揭秘生物炭与秸秆对土壤温室气体排放的影响机制，助力可持续农业发展

来自中国科学院的研究人员监测 7 年土壤温室气体排放，发现生物炭降排，秸秆增排，为农业实践提供依据。

　　过量的温室气体（GHG）排放导致全球气候恶化，破坏生态系统。尽管生物炭和秸秆能够增强土壤碳固存，但它们对土壤温室气体排放的影响及潜在机制尚不明确。因此，从不同角度探究生物炭和秸秆的理化性质差异，以及它们影响土壤温室气体排放的机制，对于优化农作物残茬利用策略，平衡土壤碳固存和土壤温室气体排放至关重要。在此，研究人员连续 7 年监测了不同生物炭和秸秆处理下小麦 - 玉米轮作系统中土壤温室气体（二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O））的排放情况。通过分子模拟计算技术，分析生物炭和秸秆的性质差异，以及它们与土壤酶的相互作用，以研究生物炭和秸秆影响土壤温室气体排放的机制。结果表明，在 7 年的小麦 - 玉米轮作系统中，与对照相比，生物炭通过减少与土壤活性酶的相互作用，改善土壤理化性质，使二氧化碳当量（CO₂eq）排放减少了 14028.1 千克 / 公顷（相当于对照排放的 31.5%）。秸秆的活性表面性质促进了其与土壤活性酶的相互作用及生化分解，与对照相比，二氧化碳当量排放增加了 19242.0 千克 / 公顷。这些发现增进了人们对生物炭和秸秆影响土壤温室气体排放机制的理解，有助于推动可持续农业实践的发展，实现土壤碳固存和温室气体减排的平衡。

研究人员在 2016 年至 2023 年期间，于中国科学院盐亭紫色土农业生态站（北纬 31°16′，东经 105°28′）开展了田间试验。该地区海拔 400 - 600 米，平均温度 17.3°C，年平均降水量 836 毫米，约 70% 的年降水量集中在 5 月至 9 月。不同处理的农田中，二氧化碳排放存在显著差异。二氧化碳通量随温度和降雨量的增加呈现显著上升趋势，尤其是在降雨集中的夏季月份。2017 年和 2022 年，在相同处理条件下，二氧化碳通量显著低于同期其他年份，这与 2017 年和 2022 年夏季降雨量较低的情况相符。

生物炭优异的理化性质能够提高其抗生化分解能力，减少土壤异养呼吸，从而降低土壤二氧化碳排放。土壤温室气体排放与降雨强度和温度升高呈显著正相关。

这项为期 7 年的田间试验证实，生物炭在减少土壤温室气体排放方面的表现优于秸秆。分子模拟计算（MM）进一步从分子层面揭示了生物炭和秸秆性质差异影响土壤温室气体排放（包括土壤异养呼吸产生的二氧化碳、甲烷和氧化亚氮）的机制。结果表明，生物炭中更多的芳香结构和较低的含 O、含 N 官能团，增加了其稳定性。