生物炭：助力减排增粮的土壤改良 “神器”—— 来自田间实验与理论计算的新发现

农业活动导致的土壤温室气体（GHG）排放威胁生态安全。研究人员对比生物炭和秸秆对土壤 GHG 排放的影响并探究其机制。结果显示生物炭能减排放、增产量，而秸秆增加排放。该研究为优化农业废弃物管理提供依据。

　　在全球气候变化的大背景下，农业活动产生的温室气体排放已成为不容忽视的问题。据统计，近 11% 的人为温室气体排放源自各类农业实践。土壤作为农业生产的核心要素，其温室气体排放的调控至关重要。目前，秸秆和生物炭被广泛认为是潜在的土壤改良剂，可增强土壤碳固存、减少氮肥投入，进而缓解土壤温室气体排放。然而，生物炭和秸秆在平衡土壤碳固存与温室气体排放方面的效果差异显著，且二者表面性质差异影响土壤温室气体排放的机制尚不明确。这就如同在农业减排的道路上，我们虽看到了一些希望的曙光，但却不清楚这些曙光背后的真正力量源泉。为了深入探究这一科学问题，中国科学院相关研究人员开展了一项极具意义的研究，其成果发表在《Environmental Technology 》上。

研究人员运用了多种技术方法来开展此项研究。在田间实验方面，他们选择了中国科学院盐亭紫色土农业生态站进行长期实验，设置了常规施肥（CK）、生物炭与常规施肥（T1）、秸秆与常规施肥（T2）、秸秆无常规施肥（T3）等不同处理组。同时，采用静态箱气相色谱技术测量土壤 CH₄、N₂O 和 CO₂通量 。还利用密度泛函理论（DFT）计算，构建生物炭和秸秆的分子模型，探究其对土壤温室气体排放的影响机制。此外，通过生物多样性测序和功能基因预测，分析土壤微生物群落的变化。

研究结果主要体现在以下几个方面：

• 土壤温室气体排放对不同处理的响应：监测不同处理地块的 CO₂通量发现，T2 在玉米季通常排放强度更高，T1 在小麦季排放强度降低。在 CH₄排放方面，T1 在小麦和玉米季有显著吸收，且吸收量远高于其他处理。N₂O 排放上，T2 和 CK 最高，T1 显著低于它们。综合来看，生物炭处理（T1）能使作物增产，同时减少土壤温室气体排放，而秸秆处理（T2）会增加 CO₂排放。
• 秸秆和生物炭表面性质差异对土壤温室气体排放的影响：构建分子模型发现，秸秆富含 O，电子云分布富集，其 DOS 值主要在低能量范围。生物炭由芳香 C 和表面功能基团组成，其芳香 C 连接功能基团时亲核性更高。EDD 模式显示，生物炭表面功能基团与土壤物质有强界面相互作用和电子转移。而且，生物炭的 HOMO 和 LUMO 分布更多，反应活性更高，对土壤物质的吸附能大于秸秆。

在研究结论和讨论部分，生物炭展现出诸多优势。其结构稳定性高，C/O 比远高于秸秆，具有更强的抗分解能力，减少了土壤温室气体排放。表面功能基团丰富，增强了对温室气体的吸附能力。同时，生物炭还能调节土壤微生物群落和活性，促进 CH₄- 氧化和 N₂O - 还原细菌活动，降低 CH₄和 N₂O 排放。在提高土壤肥力和作物产量方面，生物炭通过与土壤物质的相互作用，增加土壤养分含量，优化土壤结构，促进作物根系发育和养分吸收。相比之下，秸秆分解快，会导致土壤酸化，影响土壤通透性和养分有效性。

这项研究意义重大。它揭示了生物炭在平衡土壤碳固存与温室气体排放方面的独特优势，为农业废弃物的合理利用提供了科学依据。有助于推动农业向可持续发展方向迈进，在保障粮食产量的同时，减少温室气体排放，缓解气候变化压力。同时，也为后续研究指明了方向，如延长生物炭应用的监测时间、完善分子模拟模型等，从而更好地发挥生物炭在农业生态系统中的作用。