生物炭通过改变有机质稳定性和碳循环基因增强镉污染土壤碳封存的优势研究

《Environmental Research》：Biochar superior than straw in enhancing soil carbon sequestration via altering organic matter stability and carbon cycle genes in Cd-Contaminated soil

本文系统比较了生物炭与秸秆在镉污染土壤中对有机质稳定性及碳循环基因的调控机制。研究发现，生物炭通过提升团聚体内芳香碳/脂肪碳比值、降低DTPA-Cd生物有效性，显著增强土壤有机碳稳定性；同时特异性激活芳香烃降解基因（如xynA、alkB），而秸秆主要促进纤维素降解基因表达。研究为重金属污染土壤碳汇功能提升提供了微生物-物理化学耦合新视角。

　　

亮点

秸秆与生物炭改良差异调控土壤团聚体（图1）及其稳定性（图S1）。秸秆还田组（LS: 61.2±5.7% 和 HS: 56.7±4.0%）的>0.25毫米团聚体比例较CK处理（49.9±4.7%）提升13.8%~22.8%，而<0.053毫米团聚体（LS: 14.7±1.0% 和 HS: 16.6±2.1%）较CK（26.1±1.3%）降低36.3%~43.5%。HBC处理中0.25-0.053毫米团聚体占比（28.5±1.0%）较LBC（26.7±1.8%）和CK（21.8±1.2%）提升6.7%~30.9%。

秸秆与生物炭改良对SOC库稳定性的影响

有机改良剂可有效提升农业系统土壤有机质含量。与本团队前期研究一致，本研究表明秸秆与生物炭均能使镉污染土壤SOC含量提升9.4%~21.9%（图2a）。这种提升不仅源于改良剂自身的碳输入，更与微生物残体产量增加密切相关。然而，尽管改良剂碳投入量相同，生物炭处理中芳香碳/脂肪碳比值显著高于秸秆处理，尤其在0.25-0.053毫米团聚体中表现突出（图2b）。二维相关红外光谱进一步揭示，生物炭处理下芳香碳结构响应优先于脂肪碳，证实其更利于形成难分解碳库。

结论

在镉污染土壤中，生物炭通过调控团聚体内有机质稳定性及碳循环相关微生物功能基因，展现出优于秸秆的碳封存增强能力。生物炭提升的SOC含量归因于团聚体物理保护作用、芳香碳/脂肪碳比值优化、碳循环路径重构及Cd生物有效性降低。值得注意的是，秸秆与生物炭差异性地提升了碳降解基因丰度（2.8%~5.4%），但使碳固定基因丰度降低1.1%~4.6%。生物炭特异性激活芳香烃降解基因（xynA、alkB、aceB、vdh）和几丁质降解基因（chbG、cpbD），而秸秆主要促进纤维素（内切葡聚糖酶、bglB、bglX）和半纤维素降解基因（xynB、abfA、xylA）表达。曼特尔检验表明，土壤碳循环变化与DTPA-Cd含量及SOM稳定性密切关联。