富含生物质炭土壤激发效应及机理

Biochar is the charred byproduct of biomass pyrolysis, and its key characteristics are related to carbon sequestration to relieve global warming effects. However, the observed positive priming effects following biochar addition occur following biochar incorporation, which have triggered a huge controversy, and the direction and magnitude of priming effects still remains poorly understood. As soil properties might be changed with biochar addition, the soil organic C in biochar free soil and biochar amended soil may induce different priming responses to new C sources (plant residue, root exudates, etc.). In this study, the aim is to investigate in the newly established biochar soil system, if the change soil properties caused by biochar could affect the direction or magnitude of the priming effect following new substrate addition, and how different C sources interact (direction, magnitude and duration), with using isotope technique, DNA-SIP, high-throughput sequencing. A secondary aim is to determine soil physio-chemical and biological properties to explore the mechanisms of biochar on soil priming effect generated. Based on above research, it could estimate the C gain and loss with biochar, and provide guidance for biochar applications to avoid risk in China.

近些年来，一些科学家提出利用生物质炭的稳定性来还田固碳，以缓解温室效应。不过，生物质炭的输入可能会促进土壤原有机碳的加速矿化，即土壤的激发效应，目前就生物质炭是否会对土壤产生激发效应还存在极大的争议。从长期来看，由于生物质炭能存留时间长，对土壤诸多性质的改变也较长，与不含生物质炭土壤相比，含有生物质炭的土壤中其碳素循环过程是否会有差异，如外源有机物料（植物残体、根系分泌物等）的矿化及土壤激发效应是否不同，是急待解决的科学问题。本项目利用放射性及稳定性同位素技术、稳定同位素核酸探针技术（DNA-SIP）、高通量测序技术，在短期与中长期尺度上定量分析生物质炭体系中不同碳源相互作用情况（方向、程度与持续时间），监测生物质炭和土壤物理、化学、生物学特性的变化，探究可能产生的机理。通过以上研究，可综合客观的估算生物质炭的土壤固碳潜力提供基础数据，并为生物质炭在我国大面积推广提供风险评价及指导。

生物质炭加入土壤后在短期内促进有机碳矿化的正激发效应会消弱生物质炭自身固碳潜力。目前，其对土壤碳过程的长期效应却少有报道。本项目利用13C/14C同位素耦合等技术探究了含有生物质炭土壤中不同碳源矿化、相互作用与微生物机制。主要结果：.1、两种生物质炭（350℃和700℃制备）预添加土壤431天，添加13C-秸秆短期培养28天后，发现与对照土相比，含700℃生物质炭令有机碳激发效应311 μg C g-1土壤碳(Luo et al. 2017a)。PLFAs-SIP表明生物质炭提高了放线菌和革兰氏阴性菌丰度，并通过共代谢过程导致了土正激发效应 (Luo et al. 2017b)。.2、由于分离两个以上碳源(土壤-生物质炭-葡萄糖)方法有限，生物质炭诱导的激发效应涉及机制仍然未知。将14C/13C结合，将总CO2中土壤(C3土)；14C-葡萄糖和生物质炭(400℃，C4秸秆)分离。生物质炭添加土中，1000ppm葡萄糖添加量导致土壤多释放达140%的矿化量。加生物质炭和未加生物质炭土相比较，100ppm的葡萄糖添加率导致有机质的激发效应无显著差异(Luo et al. 2017c)。.3、玉米秸秆、草、花生壳和甘蔗作为原料（C4材料），缓慢热解在300、400和500∘C下制备生物质炭，加入C3土80天培养后发现，不论温度，草源生物质炭激发效应最大(348-1214 mg C kg-1)，花生壳生物质炭激发效应最小(−135-261mg C kg-1)，且强度由添加外源质量决定，与纤维素和木质素在其中比例密切相关。16SrRNA和ITS基因测序，揭示了激发过程中，放线杆菌门和厚壁菌门细菌在初始阶段（第8天）占主导地位(Yu et al. 2018)。.4、在8种C3土加入C4生物质炭，使形成不同pH梯度经28天培养。酸性土壤均为负激发效应高达-48.5%的相对激发。随机森林模型揭示土壤粉粒-粘粒组分和初始pH值，分别对有机碳的物理保护和有益细菌群落构建，从而抑制土壤矿化。但比起生物质炭添加，土壤类型及初始微生物群落对激发预测更为关键(Yu et al. 2020)。.总结：该工作深入体系地对生物质炭功能及其引发的土壤激发效应进行探索，发现生物质炭的浓度、分布、特性等对土壤的矿化过程有显著影响，并对火烧后土壤中生物质炭的微生物群落结构的演替过程进行了追踪。