天然火成木炭与高温生物炭对亚热带人工林土壤CO2排放调控效应的相似性研究

《Frontiers in Microbiology》：Natural fire-derived charcoal resembles high-temperature biochar in regulating soil CO2 emissions from a subtropical plantation soil

【字体：大中小】 时间：2026年10月30日 来源：Frontiers in Microbiology 5.8

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　　炭是一种富含碳（C）的热解材料，产生于自然火灾事件（天然木炭）或植物生物质的热化学转化过程（工程生物炭）。然而，这两类炭对土壤CO2排放的影响是否具有可比性尚不明确。本研究开展了一项为期30天的培养实验，比较了马尾松（Pinus massoniana）树皮在野

炭是一种富含碳（C）的热解材料，产生于自然火灾事件（天然木炭）或植物生物质的热化学转化过程（工程生物炭）。然而，这两类炭对土壤CO2排放的影响是否具有可比性尚不明确。本研究开展了一项为期30天的培养实验，比较了马尾松（Pinus massoniana）树皮在野外火烧过程中产生的木炭与同一原料在300、500和900?°C条件下制备的工程生物炭（B300、B500和B900）对土壤CO2排放、理化性质及细菌多样性和组成的影响。添加B300显著增加了土壤CO2排放（p?500?°C）对土壤CO2排放和细菌群落的影响与天然木炭相似，凸显了其作为火成木炭功能类似物的潜力。

研究背景与科学问题

炭是富含碳的热解材料，广泛存在于陆地生态系统中，既可通过自然火灾形成天然木炭，也可通过人为热化学转化生产工程生物炭。天然木炭因其化学惰性和长驻留时间，被认为是全球碳循环中重要的组成部分，有助于长期大气CO₂固存。工程生物炭作为土壤改良剂在农业和森林生态系统中的应用日益增加，但其对土壤碳矿化的影响因原料、热解温度和施用量等因素而异。现有研究表明，工程生物炭对土壤CO₂排放的影响已有大量研究，但天然木炭的相关研究极少，且两者对土壤CO₂排放的直接比较几乎空白。天然木炭与工程生物炭在理化性质上存在显著差异，包括吸附能力、碳组分、元素组成和化学惰性等，这些差异可能导致其对土壤CO₂排放产生不同的影响。此外，土壤微生物群落是调控炭诱导土壤有机碳矿化变化的关键因素，但天然木炭与不同热解温度下工程生物炭是否通过相似的微生物机制调控土壤碳矿化仍不清楚。因此，本研究旨在探讨不同类型炭材料对亚热带人工林土壤CO₂排放的影响及其微生物机制。

研究方法概述

研究人员从福建省葫芦山国有林场马尾松皆伐迹地采集表层矿质土壤（0–10 cm），并以同源马尾松树皮在300、500和900?°C条件下制备工程生物炭（B300、B500和B900），同时在火烧迹地收集天然火成木炭。进行为期30天的室内培养实验，各处理按2%（w/w）比例添加炭材料，定期监测顶空CO₂浓度计算排放速率和累积排放量。培养结束后测定土壤理化性质（pH、总碳、溶解性有机碳DOC、微生物生物量碳MBC和氮MBN），并通过Illumina NovaSeq PE300平台对16S rRNA基因扩增子测序分析细菌群落多样性与组成。采用单因素方差分析、非度量多维尺度分析（NMDS）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、线性混合效应模型和随机森林回归等统计方法评估处理效应及变量间关系。

研究结果

3.1 工程生物炭与天然木炭的特性

随热解温度从300升至900?°C，炭材料的碳含量、氮含量、C/H比、比表面积和总孔体积逐步增加，而H含量、O含量和C/N比显著下降。天然木炭的N含量显著高于所有生物炭，但C含量和C/N比最低。木炭的H和O含量低于B300和B500但高于B900。木炭的比表面积和总孔体积大于B300和B500但远小于B900，孔径介于B500和B300/B900之间。

3.2 土壤CO₂排放

B300处理在培养早期显著刺激了CO₂排放，其平均排放速率和累积排放量均显著高于对照组（p??0.05）。

3.3 土壤理化性质

所有炭添加处理均显著提高土壤pH和总碳含量，B900处理的pH和总碳最高。DOC含量在B500、B900和木炭处理中显著低于对照，B300与对照无显著差异，木炭处理的DOC含量在所有处理中最低。MBC和MBN在各处理间无显著差异。

3.4 土壤细菌群落多样性与组成

B500、B900和木炭处理的OTU丰富度、香农指数和辛普森指数显著高于对照和B300处理，B900的多样性最高。NMDS排序显示B300处理与其他处理明显分离，而B500、B900和木炭处理在排序空间中位置接近。B300处理显著提高了Proteobacteria和Cyanobacteria的相对丰度，同时显著降低了Acidobacteriota、Chloroflexi和Verrucomicrobiota的相对丰度（p?

3.5 CO₂排放与土壤性质的关系

线性混合效应模型显示，在考虑处理变异后，土壤pH与累积CO₂排放呈显著负相关，Proteobacteria相对丰度呈显著正相关（p?2排放变异（R2?=?0.745，p?

讨论与结论

讨论部分指出，低温生物炭（300?°C）因含有较多易矿化碳组分，显著刺激了土壤CO₂排放，这与Proteobacteria等富营养型细菌丰度增加密切相关。天然木炭因经历更高燃烧温度导致芳香缩合程度高、易分解有机物少，其效果与高温生物炭（>500?°C）相似，均未显著促进CO₂排放。研究认为炭材料的稳定性而非来源是决定其对土壤碳矿化影响的关键因素。从管理角度，高温生物炭可作为天然火成木炭的功能替代物，适用于火烧管理的亚热带人工林以减少土壤碳损失。研究也指出了局限性，包括木炭来源单一、培养周期短、未涉及真菌群落以及缺乏时间序列数据等。

研究结论翻译如下：在本研究中，研究人员比较了天然火成木炭和不同热解温度下生产的工程生物炭对亚热带人工林土壤CO₂排放和细菌群落组成的影响。300?°C生产的生物炭显著增加了土壤CO₂排放，而火成木炭以及500和900?°C生产的生物炭无显著影响。低温（300?°C）生物炭的刺激效应伴随Proteobacteria和Cyanobacteria相对丰度的升高以及Acidobacteriota、Chloroflexi和Verrucomicrobiota相对丰度的降低。混合效应分析进一步表明，在考虑处理变异后，土壤pH与累积CO₂排放呈负相关，而Proteobacteria呈正相关。相比之下，天然火成木炭未显著改变细菌群落组成或刺激土壤CO₂排放。总体而言，研究人员的发现表明，工程生物炭对土壤CO₂排放的影响强烈依赖于热解温度，在该亚热带人工林土壤中，高温生物炭表现出与天然火成木炭相似的反应。这些发现为高温生物炭作为火成木炭功能类似物的潜在应用提供了见解，但仍需更长期的实验以及在更广泛的火灾事件、生产条件和森林土壤中的研究来评估其在受火灾影响的森林生态系统中的适用性。

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