《Journal of Agriculture and Food Research》：Artificial Carbon Materials for Soil Organic Carbon Sequestration in Agroecosystems: A Bibliometric Analysis and Mechanistic Review
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陆地生态系统中近80%的碳储存于土壤中，主要以土壤有机质的形式存在。对土壤碳库的有效管理对于减缓全球变暖至关重要。然而，日益加剧的人为压力导致许多土壤退化，表现为土壤有机碳（SOC）储量下降、土壤结构恶化以及固碳能力降低。在全球范围内，土壤通过异养呼吸每年释放
陆地生态系统中近80%的碳储存于土壤中，主要以土壤有机质的形式存在。对土壤碳库的有效管理对于减缓全球变暖至关重要。然而，日益加剧的人为压力导致许多土壤退化，表现为土壤有机碳（SOC）储量下降、土壤结构恶化以及固碳能力降低。在全球范围内，土壤通过异养呼吸每年释放约60 Pg C（1 Pg = 1015 g），这一总通量大于年化石燃料碳排放。千分之四倡议提出以每年0.4%（4‰ yr-1）的速度增加全球SOC储量，这为评估耕地农业生态系统中的SOC管理提供了背景。在农业生态系统中，SOC是土壤肥力的关键指标，并支撑作物生产力。人工碳材料（ACMs）被广泛认为是具有固碳潜力的外源有机碳改良剂。本研究检索了Web of Science数据库中2000年至2025年间关于ACMs促进土壤固存的文献，旨在：（1）描述主要的ACM类别和研究趋势；（2）综合其对SOC积累和矿化的影响；（3）整合调控SOC持久性的物理、矿物介导和微生物机制；（4）确定限制其农业应用的土壤、材料和管理条件。研究人员采用条件时间框架来组织和评估这些发现。该框架考虑了早期的淋溶和易损失碳流失、中期的微生物和团聚体重组，以及长期受矿物结合和团聚体周转控制的持久性。文献计量分析显示，ACM研究中以结果导向的主题占主导地位。机制比较涵盖了生物炭（biochar）、水热炭（hydrochar）和人工腐殖质（artificial humic substances）。所提出的条件时间框架将早期碳损失与长期持久性联系起来。物理、矿物和微生物过程共同调控碳的持久性。农业性能取决于土壤背景和管理措施。
研究背景与科学问题
陆地生态系统近80%的碳储存在土壤中，主要以土壤有机质形式存在。有效的土壤碳库管理对减缓全球变暖至关重要。然而，人为压力导致土壤退化，表现为土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）储量下降、结构恶化和固碳能力降低。全球土壤每年通过异养呼吸释放约60 Pg C（1 Pg = 1015 g），该通量甚至超过化石燃料年排放量。“千分之四”倡议提出以每年0.4%的速率增加全球SOC储量，这对农业生态系统中的碳管理提出了明确目标。在农业生态系统中，SOC是土壤肥力和作物生产力的关键指标。传统秸秆还田虽可增加SOC，但其效果因土壤条件而异，甚至可能短期内刺激CO2排放和原生SOC矿化。因此，人工碳材料（Artificial Carbon Materials, ACMs）作为一类具有固碳潜力的外源有机碳改良剂受到广泛关注。然而，ACMs介导的固存作用涉及材料持久性、土壤团聚、矿物结合、微生物转化和原生SOC激发效应等多重交互控制因素，这些因素尚未被整合到一个统一的循证框架中。特别是，相较于生物炭，水热炭和人工腐殖质的综合机制证据仍相对匮乏，尤其在长期田间条件下。为此，本研究对2000至2025年间Web of Science数据库中有关ACMs促进土壤固碳的文献进行了系统综述。
研究方法与技术路线
研究人员采用了文献计量学分析与机制综述相结合的方法。首先，通过对Web of Science核心合集进行双轨检索，分别获取ACMs总体文献库（61,812篇）和碳固存子集（7,893篇）。利用VOSviewer软件进行关键词共现分析，识别研究主题聚类。其次，研究人员从材料特性、物理-矿物保护、微生物转化三个支柱维度，系统整合了现有实验证据。关键分析方法包括：元素比（H/C、O/C、C/N）的范克雷维伦图（Van Krevelen plot）分析、同位素示踪（如13C）用于区分碳源、氨基糖法用于估算微生物残体碳、以及基于zeta电位和吸附等温线的矿物界面表征。此外，研究人员构建了一个条件时间框架，用以组织不同时间尺度下的碳固存过程。
主要研究结果
3. 人工碳材料对SOC积累和矿化的影响
3.1. 对SOC含量的影响：研究表明，施用ACMs后测得的SOC普遍增加，但幅度和碳源高度依赖于材料和土壤背景。例如，在吉林黑土180天培养实验中，棉花秸秆及其衍生生物炭使SOC浓度分别提高64.4%和94.6%。水热炭施用增加了稳定态SOC（10.3-27.0%）但降低了活性态SOC（15.6-33.6%）。人工腐殖酸施用28天后使总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）增加21.4 g kg-1，但直接添加的碳仅为0.3 g kg-1，表明存在非直接添加的碳固定途径。总体而言，ACMs可通过直接碳输入和改变原生SOC周转两种方式提升测量到的SOC。
3.2. 对SOC矿化和温室气体排放的影响：研究发现，ACMs施用后土壤CO2排放既可能减少也可能增加。减少的证据强度不一，部分研究通过天然13C丰度实现了碳源分离，而多数研究仅提供间接或总通量证据。短期CO2下降可能反映微生物暂时抑制而非原生SOC稳定化。相反，短期呼吸增强可能源于ACMs自身不稳定碳的矿化，或原生SOC的正激发效应，或两者兼有。研究人员强调，总CO2通量不能直接等同于激发效应，必须通过同位素或示踪方法进行碳源区分。
4. ACM介导的土壤碳固存机制
4.1. 材料持久性与ACMs衍生碳的直接保留：热化学转化决定了ACMs的分子组成和生物可利用性。高温热解增加生物炭的缩合芳香结构，水热炭则含更多含氧脂肪族和水溶性化合物，人工腐殖质富含羧基和酚基。元素比（H/C、O/C）可作为潜在持久性的粗略筛选指标，但不能直接衡量碳稳定性。长期同位素研究表明，生物炭含有持久性碳组分，但也释放可测量的易分解组分。持久性是ACM-土壤系统的涌现属性，而非材料的固有特征。
4.2. 物理-矿物保护：该部分分为三个子节。4.2.1. 团聚体形成、周转与物理保护：ACMs可通过孔隙、表面官能团及与粘土矿物、阳离子、根系、真菌菌丝和微生物产物的相互作用促进团聚。研究表明，生物炭最初促进大团聚体形成（前60天），随后微团聚体增加并富集生物炭衍生碳。物理保护更可能在细质地土壤中发生，而在粗质地土壤中响应不一致。4.2.2. 土壤溶液条件下的矿物特异性保护：矿物保护依赖于矿物类型、表面化学和溶液条件。高岭石提供羟基化外表面，膨胀型2:1层状硅酸盐提供更大表面积和层间域。铁矿物（如水铁矿、针铁矿）在中碱性pH下悬浮浓度更高，而在酸性条件下更易沉降。铁铝（氢）氧化物可通过配体交换和共沉淀保留羧基和酚基丰富的化合物。4.2.3. 老化与ACM-矿物关联的时间成熟：ACMs的老化会改变表面化学和矿物相互作用。生物炭的矿物附着和Fe-O-C键在约三个月后检测到，而有机-矿物涂层在2.5年和9.5年后仍可观察到。水热炭在0-16个月经历溶解碳损失和矿物屏蔽，16-30个月表面氧化增强。老化是稳定还是破坏ACMs衍生碳，取决于土壤矿物学、氧化还原条件和初始碳化程度。
4.3. 微生物转化与原生SOC周转：ACMs通过改变栖息环境和提供底物影响微生物。微生物生物量是瞬态碳库，不应视为碳固存的直接证据。氨基糖衍生的微生物残体碳是更具体的操作指标，但不代表ACMs衍生碳的持久稳定化。生物炭可增加或减少微生物残体碳，具体取决于土壤深度和养分状况。微生物碳泵可将植物或改良剂衍生的底物转化为生物量、代谢产物和残体，这些物质经矿物结合或团聚体包裹后可能持续存在。原生SOC激发效应指外加底物后原生SOC矿化速率的变化，正激发表示加速，负激发表示抑制。激发方向取决于易分解碳含量、生产条件、土壤性质和实验时长，且可能随时间变化。
4.4. 跨支柱整合与时间发展：微生物和矿物碳泵通过碳转化和可及性的相互调控而耦合。时间发展应被视为重叠过程的集合而非固定序列：数天至数月内，水溶性化合物的淋溶和矿化、微生物处理和初期物理重组最为显著；数月至数年内，ACMs老化、微生物转化、团聚体重组和矿物结合逐渐耦合；数年至数十年内，有机-矿物结合、团聚体周转、垂直迁移、侵蚀和扰动决定剩余ACMs衍生碳的持久性。净长期稳定化只有在持久性ACMs衍生碳和新稳定的原生或微生物碳超过矿化、淋溶、侵蚀和迁移造成的损失时才发生。
5. 材料选择与田间应用的意义：现有证据不支持存在一种普适最优的ACM。材料选择应与土壤约束、管理目标和环境条件相匹配。碱性生物炭适合酸性土壤，多孔ACMs可改善保水保肥能力。三种ACM各有优势：生物炭适用于长期碳保留；水热炭适合高水分农业废弃物处理；人工腐殖质在需要反应性矿物或微生物相互作用时具有优势。田间应用需考虑碳固存效益和环境风险，建议在施用前全面表征ACMs的性质，并采用长期监测区分ACMs衍生碳与原生SOC的变化。
6. 总结与展望：本综述表明，ACM介导的SOC固存由多种物理、化学和生物学过程的相互作用决定，而非单纯的材料顽抗性。未来研究应优先开展：使用同位素源区分法的多年多点田间试验；标准化的老化协议以比较三类ACM；集成矿物学和微生物学分析以检验反馈机制；以及比较生命周期和技术经济评估。
