亚热带森林中单次施用生物炭十二年后增强土壤甲烷汇及其潜在微生物机制

《Environmental Research》：Single biochar application enhances soil methane sink and underlying microbial mechanisms in a subtropical forest after twelve years of treatments

　　

• 即使在施用12年后，单次施加生物炭仍能增强土壤CH?汇• 生物炭增加土壤EOC含量，同时降低NH??-N含量• 生物炭还增加甲烷氧化菌丰度及CH?氧化潜能• 生物炭直接或间接增强CH?氧化潜能，促进CH?汇

**引言**

应对气候变化是21世纪最具紧迫性的全球挑战之一（Curry, 2023; Yang et al., 2024）。控制短寿命气候强迫因子，特别是甲烷（CH?）的排放，是减缓近期变暖的关键途径（IPCC, 2021）。作为继二氧化碳（CO?）之后第二大温室气体，在百年时间尺度上，CH?的每摩尔全球变暖潜势是CO?的28–32倍（IPCC, 2021; Saunois et al., 2020），并贡献了当前全球变暖的约30%（Yang et al., 2024）。2021年COP26期间，超过100个国家共同签署了《全球甲烷承诺》，承诺到2030年将CH?排放量从2020年水平减少30%（Vaughan, 2021）。这一政治共识凸显了CH?减排已成为全球气候行动的核心优先事项。

实现2030年减排目标需要增强自然生态系统的CH?汇能力，同时遏制人为排放（Lu et al., 2022）。在自然生态系统中，森林土壤是最大的陆地生物CH?汇，约占全球土壤CH?汇的62%（Lee et al., 2023），并抵消了湿地、稻田和反刍动物等自然和人为来源的部分CH?排放（Saunois et al., 2020）。然而，不断加剧的人为扰动和极端气候事件正在导致森林逐渐退化，土壤碳库减少（Pietrzykowski et al., 2025），温室气体排放增加（Han and Zhu, 2019），这可能削弱森林土壤CH?汇。因此，强化这一汇（即生态系统的CH?净吸收量，反映CH?氧化（生物消耗过程）与产甲烷作用之间的平衡）不仅对维持区域CH?平衡至关重要，也是实现全球减排目标的基于自然的解决方案（Lu et al., 2022）。然而，如何通过科学的土壤管理长期维持和增强森林土壤CH?汇，仍然是森林生态学和全球变化生态学面临的主要挑战。

生物炭是一种在缺氧条件下通过热解生物质产生的富碳材料，被广泛认为是有效的土壤改良剂，用于土壤碳固存和温室气体调节。其高比表面积、丰富的表面官能团（如?COOH和?OH）、高阳离子交换量、多孔结构以及化学和生物稳定性（Lehmann et al., 2021; Zhang et al., 2026）赋予了其增强森林土壤CH?吸收能力的重要潜力（Zhou et al., 2026）。具体而言，高比表面积和高阳离子交换量共同提供了可结合或吸附活性氮化合物（如铵态氮（NH??-N）和硝态氮（NO??-N））的吸附位点和官能团，从而缓解氮对甲烷氧化菌活动的抑制（Zhou et al., 2025）。生物炭主要通过带负电荷官能团上的阳离子交换吸附NH??，而NO??的吸附则主要由与带正电基团（如质子化胺基）之间的静电相互作用驱动（Fidel et al., 2018）。NH??-N通过NH??对甲烷单加氧酶（MMO）的竞争性抑制及其氧化中间体（如羟胺和亚硝酸盐）对甲烷氧化菌的毒性，抑制CH?氧化（Bodelier and Laanbroek, 2004; Schnell and King, 1994）。通过降低土壤溶液中活性氮的有效性，生物炭缓解了这种由氮引起的抑制作用。这些表面官能团还可增强CH?吸附并促进甲烷氧化过程中的电子转移（Huang et al., 2025）。此外，生物炭可改善土壤结构和通气性，创造有利于好氧甲烷氧化的微生境（Lin et al., 2025），并为甲烷氧化菌提供定殖位点，物理上支持其生长和甲烷氧化潜能（Chen et al., 2025）。生物炭还可缓解土壤酸化，改变碳氮化学计量比，从而增强甲烷氧化菌活性和编码颗粒态甲烷单加氧酶的pmoA基因的表达（Lin et al., 2025）。Zhou等人（2025）在短期微宇宙培养实验中证明，生物炭降低了NH??-N的有效性，增加了水溶性有机碳，提高了pmoA基因丰度，有效增强了亚热带森林土壤的甲烷氧化潜能（即在优化条件下测得的最大氧化能力）。综合来看，这些机制表明生物炭可通过协同效应促进森林土壤的CH?汇。

尽管有这些证据，两个关键的认知空白限制了生物炭长期效应的准确评估。首先，大多数现有证据来自持续数周至数月的短期培养实验（Zhou et al., 2025），或不超过五年的短中期原位田间观测（Yang et al., 2025a; Zhou et al., 2026），而生物炭的一个显著特征是在世纪时间尺度上的环境持久性（Azzi et al., 2024; Lehmann, 2007）。这种持久性意味着其理化性质和生物效应可能随时间推移而变化（Wang et al., 2019; Yi et al., 2020）。老化通过引入含氧官能团和改变孔隙结构来改变生物炭。适度的老化可维持甲烷氧化菌活动，但过度老化可能抑制甲烷氧化，净效应取决于老化程度、生物炭施用量和生态系统类型（Fidel et al., 2018; Nan et al., 2021; Yu et al., 2025）。然而，长期（十年级别及以上）的原位田间研究极为稀缺。其次，为数不多的长期研究几乎完全集中在农业生态系统中（Wu et al., 2019; Nan et al., 2025; Chen et al., 2026）。一项对29个长期农业田间试验（4–12年）的荟萃分析表明，由于生物炭老化，单次施加生物炭的CH?减排效应随时间推移而减弱（Yang et al., 2025b）。然而，森林和农业生态系统在施肥、耕作等管理措施上存在显著差异，这些差异可能直接影响生物炭的老化过程（Wang et al., 2019; Yi et al., 2020），从而改变其对大气CH?减排的长期效应。因此，将农业生态系统的研究结果（无论短期还是长期）外推到森林生态系统存在相当大的不确定性。

亚热带森林是全球CH?汇的重要组成部分（Gatica et al., 2020）。评估施加生物炭是否能作为一次性、长期有效的土壤管理策略，持续增强这些生态系统的土壤CH?汇，对于实现COP26承诺下的CH?减排目标具有重要的科学意义和实践价值（Vaughan, 2021）。在此背景下，本研究在中国浙江省宁波天童林场盘山林区的一个长期（12年）田间实验中进行，生物炭以0、10和30 t ha?1的速率施加一次。我们在现场监测了一年的CH?通量，并进行了实验室培养、土壤理化分析和宏基因组绝对定量测序。此外，利用原位CH?观测数据，我们采用土壤甲烷氧化模型（MeMo）模拟了研究样地一年内每日土壤CH?通量（Cheng et al., 2026; Zhou et al., 2024）。本研究旨在回答以下问题：(1) 在亚热带森林中，单次施加生物炭12年后是否仍能显著增强土壤CH?汇？(2) 施加生物炭如何改变甲烷氧化菌的群落结构（多样性和组成）及功能基因（如pmoA）的丰度？(3) 不同生物炭施用量对亚热带森林土壤CH?汇效应背后的机制是什么？

**节选片段**

**样地描述与实验设计**

实验样地位于中国浙江省宁波天童林场盘山林区（29°46′N, 121°48′E）。该区域属典型的亚热带季风气候，年平均气温约16.2 °C，年降水量约1374.7 mm。背景土壤质地为砂1.8%、粉粒50.4%、黏粒47.8%，其他背景土壤理化性质见表S1。盘山林区

**施加生物炭对土壤理化性质的影响**

单次施加生物炭12年后，森林土壤的理化性质发生了显著变化（表1）。与对照相比，Bio10和Bio30均显著提高了土壤pH（P < 0.05），但对土壤含水量（SWC）无显著影响。土壤总碳（TC）含量随生物炭施用量增加而显著增加，CK、Bio10和Bio30分别为31.00、39.00和51.60 g kg?1（P < 0.05）。

**单次施加生物炭对森林土壤CH?汇的长期效应**

本研究表明，在亚热带森林中，单次高剂量生物炭施加（30 t ha?1）即使在12年后仍能显著增强土壤CH?汇功能，而低剂量处理（10 t ha?1）的增强效应要弱得多（图2）。这种剂量依赖性的长期效应与农业系统中普遍观察到的衰减趋势形成鲜明对比，在农业系统中，周期性耕作和干湿循环加速了物理破碎和表面

**结论**

本研究在亚热带森林生态系统中证明，单次高剂量生物炭施加（30 t ha?1）可在至少12年的时间尺度上增强土壤CH?汇。生物炭通过持久改善土壤理化性质，包括提高pH、TC和EOC含量，以及降低NH??-N有效性，直接或间接地显著提高了土壤CH?氧化潜能。土壤水分条件也作为重要的调节因素

**CRediT作者贡献声明**

Haikun Wu：撰写——原稿、可视化、调查研究、正式分析。Cheng-Yuan Xu：撰写——审阅与编辑。Manlin Fu：调查研究。Xinyue Li：调查研究。Wensheng Xiao：正式分析。Xiaoqi Zhou：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。

**未引用参考文献**

Murguia-Flores et al., 2018。

**利益冲突声明**

? 作者声明他们没有已知的与本文所报告的工作存在冲突的财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到了中国教育部基础学科与交叉学科突破计划（编号：JYB2025XDXM904）、国家自然科学基金委员会（编号：32672116和编号：32171635）以及上海市农业科技创新项目（编号：2024-02-08-00-12-F00018）的资助。我们感谢浙江天童森林生态系统国家定位观测研究站的支持。Cheng-Yuan Xu的职位由...资助

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