《Applied Soil Ecology》：Biochar amendments enhanced organic carbon pool stability in soil aggregates by regulating soil carbon functional microbes
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生物炭应用通过增强土壤有机碳（SOC）物理保护及改变微生物群落功能基因，显著提升不同粒径团聚体（>0.25mm、0.25-0.053mm、<0.053mm）的SOC稳定性，其中芳香/饱和脂肪酸比例增幅达28.72%-57.58%，功能菌门（放线菌门、变形菌门等）及C循环相关基因（PCCA、MUT等）丰度显著变化，且调控机制随团聚体粒径异质性表达。
Xiyu Xiang|Yan Chen|Yanyan Lu|Jiahui Chen|Haiyang Zhang|Huiying Zhao|Shuchen Sun|Sheng Zhai|Xiaofei Tian
聊城大学地理与环境学院，中国聊城252059
摘要
生物炭的应用可以提高土壤碳（C）的固存能力。然而，生物炭在团聚体水平上对土壤碳库稳定性影响的微生物机制仍不确定。因此，我们进行了为期5年的田间实验，设置了常规施肥（CF）、常规施肥加生物炭（CFB）以及不施肥也不添加生物炭的对照处理（CK）三种方案。实验结果表明，生物炭的添加增加了土壤有机碳（SOC）含量和碳库稳定性，并且改变了所有粒径团聚体中参与土壤碳循环的微生物功能基因。与CF处理相比，CFB处理中大团聚体、微团聚体和粉粘粒中芳香族/脂肪族有机碳的比例分别增加了28.72%、57.58%和36.38%。生物炭的添加还改变了与土壤碳循环相关的主要细菌门类的相对丰度，即放线菌门、变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门，尤其是在微团聚体和粉粘粒中。此外，与土壤碳固存（PCCA、MUT和acs）和降解（pulA、pectinesterase、bglX、bglB）相关的功能基因在所有粒径团聚体中的表达均得到增强，但不同粒径团聚体中的主导机制有所不同。除了生物炭本身的化学结构外，其增强的物理保护作用可能在大团聚体中起主导作用，而在微团聚体中则是由于细菌群落组成的改变和碳循环相关基因的变化。总体而言，我们的研究为生物炭在调控团聚体中SOC库稳定性方面的机制提供了新的见解。
引言
土壤有机碳（SOC）是调节土壤质量和作物生产力的关键介质（Wang等人，2021年）。维持SOC库的稳定性对于缓解全球气候变化至关重要。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，是土壤结构稳定性和SOC周转的主要因素（Sun等人，2021a）。土壤团聚体是SOC物理保护和微生物介导的SOC循环的主要场所（Wang等人，2021年）。土壤有机质（SOM）可以作为土壤颗粒聚集的有机粘合剂，同时将矿物质和其他颗粒结合在一起形成有机-无机复合物（Zhang等人，2023年）。然后这些有机-无机复合物与新鲜SOM通过真菌菌丝、根系和多糖等生物作用结合在一起，形成大团聚体（>0.25毫米）（Ai等人，2023年；Zhao等人，2024年）。然而，这些瞬时和短期的粘合剂容易快速分解（Sheng等人，2023年），因此大团聚体在粘合剂分解后又会分解成微团聚体。由于孔隙度较低且氧气供应减少，微团聚体中的SOC比大团聚体更稳定（Wang等人，2021年）。然而，一些研究表明，不同粒径团聚体之间的SOC矿化程度相似，或者0.053毫米以下的团聚体中的SOC矿化程度高于0.25毫米以上的团聚体（Liu等人，2022年；Wang等人，2021年），这表明控制团聚体SOC稳定性的机制可能受到多种因素的影响。
生物炭是在缺氧条件下高温转化生物质产生的稳定且富含碳的产物（Cheng等人，2024年；Sivaranjanee等人，2023年）。由于生物炭具有稳定的结构、巨大的比表面积和丰富的官能团，将其添加到土壤中在土壤修复（Islam等人，2021年）、环境改善（Kumar等人，2025年）、缓解全球气候变化（Jia等人，2023年）和保障全球粮食安全（Elsaman等人，2025年）等方面具有广泛的应用前景。大量实验表明，生物炭的添加改变了土壤的物理化学性质（如团聚体粒度和稳定性（Wei等人，2024年）、养分的可利用性和浓度（Jin等人，2024a）），并刺激了土壤微生物的活动（如酶活性（Fan等人，2025年），从而影响土壤质量和植物表现。尽管全球范围内都推荐使用生物炭来提高土壤质量（El-Desouki等人，2025年），但先前关于生物炭对土壤团聚体影响的研究结果存在争议。例如，一些田间研究表明生物炭的添加增加了0.25毫米团聚体的比例和团聚体的稳定性（Obour等人，2023年），而其他研究则认为没有影响（Hardie等人，2013年；Wu等人，2024年），甚至略有降低团聚体稳定性（Teutscherova等人，2020年）。此外，大多数报道的文献主要集中在生物炭的环境和农学影响上，而中长期的（超过5年）试验仅占研究总数的不到3%（Xie等人，2021年）。土壤团聚体对生物炭添加的不同反应表明，仍需要进一步的长期田间研究。
生物炭添加引起的生境结构异质性导致物理和化学性质以及微生物群落的变化，从而影响SOC库的稳定性（Wang等人，2021年）。同时，生物炭释放的营养物质也有助于提高土壤微生物的活性（Jin等人，2024b）。参与土壤碳循环的细菌门类和功能基因对SOC周转至关重要（Wang等人，2023年）。不同团聚体中的微生物处于不同的可利用状态，形成了异质的环境。特别是，微生物群落的变化与团聚体之间物理化学性质的变化密切相关。微环境的变化（如SOC浓度和粒度）在碳循环相关功能微生物的迁移中起着重要作用，而微生物活动可能会改变团聚体中的SOC库稳定性（Gupta和Germida，2015年）。然而，目前对生物炭添加在团聚体水平上对细菌群落组成和功能基因影响的理解仍然有限。
基于上述背景，本研究旨在探讨生物炭改良土壤中团聚体水平上SOC库稳定性的微生物机制。具体来说，我们想回答三个问题：1）生物炭的应用能否促进大团聚体的形成并增强团聚体稳定性？2）生物炭添加后，细菌组成和碳循环基因的功能如何变化？3）SOC库稳定性的变化是否与生物炭改良土壤中的细菌群落和碳循环基因密切相关？如果是这样，不同粒径团聚体中的主导微生物机制有何差异？为了实现这些目标，我们从2019年到2024年进行了为期5年的小麦-玉米轮作系统的田间实验。2024年9月收集的土壤样本被分别分为大团聚体（>0.25毫米）、微团聚体（0.25–0.053毫米）和粉粘粒（<0.053毫米）。使用16S rRNA基因测序技术，结合京都基因组百科全书（KEGG）数据库分析了不同粒径团聚体中的细菌群落组成和碳循环相关基因。同时，利用红外光谱（FTIR）和二维相关光谱分析（2D-FTIR-COS）来研究SOC的稳定性，以团聚体粒度作为干扰因素。我们的发现为华北平原地区生物炭改良土壤碳固存提供了科学依据。
实验地点、土壤和生物炭
该田间实验于2019年10月至2024年9月在中国聊城大学环境与土壤实验站进行，采用冬小麦-夏玉米轮作制度（北纬36°43′45′′，东经116°00′09′′）。实验地点属于中纬度季风气候，年平均温度为15.2℃，年降水量为600–800毫米。根据中国土壤分类系统（Gong和Zhang，2007年），该地区的土壤类型为典型Ochri-Aquic Cambisol。基本土壤性质如下：
土壤团聚体分布和稳定性
生物炭的添加显著改变了机械稳定和水稳定的土壤团聚体的比例（图1）。在所有处理中，大团聚体都是主要的机械稳定团聚体，占总团聚体的83.65%–87.26%。与CF处理相比，CFB处理中0.25–0.053毫米机械稳定团聚体的比例增加了37.32%，而<0.053毫米团聚体的比例减少了39.00%。
生物炭添加对土壤团聚体稳定性的影响
土壤团聚体的数量、大小和稳定性与土壤质量和作物生产力密切相关（Zhang等人，2017年）。在我们的研究中，生物炭的添加增加了>0.25毫米水稳定团聚体的比例，同时减少了<0.053毫米团聚体的比例（图1），这与先前的研究结果一致（Yang等人，2024年）。根据团聚体层次模型，许多因素包括两个相邻土壤颗粒之间的分子间吸引力、固相反应等。
结论
基于为期5年的小麦-玉米轮作系统的田间试验，本研究评估了生物炭添加对团聚体和土壤有机碳（SOC）库稳定性的微生物机制。生物炭改良引起的SOC库稳定性的潜在机制在团聚体水平上存在差异。生物炭本身稳定的碳结构及其促进的矿物和团聚体保护能力是提高SOC库稳定性的主导因素。
作者贡献声明
Xiyu Xiang：软件处理、数据管理、撰写——审稿与编辑、初稿撰写。Yan Chen：软件处理、调查、数据管理、初稿撰写。Yanyan Lu：数据可视化、验证、监督、软件应用。Jiahui Chen：资金筹集、正式分析、数据管理、概念构建。Haiyang Zhang：数据可视化、验证、监督、软件应用。Huiying Zhao：数据可视化、验证、数据管理、概念构建。Shuchen Sun：资源获取、方法学设计。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023MD091；ZR2020QE234）、国家自然科学基金（项目编号：41807092）以及聊城市重点研发计划（项目编号：2022YDNY06）的支持。
