来自玉米和高粱品种的残余物和生物炭基改良剂可以调节二氧化碳排放并促进养分矿物化过程

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Residue and Biochar-based Amendments from Maize and Sorghum Cultivars Regulate CO2 Emissions and Nutrient Mineralization

　　## 摘要

土壤肥力下降和气候变化威胁着可持续的作物生产，这促使人们需要寻找基于残渣的策略来增强养分循环和土壤碳的稳定性。本研究调查了不同玉米和高粱品种所产生的原料及生物炭对二氧化碳排放、氮（N）和磷（P）矿化以及土壤pH值的影响。实验中使用了两种玉米品种（R201、SC701）和两种高粱品种（AS8、PAN8816）的原料及生物炭，在350°C和650°C下进行热解处理。将处理后的物质以10吨碳每公顷的剂量施用于100克土壤中，并设置了仅含土壤的对照组。二氧化碳排放被捕获在NaOH溶液中，并在120天内进行定量测量。同时进行了破坏性采样实验，以在不同时间点监测铵态氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3?-N）、可提取磷（extractable P）和土壤pH值。二氧化碳当量（CO2-C）排放量在实验初期迅速增加，在21至42天达到峰值后逐渐下降。对于所有品种而言，原料产生的二氧化碳当量排放量均高于生物炭，其中PAN8816原料的增幅最大（比对照组高出205%）。生物炭的排放量随着热解温度的升高而减少。氮和磷的矿化程度以及土壤pH值在不同品种和热解温度之间也存在显著差异。与未处理的对照组相比，SC701-B650处理显著增加了土壤中的硝酸盐氮含量，而PAN8816-B350处理则同时提高了铵态氮和硝酸盐氮的浓度。可提取磷的含量在R201-B650（玉米品种）和AS8-B650（高粱品种）中最高。土壤pH值 generally 呈现原料 < B350 < B650 的顺序升高。品种特异性差异和热解温度对二氧化碳当量排放、养分矿化及土壤pH值的影响比作物类型更为显著。特别是在650°C下生产的生物炭表现出更高的稳定性和更低的二氧化碳当量排放量，同时增强了养分的有效性。这些发现表明，选择合适的品种和热解温度可以改善土壤肥力、支持碳封存，并有助于实现可持续的残渣管理。

## 1 引言

土壤肥力下降仍然是作物生产力的主要限制因素，尤其是在受到单一种植、过量施肥、密集耕作等人为活动影响的农业系统中（Heerink 2005; Nord et al. 2022）。这些做法加速了土壤有机碳（SOC）的矿化过程，增加了二氧化碳排放，从而导致SOC的减少和侵蚀。因此，能够提高养分可利用度并维持或增加SOC储量的可持续土壤管理措施至关重要。诸如作物残渣、粪肥和有机废弃物等有机投入已被广泛认为有助于改善土壤肥力（Powlson et al. 2012）。全球范围内，作物残渣是最丰富的有机资源，仅谷物残渣每年就贡献了约74亿吨（Lal 2005）。这些残渣含有包括碳（C）、氮（N）、磷（P）和微量元素在内的必需养分，但其农艺价值很大程度上取决于其生化组成，特别是碳氮比（C:N ratio）、木质素含量以及C:N比（Kaleem Abbasi et al., 2015; Schmatz et al. 2017）。碳氮比较低的残渣（<25:1）通常氮含量较高，木质素和多酚浓度较低，更容易分解，从而导致净氮矿化。相反，碳氮比较高的残渣（>25:1）氮含量较低，难分解的生化化合物比例较高，可能会导致氮的暂时固定（Aher et al. 2017; Partey et al. 2019）。尽管碳氮比是决定残渣分解的关键因素，但它并非孤立起作用，残渣分解和养分释放还受到其他生化质量参数的调控，包括木质素、多酚、纤维素组分以及相关的化学计量比（如木质素:N、多酚:N、木质素:P和（木质素+多酚）:N），这些因素共同决定了分解速率和养分释放动态（Kaleeem Abbasi et al. 2015; Adhikari et al. 2024）。作物残渣在物种间、同一物种的不同品种间以及不同植物组分的相对生化组成上存在显著差异，这些因素共同决定了土壤中整株植物残渣的整体质量（Redin et al. 2014; Coulibaly et al. 2020）。在田间条件下，残渣通常以整株植物的形式被混入土壤，其分解行为反映了这些生化特性的综合影响。然而，现有研究结果并不一致，有些研究表明残渣掺入后土壤有机碳（SOC）增加且养分可利用度提高（Zhang et al. 2016; Liu et al. 2022），而另一些研究则指出氮固定和养分释放减少（Meng et al. 2017; Kaleem Abbasi et al. 2015）。这些相反的结果凸显出需要更深入地了解整株植物残渣在品种层面的生化差异如何影响分解过程、二氧化碳排放和养分循环。鉴于玉米和高粱的广泛种植及其产生的大量残渣，了解品种特异性特征如何调节土壤中的残渣行为是一个重要的研究优先事项。

为了提高残渣的稳定性和延长其在土壤中的益处，通过热解将生物质转化为生物炭受到了越来越多的关注。生物炭是一种在有限氧气条件下产生的富碳材料，据报道它可以改善土壤pH值、阳离子交换能力、持水能力和微生物活性（Askeland et al. 2019; Purakayastha et al. 2019; Nguyen et al. 2020）。除了这些农艺效益外，生物炭还被提出作为一种应对气候变化的策略，因为它有助于稳定土壤中的碳并改变温室气体排放（Lehmann 2007）。重要的是，生物炭的性质会因原料类型和热解温度的不同而显著变化，这反过来又调节了活性碳和难分解碳的比例，并影响微生物活性、养分可利用性和碳矿化过程（Biederman and Harpole 2013）。因此，生物炭施用对土壤二氧化碳排放的影响在不同研究中差异很大，有些研究显示与未处理对照组相比没有显著差异（Liu et al. 2016; He et al. 2016），而另一些研究则观察到生物炭施用后二氧化碳排放量的显著增加（Thomazini et al. 2015; Wang et al. 2022），还有一些研究显示二氧化碳排放量显著减少，这通常归因于碳封存的增强和微生物活性的改变（Zhao et al. 2020; Xiaoping et al. 2019; Wang et al. 2020; Duan et al. 2020）。最近的育种工作培育出了抗逆性和产量潜力更强的玉米和高粱品种（Badu-Apraku et al. 2023; Kaliamoorthy et al. 2024）。然而，关于这些品种差异如何影响残渣的生化质量以及其对土壤碳和养分动态的影响的研究还很有限，特别是在残渣转化为生物炭的情况下。早期关于小麦残渣的研究表明，不同品种在碳（C）、氮（N）和磷（P）矿化方面存在显著差异（Mbava et al. 2025），但该研究仅针对原始原料，未包括生物炭。因此，品种特异性生化特征对原料和生物炭介导的土壤过程的影响仍是一个重要的且未解决的研究空白。

玉米和高粱是数百万人口的主要粮食作物，在撒哈拉以南非洲的谷物种植系统中占据关键地位（McMillen et al. 2022; Prasad et al. 2021）。它们的残渣非常丰富，但往往未被充分利用，是改善土壤肥力和碳储存的宝贵资源。了解特定品种的原料和生物炭如何影响二氧化碳排放和养分循环对于制定能够增强土壤健康并提高气候适应性的残渣管理策略至关重要。因此，本研究 investigating了不同玉米和高粱品种的原料及生物炭在两种热解温度下对土壤二氧化碳当量（CO2-C排放）、土壤pH值以及氮（NH4+-N和NO3?-N）和磷的矿化作用的影响。研究假设：（i）原料生化组成的品种特异性差异会导致不同的二氧化碳当量排放模式和养分矿化反应；（ii）在较高热解温度下生产的生物炭可以减少二氧化碳当量排放，同时提高土壤pH值，并调节氮和磷的矿化作用，优于原始原料处理和低温生物炭。

## 2 材料与方法

## 2.1 生物质收集和原料准备

两种玉米品种（R201和SC701）以及两种高粱品种（AS8和PAN8816）在夸祖鲁-纳塔尔大学Ukulinga研究农场种植（29.667oS, 30.406oE；海拔811米）。该地区的长期平均气温为18°C，年降水量为738毫米。土壤类型属于Westleigh（土壤分类工作组1991），相当于Luvisol（IUSS工作组WRB，2014），土质为壤土（40.0%沙粒、34.9%粉粒、24.4%粘粒），总碳含量为1.9%，总氮含量为0.17%，有效磷含量为8.87毫克/千克，交换性钙含量为1043毫克/千克，镁含量为313.7毫克/千克，钾含量为91.94毫克/千克，pHKCl值为4.73。每个品种在2020-2021生长季种植在436平方米的地块上，并按照推荐剂量施用NPK（2:3:4）肥料。收获成熟后的地上生物量后，将其切碎、烘干并研磨至小于2毫米大小，以便在实验室热解实验中确保原料的均匀性和生物炭的均匀掺入。在热解前进行研磨，以减少因生物炭脆性粉末性质导致的破碎和物质损失。这一预处理步骤适用于实验室条件下的对照实验，并不代表实际农田中的残渣管理方法。

## 2.2 生物炭生产

原料在实验室马弗炉中，在350°C和650°C下进行热解，条件是氧气受限，并使用带盖密封的陶瓷坩埚，遵循Vilakazi等人（2023）描述的慢速热解方案（加热速率为10°C/分钟；停留时间为2小时）。通过密封坩埚来限制加热过程中的空气进入从而实现氧气限制。冷却至室温后，生物炭被称重并储存在密封容器中。处理方式根据品种和热解温度进行标记（例如R201-B350、AS8-B650），详细信息见表1。

表1 本研究使用的不同处理方式描述

## 2.3 原料和生物炭的特性分析

在培养前确定了原料和生物炭的初始化学和物理性质（表2）。采用ASTM 1762-84程序进行了近似分析（水分、挥发物、灰分、固定碳）（Vilakazi et al. 2023）。 total carbon和total nitrogen使用LECO TruMac CNS分析仪测定，total hydrogen使用LECO CHS分析仪测定（Leco Corporation 2012）。total oxygen通过Vilakazi等人（2023）描述的方法计算得出。原料和生物炭的pH值在1 M KCl（1:10 w/v）溶液中测定。total phosphorus在硫酸-过氧化氢消化后使用抗坏血酸法（Okalebo et al. 2002）进行定量。仅针对原料的木质素含量使用Van Soest方法测定（Van Soest et al. 1991）。使用1 M醋酸铵在pH 7条件下测定可交换碱和CEC（Okalebo et al. 2002; Anderson and Ingram 1994）。表面官能团通过FTIR光谱法鉴定，方法参考Vilakazi等人（2023），谱范围为4000–400 cm?1，并根据Coates（2000）进行带归属。表面形态使用Carl Zeiss EVO LS15 SEM进行观察；样品在成像前使用Quorum Q150R ES溅射镀膜机进行了金镀处理。表2列出了不同品种玉米和高粱的原料和生物炭的生化组成。全尺寸表格见2.4部分。

**土壤采集与准备**：用于孵化的土壤从种植生物量之前的同一地点采集（0–20厘米深度），晾干后过筛至粒径小于2毫米。抽取部分样本分析基础性质（质地、总碳和氮、有效磷、可交换阳离子及pH值）。

**二氧化碳排放的孵化实验**：以每公顷10吨碳的速率向土壤（干重相当100克）中添加原料或生物炭。该速率基于0–20厘米的土壤深度和1.24克/立方厘米的容重计算，相当于每公顷2.48×10^6千克的土壤质量。因此，每公顷10吨碳的添加量相当于每100克土壤0.403克碳。根据每种材料的总碳含量调整每个孵化单元中添加的原料或生物炭的质量，以确保所有处理组的碳输入量相等。未添加任何物质的土壤作为对照组。实验采用完全随机设计，设有13个处理组和三个重复次数（见表1）。改良后的土壤被充分混合后放入100毫升塑料容器中，逐渐加水至孔隙空间填充率达到50%。然后将这些容器放入500毫升的密封塑料孵化罐中，以便气体在顶部空间积聚。每个罐内放置含有25毫升1摩尔/升NaOH的试管以捕获孵化过程中释放的CO2。罐子密封好后，在25摄氏度的恒定温度下进行厌氧孵化120天。通过定期称量监测并根据重量损失调整水分，保持土壤孔隙空间的水分含量为50%。每次采样间隔更换NaOH溶液以防止饱和并确保持续捕获CO2。采样时间点分别为孵化开始后的0天、3天、7天、14天、21天、28天、42天、56天、84天、112天和120天。捕获的CO2通过用BaCl2沉淀碳酸盐来量化，随后使用酚酞作为指示剂，用标准化的0.5摩尔/升HCl进行反向滴定（Franzluebbers等人，2000年）。通过汇总各个采样间隔的排放量计算累积CO2-C，并以土壤干重为基础表示。

**氮和磷矿化的破坏性采样**：建立了与二氧化碳孵化相同的处理方法，用于测定NH4+-N、NO3?-N、可提取磷和土壤pH值。为了防止干扰剩余土壤，每次采样都准备单独的孵化容器。对于每个处理组和采样日期，将100克土壤（干重相当）与相当于每公顷10吨碳的原料或生物炭充分混合后放入500毫升塑料容器中。容器顶部边缘钻四个孔以促进气体交换，并在25摄氏度的恒定温度下进行厌氧孵化120天。土壤逐渐加水至田间持水量，并根据重量损失定期调整水分含量以保持该湿度水平。在孵化期间的0天、7天、14天、21天、28天、42天、56天、84天、112天和120天进行破坏性采样。每次采样时，将每个容器中的全部土壤取出并混合均匀后进行分析。矿物氮（NH4+-N和NO3?-N）使用2摩尔/升KCl提取，并使用Thermo Scientific Gallery Discrete Autoanalyser（Rayment和Lyons，2011年）进行量热法测定。可提取磷使用AMBIC-2提取方法（南非非附属土壤分析工作和土壤科学学会，1990年）测定。土壤pH值在1摩尔/升KCl溶液中，土壤与溶液的比例为1:2.5，使用校准的pH计测量。

**统计分析**：数据使用GenStat（第20版；Payne等人，2011年）中的双因素方差分析（ANOVA）进行分析，以测试品种和改良剂类型对CO2-C排放、NH4+-N、NO3?-N、可提取磷和土壤pH值的主要影响及其交互作用。当检测到显著效应（p<0.05）时，使用Tukey-Kramer多重比较检验比较处理组均值。表格和图中使用小写字母表示统计显著性。使用OriginPro 2024（OriginLab Corporation，美国北安普顿）进行皮尔逊相关性分析，以研究累积CO2-C排放、矿物氮、可提取磷、土壤pH值与改良剂选定生化特性之间的关系。

**结果**：

**3.1 玉米和高粱品种的原料和生物炭对CO2-C排放的影响**：在整个孵化期间，不同处理组的CO2-C排放量存在显著差异（p<0.001）。品种特异性差异和热解温度对CO2-C排放的影响大于作物类型。排放量从第0天开始迅速增加，在第21至42天达到峰值，之后逐渐下降（见图1）。对照组在孵化初期始终显示出最低的排放量，但在第84天后超过所有生物炭处理组。对于两种作物，原料产生的CO2-C排放量都明显高于相应的生物炭（见表3）。在玉米品种中，SC701原料的CO2-C排放量最高（308毫克CO2-C/千克土壤），比对照组高出89%（对照组为162.8毫克CO2-C/千克土壤）。R201处理的原料和生物炭之间的排放量没有显著差异。对于高粱，PAN8816原料的CO2-C排放量最高（496.8毫克CO2-C/千克土壤），比对照组高出205%。生物炭的排放量通常随热解温度的升高而降低，其中B650在大多数品种中产生的CO2-C最低。

**3.2 累积CO2-C排放**：不同处理组的累积CO2-C排放量存在显著差异（p<0.001），在整个120天的孵化期间稳步增加（见图2）。对照组显示出最低的累积CO2-C排放量。除R201外，所有品种的累积排放量顺序为：原料> B350 > B650。在玉米衍生处理组中，SC701原料产生的累积CO2-C排放量最高（1777毫克CO2-C/千克土壤）。SC701-B350生物炭的累积CO2-C排放量也显著高于其他玉米处理组，而这些处理组之间的差异不显著。对于高粱，PAN8816原料的累积排放量最高（2655.4毫克CO2-C/千克土壤），而AS8-B650的累积排放量最低（1544毫克CO2-C/千克土壤）（见表3）。这些趋势表明累积CO2-C排放量受到品种和热解温度的强烈影响。

**3.3 不同玉米和高粱品种的原料和生物炭对铵氮矿化的影响**：在孵化期间，不同处理组的铵氮（NH4+-N）浓度存在显著差异（p<0.001）。所有处理组的NH4+-N从孵化开始迅速增加，在14天内达到峰值，随后急剧下降（见图3）。与其他处理组相比，R201原料及其生物炭在最初的21天内始终显示出最低的NH4+-N浓度。铵氮受品种特异性差异和热解温度的影响大于作物类型（见表3）。在玉米品种中，SC701处理的NH4+-N浓度通常高于R201，尽管两种品种的NH4+-N浓度均低于对照组（15.17毫克N/千克土壤）。对于高粱，PAN8816原料（16.82毫克N/千克土壤）和PAN8816-B350（17.14毫克N/千克土壤）的NH4+-N浓度最高，而所有AS8处理的NH4+-N浓度均低于对照组（见表3）。

**3.4 硝酸盐氮（NO3?-N）矿化**：在孵化期间，不同处理组的硝酸盐氮（NO3?-N）浓度存在显著差异（p<0.001）。品种特异性差异和热解温度显著影响了NO3?-N的矿化过程（见图4）。NO3?-N在最初的21天内缓慢增加，之后在84天前保持稳定（见图4）。在玉米品种中，R201原料的NO3?-N释放量最低（8.1毫克N/千克土壤），比对照组低103%。在SC701-B650处理组中，硝酸盐氮浓度最高（19.29毫克N/千克土壤）。在高粱品种中，AS8原料的硝酸盐氮浓度最低（12.4毫克N/千克土壤），而PAN8816-B350的硝酸盐氮浓度最高（27毫克N/千克土壤），比对照组高出64%（见表3）。

**3.5 可提取磷的矿化**：所有处理组和采样日期的可提取磷存在显著差异（p<0.001）。可提取磷浓度从第0天开始迅速增加，在大多数处理组的第28天左右达到峰值（见图5）。对照组始终释放的可提取磷量最低。在所有品种中，原料产生的可提取磷量均低于相应的生物炭。在玉米品种中，SC701原料产生的可提取磷量最低（6.58毫克N/千克土壤），而R201-B650的可提取磷量最高（10.96毫克N/千克土壤）。对于高粱，PAN8816原料的可提取磷量最低（5.07毫克N/千克土壤），而AS8-B350（7.46毫克N/千克土壤）和AS8-B650（7.36毫克N/千克土壤）的可提取磷量最高。可提取磷的差异主要由品种决定，而热解温度的影响仅对R201来源的生物炭显著（见表3）。

**3.6 土壤pH值**：在孵化期间，不同处理组的土壤pH值存在显著差异（p<0.001），从第0天开始增加，并在第84天后稳定（见图6）。对照组的pH值最低（4.84），与PAN8816原料（4.82）的pH值无显著差异。在所有品种中，土壤pH值的增加顺序为：原料< B350 < B650。生物炭，特别是B650，显著提高了土壤pH值，品种特异性差异也影响了pH值的变异性（见表3）。

**3.7 CO2-C排放、养分矿化、土壤pH值和残留物生化特性之间的关系**：皮尔逊相关性分析（表4）显示，CO2-C排放与残留物总磷（r= -0.67）、总碳（r= -0.60）、固定碳（r= -0.60）、土壤pH值（r= -0.71）和可提取磷（r= -0.72）之间存在显著的负相关关系。CO2-C排放与C:P比值（r= 0.64）、NH4+-N（r= 0.75）和累积CO2-C（r= 0.96）呈正相关。累积的CO2-C与NO3?-N（r = 0.70）和NH4+-N（r = 0.86）呈正相关，与残渣总磷（r = -0.56）呈负相关。可提取磷（extractable P）与残渣总磷（r = 0.89）、总碳（total C）（r = 0.70）和固定碳（fixed C）（r = 0.81）呈正相关，与碳磷比（C:P ratio）（r = -0.75）和NH4+-N（r = -0.71）呈负相关。表4展示了CO?-C排放、累积CO?-C、矿物氮形式（NH??-N和NO??-N）、可提取磷、土壤pH值以及来自不同玉米和高粱品种的原料和生物炭的生化特性之间的皮尔逊相关系数（r）。NH4+-N与残渣总氮（r = 0.76）和NO3?-N（r = 0.81）呈正相关，与碳氮比（C:N ratio）（r = -0.80）呈负相关。NO3?-N与残渣总氮（r = 0.75）呈正相关，与碳氮比（C:N ratio）（r = -0.60）呈负相关。土壤pH值与残渣总磷（r = 0.67）、总碳（r = 0.82）、固定碳（r = 0.77）和残渣pH值（r = 0.85）呈正相关。残渣性质之间的其他相关性在表4中也有展示。

讨论
这项培养实验的结果表明，CO2-C排放和养分矿化主要受特定品种的生化特性控制，而不是作物类型的影响。在玉米和高粱中，一个品种始终表现出较高的CO2-C排放、NH4+-N、NO3?-N和可提取磷含量，而相应品种的这些数值较低。这种模式反映了不同品种之间残渣生化组成的差异，特别是在总碳、总氮、总磷及其碳氮比和碳磷比方面，这些因素控制着微生物分解过程（Mbava等人，2025年；Ntonta等人，2024年）。在本研究中，养分浓度较高且碳氮比和碳磷比较窄的品种（表2）促进了更活跃的微生物活动，表现为CO2-C排放增加和氮磷矿化增强。这些关系得到了CO2-C排放与残渣碳氮比和碳磷比之间显著相关性的支持，同时也与残渣总氮和总磷的正面关联相符（表4），表明分解动态受到强烈的化学计量控制。这一发现与You等人的研究结果一致（2020年），他们将残渣分解的差异主要归因于化学组成。因此，现有研究结果挑战了仅凭作物类型就能决定残渣在土壤中行为的假设，而是强调了在选择用于提高土壤肥力和碳管理的残渣时，品种水平的生化特性的重要性。

热解温度对土壤反应的影响在不同品种间并不均匀，而是强烈依赖于特定品种的原料特性。来自玉米品种R201的生物炭显示出明显的温度依赖性效应，尤其是在可提取磷方面；而来自SC701以及高粱品种AS8和PAN8816的生物炭在350°C和650°C之间的差异较小或没有显著差异。这表明热解温度的影响取决于原始原料的生化组成，而不是温度作为一个独立因素（Conz等人，2017年）。不同品种之间的总磷浓度、灰分含量、固定碳和元素化学计量比的差异决定了热解温度如何改变养分的可用性和碳的稳定性。这种原料-温度的相互作用支持了Khan等人的研究结果（2024年），他们报告说生物炭的性能受原始原料生化特性的强烈影响。在所有处理中，早期培养期间CO2-C排放的显著增加反映了添加改良剂后微生物活动的快速激活。这一初始脉冲与Dumale Jr等人（2009年）所报告的由容易获取的碳底物驱动的异养呼吸刺激一致。添加了改良剂的土壤比添加了生物炭的土壤产生了更高的早期CO2-C排放，表明有更多的易分解碳被土壤微生物利用（Watanabe和Sato，2015年）。另一方面，添加了生物炭的土壤表现出较低的CO2-C排放，反映了生物炭碳较高的结构稳定性和芳香性，这限制了微生物的利用（Case等人，2014年）。这些发现与早期研究结果一致，即生物炭由于其较低的易分解碳分数和增加的碳抗性，减少了CO2-C的释放（Zavalloni等人，2011年；Zhao等人，2020年；Duan等人，2020年）。

无论热解温度或品种如何，不同生物炭处理间观察到的CO2-C排放相对相似，这可以归因于本研究中生产的生物炭具有共同的生化特性。尽管生物炭来自不同的品种和温度，但原料的总碳浓度相似，并且都经历了相同的热解条件。这可能解释了生物炭处理间碳矿化和CO?-C排放的相对较小差异。这一解释得到了CO?-C排放与残渣总碳、固定碳和pH值之间显著负相关性的支持（表4），表明较高的碳稳定性和碱性抑制了微生物分解。因此，与原料相比，生物炭较高的总碳、固定碳含量和pH值可能有助于减少微生物呼吸和CO?-C排放。相比之下，原料通常含有较低的总碳和固定碳，并表现出较低的pH值，提供了更多的易分解碳底物，从而刺激了微生物活动并增加了CO?-C排放。这些模式与Hailegnaw等人的研究结果一致（2019年），他们报告说生物炭含有化学稳定的碳，对土壤微生物的利用性较低，导致有机物分解缓慢和CO2排放减少。这表明生物炭碳的稳定性有助于减少微生物呼吸并支持长期的土壤碳保留。

在考察累积CO2-C时，品种和热解温度之间的差异变得更加明显（图2）。在各种处理中，350°C下处理的原料和生物炭产生的累积CO2-C排放通常较高。这可以通过在较低热解温度下保留的易分解碳分数和挥发性化合物比例较高来解释，这些化合物仍可被微生物代谢利用，从而促进了持续的碳矿化（Whitman等人，2012年）。相比之下，650°C下生产的生物炭产生的累积CO2-C排放较低，因为较高的热解温度产生了更多芳香性和化学上更稳定的碳结构，这些结构较难被微生物降解（Peng等人，2011年）。这些温度驱动的差异进一步得到了累积CO2-C排放与固定碳含量和生物炭pH值之间显著负相关性的支持（表4），表明增加的碳稳定性和碱性抑制了长期微生物呼吸。Deng等人（2020年）也报告了类似的结果，他们将这种效应归因于高温生物炭在土壤中的增强稳定性和持久性。在玉米和高粱中都观察到了明显的品种特异性差异，一些品种产生的累积CO2-C排放始终高于其他品种（SC701和PAN8816原料），而其他品种则表现出较低的排放（R201处理和AS8-B650）。这些差异与原料生化组成及其对热解温度的反应密切相关，特别是在固定碳形成和养分化学计量比方面（表2）。产生较高固定碳和更稳定碳分数的生物炭品种显示出较低的累积CO2-C排放，而保留更多易分解碳的品种则促进了更快的矿化。这些发现表明，品种选择和更高的热解温度都会影响累积碳的损失，强调了在选择用于土壤肥力和碳管理的残渣时需要考虑原料特性和加工条件。

氮矿化模式受到品种和热解温度的强烈影响，反映了残渣生化组成与微生物过程之间的相互作用。先前的研究记录了施用残渣或生物炭后矿物氮的增减，这取决于矿化、固定、吸附和硝化过程之间的平衡（Yao等人，2012年；Zheng等人，2013年）。处理过程中NH4+-N的快速初始增加表明了氨化作用，即微生物分解残渣和土壤有机物质中的有机氮化合物（包括蛋白质和氨基酸）释放出NH4+-N（van Midden等人，2024年）。在添加改良剂或土壤重新湿润后也观察到了类似的早期NH??-N峰值（Liyanage等人，2022年；Marouani等人，2021年）。随后NH4+-N的下降与硝化作用一致，在好氧条件下，自养微生物将NH4+-N氧化为NO3?-N（Baskaran等人，2020年）。本研究中使用的有氧培养设置，包括穿孔容器和可控的湿度条件，有利于氧气扩散和硝化菌活性。此外，对照组中观察到的NH4+-N增加反映了土壤有机氮的矿化和微生物生物量的转化，这得益于有利的培养条件（Liyanage等人，2022年；Marouani等人，2021年）。尽管这一总体顺序是一致的，但NH4+-N和NO3?-N的反应幅度在不同品种和热解温度间存在差异。在本研究中，几种处理（R201、SC701、AS8和PAN8816-B650）的NH4+-N降低，而PAN8816原料和PAN8816-B350处理的NH4+-N升高。这些对比反应表明，氮动态更多地受到特定品种残渣生化组成的影响，而不是改良剂是原料还是生物炭。氮矿化受到残渣碳氮比、总氮含量和易分解氮分数的强烈调节（Zavalloni等人，2011年）。碳氮比较宽的残渣倾向于促进暂时性的氮固定，因为微生物需要额外的氮来分解富碳底物（Mbava等人，2025年）。这一机制得到了残渣碳氮比与NH4+-N和NO3?-N之间显著负相关性的支持（表4）。碳氮比较宽的处理（如R201-R、R201-B650和AS8-B650）表现出较低的矿物氮可用性。相反，PAN8816改良剂始终产生较高的NH4+-N和NO3?-N浓度，这与它们的总氮含量较高相对应。残渣总氮与矿物氮分数之间的显著正相关（表4）证实了氮供应可以抵消由宽碳氮比和低总氮引起的固定效应。

硝酸盐氮（Nitrate-N）的模式进一步反映了这些相互作用。NH4+-N下降后的NO3?-N逐渐增加表明了好氧条件下的活跃硝化作用（Mbava等人，2025年）。基于PAN8816的改良剂产生了较高的NO3?-N浓度。相比之下，与更强固定作用和较低NH4+-N供应相关的处理（如R201改良剂）表现出较低的NO3?-N。对于小麦残渣和木炭（Zavalloni等人，2011年）、柳枝稷残渣和山核桃壳生物炭（Novak等人，2010年）以及在中等温度下生产的玉米生物炭（ODUGBENRO等人，2018年），也报告了类似的累积CO2-C排放减少。矿物氮的减少并不总是持续的，例如Hossain Bai等人（2014年）报告称红木生物炭（550°C）对矿物氮的短期影响很小，随后由于分解和微生物转化而发生变化。因此，改良剂土壤中的氮可用性反映了由碳质量和改良剂提供的总氮之间的平衡，这一点受到特定品种的生化组成和热解引起的养分可用性变化的影响。

与矿物氮类似，可提取磷的矿化也受到品种特异性差异的强烈影响，热解温度的影响因原料而异。从培养期开始，可提取磷迅速增加，表明原料和生物炭中存在易于矿化的或结合较弱的磷部分。先前的研究表明，残渣和生物炭改良剂对土壤磷可用性的影响可能是正面的也可能是负面的，这取决于原料化学性质和热解条件（Amendola等人，2017年；Li等人，2017年；Liu等人，2017年）。然而，在本研究中，所有改良剂都增加了土壤中的可提取磷，表明磷的可用性得到了改善。改良剂添加后的磷释放与有机材料的初始磷含量密切相关。Mafongoya等人（2000年）报告说，总磷含量超过0.2%的残渣通常促进磷矿化而不是固定。本研究中使用的所有原料和生物炭都超过了这一阈值（表2），并且残渣总磷与可提取磷之间存在显著正相关（表4），直接解释了在改良处理中观察到的可提取磷浓度增加。在R201和AS8衍生的改良剂中观察到了最高的可提取磷浓度，特别是在它们的玉米和高粱生物炭处理中。这些反应与这些残渣较高的总磷含量相符，表明品种级别的磷浓度差异在调节磷矿化中起到了主导作用。

在生物 charcoal 改良的土壤中观察到的可提取磷增加反映了磷可用性的变化，而不是净磷产量的变化。在热解过程中，有机物挥发，导致无机磷在生物 charcoal 灰分中的浓度增加，这在土壤掺入后可以很容易被提取。此外，施用生物炭后土壤pH值的升高会减少磷被铁氧化物和铝氧化物吸附的情况，从而提高酸性土壤中磷的有效性（Glaser和Lehr 2019）。这些机制解释了在生物炭处理中测量到的可提取磷含量增加的现象，并且与先前的研究结果一致，这些研究也报告了施用作物残渣和木质生物炭后土壤中有效磷含量的增加（Zhai等人2015；Gupta等人2024）。这些发现表明，特定品种的磷含量，加上热解过程中的浓度变化和土壤化学性质的改变，共同决定了改良土壤中可提取磷的动态变化。

与对照组相比，施用原料和生物炭通常会增加土壤pH值，其中热解温度的影响比品种或作物类型更为显著。未经过热解的残渣具有酸性，因此在处理后土壤pH值较低（Jin-Hua等人2011），这反映了有机酸在早期分解过程中的释放。相比之下，经过生物炭改良的土壤pH值显著升高，这是因为生物炭在热解过程中形成了碱性物质，尤其是由于灰分含量的增加和碱性矿物化合物的形成（Rizwan等人2023）。这些发现与先前的研究结果一致，即生物炭的石灰化效应源于其灰分部分和碱性表面官能团（Chintala等人2014；Silva等人2017）。土壤pH值与残渣灰分含量及残渣pH值之间的正相关性进一步证实了改良剂的化学性质对pH值变化的影响。热解过程浓缩了矿物灰分并增强了碱性，从而提高了生物炭对土壤酸化的缓冲能力（Nelissen等人2012）。这解释了为什么在玉米品种中，650°C处理的生物炭比350°C处理的生物炭具有更高的土壤pH值。然而，对于高粱品种来说，350°C和650°C生物炭之间的残渣灰分含量和pH值差异并没有导致土壤pH值的显著变化，这表明存在一种缓冲饱和效应，即两种生物炭都提供了足够的碱性来中和土壤酸度，从而限制了pH值的进一步升高。当生物炭的添加量超过土壤的缓冲能力时，也观察到了类似的饱和效应（Coumaravel等人2011；Shetty等人2020）。

对照组在孵育初期pH值的升高反映了土壤中有机氮的氨化作用，这一过程会消耗质子并在重新湿润后暂时提高土壤pH值（Jin-Hua等人2011）。随着孵育的进行，pH值的随后的下降对应于硝化作用，即NH4+-N被氧化为NO3?-N的过程中释放出H+离子，促进了土壤酸化（Butterly等人2013）。相比之下，经过改良的土壤在整个孵育过程中pH值相对稳定，表明原料特别是生物炭通过提供碱金属阳离子和碱性灰分成分来缓冲了生物引起的pH值波动。在孵育第0天观察到了一个短期异常现象，即使用R201和PAN8816原料改良的土壤pH值低于对照组，尽管它们的残渣内在pH值高于初始土壤pH值。这种短暂的下降可能是由于残渣在湿润和微生物激活初期迅速释放了有机酸、酚类化合物和溶解的CO2，导致土壤暂时酸化（Anderson等人2018）。随着分解的进行，这些影响减弱，土壤pH值上升并趋于稳定，尤其是在生物炭改良的处理中，因为它们具有更大的缓冲能力。这些结果表明，虽然原料在分解过程中可能会引起短期酸化，但生物炭改良剂具有更强的、更持久的石灰化效应。生物炭改良土壤中pH值的相对稳定性显示了生物炭调节土壤化学条件并在养分循环过程中缓解pH值波动的能力。

**结论**
本研究证明了所选玉米和高粱品种之间的生化差异对二氧化碳排放、氮和磷的矿化以及土壤pH值的控制作用比单一作物类型更为显著。在玉米品种中，SC701原料产生的累积二氧化碳排放量最高，而R201原料及其生物炭的处理则表现出较低的排放量。对于高粱，PAN8816原料产生的累积排放量最高，而在650°C下制备的AS8生物炭产生的排放量最低。这些模式反映了不同品种在碳含量、氮含量、元素比例和灰分组成上的差异，这些差异调节了微生物分解和养分转化过程。热解温度进一步改变了这些反应。650°C下制备的生物炭通常比350°C下的生物炭降低了累积二氧化碳排放量，表明其具有更好的碳稳定性和更强的抗微生物降解能力。较高温度下的生物炭还表现出更强的石灰化效应，这是由于灰分含量和碱性的增加。相比之下，350°C下制备的生物炭保留了更多的易分解部分，在某些情况下还提高了矿质氮的有效性。

氮的动态变化受到残渣碳质量和总氮供应量平衡的影响。C:N比较宽的处理，包括R201原料和某些高温生物炭，与较低的矿质氮浓度相关，这与微生物固定作用增强相符。相反，PAN8816原料及其350°C生物炭的特点是总氮含量较高，从而增加了铵态氮和硝态氮的浓度。磷的有效性强烈依赖于初始残渣磷含量和灰分浓度，650°C下制备的R201生物炭和AS8生物炭产生的可提取磷含量最高。这些结果表明，碳的稳定性、氮的转化、磷的有效性以及土壤酸度受到特定品种的生化组成和热解温度的控制。重要的是，观察到的品种级效应的优势反映了在受控孵育条件下评估的具体玉米和高粱品种，不应推广到所有基因型。因此，残渣管理的结果取决于原料的生化组成和热解温度，而不仅仅是作物类型本身。未来的田间研究需要在不同的环境条件下验证这些结果，并评估其对土壤肥力和作物产量的长期影响。