《Forest Ecology and Management》：Effect of biochar amendment to the forest floor on net ecosystem production: An 8-year field experiment in a secondary oak forest
编辑推荐：
一项为期8年的田间试验评估了生物炭对森林净生态系统生产力（net ecosystem production, NEP）的影响。生物炭通过激发效应（priming effect）增加异养呼吸（heterotrophic respiration, HR），在初期导
一项为期8年的田间试验评估了生物炭对森林净生态系统生产力（net ecosystem production, NEP）的影响。生物炭通过激发效应（priming effect）增加异养呼吸（heterotrophic respiration, HR），在初期导致NEP下降。随着HR强度回落，净初级生产力（net primary production, NPP）的增强持续存在，长期NEP得以提高。生物炭发挥着可靠的碳负性基于自然的解决方案（Nature-based Solution, NbS）的作用，可应用于森林生态系统。
在全球气候变化减缓策略中，将生物质热解制备的生物炭施入土壤被认为是一种具有“碳负性”的固碳技术，能够长期稳定封存碳并减少大气二氧化碳。森林生态系统本身具有强大的碳汇能力，其净生态系统生产力（net ecosystem production, NEP）由净初级生产力（net primary production, NPP）与异养呼吸（heterotrophic respiration, HR）的平衡决定。然而，生物炭施用可能通过激发效应加速原有土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）分解，短期内增加HR，从而削弱或抵消其固碳效益；同时，生物炭对树木生长的响应存在较大不确定性。以往研究多集中于农业生态系统或短期的幼苗盆栽试验，针对天然林生态系统的长期田间观测极为匮乏。研究人员以日本中部本庄早稻田研究公园的次生落叶阔叶林（以栓皮栎Quercus serrata为优势种）为研究对象，于2015年建立12块20 m×20 m固定样地，设置对照（0 Mg ha
?1）、C5（5 Mg ha
?1）和C10（10 Mg ha
?1）三个生物炭施用处理，各处理4个重复，开展了连续8年（2016–2023年）的田间试验，旨在检验生物炭施用对森林生态系统碳收支（NEP）的长期影响及其时间动态规律。该研究首次在暖温带次生落叶阔叶林中提供了生物炭影响NEP的长期连续观测证据，为评估生物炭作为森林碳负性基于自然的解决方案的可行性提供了关键数据支持。研究结果表明，生物炭施用初期因激发效应导致HR显著上升、NEP呈下降趋势，但这一碳损失是短暂的；在后期，随着HR回落至对照水平，C10处理中冠层树木生长持续增强，NPP保持较高趋势，最终NEP由降转升，总碳封存量（含生物炭自身碳输入）达到对照的两倍以上。该研究表明，生物炭施用在长期尺度上能够通过增强森林生物碳汇能力实现净碳增益，是一种可靠的碳负性基于自然的解决方案（Nature-based Solution, NbS）。
研究人员采用的主要关键技术包括：基于树木年际清查与异速生长方程估算木本生物量净增量；利用凋落物收集器测定叶片、繁殖器官等凋落物产量；采用连续钻芯法（2021年4月至2022年3月逐月采样）估算细根生物量并乘以温带森林平均周转率（1.21 year
?1）获得细根净初级生产力（NPPfr）；通过定期收割样方估算林下优势植物（矮竹Pleioblastus chino）地上净初级生产力（NPPu）；采用壕沟法（trenching method）在样地内建立切断根系的小区并结合根袋分解法校正，利用密闭室法每月测定土壤呼吸和壕沟内土壤CO
2排放，进而估算异养呼吸（HR）；采用Dunnett检验和线性混合模型（linear mixed model, LMM）进行处理间比较和树木相对生长速率分析。
3.1 森林动态与生物量变化
基于2016–2023年连续树木清查数据，研究期间该区域松材线虫病导致各处理中全部赤松（Pinus densiflora）冠层个体死亡。C5处理因同时损失大型冠层松树及其他冠层树木，年死亡率（1.61% year
?1）显著高于对照（0.56% year
?1）和C10（0.22% year
?1）。由于样地面积相对较小，这种随机性树木死亡事件对木质生物量产生不成比例的影响，导致C5处理木质生物量自2018年起几乎没有增加，在各处理中始终最低。
3.2 NPPt的年际变化及生物炭施用影响
通过逐年的树木清查和异速生长方程估算，木质净初级生产力（NPPW）表现出明显的年际波动，2017年达到峰值；2022年春季严重冰雹灾害造成树木落叶和损伤，使对照和C10处理的NPPW降至最低。C5处理因树木死亡率高，多数年份NPPW低于其他处理。叶片净初级生产力（NPPF）各处理间无显著差异，2022年冰雹后树木二次萌发导致当年NPPF异常偏高。繁殖器官净初级生产力（NPPR）表现出典型壳斗科树木的丰年（masting）特征，各处理均在2017、2021和2023年达到峰值，且生物炭处理（尤其是C10）在前三年显著高于对照，此后也持续保持较高趋势。总NPP在C10处理中始终呈现高于对照的趋势，但未达到统计显著水平。
3.3 细根生产（NPPfr）和林下矮竹NPP（NPPu）
基于2021年4月至2022年3月逐月钻芯采样的测定，细根生物量呈现春高秋低的季节变化，但生物炭处理对细根生物量无显著影响。以全年平均细根生物量（2.78 Mg ha
?1）和温带森林平均周转率（1.21 year
?1）估算得到NPPfr为1.68 Mg C ha
?1 yr
?1，作为常数计入总NPP。通过4次定期收获法（2017、2019、2021、2023年）测定林下矮竹地上NPPu，各处理间在各个收获期均无显著差异，平均值为0.60 Mg ha
?1 yr
?1。
3.4 土壤物理性质与冠层树木生长
对各处理样地开展连续土壤温度和水分监测表明，年均土壤温度和体积含水量在各处理间均无显著差异，但C10处理的土壤含水量在各年均呈现高于对照的趋势。基于2018—2023年冠层栎树（DBH ≥ 20 cm）胸径相对生长速率（relative growth rate of diameter at breast height, RGRd）的线性混合模型分析显示，C10处理冠层树木的RGRd显著高于对照（p = 0.032），而C5与对照无显著差异。
3.5 NEP的年际变异及生物炭施用影响
将8年观测期划分为初期（2017—2018年）和后期（2019—2023年，因2022年冰雹灾害数据异常予以排除）两个阶段。初期阶段，C10处理的HR显著高于对照（p = 0.0145），C5处理也呈升高趋势；总NPP在各处理间无显著差异，因此NEP在C5和C10处理中分别比对照下降53%和31%（未达显著水平）。若将2016年NEP视为第二、三年均值，则包含生物炭输入的总碳封存量为对照12.5 Mg C ha
?1、C5为11.8 Mg C ha
?1、C10为16.7 Mg C ha
?1，其中C5的碳损失完全抵消了生物炭本身输入。后期阶段，C10处理的HR回落至与对照几乎相同水平，总NPP仍维持较高趋势，NEP由初期的下降逆转为高于对照（3.11 vs 2.26 Mg C ha
?1 yr
?1），但未达到统计显著；C5处理NPP仍受树木死亡拖累略低于对照，HR持续呈偏高趋势，NEP仍低于对照。包含生物炭输入的总碳封存量（四年合计）为对照9.0 Mg C ha
?1、C5为7.9 Mg C ha
?1、C10为19.4 Mg C ha
?1，C10最终实现了超过对照两倍的碳封存量。
讨论部分主要围绕短期和长期效应展开。短期而言，生物炭施用初期HR的显著上升主要由激发效应加速原SOC分解所致，这一土壤碳快速损失足以抵消生物炭自身固碳功能，因此仅凭短周期评估可能低估其气候减缓效益。长期而言，C10处理中冠层树木生长持续显著高于对照，NPP增强效应在8年后依然存在，可能与生物炭改善土壤水分状况和养分环境有关，而HR的升高在数年内消退，最终使NEP由降转升。研究人员也指出了研究的局限性：未测定氧化亚氮和甲烷等温室气体通量；细根生产力采用常数估算，未考虑生物炭对根系动态的潜在影响；小样地尺度的随机性树木死亡事件对碳收支产生较大干扰。综合8年连续观测数据，生物炭施用并未对森林NEP产生长期负面影响，反而在10 Mg ha
?1施用量下实现了长期净碳增益。
研究结论表明，将低价值森林采伐剩余物转化为生物炭并返回森林土壤，是一种将废弃资源有效利用与森林生态系统功能恢复相结合的气候变化减缓策略。尽管生物炭施用初期通过激发效应引发短暂土壤碳损失并导致NEP短期下降，但8年连续观测证明这一碳损失是暂时性的；长期来看，C10处理中树木生长的持续增强促进森林生态系统形成更强的净碳汇。生物炭自身的高稳定性碳封存与森林生物碳汇能力的增强共同构成协同的气候变化减缓效益。因此，生物炭施用可作为一种高度可靠的碳负性基于自然的解决方案，应用于日本乡村次生林（Satoyama）。
