生物炭施用通过改变团聚体有机碳组分提升土壤碳汇功能：基于6年田间试验的机制解析

推荐：针对长期高强度耕作导致的土壤结构退化及有机碳（SOC）矿化加速问题，本研究通过6年田间试验探究两种生物炭施用方式（均质施用HA/底部集中施用CA）与四种用量（0-40 Mg ha?1）对黑土团聚体有机碳（OC）化学组分及碳保存能力（CPC）的影响。研究发现高量HA（≥20 Mg ha?1）通过增强芳香族C=C键拉伸，低量CA（10 Mg ha?1）通过提高疏水性，分别提升SOC抗微生物分解能力，为退化黑土固碳提供优化方案。

　　

土壤作为地球最大的陆地碳库，其有机碳（SOC）动态直接影响全球气候变化。然而在东北黑土区，长期高强度耕作导致土壤团聚体破坏、有机碳加速矿化，威胁着"中国粮仓"的可持续发展。生物炭因其独特的孔隙结构和稳定碳组分，被视为土壤改良的潜力材料，但长期施用后其对团聚体有机碳化学组分的影响机制尚不明确。

针对这一科学问题，东北农业大学的科研团队在哈尔滨向阳试验站开展了为期6年的田间试验。研究采用两种创新性施用方式——均质施用（HA，0-20 cm均匀混施）和底部集中施用（CA，犁底层上方20 cm处集中施用），结合4个梯度用量（0/10/20/40 Mg ha^?1），系统解析了生物炭对玉米种植系统下团聚体有机碳组分和碳保存能力的长期影响。相关成果发表在土壤学顶级期刊《Soil and Tillage Research》上。

研究团队运用湿筛法分离不同粒径团聚体（>2 mm、0.25-2 mm、0.053-0.25 mm、<0.053 mm），结合微傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）定量分析有机碳官能团特征，并通过碳保存能力（CPC）模型评估团聚体固碳效能。

土壤团聚体分布与碳赋存

研究发现40 Mg ha^?1 HA处理使>2 mm大团聚体比例提升11%-27%，而10 Mg ha^?1 CA处理显著增加<0.053 mm微团聚体有机碳13%-22%。μ-FTIR揭示CA处理使<0.25 mm团聚体疏水性提高2%-19%，而HA处理则增强芳香族C=C键拉伸0.8%-5%。

碳保存机制解析

20-40 Mg ha^?1 HA处理通过促进微团聚体（<0.053 mm）中芳香族化合物积累，使SOC抗分解能力提升；10 Mg ha^?1 CA则通过降低土壤水分有效性，减少亲水性C=O键形成，增强有机碳稳定性。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）显示HA处理中芳香族C=C键拉伸对SOC的直接效应达0.47（P<0.05）。

碳库动态变化

所有处理均显著提升总SOC（P<0.05），但易氧化有机碳（EOC）呈下降趋势。变异分解分析表明HA处理中团聚体OC与芳香族C=C键对CPC的共同解释率达51%，而CA处理各因素共同效应占48%。

该研究首次阐明生物炭长期施用下团聚体有机碳化学组分的差异化响应机制：HA处理通过物理混合直接改变有机碳分子结构，CA处理则通过调控水分分布间接影响碳稳定性。研究提出的"高量均质施用促芳香化、低量集中施用增疏水性"技术模式，为黑土区碳汇功能提升提供了理论依据和实践指导。特别值得注意的是，研究发现的微团聚体（<0.053 mm）对生物炭响应敏感性，为退化土壤精准修复提供了新靶点。这些发现不仅丰富了土壤碳循环理论，也为实现"双碳"目标下的农田固碳减排提供了创新思路。