中国农业大学商建英STOTEN：生物炭施用于钙质潮土可以稳定表层和深层土壤有机碳

由于碳周转速率缓慢，深层土壤(> 1米)具有很大的固碳潜力。深层土壤有机碳(SOC)的稳定性受土壤矿物组成和微生物过程的控制，以及新鲜碳源的类型的影响。然而，外部碳源(例如生物炭、秸秆和其他有机化合物)输入对深层土壤SOC动态和性质的影响仍然不清楚。这一知识空白已成为理解深层土壤碳固存的重要不确定因素。因此，迫切需要全面了解深层土壤固碳的能力及其管理措施对不同深度SOC含量的长期影响。研究首次详细揭示了深层钙质土壤中有机碳周转对长期存在的生物炭的反应，为生物炭的迁移下介导的生物地球化学过程提供了实地证据，这对改善农业实践和减缓气候变化具有重要意义。

生物炭施用显著增加了表层土壤(0–20 cm)的有机碳(SOC)含量，从5.9 ± 0.5 g kg⁻¹增加到7.9 ± 0.3 g kg⁻¹ (图1a)。尽管生物炭施用经过10年后并未改变深层土壤的SOC含量，但与对照土壤相比，施用生物炭增加了162%深层土壤的溶解性有机碳(DOC)含量，从0.23 g kg⁻¹ 增加到0.60 g kg⁻¹(图1b)。由于灌溉、降雨等因素，生物炭的可溶性部分和胶体部分可以通过土壤孔隙和裂缝移动到更深的土层中。与对照土壤相比，生物炭处理显著增加了表层土壤微生物量碳(MBC)含量，从156.8 ± 4.2 mg kg⁻¹(对照)增加到 239.1 ± 4.0 mg kg⁻¹(生物炭处理)，然而该处理深层土壤的MBC含量略有下降(图1c)。

图1 生物炭施用对表层和深层土壤有机碳含量的影响

Fig. 1  Effects of biochar application on (a) soil organic carbon (SOC, g kg⁻¹), (b) dissolved organic carbon (DOC, g kg⁻¹), and (c) microbial biomass carbon (MBC, g kg⁻¹) for control and biochar-amended soil.

液相色谱有机碳检测(LC-OCD)结果显示对照和生物炭处理的表层(0-20 cm)和深层土壤(140-160 cm)中水提取的溶解有机物(DOM)成分及其不同分子量的情况(图2)。相对于对照土壤，单次添加生物炭十年后的表层土壤增加了腐殖质物质，多酚和多酚酸的浓度(图2a和2b)。对于深层土壤，与对照土壤相比，生物炭的添加增加了总水溶性有机分子和亲水性有机碳的含量，而疏水性成分的含量则相反(图2c和2d)，这主要是在降雨和灌溉条件下，生物炭施用促进了土壤亲水性有机碳和生物炭胶体颗粒向土壤深层的迁移。

图2 对照和生物炭处理表层和深层土壤水可溶性有机碳液相色谱有机碳检测图

Fig. 2 Water-extracted dissolved organic content (DOC) of control and biochar-amended soils for topsoil (0–20 cm) and subsoil (140–160 cm), analyzed with LC-OCD.

图3a显示，相比于对照土壤，生物炭施用使表层土壤Actinobacteria相对丰度由27.4%降低至19.6%，而Proteobacteria相对丰度由27.1%增加至32.1%，Gemmatimonadetes相对丰度也从4.4%增加至5.1%。生物炭施用对深层土壤的细菌群落组成的影响明显大于对表层土壤的影响。例如，生物炭施用降低了Acidobacteria, Actinobacteria, Gemmatimonadetes, Nitrospirae, Latescibacteria和Planctomycetes的相对丰度，降幅在21.2%至75.4%之间，而Proteobacteria的相对丰度则从27.3% (对照)增加到40.0%(施用生物炭的土壤)(图3a)。此外，在门级物种丰度聚类热图表明生物炭的长期存在改变了对照组与施用生物炭土样之间的群落组成相似性(图3b)。生物炭施用降低了土壤的微生物多样性和丰富度，表现为PD_whole_tree、Chao1、Observed_species和Shannon指数均显示出较小的数值。化能异养细菌相对丰度的降低可能有助于SOC的稳定，因为化能异养细菌可分解土壤有机物和芳香化合物。

图3 生物炭添加对表层和深层土壤细菌的影响

(a) 细菌群落相对丰度，(b) 门水平上物种聚类热图

Fig. 3 Effect of biochar amendment on the soil bacteria in topsoil and subsoil

(a) Mean relative abundance of bacteria (n=3) and (b) species abundance clustering heatmap in the control and biochar-amended soil samples (phylum level) for the representative soil depth.

生物炭施用改变了表层和深层土壤中不同密度分级的土壤有机碳的分配，显著增加了矿物结合土壤有机物(MAOM)的含量，从而有助于碳的固存(图4)。生物炭施用使表层土壤的SOC含量增加了33.3%，深层土壤的SOC含量增加了5.5%(图1a)，这种增加主要是由于MAOM的形成。研究结果表明，施用生物炭后，表层土壤中的MAOM含量从1.21 ± 0.03 g kg⁻¹增加到5.83 ± 0.05 g kg⁻¹，深层土壤的MAOM含量从1.43 ± 0.17 g kg⁻¹增加到2.08 ± 0.47 g kg⁻¹。表层土壤SOC的增加既由于生物炭本身的高有机碳含量，也受到有机矿物相互作用所产生的物理和化学保护机制的影响，这些机制促进了SOC的稳定和积累。十年后，生物炭施用导致SOC的不同组成成分从颗粒状有机物(o-POM)部分重新分配并转移至MAOM部分，从而最大限度地提高了碳固存。结果表明，尽管施用生物炭后十年深层土壤的SOC总量并未增加，但生物炭施用增加了SOC的稳定性。

图4 生物炭添加对表层和深层土壤有机碳分配的影响

Fig. 4 Distribution of organic carbon in occluded particulate organic matter (o-POM) and mineral-associated soil organic matter (MAOM) for control and biochar-amended soils.

在施用生物炭十年后，影响了深层土壤有机碳的含量、成分和稳定性(图5)。随着生物炭的迁移，深层土壤中的DOC含量以及腐殖质和芳香物质的组成均有所增加。生物炭的添加通过促进有机-矿物之间的相互作用，从而增强了深层土壤有机碳的稳定性。长期施用生物炭导致深层土壤碳固存与生物炭的强移动性相关，这使得生物炭能够从表层土壤迁移到深层土壤。生物炭施用十年后，生物炭颗粒在田间老化和破碎，从而提高生物炭胶体的移动性。生物炭与表层土壤相互作用，导致更多的生物炭以DOC的形式向下移动，从而增加了整个土壤剖面中的DOC。此外，在碱性环境中，胶态生物炭的移动性也更强，这进一步支持了我们的假设：生物炭可以在钙质土壤中迁移到深层土壤，并改变有机碳的稳定性，从而在深层土壤碳固存中发挥重要作用。

图5 生物炭影响表层和深层土壤稳定性的潜在机理

(a) 细菌群落相对丰度，(b) 门水平上物种聚类热图

Fig. 5 Proposed mechanism of the biochar effect on the SOC composition, bioactivities, and stabilization for topsoil and subsoil a decade after biochar incorporated into calcareous topsoil.

生物炭施用于钙质土壤不仅能稳定表层土壤有机碳，还能增加深层土壤有机碳的稳定性。对深层土壤的影响是由于溶解态和颗粒态的(老化)生物炭从表层土壤向深层土壤的迁移所导致的。这些发现为生物炭应用对钙质土壤碳固存的长期影响提供了实验和概念证据。生物炭施用对碳固存的影响及其在缓解全球气候变化陆地生态系统中的作用可能被低估，特别是忽视了其长期作用对深层土壤有机碳稳定性的情况下。我们的研究强调了需要进行更多的田间实验，以更好地理解长期施用生物炭对深层土壤碳固存的影响。生物炭在田间的施用是全球碳固存和气候变化缓解的重要策略，未来需要更多关于生物炭施用对土壤有机碳储量和结构的长期影响的研究，将有助于深入理解生物炭迁移驱动的土壤有机碳周转过程。