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生物炭是固碳技术的重要方向，具有提升土壤碳储存并减少温室气体排放的功能，2019年，IPCC正式认定生物炭为有效的固碳减排技术。稳定的土壤有机碳库是实现双碳战略的有效发力点，生物炭对土壤有机碳的影响是多方位的，理清生物炭土壤固碳减排的机制是生物炭农田固碳应用的前提与保障。研究系统阐述了生物炭和土壤有机碳的稳定性，揭示了土壤对生物炭的响应及固碳机制，并指出未来生物炭固碳机制研究方向。
一 研究进展
土壤固碳依靠“双碳泵”机制，即微生物碳泵(MCP)和矿物碳泵(MnCP)，将植物源碳转化为土壤碳。生物炭通过直接输入、改变SOC团聚体分布、重塑微生物群落及增强有机-有机、有机-矿物相互作用等途径提升土壤碳库。生物炭属火成碳，年龄受温度影响，土壤中不稳定的生物炭会增加碳排放，高温稳定的生物炭的生产较耗费能源，对土壤生物炭稳定性的研究至关重要。目前，生物炭是否改变有机碳组分和团聚体稳定性，以及土壤有机碳矿化对生物炭如何响应仍不明确。因此，研究围绕生物炭本身和土壤有机碳稳定性及土壤响应生物炭的固碳机理展开。
二 研究成果
1.生物炭和SOC的稳定机制
生物炭稳定性受矿物、芳香度和羧基含氧官能团共同影响，同时量化不同温度生物炭中活性炭和稳定碳含量，发现高温生物炭中存在无定型的活性芳香碳，改变了高温生物炭是稳定碳的认知，成果有助于预测生物炭加入土壤后的固碳潜力。
研究发现铁/铝离子通过改变生物炭的分子结构实现对其产生稳定性影响。450-500℃是较优的生物炭制备温度，生物炭具有较强的稳定性，同时具有较好的污染物修复效果。其中，铁生物质炭稳定性较高，铝生物质炭稳定性较差。
研究打破“具有芳香结构的木质素控制土壤碳积累”的认知，证明分子结构并非决定SOC周转的唯一因素，矿物吸附和团聚体的物理保护同样至关重要。铁矿物通过分子分馏主动选择性地吸附和保护大分子芳香碳；解析了由分子分馏主导铁矿物封存DOC的机制，揭示了在地球化学循环过程中铁矿封存OC的途径。
研究揭示了矿物在生物炭微生物矿化中的作用以及微塑料PE存在的影响。矿物质抑制生物炭矿化；石英倾向于保护脂肪碳；蒙脱石倾向于保护脂肪碳；高岭石保护低温生物炭的脂肪碳和芳香碳；由于矿物引起真菌的转变导致微塑料的加入带来更多CO2的释放。
通过开展生物炭对土壤固碳影响的定量研究发现，生物炭源溶解有机碳(BDOC)通过共生代谢使土壤有机碳矿化增加15-20%；提取BDOC后，生物炭诱导的负激发效应增加了31%，自身矿化减少41-65%，BDOC减少生物炭7-8%净碳平衡。BDOC通过增加土壤大团聚体和减少对原生土壤有机碳的吸附保护改变生物炭激发机制，表明BDOC提取有望用来提升生物炭短期稻田土壤碳封存潜力。
2.土壤对生物炭的响应及固碳机制
生物炭存在类腐殖酸(HA)，生物炭HA和土壤HA在分子组成、形态和结构上具有差异，生物炭进入土壤后改变腐殖质的来源，更新了土壤腐殖质本质的科学认识：除传统的地球化学过程外，火成碳也是腐殖质的重要来源。研究为科学预测生物炭还田后的环境行为提供理论依据。
土壤中的有机碳有溶解性碳和固态碳两种形态。生物炭加入后，土壤溶解性碳的分子量、相对丰度和分子结构发生变化。生物炭的加入，降低SOC的活性组分(蛋白质、碳水化合物等)，增加结构较稳定的有机碳含量，同时调节土壤微生物群落，增加了不稳定碳的降解群，从而实现固碳。研究提出通过微生物主导的分子组成的改变增加SOC稳定性的固碳原理，有助于厘清生物炭影响下的土壤稳定碳库形成途径，为生物炭在土壤固碳的应用提供理论基础。
研究利用一年期培训实验探究生物质进入土壤后对土壤团聚体的影响，揭示生物炭通过与土壤矿物或微生物碳结合促进大团聚体的形成，证明裂解温度和培育时间影响生物炭对土壤团聚体的作用。
生物炭对不同土壤类型的响应不同。对于酸性土壤，生物炭在黏土中比在沙土中稳定，新鲜或老化的土壤均抑制碳排放；对于碱性土壤，新鲜高温生物炭较稳定，具有固碳作用，但老化的生物炭增加碳排放。
生物炭调控双碳泵的土壤固碳机制。长期添加生物炭可抑制微生物丰度和活性，促进SOC和MNC积累，提升土壤微生物碳泵效率。通过将更多SOC分配到矿物相关组分、改善无定型铁/铝氧化物和提高有机碳顽固性，稳定矿物结合态有机碳，提升土壤矿物碳泵的效率。研究还发现，长期生物炭改良可以提高土壤微生物的合成代谢和胞外电子的传递能力，使其碳利用率提高。
三 未来展望
目前对生物炭的研究主要聚焦于其对表土固碳的影响，而70%以上SOC分布于底土层，未来的研究仍需对底土固碳潜力进行探究。此外，微塑料作为新型富碳污染物MPs已进入土壤碳循环，生物炭对微塑料污染的土壤碳周转的影响仍需深入研究。
(孙可 北京师范大学环境学院教授)
整理：陶秋雨
原标题：专家观点 | 孙可：生物炭的土壤固碳机制
