生物炭与木质土壤改良剂对北方农田土壤碳稳定性及生物活性的长期影响研究

为解决全球土壤有机碳(SOC)流失和气候变化问题，研究人员开展了一项为期两年的田间试验，评估生物炭(SprB/WilB)、纸浆厂污泥(FibreS/LimeS)和微生物刺激剂(HW)对北方农田SOC稳定性及土壤生物活性的影响。结果表明，生物炭显著提升土壤总有机碳(TOC)和稳定碳含量，而木质改良剂通过提高pH值间接影响微生物活性。该研究为森林工业副产物在农业碳封存中的应用提供了科学依据。

　　

全球土壤有机碳(SOC)的持续流失已成为加剧气候变化的重要因素，据估算，自工业革命以来约20%的CO₂排放源于SOC的减少。在芬兰等北方地区，农业土壤每年损失约4‰的SOC。为应对这一挑战，"千分之四"倡议提出通过碳农业实践将耕地转变为碳汇。然而，森林工业丰富的副产物（如生物炭、纸浆污泥等）作为潜在土壤改良剂的碳封存机制及其对土壤健康的影响尚未明确。

针对这一科学问题，来自芬兰的研究团队在Qvidja农场开展了为期两年的田间试验。研究比较了柳木(Salix sp.)和云杉(Picea abies)生物炭、两种纸浆厂污泥（纤维污泥FibreS和石灰稳定混合污泥LimeS）以及一种基于腐殖酸的微生物刺激剂(HW)的效果。通过Rock-Eval6热分析、湿筛法、氯仿熏蒸提取法(CFE)和高通量测序等技术，系统评估了这些改良剂对SOC稳定性、土壤微生物群落及功能的影响。

3.1 土壤性质
研究发现，云杉(SprB)和柳木生物炭(WilB)处理使土壤总有机碳(TOC)含量显著增加，其中稳定碳组分提升尤为明显。通过热分析显示，SprB处理的稳定碳含量比对照组(C80N)高45%，证实了生物炭的长期碳封存潜力。值得注意的是，纸浆污泥类改良剂虽未显著增加TOC，但纤维污泥(FibreS)使土壤CO₂排放潜力提高1.5倍，表明其促进了微生物活性。所有改良剂中，FibreS和WilB对土壤pH的提升最显著（pH增加0.8-1.2个单位），这种碱化作用可能间接影响了微生物过程。

3.2 生物参数
令人意外的是，改良剂对微生物生物量碳(MBC)、真菌/细菌比(F/B)等常规指标影响有限。但高通量测序揭示，WilB显著改变了土壤真菌群落结构，而FibreS则同时影响细菌和真菌的香农多样性指数。在功能层面，LimeS处理显示出较高的氮磷循环相关酶活性，这与该材料较高的初始氮含量(1%)相符。

3.3 综合关联分析
多元统计分析(pCCA)显示，SprB处理因高C/N比和稳定碳含量而显著区别于其他组。FibreS的分离主要与CO₂/CH₄排放特征相关，而LimeS则与微生物生物量及养分转化酶活性关联。这些发现印证了不同碳输入方式对土壤系统的差异化影响：生物炭主要通过物理化学途径作用，而活性碳源则通过激发效应影响微生物过程。

讨论与意义
该研究首次在北方粘土农田中系统比较了各类木质改良剂的长期效应。生物炭展现出的碳封存优势支持其作为负排放技术的潜力，而纸浆污泥虽然碳积累效果有限，但其通过调节pH和提供活性碳源维持了土壤生物功能。研究还修正了若干认知：

1. 在有机质丰富的粘土中，生物炭对水分保持和团聚体形成的作用有限；
2. 微生物刺激剂(HW)在田间条件下效果不显著；
3. 木质材料的碱化作用可能比其碳输入对微生物的影响更持久。

这些发现为森林工业副产物的农业利用提供了重要参考。特别是考虑到芬兰每年产生大量纸浆副产物，将其作为土壤改良剂既可实现碳循环利用，又能避免填埋处理的温室气体排放。未来研究需关注不同气候条件下这些材料的长期行为，以及经济可行性评估。该成果发表于《Heliyon》，为制定基于自然的碳中和策略提供了实证依据。