《Science of The Total Environment》：Elevated organic carbon in African Dark Earths is not exclusively attributable to pyrogenic organic matter
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本研究针对非洲暗色土（AfDE）中有机碳（SOC）富集机制，通过热重-差示扫描量热-CO2逸出气体联用技术、苯多羧酸（BPCA）标记物法和氢解（HyPy）等多方法对比，首次量化了热解碳（pyC）对总SOC的贡献。结果表明pyC仅占SOC增量的65%，非热解碳的协同稳定是暗色土碳持久性的关键机制，为生物炭农业应用提供理论支撑。
在热带地区，强烈的风化作用和高温高湿环境导致土壤有机质（SOM）快速分解，使得大多数热带土壤呈现贫瘠状态。然而，一种被称为人为暗色土（Anthropogenic Dark Earths）的特殊土壤却打破了这一规律。这些由人类长期有机质改良形成的土壤，不仅颜色深黑，更富含有机碳和养分，在热带地区形成了一片片“肥沃绿洲”。其中，非洲暗色土（AfDE）作为目前仍被持续管理的活态案例，为研究土壤碳持久性机制提供了独特窗口。传统观点认为，暗色土中的碳富集主要归因于热解有机质（pyOM）的输入，但这一假说缺乏全剖面尺度的精准量化验证。
为揭示非洲暗色土的碳固存机制，研究团队在加纳和利比里亚的11个点位采集了97组配对土壤剖面（暗色土与相邻土壤），运用多学科交叉方法展开系统研究。通过元素分析发现，暗色土的整体碳氮比（C/N）显著高于相邻土壤（16.1±5.7 vs. 13.2±3.6），尤其在表层土壤中差异更明显（21.4±3.6 vs. 14.8±1.7），这初步暗示了热解碳的存在。
关键技术方法
研究采用三级联动的分析策略：1）热重-差示扫描量热-CO2逸出气体分析（TG-DSC-CO2-EGA）量化热稳定性碳（阈值>425°C）；2）苯多羧酸（BPCA）法靶向检测稠环芳烃碳；3）氢解（HyPy）数据对比验证。样本涵盖表层至深层剖面（最深260cm），通过主成分分析（PCA）解析热解谱特征。
热稳定性特征揭示碳持久性机制
热分析结果显示，暗色土的热稳定性指标显著高于相邻土壤：CO2-T50（50%碳逸出温度）为408±34°C vs. 366±18°C，峰值温度向高温区偏移（图3）。更重要的是，这种热稳定性差异持续至100cm深度，表明热解碳在剖面中下层仍起关键作用。通过热解谱峰反卷积计算，暗色土中热稳定性碳占比达39.7±17.7%，是对照土壤（22.1±17.9%）的近两倍（图4）。主成分分析进一步证实，暗色土的热解谱在425-500°C区间呈现特征峰，且该特征与剖面中部的碳富集层位高度相关（图5）。
多方法量化热解碳贡献
三种方法呈现梯度差异：热解法测得的pyC/SOC比例最高（34.5±11.6%），氢解法次之（19.2±11.9%），BPCA法最低（6.7±2.2%），反映了方法对热解碳连续谱的捕获范围差异（表2）。相关性分析发现，热解谱中>425°C的CO2释放与BPCA/HyPy结果显著正相关（图7），验证了高温区热解信号的可靠性。值得注意的是，BPCA测得的B6CA/B5CA比值在暗色土与相邻土壤间无显著差异（1.2±0.2 vs. 1.3±0.5），暗示热解碳的芳香化程度受区域成炭条件控制而非土壤类型。
非热解碳的协同富集效应
最关键的发现在于碳分配计算：即使扣除热解法估算的热解碳，暗色土中的非热解碳浓度（22.9±7.5 mg C/g）仍显著高于相邻土壤的总有机碳（16.2±8.1 mg C/g）。进一步分析显示，热解碳仅能解释暗色土与相邻土壤间碳增量差的65%（表S5）。这表明暗色土的碳富集不能单纯归因于热解碳的输入，非热解碳的协同积累起着至关重要的作用。
结论与意义
本研究通过多尺度验证，明确了热解碳在非洲暗色土碳持久性中的双重功能：直接通过自身化学稳定性提供持久碳库，间接通过促进非热解碳的物理化学稳定实现碳增量。这种“碳协同效应”突破了传统认知中热解碳单独起效的局限，为生物炭改良剂的设计提供了新思路——即通过优化热解碳的理化性质最大化其碳固定潜力。该成果发表于《Science of The Total Environment》，不仅深化了对古老土壤管理智慧的科学理解，更为应对全球气候变化下的碳智能农业提供了关键理论依据。
