《Environmental Technology & Innovation》：Biochar combined with CO?-rich biogas slurry enhances water spinach growth (
Ipomoea aquatica) and carbon storage in the cultivation system: Roles of nutrient retention and microorganisms
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研究人员开发了一种新型生物炭+富CO?沼液（BC-CRBS）协同系统，用于负碳栽培。富CO?沼液通过降低zeta电位减少养分淋失；生物炭吸附HCO??并延长根际无机碳供应。该系统显著促进了蕹菜（Ipomoea aquatica）的光合作用、养分吸收和生物量积累
研究人员开发了一种新型生物炭+富CO?沼液（BC-CRBS）协同系统，用于负碳栽培。富CO?沼液通过降低zeta电位减少养分淋失；生物炭吸附HCO??并延长根际无机碳供应。该系统显著促进了蕹菜（Ipomoea aquatica）的光合作用、养分吸收和生物量积累。该改良措施提升了土壤肥力、酶活性和根际细菌多样性，增强了土壤碳氮循环。微生物3-羟基丙酸双环碳固定途径上调，使生态系统碳封存增加3.52 g-CO?/CE。
**论文解读：生物炭与富CO?沼液协同提升蕹菜生长与栽培系统碳储存**
**1. 研究背景与科学问题**
自工业革命以来，化石燃料过度消耗导致大气CO?浓度持续攀升，全球变暖加剧。为实现《巴黎协定》升温控制在1.5°C以内及2050年净零排放目标，碳捕集、利用与封存（CCUS）成为关键气候减缓技术。陆地生态系统是最大碳汇，其固碳主要依赖植物光合作用固定大气CO?，进而转化为土壤有机碳（SOC）。提升植物光合能力被认为是增强碳汇的有效途径，但植物对CO?浓度升高的响应因功能群和环境条件而异，并可能受光合驯化及水肥限制的削弱。同时，升温会加速土壤有机质分解，部分抵消CO?施肥效应，因此净固碳效果尚存争议。
农业生态系统具有作物单一、管理可控和养分投入高的特点，是研究CO?升高效应的理想场所。设施栽培中气态CO?补充虽能提升作物产量，但气态CO?扩散性强、浓度易受风速和冠层结构等影响，难以在开放农田稳定应用。因此，开发可在根际局部控释无机碳的载体具有现实意义。研究表明，外源根际HCO??可经蒸腾流向上运输并被植物通过光合和非光合途径同化，增加碳水化合物积累。但HCO??浓度超过20 mol/m3时会导致土壤pH升高、抑制根系发育并引发植物胁迫。沼液（BS）因具有优良酸碱缓冲能力，可作为CO?吸收载体，吸收CO?后形成富CO?沼液（CRBS），其pH降至约6.5，同时游离氨与CO?反应生成铵和HCO??，离子强度升高压缩双电层，降低zeta电位绝对值，诱导胶体絮凝，促进颗粒在土壤基质中滞留，可能减少养分淋失。生物炭（BC）由生物质高温厌氧热解产生，富含稳定碳，具有多孔结构和巨大比表面积，可吸附固定土壤阴阳离子，减少养分淋失，并与根系形成根际-生物炭界面，促进根系发育和养分吸收，同时为微生物提供栖息生境。
尽管已有上述认识，CRBS与BC联合施用如何影响土壤养分淋失、植物生长及协同固碳仍不清楚。为此，研究人员开展土壤柱淋溶实验和盆栽实验，以环境敏感且生长迅速的蕹菜为试材，探究两种材料对植物生长、光合作用、土壤理化性质、酶活性及根际细菌群落的影响，并提出假设：（1）CRBS通过HCO??诱导絮凝作用降低zeta电位绝对值，减少土壤养分淋失；（2）BC添加进一步截留养分和HCO??，提高土壤养分有效性；（3）BC与CRBS联合施用通过刺激根际碳氮循环促进植物生长和生态系统碳储存。
**2. 研究方法概述**
研究采用土壤柱淋溶实验模拟养分淋失行为，设置CK（水）、BS（沼液）、CRBS（富CO?沼液）、BC（生物炭+水）、BC-BS（生物炭+沼液）、BC-CRBS（生物炭+富CO?沼液）六个处理，重复三次。随后进行45天蕹菜盆栽实验，采用相同处理，每盆3株，光照14小时/10小时，光强600 μmol·m?2·s?1，温度22–28°C。关键测定包括：沼液zeta电位（Zetasizer Pro）、淋溶液养分（火焰原子吸收、自动化学分析仪）、植物生长和光合参数（Li-Cor 6800光合仪）、光合色素（紫外可见分光光度计）、植物元素含量（微波消解+元素分析）、土壤理化性质（pH、EC、总氮TN、SOC）、土壤酶活性（β-葡萄糖苷酶BG、脲酶UE、碱性磷酸酶ALP、酸性磷酸酶ACP）、溶解性有机质（3D-EEM荧光光谱+PARAFAC模型）、根际细菌群落（16S rRNA扩增子测序，Illumina NovaSeq 6000），并利用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析处理-土壤-微生物-植物间的因果关系。CO?储量按栽培生态系统（CE）计算，公式为Cstock=Cplant+Csoil+Cinput。样本来源：沼液取自湖北鄂州500 m3分布式沼气工程，主要原料为猪粪、少量鸡粪和生活污水；生物炭由玉米秸秆在500°C缺氧慢速热解制备；栽培土壤为黄土与沙1:1混合物。
**3. 研究结果与讨论**
**3.1 土壤淋溶液对生物炭和富CO?沼液的响应**
与BS相比，CRBS的pH降低、EC升高、zeta电位绝对值下降。HCO??增加离子强度，压缩双电层，使胶体不稳定并絮凝，促进颗粒在土壤中滞留，减少养分淋失。淋溶液中，BS处理EC、HCO??、N、P、Ca、Mg、Na最高，CRBS次之，表明直接施用沼液淋失风险更高。BC进一步降低TN、Ca、Mg、Na淋失，但增加P和K淋失，这可能源于生物炭本身含P、K较高及石灰效应提高P溶解度。关键的是，BC-CRBS处理中EC、HCO??、TN、Ca、Mg、Na浓度均显著低于其他处理，验证了CRBS絮凝与BC吸附截留的协同作用，且HCO??在根区滞留时间延长，有利于植物和微生物利用无机碳。
**3.2 植物生长对生物炭和富CO?沼液的响应**
与BS相比，CRBS显著提高了蕹菜叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量（分别增加14.49%、9.4%、14.47%、18.18%），同时净光合速率（Pn）和胞间CO?浓度（Ci）升高，气孔导度（gs）和蒸腾速率（Tr）降低，表明根际HCO??经木质部运输至叶片并在碳酸酐酶作用下转化为CO?，提高叶片CO?浓度。BC-CRBS处理光合性能最优，Pn为5.88 μmol·m?2·s?1，Ci为306.82 μmol·mol?1，分别比BC-BS高25.37%和10.14%。养分分析显示，CRBS组叶片C含量高于BS组，但N、P、K在叶片中降低而茎中升高，可能是CO?升高改变了氮在器官间的分配。Ca和Fe的吸收增加归因于CRBS降低zeta电位减少淋失。BC因其高P、K含量增强了P、K吸收，同时减少N吸收。总体而言，CRBS絮凝和BC吸附截留协同促进蕹菜对N、P、K、Ca、Fe的吸收，提高C/N比，缓解养分失衡，促进生物量积累。
**3.3 土壤理化参数对生物炭和富CO?沼液的响应**
CRBS提高了土壤TN，与zeta电位降低减少养分淋失一致。BC添加提高SOC，BC-CRBS最高，与高生物量下更多植物源碳输入有关。CRBS增加了UE、BG、ALP和ACP活性，BC进一步增加UE、BG和ALP活性，但ACP活性下降并与土壤pH负相关。BC-CRBS中BG活性低于BC-BS，可能反映了微生物生活策略转变：BC提供的持久碳和HCO??增加了K策略菌（如Myxococcota、Chloroflexi、Planctomycetota）丰度，减少了对易降解碳的利用，从而缓解根际激发效应并增强SOC稳定性。EEM荧光光谱分析显示，BC和CRBS均增加了类腐殖质组分比例，BC-CRBS腐殖化指数（HIX）最高，表明促进了易降解有机质向稳定腐殖质的转化，提高了SOC稳定性。
**3.4 根际细菌群落对生物炭和富CO?沼液的响应**
16S rRNA扩增子测序共获得981,453条高质量序列和3908个OTU，BC-CRBS具有最多独有OTU（1143）和最高Alpha多样性。BS和CRBS单独处理降低了Chao、Simpson和Shannon指数，而BC-CRBS中多样性和丰度最高，说明HCO??刺激固碳微生物，BC提供额外生态位。优势菌门为Proteobacteria、Actinobacteriota和Firmicutes，合计占74.41%。CRBS增加了Actinobacteriota、Firmicutes、Myxococcota和Nitrospirota的相对丰度，BC进一步增加这些菌门。Myxococcota含光合自养基因簇，可通过Calvin-Benson-Bassham循环固碳；Nitrospirota参与氨氧化；Chloroflexi可通过3-羟基丙酸（3-HP）循环固定CO?。LEfSe分析鉴定Collinsella和Nocardioides为BC-CRBS与BC-BS的区分物种，Gemmatimonas为BC-CRBS与CRBS的区分物种。r/K策略分析显示，BS增加r策略菌，而CRBS和BC增加K策略菌（如Patescibacteria、Myxococcota、Planctomycetota），SOC和TN与Log2(r/K)指数负相关，表明CRBS和BC促进微生物群落向K策略演替，增强有机碳稳定性。RDA和网络分析表明土壤酶活性、TN、SOC和pH是驱动关键菌群的主要因素。基于16S的功能预测（KO分析）显示，BC-CRBS上调了碳固定途径（尤其是3-羟基丙酸循环）以及氮循环基因（NifD和nrfA），增强了微生物无机碳同化和氮转化潜力。
**3.5 蕹菜-土壤生态系统CO?储量评估**
生态系统碳储量在含BC处理中显著更高，BC-CRBS达到最大值63.814 g-CO?/CE，比BC-BS（60.298 g-CO?/CE）高3.516 g-CO?/CE；CRBS比BS处理增加1.592 g-CO?/CE，而CRBS额外携带的CO?在整个生长周期仅为0.193 g-CO?/CE，说明固碳增益主要来自生物过程而非外源CO?直接输入。PLS-PM模型拟合优度为0.76，路径分析显示，BC和CRBS改变土壤理化性质（提高TN和SOC、减少养分淋失），进而增加细菌多样性和土壤酶活性，对关键菌群（Actinobacteriota、Firmicutes、Myxococcota）产生间接正效应，这些关键菌群和酶活性最终促进植物生长。该模型验证了协同机制：CRBS降低zeta电位抑制养分淋失，BC截留养分和HCO??并提供稳定栖息地，共同驱动根际微生物群落向K策略转变，上调无机碳固定（3-羟基丙酸循环）和固氮（NifD）相关基因，促进植物生物量和土壤碳库增加。
**4. 讨论与结论**
本研究表明，CRBS与BC联合施用是一种负碳栽培技术。CRBS引入的HCO??降低溶液zeta电位绝对值，增强絮凝并减少土壤元素淋失；BC的多孔结构进一步减少元素淋失并提高根际HCO??生物有效性，使光合速率提高25.37%（Pn），促进碳同化。BC-CRBS重塑土壤微生物群落，促进K策略微生物增殖（腐殖质组分C3增加，SOC稳定化），并上调3-HP碳固定途径和固氮基因NifD（基于16S功能预测），强化碳氮循环。最终，BC-CRBS处理使蕹菜-土壤生态系统CO?储量比单独CRBS增加352.32%，比BC-BS增加5.83%，达到63.814 g-CO?/CE。研究结果提升了沼液和生物炭的农业利用价值，为农业固碳和土壤健康改善提供了重要见解。
