在冻融循环条件下，生物炭对聚乳酸污染土壤中有机碳稳定性和微生物碳代谢的调控作用

《Journal of Hazardous Materials》：Regulation of biochar on organic carbon stability and microbial carbon metabolism in polylactic acid contaminated soil under freeze-thaw cycles

生物炭与聚乳酸协同调控冻融循环下土壤有机碳固存机制研究。通过室内模拟冻融循环实验，设置对照（CK）、3%生物炭（B）、2%聚乳酸（L）及B+L（BL）四处理，系统研究其对土壤团聚体稳定性、有机碳组分、酶活性及微生物碳代谢的影响。结果表明BL处理显著提高>0.25mm团聚体比例（冻融初期增幅5.71倍），使有机碳含量较L处理提高2.28倍，同时降低活性有机碳4.19%-6.19%。酶活性分析显示BL处理蔗糖酶活性较L处理提升37.13%，结构方程模型证实微生物碳代谢是调控有机碳稳定的核心枢纽（R2=0.981）。该研究揭示生物炭通过物理保护与化学吸附协同抑制PLA降解产生的微生物抑制效应，促进土壤有机碳稳定性提升，为寒区可降解塑料污染治理提供理论依据。

　　

刘玉清|蔡浩轩|文玉娟|宋晓明|王晓初

山东华宇科技学院能源与建筑工程学院，德州市，253034，山东，中国

摘要

生物炭在冻融条件下调节聚乳酸（PLA）污染和影响碳循环的机制尚不完全清楚。为了解决这一问题，本研究进行了室内模拟冻融循环实验，设置了四种处理方式：对照组（CK）、添加3%生物炭（B）、添加2% PLA（L）以及同时添加两者（BL）。系统地研究了生物炭和PLA如何调节土壤团聚体稳定性、有机碳组分、酶活性和微生物碳代谢。结果表明，BL处理显著增加了大于0.25毫米的团聚体比例（在冻融初期增加了5.71倍），并使平均粒径（MWD）恢复到对照组的水平。在碳动态方面，BL处理使大于0.25毫米的团聚体中的有机碳含量增加了2.28倍，而活性有机碳（AOC）减少了4.19%–6.19%（P<0.05）。酶活性分析显示，BL处理下的蔗糖酶活性比L处理提高了37.13%。结构方程模型（SEM）证实，微生物碳代谢是调节有机碳的核心机制（R2=0.981）。PLA的直接碳封存效应被其间接的微生物抑制效应所抵消，而生物炭通过稳定团聚体和调节微生物代谢等间接途径促进碳稳定。本研究证实，生物炭通过物理保护和化学吸附有效减轻了PLA污染土壤中的冻融损伤，从而增强了土壤有机碳的稳定性。这项研究为评估寒冷地区可生物降解微塑料污染的生态风险提供了理论和实践支持。

引言

冻融循环作为关键的环境驱动因素，深刻地影响着全球土壤碳储量的稳定性和周转[1]，[2]。与永久冻土不同，季节性霜冻区经历周期性的冻融循环。这一过程伴随着土壤水分和冰晶生长的反复变化，导致大团聚体（>2毫米）的物理破碎[3]。团聚体的破碎暴露了大量之前受到物理保护的有机物，显著增强了微生物的可利用性[4]。在全球气候变暖的趋势下，季节性永久冻土区的冻融模式（如冻融频率、持续时间和冻结深度）正在发生显著变化[5]。这不仅直接影响区域土壤碳储量的动态，还可能通过改变碳释放通量对气候系统产生潜在的反馈[6]。因此，了解季节性冻融扰动下土壤有机碳稳定性的调节机制对于准确预测未来气候动态和确保寒冷地区的生态安全至关重要。

近年来，土壤微塑料污染作为一个新的环境问题引起了全球关注[7]。其中，来自可再生资源的可生物降解塑料——聚乳酸（PLA）因其环保特性而被广泛用于农业薄膜和食品包装，导致其进入土壤环境的流量持续增加[8]。根据欧洲可生物降解塑料协会（EUBP）和nova-Institute的最新市场数据，预计到2028年，PLA的全球生产能力将达到323万吨[9]。目前的研究主要集中在传统石油基微塑料的生态风险上，对PLA的关注相对较少。尽管PLA理论上可以最终降解为CO?和H?O，但其在土壤中的降解过程缓慢且受到环境条件的严格限制。研究表明，在25°C的标准堆肥条件下，PLA需要50-60天才能开始降解，而在典型的农业土壤中完全降解可能需要数年时间[10]。PLA在土壤中的残留物会对土壤物理结构、化学性质和微生物群落产生复杂影响。刘等人[11]发现，添加高浓度（5%-10%）的PLA会显著降低土壤pH值并增加土壤C:N比，同时导致地上和地下生物量分别减少63%-69%和47%-53%。此外，PLA微塑料通过改变土壤物理化学性质（如降低硝酸盐氮含量）和微生物群落结构（例如促进变形菌门和抑制酸杆菌门）间接影响根际酶活性热点分布。值得注意的是，β-葡萄糖苷酶（βG）活性在低浓度（0.1%）下增加，但在高浓度下受到抑制。刘等人[12]指出，PLA降解过程中释放的乳酸单体可作为有机酸和微生物信号分子，通过降低土壤pH值和溶解不溶性磷酸盐来改变养分可用性，从而调节根际微生物群落的结构（如增加放线菌门的相对丰度），尽管没有观察到对微生物多样性的直接抑制作用。这些效应在正常温度和稳态条件下已被初步理解。然而，在冻融循环等动态物理应力环境下，PLA的老化和降解行为及其生态效应可能会表现出不同的模式，甚至可能被显著放大。目前，关于这方面的了解还非常有限。

为了解决PLA微塑料污染和土壤降解问题，生物炭作为一种潜在的修复材料受到了广泛关注[13]。研究表明，由于其高比表面积（通常达到300–800 m2/g）和丰富的孔隙度，生物炭可以有效吸附土壤中的微塑料及其降解产物[14]。例如，邹等人[15]发现，在酸性土壤中施用3%（w/w）的粪便衍生生物炭（MBC）可以通过多种机制促进PLA降解，包括诱导碱性环境、促进氨解/氨化、促进氧化反应和刺激微生物活性。这一过程还改变了土壤微生物群落的结构（如放线菌门和变形菌门的富集），尽管微生物多样性的变化并不显著。除了直接吸附污染物外，生物炭还显著改善了土壤的物理化学性质和微生物功能[16]。Barbosa等人[17]发现，在高度退化的半干旱土壤中添加腰果生物炭或污泥生物炭可以显著提高MBC，微生物生物量氮增加了约500%，尿素酶活性提高了400%–600%（与未处理土壤相比）。在功能基因水平上，张等人[18]发现1%的生物炭使与碳循环相关的cbbL基因的丰度增加了约17.77%。最近的研究还表明，当生物炭与可生物降解微塑料共存时，它可能通过改变土壤物理化学性质（如pH值、养分可用性）和微生物群落结构间接影响氮转化功能基因（如硝化基因amoA和反硝化基因nirK）[19]。然而，现有的关于生物炭改善效果的研究主要集中在环境温度或单一应力条件下，缺乏在冻融循环等动态物理应力环境下生物炭协同作用机制的探索。更重要的是，目前关于冻融循环、PLA和生物炭之间相互作用的研究仍处于“逐个分离”的状态，缺乏三者之间相互作用的系统阐明。例如，李等人[20]表明，冻融老化会导致聚乙烯微塑料的表面形态破裂和结晶度降低，从而影响土壤酶活性和微生物群落。同时，生物炭也被证明可以减轻冻融循环引起的土壤碳损失[18]。此外，虽然生物炭对微塑料的吸附能力已有文献记载[21]，但两种材料在反复冻融事件下的界面演变和生态功能稳定性尚未得到探索。这种研究现状导致了一个关键的认知空白：生物炭在冻融循环的物理扰动下如何与PLA相互作用，以及它们通过哪些耦合途径共同影响土壤碳的稳定性？

基于寒冷地区季节性冻融循环的动态物理背景，本研究创新性地建立了“物理应力–材料相互作用–生物功能”的耦合研究框架。与之前在恒定温度或单一因素条件下探索生物炭或微塑料生态效应的研究不同，本研究的核心创新在于系统揭示了由周期性冻融物理场驱动的生物炭和可生物降解微塑料PLA之间的“竞争-协同”双重路径相互作用模式，及其对土壤碳稳定性的跨尺度调节机制。为此，本研究进行了室内模拟冻融实验，旨在实现以下目标：（1）研究生物炭和PLA在冻融条件下对团聚体稳定性和孔结构的影响，阐明这些变化如何在不同水平的物理保护下调节有机碳组分的分布和转化，包括易分解有机碳和矿物相关有机碳；（2）检查关键碳降解水解酶（特别是βG和蔗糖酶）对冻融循环和外源碳输入的联合影响的响应，探索酶活性与功能性微生物基因丰度之间的耦合机制，从而揭示潜在的微生物代谢途径变化；（3）使用结构方程模型构建和验证因果路径模型，将土壤物理结构、有机碳组分、酶活性、微生物功能和碳稳定性联系起来，以量化关键因素对土壤有机碳稳定性的直接和间接贡献。本研究揭示了上述跨尺度相互作用机制，为理解冻融循环背景下可生物降解微塑料的生态风险提供了新的理论框架，也为开发基于生物炭的针对性修复策略和寒冷地区土壤碳封存技术提供了创新的科学依据。

部分片段

土壤

从中国沈阳（41°49′46″N, 123°34′0.5″E）的农田收集了表层土壤样本（0–20厘米）。土壤类型为棕壤。返回实验室后，样品去除了死枝、落叶和石块等杂质，然后彻底混合。随后对样品进行筛分：通过100目筛的样品用于测定物理化学性质（表S1），而通过2毫米筛的样品用于

PLA和生物炭的特性

冻融循环后PLA的形态和结构表征显示，L处理样品表面出现了明显的裂纹网络、局部剥落和不规则孔隙（图S1a），表明冻融循环导致PLA的物理断裂和分层。相比之下，BL处理样品仅有少量微孔，表面颗粒紧密附着（图S1b），表明生物炭减轻了PLA的物理老化。接触角测量

生物炭通过稳定团聚体的机制促进土壤有机碳封存

本研究揭示了生物炭和PLA在冻融循环下的相互作用通过物理-生化耦合机制调节土壤团聚体稳定性和有机碳（SOC）封存。需要澄清生物炭对PLA老化的“抑制”现象（图S1），其特征是表面裂纹较少、酯键峰完整以及晶体结构稳定。这可能源于两种可能的机制：首先，生物炭确实延缓了

结论

本研究系统揭示了生物炭在冻融循环下对PLA污染土壤的调节机制，主要发现如下：

• (1)
  减轻PLA老化和结构损伤：生物炭通过物理保护显著减轻了冻融循环引起的表面裂纹、酯键水解和结晶损伤，使土壤团聚体稳定性恢复到对照组水平。
• (2)
  促进土壤有机碳封存：

CRediT作者贡献声明

刘玉清：撰写 – 原始草案。蔡浩轩：数据整理。文玉娟：撰写 – 审稿与编辑，监督。宋晓明：撰写 – 审稿与编辑。王晓初：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了沈阳市青年和中年科技创新人才项目（RC230297）、中国地质调查局东北地质科技创新中心（NO.QCJJ2022-22）、国家重点研发计划（编号2019YFC1804805）、辽宁省重点研发计划（编号2022020338-JH2/1013）、国家自然科学基金（编号42172284, 41703125）、辽宁振兴人才计划（XLYC1807259）和德州市研发的支持