生物炭与木质土壤改良剂对北方农田土壤碳稳定性及微生物活性的长期影响研究

本研究针对北方农田土壤有机碳(SOC)持续流失问题，系统评估了生物炭(SprB/WilB)、纸浆厂污泥(FibreS/LimeS)和微生物刺激剂(HW)等木质改良剂的应用效果。通过两年田间试验结合Rock-Eval6热分析、微生物群落测序等技术，发现生物炭可显著提升土壤总有机碳(TOC)和稳定态SOC含量，而污泥类改良剂则通过提高pH值促进微生物活性。研究成果为森林工业副产物资源化利用提供了科学依据，对实现"千分之四"土壤增碳目标具有重要实践意义。

　　

在全球土壤有机碳持续流失的背景下，北方 boreal 地区农田每年约损失4‰的SOC储量。这种流失不仅加剧气候变化，还威胁土壤健康。虽然"千分之四"倡议提出了土壤增碳目标，但对于森林资源丰富的国家如芬兰，如何利用林业副产品实现这一目标仍存在知识空白。特别是生物炭以外的木质改良材料，其气候缓解潜力及作用机制尚不明确。

赫尔辛基大学联合法国国家科研中心等机构的研究团队在《Heliyon》发表研究，通过在芬兰Qvidja农场开展为期两年的田间试验，系统比较了云杉/柳木生物炭(450℃慢热解)、两种纸浆厂污泥和微生物刺激剂对黏土农田的影响。研究采用Rock-Eval6热分析划分活性/稳定态SOC，结合高通量测序分析微生物群落，并监测温室气体(GHG)通量等指标。

关键技术包括：1) PARTYsoc模型量化SOC稳定性；2) 湿筛法分级土壤团聚体；3) 氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳(MBC)；4) MiSeq测序分析真菌ITS2和细菌16S rDNA；5) Biolog EcoPlates进行群落水平生理分析；6) 茶袋指数法测定有机质分解率。

【土壤性质变化】
Rock-Eval6分析显示，云杉生物炭(SprB)处理的TOC含量(2.7%)显著高于对照(2.4%)，稳定态SOC增加最明显。柳木生物炭(WilB)处理也显著提升TOC，但效果弱于SprB。两种纸浆厂污泥虽未增加TOC，但纤维污泥(FibreS)使CO₂排放潜力提高1.19-1.52倍。所有改良剂中，FibreS和WilB使土壤pH持续升高至8.9-9.8。

【微生物响应】
qPCR测定显示各处理真菌/细菌比无显著差异。但MiSeq测序发现WilB显著改变真菌群落结构，FibreS则同时影响细菌和真菌Shannon多样性。Ascomycota(78%)和Pseudomonadota(42%)分别是优势真菌和细菌门类。酶活性分析显示，LimeS处理的磷酸酶和几丁质酶活性较高。

【碳-产量关系】
相关性分析揭示TOC与谷物产量呈正相关(r=0.62)，特别是在9月收获期。土壤氮含量(%)与地上生物量显著相关，而CO₂通量与水分含量密切关联。值得注意的是，生物炭处理虽然增加SOC，但对微生物量碳(MBC)等活性指标影响有限。

研究证实生物炭是提升北方农田SOC的有效手段，其效果可持续至少两年。云杉生物碳表现最优，每公顷施用19.4吨可使SOC绝对值增加0.3%。纸浆厂污泥虽不能持久固碳，但通过调节pH促进微生物活动。微生物刺激剂(HW)未表现出预期效果。该研究为评估不同木质副产品的农用价值提供了全面数据支持，特别揭示了材料特性(如芳香化程度)与碳稳定性的关联规律。未来研究需关注更长时间尺度下这些改良剂的命运，以及在极端气候条件下的表现。