生物炭对东北多年冻土区碳固存的促进作用机制研究

《Carbon Balance and Management》：Impact of biochar on carbon sequestration in permafrost region of Northeast China

本研究针对多年冻土区土壤有机碳稳定性调控的难题，通过模拟季节性冻融循环实验，探究玉米秸秆生物炭（450°C热解）对森林与泥炭地土壤碳循环的影响。结果表明，生物炭添加显著提升土壤有机碳（SOC）含量（森林土壤增幅达60.57%），促进矿物结合态有机碳（MAOC）形成，并降低CO2排放量（森林土壤减排19.37%）。δ13C同位素示踪证实生物炭可抑制原生SOC矿化，为脆弱冻土生态系统碳管理提供理论依据。

　　

随着全球气候变暖，多年冻土区的碳循环过程正面临严峻挑战。位于欧亚大陆高纬度冻土带南缘的大兴安岭地区，作为中国第二大连续冻土区，其冻土退化导致的土壤碳库稳定性下降问题日益凸显。近年来，该区域黑土区土壤有机碳（SOC）损失已超过50%，加速了温室气体（GHG）排放。如何通过有效的技术手段增强冻土区碳固存能力，成为应对气候变化的关键科学问题之一。

在此背景下，生物炭技术因其独特的碳封存潜力受到广泛关注。已有研究表明，生物炭可通过改善土壤理化性质、调控微生物活动等方式提升土壤碳稳定性，但其在多年冻土区的应用机制尚不明确。尤其缺乏针对不同碳密度土壤（如低SOC森林与高SOC泥炭地）的对比研究，以及生物炭对原生SOC矿化抑制作用的直接证据。为此，伍海寅等人发表在《Carbon Balance and Management》的研究，通过模拟冻土区关键季节（春季融化期、夏季生长期、秋季冻结期）的长期培养实验，系统解析了生物炭对冻土碳循环的影响机制。

关键技术方法

研究选取大兴安岭典型森林与泥炭地土壤，采用450°C热解2小时的玉米秸秆生物炭（添加量为干土重8%），进行为期360天的两轮室内模拟培养。通过测定土壤理化指标（SOC、TN、DOC、碳组分等）、微生物群落结构（16S rRNA和ITS测序）、温室气体通量（CO₂、CH₄）及δ¹³C_CO2同位素组成，结合碳源贡献模型（公式：f_biochar = (δ¹³C_B0 - δ¹³C_B8)/(δ¹³C_biochar - δ¹³C_S)），量化生物炭对碳循环的调控作用。

研究结果

1. 土壤理化性质响应

生物炭显著提升土壤电导率（EC）（森林土壤增166.62%，泥炭地增223.79%），但降低渗透性（森林土壤降73.10%）。森林土壤SOC增幅达60.57%，而泥炭地仅增5.64%。生物炭促进矿物结合态有机碳（MAOC）形成，森林土壤MAOC在第二轮培养期增加175.89%，泥炭地增幅较小（3.05%）。此外，生物炭提高森林土壤总氮（TN）含量（180天时增32.15%）和溶解性有机碳（DOC）（90天时增197.50%）。

2. 微生物群落变化

生物炭降低森林土壤细菌多样性（Shannon指数降6.57%），但显著富集放线菌门（Actinobacteria）等具有复杂有机物降解能力的菌群。泥炭地微生物群落对生物炭响应较弱，仅真菌子囊菌门（Ascomycota）丰度下降。

3. 碳排放动态

生物炭使森林土壤CO₂累积排放量降低19.37%，泥炭地降低9.70%。减排效果在春季融化期最显著（森林土壤降65.53%）。CH₄通量在森林土壤中吸收量减少46.94%，泥炭地排放量降28.07%。δ¹³C示踪显示，生物炭碳对CO₂的贡献在培养初期达40.6%（森林），随后稳定在10%左右，证实其持久固碳潜力。

结论与意义

本研究揭示生物炭通过提升土壤团聚体稳定性、优化碳组分分配（如促进MAOC形成）及调控微生物群落，有效抑制多年冻土区碳矿化过程。森林土壤因初始SOC较低，生物炭的碳固存增效更为显著；而泥炭地因高水分条件限制其调控潜力。研究首次通过δ¹³C同位素直接验证生物炭对原生SOC矿化的抑制作用，为冻土区碳管理策略的优化提供科学依据。未来需结合野外长期观测，进一步评估生物炭在真实冻融环境中的生态风险与适用性。