生物炭与水热炭对北方豆科草地温室气体排放、土壤碳库及生物量产量的影响机制研究

本研究针对北方贫营养酸性土壤的农业可持续性问题，探讨了生物炭（biochar）与水热炭（hydrochar）在豆科-牧草草地系统中对温室气体通量（CO2、CH4、N2O）、土壤有机碳组分（POC与MAOC）及生物量产量的调控作用。通过中宇宙模拟实验，发现生物炭显著增加N2O排放（与硝化作用增强相关），而水热炭抑制N2O排放并促进土壤N2O吸收；两种炭均提升颗粒有机碳（POC）但未显著改变矿物结合有机碳（MAOC），且水热炭更利于微生物碳同化。研究为北方农业系统炭改良策略提供了关键理论依据。

　　

在全球粮食需求持续增长的背景下，农业生态系统中氮肥的过度使用导致了一系列环境问题，包括温室气体排放加剧、水体富营养化以及土壤酸化等。尤其值得注意的是，农业活动贡献了约70%的人为源N₂O排放，这种气体不仅具有强效温室效应，还会破坏臭氧层。与此同时，氮肥的施用也可能通过促进微生物呼吸作用，使土壤从碳汇转变为碳源。面对这些挑战，寻求可行的农业管理措施以降低环境影响显得尤为迫切。其中，炭材料（如生物炭）的土壤改良作用近年来备受关注。

炭材料是生物质在缺氧条件下热解产生的富碳产物，其含有高度稳定的芳香族化合物，能够抵抗微生物分解。既往研究表明，炭改良剂可能通过影响土壤养分循环、微生物活动及作物生长，带来多方面的环境效益，包括减少温室气体排放、提高养分利用效率以及增强碳固存等。然而，研究结果并不一致，部分报道指出炭添加可能增加CO₂、CH₄和N₂O的排放，这表明炭材料的效果可能因炭本身性质、土壤类型和植被系统的不同而存在显著差异。

北方地区（如芬兰）的土壤普遍呈酸性且养分贫乏，理论上更适合通过炭改良来改善土壤性质。已有研究显示，生物炭的施用能够提高这些土壤的水分保持能力、减少氮淋失并增强CH₄的吸收。不过，大多数相关研究集中在单一作物系统，且多针对生物炭，而对另一种炭产品——水热炭（通过水热碳化法制备）的关注较少。由于制备方式和原料的差异，生物炭和水热炭在理化特性（如孔隙结构、表面面积和pH值）上有所不同，这些差异可能进一步影响它们在土壤中的行为和作用效果。

在此背景下，Bhattarai等人在《Biochar》期刊上发表了一项研究，通过中宇宙（mesocosm）实验模拟典型的北方豆科-牧草草地生态系统，探究了生物炭和水热炭的施用对温室气体通量、土壤有机碳库组分以及生物量产量的影响。研究特别关注了两种视角：一是按固定速率添加炭并配施氮肥（模拟农民实践），二是按炭碳量添加而不施氮肥（以分析炭碳本身的作用）。研究结果不仅揭示了两种炭材料对N₂O排放的相反效应，还深入探讨了其背后的微生物机制和碳循环过程，为炭材料在北方农业系统中的合理应用提供了重要科学依据。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1）中宇宙实验设计，使用PVC环装置培养土壤-植物系统，并控制水分条件（45%WFPS）；2）温室气体通量测量，通过静态箱-气相色谱法连续99天监测CO₂、CH₄和N₂O通量；3）土壤理化分析，包括矿物氮（NH₄⁺和NO₃^?）浓度、pH、电导率（EC）、有机质（SOM）及微生物生物量碳氮（C_mic和N_mic）的测定；4）土壤有机碳分组，通过粒径-密度法分离矿物结合有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）；5）¹⁵N同位素稀释技术，量化硝酸盐和铵的毛生产与消耗速率（硝化和矿化过程）；6）生物量指标评估，包括地上部与根部生物量、根冠比及氮利用效率（NUE_PFP和NUE_Ag）的计算。

3.1 Fluxes and cumulative emissions of CH4, CO2 and N2O

CH₄吸收通量在各处理间无显著差异，表明炭添加对甲烷氧化菌活性影响有限。但按炭碳量标准化后，生物炭配施氮肥（NB）处理显示出更低的CH₄吸收趋势，可能与高碳含量促进产甲烷条件有关。CO₂排放通量在多数测量日无显著差异，但水热炭处理（NH和H）在实验初期及收割后表现出更高排放峰值，可能与炭引发正 priming效应（激发效应）相关。两次收割均显著降低了CO₂排放，且水热炭处理的减排幅度更大，说明其排放更依赖于根系-微生物互作。N₂O排放动态呈现显著处理间差异：生物炭配施氮肥（NB）使累积N₂O排放较对照（N）增加1.56倍，而水热炭配氮（NH）仅轻微增加且显著低于NB。无氮条件下，水热炭（H）多次表现为N₂O吸收（最高达-4.02 μg N m^?2 h^?1 kg^?1_charC），表明其促进N₂O还原为N₂的能力。

3.2 Effects on root and shoot biomass, root/shoot ratio,yield, and NUE

总生物量产量及氮利用效率（NUE_PFP和NUE_Ag）在各处理间无显著变化。但物种特异性分析显示，生物炭配氮（NB）显著降低猫尾草（timothy）产量，同时红三叶草（red clover）产量有上升趋势，反映生物炭可能通过吸附固氮影响猫尾草对肥料氮的获取。水热炭配氮（NH）则维持两种作物产量平衡。无氮条件下，红三叶草产量普遍高于猫尾草，表明炭添加在缺氮环境中更利于豆科固氮。

3.3 Effects on edaphic variables, microbial biomass and gross N transformation rates

生物炭配氮（NB）显著提高土壤NO₃^?浓度和毛硝化速率（GN），印证其促进硝化作用和N₂O产生的机制。水热炭处理（NH和H）则表现出更高的微生物生物量碳（C_mic），且无氮下水热炭（H）的铵消耗速率显著高于矿化速率，表明微生物固氮作用增强。炭添加对NH₄⁺浓度、N_mic及NO₃^?消耗速率无一致影响。

3.4 Changes in soil MAOC and POC content

两种炭均显著增加颗粒有机碳（POC），主要贡献源自炭材料本身的碳输入。矿物结合有机碳（MAOC）在按施炭量比较时无显著变化，但按炭碳量标准化后，生物炭处理（NB和B）的MAOC显著低于初始值，而水热炭处理（H和NH）与初始无差异。表明水热炭更利于通过微生物同化作用稳定MAOC，生物炭则可能因高表面积孔隙包裹活性碳而抑制微生物碳转化。

3.5 Relationships between GHG fluxes and soil and plant attributes

相关性分析揭示，N₂O排放与炭表面积、硝化速率及NO₃^?浓度呈正相关，CO₂排放与生物量产量和炭C/N比正相关，而CH₄吸收与这些变量负相关。印证了炭性质（如表面积和碳含量）通过调控微生物活动和养分可用性影响温室气体通量。

本研究通过多角度实验阐明了生物炭与水热炭在北方豆科-牧草系统中的差异化效应。主要结论包括：1）生物炭配施氮肥通过增强硝化作用显著增加N₂O排放，而水热炭能抑制N₂O排放并在无氮条件下促进土壤作为N₂O汇的功能；2）两种炭均通过自身碳输入增加土壤POC，但对MAOC的稳定效果各异——水热炭通过促进微生物生长增强碳同化，生物炭则因高表面积抑制微生物活动而减缓MAOC形成；3）炭添加对总生物量产量无显著影响，但生物炭降低猫尾草产量，反映其对作物氮获取策略的物种特异性影响。

这些发现强调了炭材料性质（如表面积、碳含量和孔隙结构）与其环境效应的紧密关联，且作用效果受到氮肥管理和植被类型的调制。研究为北方农业系统选择炭改良策略提供了关键依据：水热炭更适用于N₂O减排和碳稳定目标，而生物炭需谨慎搭配氮肥使用。未来研究需聚焦于不同原料来源炭材料在多样农业生态系统中的长期田间试验，以推动炭改良的大规模应用。