《Journal of Environmental Management》：Contrasting mechanisms of soil carbon sequestration in upland soils: Fungal-driven physical protection with straw versus bacterial-driven mineral stabilization with biochar
编辑推荐：
摘要理解秸秆和生物炭调控土壤有机碳（SOC）固持的不同机制对于优化农业实践至关重要。为了研究SOC固持的物理-微生物耦联机制，我们用13C标记的秸秆和生物炭对来自黄土高原榆中（YZ）、杨凌（YL）和长武（CW）的三种旱地土壤进行了改良。秸秆促进了大团聚体（>0.25 mm）的
摘要
理解秸秆和生物炭调控土壤有机碳（SOC）固持的不同机制对于优化农业实践至关重要。为了研究SOC固持的物理-微生物耦联机制，我们用13C标记的秸秆和生物炭对来自黄土高原榆中（YZ）、杨凌（YL）和长武（CW）的三种旱地土壤进行了改良。秸秆促进了大团聚体（>0.25 mm）的形成和碳（C）富集，使YZ和YL土壤中的大团聚体结合SOC增加了40–110%。相反，生物炭增加了粉黏粒组分（<0.053 mm）的比例并提高了其中的SOC，在CW土壤中观察到257%的增加。秸秆刺激了某些r-策略细菌，如变形菌门和拟杆菌门，而生物炭则有利于K-策略细菌，如放线菌门，导致更复杂的细菌共现网络和更大的生态位分化。路径模型和相关分析揭示了两种不同的固持途径：秸秆下由真菌驱动的物理保护途径，真菌促进大团聚体形成，从而物理保护颗粒态有机碳（POC）；以及生物炭下由细菌驱动的矿物稳定途径，其化学稳定性和多孔结构增强了有机物吸附和细菌活性，促进稳定矿物结合有机碳（MOC）的形成。具体而言，秸秆更适合质地较粗或SOC较低的土壤，这些土壤的团聚体形成不饱和；而生物炭在质地较细或SOC较高、具有丰富矿物表面的土壤中更为有效，可稳定MOC。因此，将改良类型与土壤条件相匹配可最大限度地提高旱地农业系统的碳固持潜力。
引言
土壤有机碳（SOC）库代表了陆地生态系统中最大的碳（C）储库，大约是大气的两倍（Georgiou等，2022）。因此，增强农业土壤的碳固持能力对于减缓气候变化和确保粮食安全至关重要（Das等，2024a）。全球农业土壤的潜在碳固持能力为1.5 Gt/年，其中SOC占1.4 Gt/年（Liao等，2025）。施用有机改良剂是增强农田碳汇功能的关键策略（Ma等，2026；Sun等，2025；Zhou等，2023）。由于秸秆资源丰富，秸秆还田被广泛采用，可使SOC增加13–16%（Zhou等，2023；Wang等，2021b）。生物炭由秸秆热解衍生而来，因其高度芳香和稳定的结构而被认为具有持久的碳固持潜力，可使SOC内容物增加49–53%（Karan等，2023；Li等，2025；Yang等，2025b）。尽管这两种改良剂都能有效促进SOC积累，但它们不同的物理结构和化学性质表明它们通过不同的生物地球化学途径调控碳循环（Lin等，2025）。然而，大多数研究分别调查了这些改良剂，对其调控SOC固持的具体机制缺乏系统理解，这限制了精确碳管理策略的发展（Zhou等，2025b；Yan等，2026）。
土壤团聚体是SOC物理保护的关键载体，其粒径分布与不同碳组分的积累密切相关，如颗粒态有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MOC）（Chen等，2024b；Wang等，2025）。团聚体介导的SOC物理保护受有机改良剂类型的影响很大。最近的一项荟萃分析表明，与对照相比，秸秆还田使总SOC、POC和MOC分别增加了16%、33%和9%（Zhou等，2025b）。POC与大团聚体结合碳之间的强相关性表明，团聚化是秸秆还田下SOC增强的关键驱动力（Zhou等，2025b；Zhang等，2026）。相比之下，长期施用生物炭平均使SOC增加53%，主要通过团聚体内部有机碳的积累及其固有的稳定化学组分（Yang等，2025b；Yan等，2026）。因此，生物炭似乎比秸秆通过团聚体稳定赋予更大的SOC保护（Chen等，2025；Meng等，2025）。我们之前的研究表明，秸秆和生物炭通过改变土壤孔隙结构差异性增加POC和MOC，从而在旱地土壤中稳定有机碳（Yang等，2025a）。Meng等（2025）和Yuan等（2025）进一步报道，秸秆通过增强微生物残体积累促进SOC富集，而生物炭通过生化保护和团聚体介导的物理保护促进SOC形成。在黑色土壤中。
团聚体提供的物理保护并非孤立发生，而是与微生物活性共同调控，共同决定SOC固持潜力和稳定性（Zhang等，2026）。土壤微生物是有机物分解和碳固持的核心驱动力，其群落结构和功能特征控制着有机输入的周转和微生物残体的形成（Morrissey等，2023）。分解与积累之间的这种动态平衡最终决定SOC稳定性，并受碳输入质量的影响很大（Zhou等，2025a）。一项全球荟萃分析表明，秸秆通过团聚体内POC的物理保护和微生物残体驱动的MOC稳定增强SOC（Zhou等，2025b）。Fu等（2025）证明，颗粒态和矿物结合组分中秸秆碳积累的差异是由不同的微生物群落和功能驱动的。真菌可以显著增强秸秆衍生碳的固化和长期储存（Fu等，2025；Zhang等，2025）。同时，新兴的生物炭碳泵概念表明，生物炭通过调节微生物生长和死亡途径促进微生物残体碳积累（Chen等，2024c）。Mercer等（2025）表明，生物炭通过维持微生物多样性增强微生物碳利用效率，而Bai等（2024）发现生物炭通过提高微生物衍生碳源中的真菌/细菌比例提高SOC稳定性。然而，一项比较研究发现，单独添加秸秆或生物炭有利于细菌群落生长，而两者联合施用更有利于真菌群落发展（Chen等，2023）。尽管有这些有价值的见解，但大多数以前的研究分别研究了秸秆或生物炭的微生物效应，而没有同时整合不同土壤类型中土壤物理结构、团聚体形成、孔隙结构和微生物网络复杂性的变化。解决这一差距对于从机制上理解SOC固持途径至关重要。
土壤有机质含量低和碳库稳定性差是中国旱地农业生态系统中普遍面临的挑战。鉴于增强土壤碳汇能力的迫切需求，系统阐明秸秆还田和生物炭施用驱动SOC固持的不同机制至关重要。因此，我们进行了一项培养实验，使用黄土高原的三种典型旱地土壤，用13C标记的小麦秸秆及其衍生的生物炭进行改良。研究目标是：(1) 量化并比较秸秆和生物炭对团聚体粒径分布及相关碳组分的影响；(2) 表征细菌和真菌群落对各改良剂的响应，阐明差异性微生物共现模式；(3) 建立土壤物理结构、微生物群落与SOC固持途径之间的关系。我们假设秸秆和生物炭将通过不同的物理-微生物机制促进SOC固持，秸秆主要通过刺激真菌生长增加大团聚体和POC，而生物炭通过富集特殊细菌增强粉黏粒组分和MOC。此外，每条途径的效果可能受原生土壤性质的调节。研究结果有望为优化旱地农业区有机改良剂管理提供机制基础，从而最大限度地提高区域土壤碳固持潜力。
章节片段
实验土壤、小麦秸秆和生物炭
使用了黄土高原的三种典型小麦田土壤：黄土土（YZ，来自甘肃榆中，104°25′E，36°02′N）、娄土（YL，来自陕西杨凌，108°06′E，34°26′N）和黑潴土（CW，来自陕西长武，107°45′E，35°13′N）。采样点的详细气候条件见我们之前的研究（Yang等，2025a）。它们的总有机碳（TOC）含量分别为7.98、8.38和10.70 g/kg。小麦植物在...中用13CO2进行脉冲标记
土壤团聚体及相关碳组分
秸秆和生物炭对团聚体粒径分布的影响随土壤类型显著不同（图1a–c）。在YZ土壤（图1a）中，秸秆使大团聚体（>0.25 mm）比例增加56%-102%，同时减少细粒组分，而生物炭表现出相反的效果，B2处理使粉黏粒组分提高98%。在YL土壤（图1b）中，两种改良剂均使大团聚体增加9.3%-49%，使微团聚体（0.053-0.25 mm）减少13%-44%。在CW土壤（图1
添加秸秆和生物炭土壤中微生物多样性和结构的变化
秸秆和生物炭对土壤微生物多样性和群落结构的显著不同影响主要归因于其不同的物理结构和化学组成（Nan等，2025；Xie等，2025）。作为一种易分解的有机物质，秸秆提供了丰富的活性碳源，触发微生物快速演替（Xie等，2025）。在本研究中，秸秆降低了细菌Shannon多样性指数，但提高了Simpson指数，在YZ土壤中尤为明显。这
结论
本研究通过整合旱地土壤中的物理结构、碳组分和微生物群落，对比了秸秆和生物炭调控SOC固持的机制。结果表明，秸秆和生物炭通过不同的物理-微生物耦联途径驱动SOC积累，其效果受原生土壤性质调节。秸秆促进了大团聚体的形成和碳富集，在YZ和YL土壤中尤为明显。相比之下，生物炭提高了比例
CRediT作者贡献声明
Caidi Yang: 撰写——初稿、方法论、正式分析、概念化。 Yang Liu: 可视化、方法论。 Yu Zheng: 方法论、调查。 Keying Qi: 方法论、调查。 Fazhu Zhao: 撰写——审阅与编辑。 Jun Wang: 撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作。
致谢
本研究由中国国家重点研发计划（2023YFD1900302，2023YFE0122900）、中国国家自然科学基金（42307427，42277322，42407403）和陕西省教育厅科研计划项目（25JK0693）资助。
Caidi Yang | Yang Liu | Yu Zheng | Keying Qi | Fazhu Zhao | Jun Wang
陕西地表系统与环境影响力重点实验室，西北大学城市与环境科学学院，陕西西安，710127，中国
