生物炭基复合肥增强毛竹林碳汇功能并减少温室气体排放的机制研究

本研究通过为期1年的田间试验，揭示生物炭基复合肥（BF）在亚热带毛竹林中提升土壤有机碳（SOC）12.6%、降低微生物残留碳（MRC）8.2%的协同机制。BF显著增强CH4吸收22.4%，减少N2O排放16.5%，而化肥（CF）虽短期增产24.8%却加剧CO2/N2O排放。BF通过优化真菌群落结构（如促进有益菌Ascomycota）及稳定碳库，为竹林可持续管理提供碳汇-减排双赢策略，支撑"以竹代塑"政策实施。

　　

研究内容归纳

1 引言

毛竹林作为亚热带重要碳汇系统，面临土壤酸化、养分耗竭及温室气体（GHG）排放增加等威胁。传统化肥（CF）虽能短期提升生产力，但长期加剧环境风险。生物炭基复合肥（BF）因其高孔隙结构和稳定性，成为优化碳氮循环的新兴策略。本研究通过对比BF与CF对土壤碳氮库、微生物群落及GHG通量的影响，探究其提升竹林生态功能的潜力。

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2 材料与方法

2.1 试验设计与采样
在浙江临安（119°50′E, 30°14′N）设置对照（CK）、化肥（CF, N:P₂O₅:K₂O=14:16:15）、生物炭基复合肥（BF, N:P₂O₅:K₂O=3:3:2含25%秸秆炭）三处理，每处理4重复。133 g/m²肥料一次性施用于10×10 m样地（2022年5月）。

2.2 GHG与土壤分析
静态箱-气相色谱法测定CO₂、N₂O、CH₄通量。分层（0–20 cm、20–40 cm）采集土壤，测定SOC（重铬酸钾法）、MBC（氯仿熏蒸法）、氨基糖（气相色谱法），并计算微生物残留碳（MRC=细菌残留碳BRC+真菌残留碳FRC）。

2.3 植被碳储量
通过胸径生物量模型计算毛竹碳储量，收获法测定灌草层碳储量。

2.4 微生物群落测序
16S rRNA（细菌）和ITS（真菌）扩增子测序分析群落结构。

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3 结果

3.1 碳氮库动态

• BF提升碳稳定性：0–20 cm土层SOC增加31.67 g/kg（较CK+39%），MBC达291.52 mg/kg（+15.8%），但MRC降低8.2%（图3,4）。
• CF加剧氮流失：NO₃^--N和NH₄⁺-N分别比CK高21.3%和18.6%（图3g-j）。
• BF改善土壤环境：土壤pH提升至4.79（0–20 cm），而CF仅微增至4.73（图2b）。

3.2 微生物群落响应

• 真菌群落重构：BF增加有益菌Ascomycota相对丰度，CF促进Basidiomycota生长（图5a-b）。
• 细菌稳定性高：α多样性无显著变化，但环境因子（SOC、pH）驱动群落变异（图5c）。

3.3 GHG排放调控

• BF减排增效：N₂O排放降低16.5%，CH₄吸收增加22.4%；CF使N₂O排放激增117.8%（图6c-f）。
• 关键驱动机制：结构方程模型（SEM）揭示BF通过降低NO₃^--N抑制N₂O排放，并通过提升MBN促进CH₄氧化（图7）。

3.4 生态系统碳汇评估

• BF综合优势：生态系统碳储量达36.58 Mg CO₂-eq·ha^-1（较CK+56.3%），远超CF的32.12 Mg（+37.3%）（图8）。
• CF代价显著：虽植被碳储量增加38.0%，但土壤GHG排放上升41.2%，抵消部分碳汇收益。

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4 讨论

4.1 生物炭的碳氮协同机制
BF通过碱性物质中和土壤酸度，其多孔结构促进有机质-矿物结合，提升SOC稳定性。同时，BF吸附氮素减少淋失，抑制反硝化菌活性，显著降低N₂O排放（图7b）。CF则因加速矿化作用导致活性氮累积，刺激GHG产生。

4.2 微生物功能群调控
BF优化真菌群落（如Ascomycota）并提升微生物碳利用效率，加速MRC周转为稳定碳库。CF虽增加微生物生物量，但促进fast-cycle微生物增殖，导致MRC积累和CO₂释放加剧。

4.3 竹林管理启示
BF在实现竹林增产（新竹密度+400株/ha）的同时，通过"固碳（SOC↑）-减排（N₂O↓, CH₄↑）"双路径提升净碳汇56.3%，为亚热带竹林应对气候变化提供关键技术支撑。

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5 结论

生物炭基复合肥通过三重机制增强毛竹林可持续性：

1. 碳汇增强：提升SOC 12.6%并优化碳稳定性；
2. 减排协同：降低N₂O排放16.5%，促进CH₄吸收22.4%；
3. 微生物驱动：重构真菌群落，抑制fast-cycle碳释放。
   该策略兼具生产力提升与生态效益，为"以竹代塑"政策下的竹林碳中和管理提供科学范式。