01

研究强调利用背景微生物信息选择合适的生物炭施用量和作物系统，从而以更经济有效的方式增强土壤固碳能力。

02

富含Actinobacteria的土壤——例如那些支持豆科植物种植的土壤——在添加生物炭后更有可能表现出稳定的有机碳增益。

03

水稻作物系统在持续潮湿的条件下有利于寡营养型微生物生存，并且伴随淋溶作用，生物炭的施用往往表现出较低的有机碳收益。

本研究基于14年的长期田间试验，系统评估了不同碳管理措施（不施肥对照、低量生物炭、高量生物炭、秸秆还田）对土壤重金属生物有效性及化学形态的长期影响。研究发现，高量生物炭在降低重金属（Cd, Pb, Ni, Co, Cu, Mo）生物有效性方面表现最为卓越，降幅达2-91%，显著优于低量生物炭及秸秆还田（后者在某些情况下甚至增加了金属的生物有效性）。通过偏最小二乘路径模型和方差分解分析揭示了其调控机制：土壤微生物特性是驱动重金属生物有效性变化的主导因素（解释度30%），而土壤理化性质则是调控重金属形态转化的主要驱动力（解释度12%）。具体而言，生物炭通过提升土壤阳离子交换量、有机碳及游离氧化铁含量，并定向调控微生物群落（如富集虫霉门和硝化螺旋菌门，抑制拟杆菌门），增强了土壤对重金属的固定能力。此外，本研究构建的碳-金属耦合指数（CMCI）显示，高量生物炭的综合得分（0.703）远高于低量生物炭（0.361）和秸秆还田（0.396）。这表明高量生物炭施用是实现农业土壤重金属污染阻控与碳封存双重目标的最佳协同策略。

Graphical Abstract : Visually show the different effects of biochar and straw on bioavailability and speciation of heavy metals.

Fig. 1. Bioavailable heavy metal concentrations of Cd (a), Pb (b), Ni (c), Co (d), Cu (e) and Mo (f) in soils amended with biochar and straw.

Fig. 2. Mechanistic drivers of heavy metal bioavailability and speciation under biochar and straw amendments.

秸秆炭化还田在促进农田土壤固碳方面展现出巨大潜力，但其改良效果受土壤母质、气候等的影响。为了更好地刻画土壤本身性质对生物炭固碳效应大小，本研究在保持统一水肥管理的前提下，开展了一项为期11年的定位土柱试验来研究连续施用秸秆生物炭对三种不同母质（第四纪红粘土、第三纪红砂岩、黄河冲积物）发育的水稻土和旱地土壤有机碳固存的影响。结果表明，土地利用方式与土壤母质共同决定了土壤固碳潜力。水稻土的土壤有机碳储量比同母质旱地土壤高出66-323%，且难降解碳（芳香碳）贡献更大。然而，两者对土壤固碳的机制并不一致，土地利用方式主要通过调节微生物群落结构（如革兰氏阳性/革兰氏阴性细菌和真菌/细菌比率）来改变土壤有机碳化学组分；土壤母质主要通过其塑造的关键理化性质（如pH和质地），主要调控微生物残体碳的积累。例如，酸性粘壤土和微碱性粉壤土显著促进了真菌残体碳的积累，更有利于土壤有机碳的长期稳定。本研究揭示了“生物炭-土壤性质-微生物群落-残体碳-有机碳组分”的驱动路径，为因地制宜地优化地生物炭固碳策略提供了依据。

图1 图文摘要

图2 水稻土 (a) 和旱地土壤 (b) 中SOC组成与土壤因子之间的皮尔逊相关性分析

01

土地利用方式主要调控有机碳固存量，水稻土固碳潜力显著高于旱地。

02

生物炭通过改变特定微生物群落比率来促进水稻土中芳香碳的积累。

03

土壤理化性质（pH、粘粒含量等）间接塑造了微生物介导的碳化学组成和稳定性。

04

在稻麦系统下，粘壤土比砂土更有利于真菌残体的形成，从而贡献于稳定的碳库。

05

水旱不同利用方式对生物炭固碳影响更大，但其介导的碳功能基因调控机制不明 ，高敏感性的功能基因可精准解析碳周转的分子调控路径，有待进一步阐释。