光合碳分配与微生物基因调控：地膜覆盖与生物炭对寒地黑土碳汇及大豆产量的协同增效机制

本研究通过原位田间试验结合13C同位素示踪与qPCR技术，揭示地膜覆盖（提升土壤温度13.61–20.09%与湿度6.53–8.66%）与生物炭（增加溶解有机碳DOC 9.14–35.03%和微生物生物量碳MBC 12.30–41.92%）的协同作用机制。1%生物炭与地膜组合（MB1）通过调控光合碳向豆荚分配比例（提升至13.51%）及提高固碳基因（acsA、rbcL等）丰度，实现大豆增产31.10%的同时降低CO2排放9.96–10.88%，为寒区农业"增产-固碳-减排"提供理论依据。

　　

Highlight

塑料薄膜覆盖和生物炭通过调节光合碳分配过程和微生物功能基因，显著影响寒区黑土碳汇与大豆产量。短期试验表明：1%生物炭与地膜组合（MB₁）使大豆产量达到2840.78 kg hm^?2，较对照（B₀）增产31.10%；同时降低CO₂累积排放量9.96–10.88%，而单施地膜会增加排放35.78–41.05。微生物固碳基因（acsA、rbcL等）在MB₁处理下达到峰值，光合碳向豆荚分配比例提升至13.51%。

Section snippets

Experimental location

实验位于中国东北松嫩平原（45.30°N, 126.54°E），该区域地势平坦、土层深厚，属典型寒区黑土带，春季低温干旱、夏季雨热同期，年均温3.5°C，年降水量550毫米，土壤类型为典型黑钙土（pH 7.2，有机碳含量28.6 g kg^?1）。

Basic physicochemical properties

生物炭显著提高根际土壤pH（p < 0.01），且随施用量增加而上升：无膜条件下，B₁和B₂较B₀分别提高3.74–5.59%和7.28–8.88%；地膜与生物炭联用进一步强化该趋势。地膜覆盖使土壤温度（ST）和湿度（SM）分别提升13.61–20.09%和6.53–8.66%，而生物炭通过孔隙结构吸附水分，缓解地膜引起的土壤过热问题。

Effects of plastic film mulching and biochar on farmland carbon sequestration

农田碳汇主要由作物光合碳固定与微生物代谢调控协同驱动：1）地膜覆盖通过提升根系生物量（表1；图7）增强光合能力，促进碳向地下分配；2）生物炭通过芳香结构吸附活性碳组分（如DOC、MBC），延缓有机质分解；3）MB₁处理下，固碳基因（acsA、rbcL）丰度最高，而碳降解基因（mct）受抑制，表明微生物碳转化路径向固碳方向偏移。

Conclusion

短期试验表明：1）地膜覆盖优化土壤水热条件并增产，但单施会加剧CO₂排放；2）1%生物炭与地膜联用（MB₁）通过调控光合碳分配至豆荚（13.51%）及提升固碳基因丰度，实现碳汇增效与产量协同提升。推荐寒区黑土农田采用"地膜覆盖+1%生物炭"组合技术，为气候智慧型农业提供实践依据。