生物炭与秸秆还田对土壤有机碳的差异化调控机制：基于东北寒地稻作系统的微生物碳泵与物理化学保护路径研究

针对寒地稻作系统土壤有机碳(SOC)固存机制不清的问题，沈阳农业大学团队通过两年田间试验，结合氨基糖/木质素酚类生物标志物和XPS/FTIR/PLFA等多维分析技术，揭示生物炭(BC)通过提升真菌残体碳比例(F/B=3.2)增强碳库稳定性，秸秆(SR)则协同增加植物源碳(↑2.6%)和微生物残体碳(↑4.8%)。该研究为东北稻区定制化固碳措施提供了理论依据。

　　

在应对全球气候变化的背景下，土壤作为陆地生态系统最大的碳库，其固碳潜力备受关注。水稻田因其独特的淹水厌氧环境，具有显著高于旱地的碳封存能力。然而，在东北寒地稻作区，低温环境显著抑制了有机质的转化效率，使得该区域土壤有机碳(SOC)的动态变化机制成为学术界亟待破解的"黑箱"。更棘手的是，传统有机改良措施（如秸秆还田）在温带和热带稻区的研究已较为深入，但针对寒地稻区的系统性研究仍属空白。这种知识缺口严重制约了我国"东北粮仓"在实现碳中和发展目标过程中的科学决策。

沈阳农业大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表的研究，首次从微生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)理论视角，揭示了生物炭与秸秆还田在寒地稻作系统中截然不同的碳 sequestration 路径。通过为期两年的田间控制试验，设置常规施肥(CK)、生物炭施用(BC)和秸秆还田(SR)三种处理，结合氨基糖(微生物残体碳标志物)和木质素酚(植物源碳标志物)的生物标记物技术，并整合X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和磷脂脂肪酸(PLFA)等多维分析手段，构建了寒地稻田SOC转化的"源-汇-稳"完整认知链条。

关键技术方法包括：1) 在辽宁海城水稻试验基地开展为期两年的田间控制试验；2) 采用氨基糖和木质素酚作为生物标志物定量区分微生物残体碳和植物源碳；3) 运用XPS和FTIR解析有机碳化学结构特征；4) PLFA分析微生物群落组成；5) 土壤团聚体分级评估物理保护机制。

土壤环境因子与水稻产量
数据显示，秸秆还田(SR)处理在第一年即显著提升速效养分(AN、AP、AK)和阳离子交换量(CEC)，这为微生物活动提供了充足底物。与之形成对比的是，生物炭(BC)处理对土壤养分的即时效应较弱，但表现出更持久的改良效果。这种差异暗示着两种改良剂在寒地环境中的不同作用节奏——秸秆通过快速激发微生物活性启动碳转化，而生物炭则倾向于构建长效的碳储存架构。

有机碳来源的定量解析
通过生物标志物追踪发现，SR处理使植物源碳增加2.6%，微生物残体碳提升4.8%，其中细菌残体碳的贡献率高达12.8%。这验证了"激发效应"假说——秸秆降解释放的溶解性有机物直接驱动了微生物增殖。而BC处理则展现出独特的"碳源重构"特征：虽然总SOC增加10.4%(显著高于SR的3.4%)，但植物源碳比例反而降低2.9%，真菌/细菌残体碳比(F/B)升至3.2。这表明生物炭更倾向于促进真菌主导的慢循环碳通道。

碳稳定机制的异质性
在物理保护方面，SR和BC分别使大团聚体比例增加6.1%和10.1%，但作用机理迥异：秸秆通过微生物分泌的胞外聚合物促进团聚体形成，而生物炭则依靠其多孔结构成为团聚体形成的"骨架"。化学组成分析显示，BC处理显著提升芳香碳比例，这种结构特征与矿物结合有机碳(MAOC)的稳定性呈正相关，解释了其为何能更有效地抵抗低温环境下的分解压力。

结论与展望
该研究突破性地阐明：在寒地稻作系统中，秸秆还田通过"微生物碳泵"加速碳周转，而生物炭则构建以真菌残体碳为主导的稳定碳库。这种"秸秆-速效"与"生物炭-长效"的互补效应，为制定区域特异性固碳策略提供了理论支撑。研究存在的局限性包括未评估温室气体排放效应，以及缺乏生物炭-秸秆复合施用处理。未来研究可结合静态箱-气相色谱法，建立碳 sequestration 的净效益评估体系。

这项工作的科学价值在于：1) 首次定量区分寒地稻田中不同有机改良措施的碳 sequestration 路径；2) 建立"微生物群落-碳源转化-物理化学保护"的级联响应框架；3) 为东北稻区"藏粮于地"战略提供了可操作的固碳技术方案。正如通讯作者Jun Meng强调的："理解低温环境下SOC的稳定化阈值，是实现寒地农田'双碳'目标的关键钥匙"。