生物炭增强冻土区土壤细菌共现网络稳定性并降低土壤碳矿化的机制研究

本研究发现生物炭添加通过增强细菌协同效应（co-occurrence networks）和改变群落组装过程（从确定性向随机性转变），显著降低永久冻土区森林土壤有机碳（SOC）矿化率（4.72%–7.02%），同时提升土壤总有机碳（TOC）和溶解性有机碳（DOC）含量。研究为冻土碳循环预测提供了关键微生物生态学机制（如PLS-PM模型验证），对全球气候变化背景下土壤碳固存策略具有重要启示。

　　

Highlight

生物炭改良土壤被视为增强农林生态系统土壤碳固存的潜力策略。然而，生物炭对冻土区森林土壤有机碳（SOC）矿化的影响及其调控机制尚不明确。本研究以兴安落叶松林腐殖层土壤为对象，设置CK（无生物炭）、2%（BC2）、4%（BC4）和8%（BC8）的生物炭添加处理。结果显示，生物炭使SOC矿化率降低4.72%–7.02%，同时提升土壤总有机碳（TOC）（8.8%–28.8%）和溶解性有机碳（DOC）（1.5–3.4倍）。土壤基质（NH₄⁺-N、pH、阳离子交换容量、电导率）与酶活性（脱氢酶、多酚氧化酶、脲酶）均呈现相似变化趋势。细菌共现网络表现出增强的复杂性与稳定性（如网络规模、连接度、模块数、关键物种），群落组装过程由确定性向随机性转变。偏最小二乘结构方程模型（PLS-PM）表明，生物炭可能通过增强细菌协同效应降低微生物活性，从而抑制SOC矿化。这些结果强调了将野火产生的生物炭纳入冻土碳循环预测的重要性。

Conclusions

本研究表明，向冻土区森林土壤添加生物炭可通过降低矿化率（4.72%–7.02%）和增加DOC与SOC含量来增强土壤碳储存。生物炭缓解了养分限制，培育了更复杂稳定的细菌网络，并将群落组装推向随机过程。PLS-PM分析表明，生物炭通过平衡土壤基质与细菌相互作用来减缓SOC矿化。研究结果为理解冻土区森林土壤碳循环机制提供了新视角，并强调了微生物互作在生物炭介导的碳固存中的关键作用。