原料依赖的生物炭特性通过微生物酶相关过程影响黑土的短期CO?排放，且其作用机制超越了土壤pH的影响

《Environmental Research》：Feedstock-dependent biochar properties shape short-term soil CO 2 emissions through microbial enzyme-associated processes beyond the effect of soil pH in black soil

　　

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  原料类型强烈控制了生物炭添加后黑土的短期CO₂排放。
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  胞外酶活性与土壤CO₂排放的关联比土壤pH更为紧密。
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  仅提高土壤pH无法重现生物炭诱导的酶促反应和CO₂排放。

引言

黑土虽然仅覆盖全球约17%的耕地，却支撑了近30%的全球粮食生产，并储存了估计56 Pg的碳（C）（FAO, 2022）。作为主要的陆地碳库，黑土在维持农业生产力以及通过碳储存和养分循环调节生态系统碳循环方面发挥着关键作用（Liao et al., 2026）。然而，集约化农业实践加速了土壤退化，包括土壤有机碳（SOC）耗竭、侵蚀和酸化（Labaz et al., 2024）。这些退化过程会降低土壤肥力和生产力，同时加速土壤有机质流失，从而扰乱黑土的土壤碳储存和循环（Li et al., 2025）。因此，开发既能维持土壤生产力、保护SOC，又能调节碳周转的可持续管理策略，对黑土的长期可持续性日益重要。

生物炭是通过有机原料在缺氧条件下热解产生的富碳材料（Lehmann et al., 2006）。因此，生物炭施用已成为一种改善土壤质量并有助于缓解气候变化的前景策略（Liu et al., 2026）。然而，这种不完全稳定的碳在施用于土壤后在短期碳循环中的作用需要考虑。这是因为生物炭的多孔结构、活性表面和相对稳定的碳形态可以改变土壤理化性质、微生物生境、养分有效性和土壤碳底物的可及性（Lehmann et al., 2011; Schmidt et al., 2025）。这些特性受原料类型和热解条件的强烈影响，从而塑造了生物炭对土壤CO₂排放的影响。

原料种类是决定生物炭性质及其对土壤碳周转影响的主要因素。不同原料生产的生物炭在芳香性、活性碳、养分含量和碱性方面可能存在显著差异，导致与土壤和微生物的相互作用截然不同（Zimmerman et al., 2011; He et al., 2024）。Bekchanova等（2024）的一项全球荟萃分析表明，生物炭对土壤CO₂通量的影响随原料类型而变化。木质生物质来源的生物炭显著增加了土壤CO₂通量19%，而农业废弃物生产的生物炭则没有显著影响。然而，黑土中的实验研究报告了更复杂和不一致的反应，施用生物炭可能增加或减少土壤CO₂排放，具体取决于生物炭类型。高温生物炭对黑土碳矿化的影响随原料类型而变化。Singh和Cowie（2023）报道，小麦秸秆、玉米秸秆和高粱秸秆来源的生物炭显著降低了土壤碳矿化，表明具有负效应。相比之下，稻壳生物炭与对照相比对土壤CO₂排放没有显著影响。这些不同的响应表明，生物炭对土壤CO₂排放的影响可能取决于原料依赖性生物炭特性如何与土壤理化及微生物过程相互作用（Liu et al., 2026）。然而，原料依赖性生物炭特性如何转化为不同的短期CO₂响应的机制仍未得到充分阐明。

在提出的各种机制中，生物炭引起的土壤碱化尤其受到关注。生物炭通常会提高土壤pH，从而改变微生物生理活性、养分有效性和底物可及性，进而影响SOC矿化（Lehmann et al., 2011）。大量研究报告称，农业土壤中施用生物炭后，土壤pH显著升高，且温室气体通量也相应发生变化（Ngaba et al., 2026）。然而，pH升高伴随着碳有效性、养分供给和微生物资源条件的变化（Li et al., 2024; Liu et al., 2026），因此难以确定仅碱化作用能否解释不同生物炭之间CO₂排放的差异。越来越多的证据表明，不同原料来源的生物炭可以同时改变溶解性有机碳（DOC）、养分和微生物底物的有效性（Singh et al., 2022; Han et al., 2024），从而创造出一个复杂的土壤资源环境，可以在土壤pH变化之外调节微生物分解（Yu et al., 2018）。因此，一个关键问题是：土壤碱化是否是原料依赖性CO₂排放的主要驱动力，还是其他微生物功能过程提供了额外的机制。

胞外酶活性可能在生物炭性质、微生物资源获取和SOC分解之间提供一个重要的功能纽带（Wang et al., 2024）。参与碳、氮和磷获取的酶，如β-葡萄糖苷酶（BG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）和酸性磷酸酶（ACP），反映了微生物在有机质分解和资源获取方面的投入（Burns et al., 2013）。生物炭可以通过改变底物有效性、养分限制和酶-矿物相互作用来影响这些酶的活性（Zhang et al., 2019; Zeng et al., 2024）。秸秆来源的生物炭施用使土壤CO₂排放增加了18.04%-73.15%，这可能是由于碳和氮获取酶的活性增强，而这些酶的活性与CO₂排放呈正相关（Xue et al., 2022）。相反，添加玉米芯生物炭使激发效应降低了12%，同时胞外酶活性受到抑制（Pei et al., 2020）。因此，具有不同原料依赖性性质的生物炭可能会诱导不同的胞外酶响应，这可能是造成SOC分解和短期CO₂排放差异的原因。然而，与生物炭引起的碱化作用相比，胞外酶激活的相对重要性仍然知之甚少。

本研究通过对照培养实验，考察了来自不同原料的六种生物炭，探究原料依赖性生物炭性质如何塑造黑土中的短期CO₂排放及相关微生物酶响应。通过整合生物炭理化特性、土壤化学性质、胞外酶活性和补充的pH操纵实验，我们旨在区分土壤碱化作用与生物炭特异性效应对微生物碳周转的贡献。具体而言，我们的研究目标为：（1）确定生物炭性质的差异是否与不同的胞外酶活性和CO₂排放相关联；（2）确定仅提高土壤pH是否足以解释这些响应。我们假设，原料依赖性的生物炭性质将创造不同的土壤资源环境，从而改变微生物胞外酶活性并对短期CO₂排放的变化做出贡献，而仅靠土壤碱化将不足以重现生物炭施用诱导的酶和CO₂响应。

章节摘要

生物炭与土壤

本研究所用的生物炭由英国生物炭研究中心（UKBRC）按照标准化方案生产（Ma?ek et al., 2018）。所有生物炭均通过550°C慢速热解，来自不同原料，包括木材（软木，SW）、农业废弃物（稻壳，RH；芒秸秆，MS；油菜秸秆，OS；小麦秸秆，WS）和污泥（污水污泥，SS）。这些标准生物炭的性质数据来源于UKBRC标准生物炭数据库（//www.biochar.ac.uk/standard_materials.php

原料依赖性生物炭的性质

六种生物炭的性质随原料变化显著，尤其是在碱度和碳酸盐含量方面（图1a和S1）。所有生物炭均呈碱性，pH值范围为7.91至9.94（图1a）。虽然先前研究表明生物炭的碱性与原料的木质素含量有关（Huang et al., 2018），但我们的结果表明，生物炭pH的变化也可能与形成的无机碳酸盐含量差异有关。

环境意义

生物炭作为气候缓解策略的有效性不仅取决于生物炭碳本身的固有稳定性，还取决于原料衍生性质如何影响土壤施用后的微生物碳处理。我们的结果表明，在不同原料生产的生物炭在相同热解条件下诱导了明显不同的短期CO₂排放响应，突出了原料衍生功能特性作为重要决定因素的地位。

CRediT作者贡献声明

祁心冉：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理。商建英：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理、资金获取、概念化。李琦瑞：撰写——审阅与编辑。殷英杰：撰写——审阅与编辑。王怡豪：方法论、形式分析。

数据可用性

当前研究中使用或分析的数据集可根据合理要求从通讯作者处获取。

资金支持

本研究得到了国家自然科学基金（42377305）、国家重点研发计划（2023YFD1700802）以及中国财政部（MOF）和农业农村部（MARA）中国农业科学体系（CARS-21）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本研究报告中的工作。

致谢

感谢爱丁堡大学及英国生物炭研究中心的Ond?ej Ma?ek博士为本研究提供的生物炭。

祁心冉|王怡豪|殷英杰|李琦瑞|商建英