土壤养分、水分和通气条件, 促进酶促反应的发生. 同时, 生物炭孔隙可以使氧气溶解在孔隙水中, 提高了土壤含氧量, 从而提高酶活性[37].
3.2 炭基肥对土壤微生物群落的影响土壤微生物是全球生物多样性和土壤生态系统的重要组成部分, 炭基肥的施用已被证实可以增加土壤微生物群落的丰富度和均匀度[38]. 何晓冰等[39]研究发现, 炭基肥提高了Shannon多样性指数、McIntosh多样性指数和Shannon均匀性指数. 本研究发现, 低炭基肥施用量（T3和T4处理）降低了微生物的Chao1、Shannon、Simpson、Faith_pd和Pielou_e指数, 这与Qin等[40]研究的结果相似. 这可能因为炭基肥是以生物炭与肥料按配比制得, 富含C、N、P和K等营养成分, 而本试验的T3和T4处理的总养分分别仅为常规化肥（CK处理）总养分的80%和70%, 未能为微生物提供足够的营养支持, 从而影响了微生物多样性. 这表明, 虽然炭基肥能够改善土壤环境, 但其施用量需达到一定阈值才能有效促进土壤微生物多样性的提升.
土壤微生物是腐殖质形成、土壤有机物分解、土壤物质转化和养分循环等关键生态过程的主要参与者[41 ~ 43]. 添加生物炭或生物炭基肥能显著调节土壤中微生物群落的结构[44]. 相关研究显示, 放线菌、绿霉菌和酸杆菌含有多种纤维素、半纤维素和多糖降解基因, 可推动有机物降解并影响土壤中的碳储存, 在土壤有机物周转中具有重要的生态意义[45]；变形菌门下的非共生固氮菌属不仅可以通过生物固氮过程提高氮的供应量, 还可以提高磷的供应量, 促进植物对养分吸收[46]. Xu等[47]研究发现, 生物炭处理后, 酸杆菌门、绿弯菌门和根瘤菌门的相对丰度下降, 而变形菌门、拟杆菌门和放线菌门的相对丰度增加. 本研究中, 所有炭基肥处理下的土壤优势菌门为变形菌门、放线菌门和酸杆菌门, 相对丰度为71.50%~86.66%. 其中, T2和T3处理增加了变形菌门和放线菌门相对丰度, 证实了炭基肥改良特点之一是增加放线菌相对丰度, 这与姜凌等[48]研究的结果一致. 有研究表明, 酸杆菌门在碳的生物化学循环中发挥着重要作用, 而拟杆菌门在降解高分子量有机物、促进环境中有机物分解并转化为CO2方面发挥作用, 因此这两类菌可能更加适应含大量碳源的环境[49, 50]. 然而, 在本试验中, T2和T3处理降低了酸杆菌门相对丰度, T1~T4处理降低了拟杆菌门相对丰度. 这可能是因为：①酸杆菌门是嗜酸性细菌, 主要在低pH环境中生长, 而炭基肥中生物炭的有机阴离子脱羧作用会消耗土壤中的质子, 进而提高土壤pH, 不利于酸杆菌门的生长繁殖[51, 52]；②微生物群落间存在协同效应（如共代谢或合成代谢）, 对生物、化学或物理变量存在相似反应模式, 即占据相似的生态位空间[53].
在土壤生态系统中, 土壤微生物多样性在很大程度上决定了微生物多功能性, 其功能组成相对丰度与土壤养分循环有关[54, 55]. 微生物的氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢等功能可支持土壤微生物生存和繁殖、提高土壤养分积累和改变土壤微生物群落结构[56]. 本试验发现, 微生物的氨基酸代谢、碳水化合物代谢、能量代谢、遗传信息处理和新陈代谢功能与土壤有机碳、全氮、全磷之间呈显著正相关, 进一步证实了土壤微生物和土壤生物化学特性存在相互联系[57], 这与前人研究的结果相符[58]. 但值得注意的是, 本研究中6个通路的相对丰度在处理间无显著性差异, 占比均在18.12%~21.34%之间. 其原因可能有两个：①微生物群落内部可能存在一定程度的功能冗余, 物种多样性变化可能不会影响功能[59]；②多功能性与微生物群落组成或特定微生物功能组相关, 但与整个土壤生物区系无关, 整体生物群落的变化可能不会对微生物功能产生影响[60]. 总之, 更高的微生物群落多样性和更丰富的微生物功能组成可能意味着与养分循环相关的土壤生态系统功能的增强.
3.3 炭基肥对土壤综合肥力的影响施肥是保持土壤肥力的关键措施, 炭基肥可改善土壤质量, 被视为推动农业可持续发展的有效手段[61, 62]. 由于土壤微生物对环境变化的敏感性, 其群落结构、组成和功能多样性可作为土壤质量和肥力评估的重要指标[63]. 同时, 农业生态系统中, 栽培措施、土壤性质和微生物多样性之间存在高度依赖的相互关系[64]. 施用炭基肥可提高土壤微生物相对丰度和农业生态系统的多功能性[65], 增加土壤养分和能量的可用性[66]. 本研究中, Mantel test分析表明优势菌门和土壤养分及土壤酶之间存在显著关系. 进一步PLS-SEM分析发现, 生物质炭基肥对土壤物理性质、土壤养分以及土壤酶产生显著影响, 而土壤养分又对土壤酶活性和微生物群落产生显著影响. 因此, 炭基肥对土壤状况的改善可能部分是通过直接或间接影响微生物群落来实现的. 土壤肥力受土壤的物理、生物和化学特性制约[67]. 本试验主成分分析发现, 土壤综合肥力大小表现为：T2 > T1 > T3 > CK > T4, 表明旱区施用炭基肥能改善玉米农田土壤状况.
4 结论（1）炭基肥显著增加了土壤的孔隙度和田间持水量, 降低了土壤容重, 提高土壤中的有机碳、全氮和全磷含量, 有助于促进植物对养分的吸收和利用.
（2）炭基肥的施用提高了与养分循环相关的脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性, 从而促进土壤中的生化过程, 增强土壤的肥力.
（3）低炭基肥施用量将降低土壤微生物的均匀度和丰富度, T1和T2处理显著增加了变形菌门和放线菌门的相对丰度, 有助于土壤养分的循环.
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