综述：生物炭对碳封存、土壤过程和微生物群落的影响：一篇综述

这篇综述系统阐述了生物炭（Biochar）作为基于自然的解决方案（NBS）在促进土壤碳封存（SOC）、减少温室气体（如CO2、CH4、N2O）排放及调控土壤微生物群落方面的多重机制。文章强调高温热解生物炭通过诱导负激发效应（negative priming）、形成生物炭-有机-矿物界面、提升微生物碳利用效率（CUE）及调节土壤pH等途径，显著提升土壤有机碳稳定性，为应对气候变化及实现农业环境可持续发展提供了重要理论依据。

　　

2.1 生物炭生产过程

生物炭的制备通常以植物材料、畜禽粪便、农业废弃物或城市固体废物及污泥等生物质为原料。大尺寸生物质需先经机械破碎，随后在缺氧条件下于高温（常见温度范围见下表）中热解数小时。热解完成后，生物炭被粉碎成不同粒径的颗粒（从宏观到纳米级别）。生产工艺主要有传统热解法与热解-冷凝法两种。传统法将生物质（可选择性混合钙、铁盐、膨润土、离子液体等添加剂）置于加热炉中，在氮气氛围下加热至特定高温并保持一定停留时间。冷却至室温后，即可获得生物炭。此法所得生物炭通常芳香碳含量高、脂肪碳含量低，且无需复杂系统。

另一种热解-冷凝技术则将生物质置于连接冷凝腔的反应器中，实现热解与原位冷凝的结合。其原理在于，热解过程中产生的低沸点挥发性有机物（VOCs）进入冷凝腔后被液化，并回流至热解室，参与再聚合反应并附着于生物炭表面。经历热解-冷凝循环后，系统冷却至约100°C并保温数小时以去除吸附水，最终获得干燥生物炭。该工艺优势显著：通过挥发分回收提高了生物炭产率；可在较低温度（如450°C）下生产高质量生物炭，能耗更低；所得生物炭富含脂肪烃，可用作固体燃料、还原剂、土壤改良剂或污染物吸附剂，且环境负面影响小；其碳组分更易被微生物矿化利用，顽固性低于传统热解生物炭。

2.2 生物炭对碳封存的贡献——作用机制聚焦

生物炭促进土壤碳封存的机制多样，包括通过吸附作用稳定活性有机碳、改变微生物群落结构与组成、促进微生物坏死物（necromass）积累、调节有机碳降解速率，以及改善土壤持水性、养分保持能力和团聚体稳定性等。这些机制常相互交织，例如生物炭的高芳香性既可改变微生物群落，也能影响有机碳降解速率。

生物炭中的酚类和芳香碳结构可对土壤微生物产生负激发效应，促进适应低养分环境的K-策略微生物（如酸杆菌门）的生长，而非富营养条件下的r-策略者。这一微生物转变还受生物炭表面电荷特性的影响，使其能够与半纤维素和纤维素中的O-烷基、二-O-烷基碳基团以及氨基酸、葡萄糖等活性有机分子中的羰基碳强烈结合，从而降低这些底物对微生物的可用性。这些碳分子与生物炭的芳基碳或芳香碳相互作用，并与土壤矿物结合，有助于有机碳的稳定化，避免被微生物矿化或降解。

此外，生物炭通过促进微生物坏死物的积累来增强碳稳定性。微生物坏死物（死菌体及其代谢物）占土壤有机碳库的27%至80%，并在土壤中持久存在。研究表明，施用生物炭能增加微生物坏死物的积累，且有机改良剂中的芳香碳含量决定了细菌和真菌坏死物对土壤有机碳的贡献比例。高芳香碳的生物炭可提升真菌坏死物的贡献，而低芳香碳材料则主要支持细菌坏死物积累。

值得注意的是，生物炭还通过调控微生物碳循环酶的活性来影响碳封存。作为生物催化剂，酶负责将大分子有机物分解为可被微生物同化或代谢的单体。生物炭通过吸附酶分子，降低碳循环酶活性及碳矿化速率。在生物炭处理的土壤中，某些酶（如β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶、β-D-纤维二糖苷酶）活性的提升有助于土壤矿物结合有机碳（MAOC）的形成，进一步促进碳封存。其机制在于将土壤有机碳分解为小分子单元，被微生物同化为生物量碳或吸附于矿物表面形成MAOC。微生物吸收的碳最终转化为坏死物，未吸收部分则与土壤矿物结合并稳定存在。

此外，生物炭处理土壤还显著提高了合成酶指数、酶活性及微生物群落结构，降低了生态酶C:N比和二氧化碳排放商数（qCO₂），同时提高了微生物固碳商数（qMIC），最终实现碳的固定。

生物炭的施用还能提高作物产量和生物量，间接增加通过光合作用输入的土壤碳流，从而促进碳封存并降低大气CO₂浓度。生物炭通过提升土壤持水性和养分保持能力来支持植物生长和生产力，并通过促进稳定土壤团聚体的形成来加强碳封存。

综合分析表明，生物炭在碳封存中的贡献主要体现在增加土壤腐殖酸和胡敏素含量、降低土壤呼吸和有机碳矿化速率等方面。数据明确显示，生物质在700°C热解产生的生物炭对土壤有机碳的提升（87.7%）和CO₂排放的减少（72.4%）效果最为显著。因此，理想的高效碳封存生物炭应为600至700°C热解的产物。但值得注意的是，原料的选择也至关重要，因为生物炭的形态和理化性质受热解温度和原料类型共同影响。

2.3 碳封存与微生物对生物炭的响应

大多数关于生物炭对土壤碳封存影响的研究集中于表土（0-25厘米深度），而忽略了底土（30-100厘米深度）作为碳库的潜力及其对生物炭的响应。底土因其固有的慢碳周转率而具备储存稳定有机碳的能力，这一特性受微生物过程速率、新鲜碳供应速率和土壤矿物组成的影响。

研究表明，生物炭与秸秆联合施用可改变甲烷氧化菌的丰度。高秸秆与生物炭处理增加了_{Methylosarcina}的相对丰度，而低秸秆与生物炭处理则减少了II型甲烷氧化菌（如_{Methylocystis}和_Methylosinus）的数量，同时增加了_{Methylobacter}的种群。生物炭通过改变土壤理化性质（如团聚体、持水量、pH和孔隙度）来调节甲烷产生菌和氧化菌的活性与丰度。通常情况下，生物炭通过吸附溶解性有机碳（DOC）来减少甲烷生成，从而降低甲烷排放。例如，在高温和高CO₂条件下，生物炭处理可使甲烷排放减少39.5%，主要归因于其对DOC生物利用度的还原效应。

2.4 碳封存与土壤对生物炭施用的响应

生物炭对土壤pH的调节源于其表面携带的羰基、磷酸盐、碳酸盐、羧基、羧酸盐和氧鎓离子等官能团，这些基团参与土壤酸碱中和反应。酸性土壤会抑制非嗜酸微生物的生长，而生物炭的碱化性质可中和土壤酸度，促进嗜中性