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生物炭是固碳技術(shù)的重要方向，具有提升土壤碳儲存并減少溫室氣體排放的功能，2019年，IPCC正式認定生物炭為有效的固碳減排技術(shù)。穩(wěn)定的土壤有機碳庫是實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略的有效發(fā)力點，生物炭對土壤有機碳的影響是多方位的，理清生物炭土壤固碳減排的機制是生物炭農(nóng)田固碳應用的前提與保障。研究系統(tǒng)闡述了生物炭和土壤有機碳的穩(wěn)定性，揭示了土壤對生物炭的響應及固碳機制，并指出未來生物炭固碳機制研究方向。
一 研究進展
土壤固碳依靠“雙碳泵”機制，即微生物碳泵(MCP)和礦物碳泵(MnCP)，將植物源碳轉(zhuǎn)化為土壤碳。生物炭通過直接輸入、改變SOC團聚體分布、重塑微生物群落及增強有機-有機、有機-礦物相互作用等途徑提升土壤碳庫。生物炭屬火成碳，年齡受溫度影響，土壤中不穩(wěn)定的生物炭會增加碳排放，高溫穩(wěn)定的生物炭的生產(chǎn)較耗費能源，對土壤生物炭穩(wěn)定性的研究至關(guān)重要。目前，生物炭是否改變有機碳組分和團聚體穩(wěn)定性，以及土壤有機碳礦化對生物炭如何響應仍不明確。因此，研究圍繞生物炭本身和土壤有機碳穩(wěn)定性及土壤響應生物炭的固碳機理展開。
二 研究成果
1.生物炭和SOC的穩(wěn)定機制
生物炭穩(wěn)定性受礦物、芳香度和羧基含氧官能團共同影響，同時量化不同溫度生物炭中活性炭和穩(wěn)定碳含量，發(fā)現(xiàn)高溫生物炭中存在無定型的活性芳香碳，改變了高溫生物炭是穩(wěn)定碳的認知，成果有助于預測生物炭加入土壤后的固碳潛力。
研究發(fā)現(xiàn)鐵/鋁離子通過改變生物炭的分子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對其產(chǎn)生穩(wěn)定性影響。450-500℃是較優(yōu)的生物炭制備溫度，生物炭具有較強的穩(wěn)定性，同時具有較好的污染物修復效果。其中，鐵生物質(zhì)炭穩(wěn)定性較高，鋁生物質(zhì)炭穩(wěn)定性較差。
研究打破“具有芳香結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素控制土壤碳積累”的認知，證明分子結(jié)構(gòu)并非決定SOC周轉(zhuǎn)的唯一因素，礦物吸附和團聚體的物理保護同樣至關(guān)重要。鐵礦物通過分子分餾主動選擇性地吸附和保護大分子芳香碳；解析了由分子分餾主導鐵礦物封存DOC的機制，揭示了在地球化學循環(huán)過程中鐵礦封存OC的途徑。
研究揭示了礦物在生物炭微生物礦化中的作用以及微塑料PE存在的影響。礦物質(zhì)抑制生物炭礦化；石英傾向于保護脂肪碳；蒙脫石傾向于保護脂肪碳；高嶺石保護低溫生物炭的脂肪碳和芳香碳；由于礦物引起真菌的轉(zhuǎn)變導致微塑料的加入帶來更多CO2的釋放。
通過開展生物炭對土壤固碳影響的定量研究發(fā)現(xiàn)，生物炭源溶解有機碳(BDOC)通過共生代謝使土壤有機碳礦化增加15-20%；提取BDOC后，生物炭誘導的負激發(fā)效應增加了31%，自身礦化減少41-65%，BDOC減少生物炭7-8%凈碳平衡。BDOC通過增加土壤大團聚體和減少對原生土壤有機碳的吸附保護改變生物炭激發(fā)機制，表明BDOC提取有望用來提升生物炭短期稻田土壤碳封存潛力。
2.土壤對生物炭的響應及固碳機制
生物炭存在類腐殖酸(HA)，生物炭HA和土壤HA在分子組成、形態(tài)和結(jié)構(gòu)上具有差異，生物炭進入土壤后改變腐殖質(zhì)的來源，更新了土壤腐殖質(zhì)本質(zhì)的科學認識：除傳統(tǒng)的地球化學過程外，火成碳也是腐殖質(zhì)的重要來源。研究為科學預測生物炭還田后的環(huán)境行為提供理論依據(jù)。
土壤中的有機碳有溶解性碳和固態(tài)碳兩種形態(tài)。生物炭加入后，土壤溶解性碳的分子量、相對豐度和分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。生物炭的加入，降低SOC的活性組分(蛋白質(zhì)、碳水化合物等)，增加結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的有機碳含量，同時調(diào)節(jié)土壤微生物群落，增加了不穩(wěn)定碳的降解群，從而實現(xiàn)固碳。研究提出通過微生物主導的分子組成的改變增加SOC穩(wěn)定性的固碳原理，有助于厘清生物炭影響下的土壤穩(wěn)定碳庫形成途徑，為生物炭在土壤固碳的應用提供理論基礎(chǔ)。
研究利用一年期培訓實驗探究生物質(zhì)進入土壤后對土壤團聚體的影響，揭示生物炭通過與土壤礦物或微生物碳結(jié)合促進大團聚體的形成，證明裂解溫度和培育時間影響生物炭對土壤團聚體的作用。
生物炭對不同土壤類型的響應不同。對于酸性土壤，生物炭在黏土中比在沙土中穩(wěn)定，新鮮或老化的土壤均抑制碳排放；對于堿性土壤，新鮮高溫生物炭較穩(wěn)定，具有固碳作用，但老化的生物炭增加碳排放。
生物炭調(diào)控雙碳泵的土壤固碳機制。長期添加生物炭可抑制微生物豐度和活性，促進SOC和MNC積累，提升土壤微生物碳泵效率。通過將更多SOC分配到礦物相關(guān)組分、改善無定型鐵/鋁氧化物和提高有機碳頑固性，穩(wěn)定礦物結(jié)合態(tài)有機碳，提升土壤礦物碳泵的效率。研究還發(fā)現(xiàn)，長期生物炭改良可以提高土壤微生物的合成代謝和胞外電子的傳遞能力，使其碳利用率提高。
三 未來展望
目前對生物炭的研究主要聚焦于其對表土固碳的影響，而70%以上SOC分布于底土層，未來的研究仍需對底土固碳潛力進行探究。此外，微塑料作為新型富碳污染物MPs已進入土壤碳循環(huán)，生物炭對微塑料污染的土壤碳周轉(zhuǎn)的影響仍需深入研究。
(孫可 北京師范大學環(huán)境學院教授)
整理：陶秋雨
原標題：專家觀點 | 孫可：生物炭的土壤固碳機制
