第一作者：

陳雅蘭，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院勵(lì)耘博士后，師從孫可教授。主要從事生物炭環(huán)境地球化學(xué)行為及環(huán)境效應(yīng)的研究。以第一作者在GCB、SBB、EST、CEE等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文19篇（含共一3篇），1篇封面文章，1篇入選ESI高被引論文，引用>800次，H指數(shù)17。主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、博士后基金站中特別資助、博士后基金面上項(xiàng)目。曾獲寶鋼優(yōu)秀學(xué)生特等獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生、北師大優(yōu)秀博士學(xué)位論文等榮譽(yù)。

通訊作者：

孫可，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家杰出青年基金、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金和北京市杰出青年基金獲得者。主要從事生物炭環(huán)境地球化學(xué)行為及環(huán)境效應(yīng)的研究。在GCB、SBB、EST等期刊上發(fā)表高質(zhì)量SCI論文130余篇，他引7000余次，H指數(shù)51，5篇論文入選ESI高引論文。

高群，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院副教授，主要從事土壤微生物學(xué)研究。相關(guān)研究成果在PNAS、Nature Communications（2篇）等國際期刊發(fā)表高質(zhì)量SCI論文40篇，引用1200余次，H指數(shù)21。授權(quán)國家專利2項(xiàng)。榮獲中國微生物生態(tài)青年科技創(chuàng)新優(yōu)秀獎(jiǎng)，入選中國科協(xié)青年人才托舉工程及中國科協(xié)“未來女科學(xué)家計(jì)劃”。

土壤有機(jī)碳（SOC）的溫度敏感性（Q₁₀）是調(diào)控土壤-氣候反饋的關(guān)鍵參數(shù)。團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，通過物理保護(hù)和微生物活動(dòng)調(diào)控SOC的穩(wěn)定性和分解速率。生物炭和秸稈是常見的土壤改良劑，但它們對團(tuán)聚體尺度SOC穩(wěn)定性及其溫度敏感性的長期影響尚不明確。

（1）生物炭和秸稈通過不同機(jī)制影響不同粒徑團(tuán)聚體中的SOC賦存及穩(wěn)定性；

（2）生物炭相較于秸稈更為突出的土壤固碳潛力，與其不同粒徑團(tuán)聚體的SOC穩(wěn)定性及溫度敏感性差異有關(guān)。

（1）在中國山東桓臺(tái)縣開展為期14年的田間試驗(yàn)，設(shè)置對照、低生物炭添加、高生物炭添加和秸稈還田四個(gè)處理；

（2）采集0-20 cm土層樣品，分離為大團(tuán)聚體（LMA, >2 mm）、小團(tuán)聚體（SMA, 0.25-2 mm）和微團(tuán)聚體（MA, <0.25 mm）；

（3）測定SOC含量、δ13C、14C年齡、礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOM）、鐵鋁氧化物、微生物生物量、酶活性、微生物碳利用效率（CUE）和微生物殘?bào)w碳（MNC）；

（4）通過20 °C和30 °C培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)計(jì)算全土及團(tuán)聚體組分的Q_10；

（5）運(yùn)用隨機(jī)森林和PLS-PM模型分析關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

（1）生物炭相較于秸稈具有更高的土壤固碳潛力：生物炭處理顯著降低SOC礦化速率（4.9–14%），尤其是高生物炭添加下SMA和MA中SOC穩(wěn)定性最高、Q10最低；秸稈雖增加SOC含量，但顯著提高Q10（+89%），易受升溫影響（圖1）。

圖1?生物炭和秸稈添加對全土及不同粒徑團(tuán)聚體的土壤有機(jī)碳礦化及溫度敏感性的影響

（2）小團(tuán)聚體是SOC穩(wěn)定的關(guān)鍵場所：生物炭促進(jìn)SOC在SMA和MA中積累，礦物保護(hù)增強(qiáng)（MAOM和Fed增加），微生物CUE提高（+11–39%），MNC積累增加（+35–92%）；秸稈則主要通過物理封閉在SMA中積累SOC，但該組分中秸稈源碳分解對升溫敏感（δ13C-CO2證據(jù)），導(dǎo)致Q10較高，穩(wěn)定性較差（圖2-4）。

圖2?生物炭和秸稈添加對不同粒徑團(tuán)聚體的碳庫組成及同位素特征的影響

圖3?土壤有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)及不同粒徑團(tuán)聚體的碳庫組成

圖4?生物炭和秸稈添加對不同粒徑團(tuán)聚體的微生物特性的影響

（3）礦物保護(hù)和微生物效率是主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制：隨機(jī)森林分析表明，F(xiàn)ed含量是預(yù)測Q10的最重要因子；PLS-PM模型顯示，生物炭主要通過礦物保護(hù)和底物質(zhì)量調(diào)控SOC穩(wěn)定性，而秸稈則更依賴微生物活動(dòng)（圖5）。

（4）微生物群落響應(yīng)差異顯著：生物炭抑制微生物生物量和酶活性，但提高CUE和MNC積累；秸稈則顯著刺激微生物活動(dòng)，尤其是LMA中，但CUE較低，SOC易分解（圖4）。

圖5?土壤有機(jī)碳礦化及溫度敏感性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素

（1）生物炭通過增強(qiáng)小團(tuán)聚體中礦物-有機(jī)質(zhì)結(jié)合和提高微生物碳利用效率，顯著提升SOC穩(wěn)定性并降低其溫度敏感性；

（2）秸稈雖能短期促進(jìn)SOC積累，但其高Q10值使秸稈源碳在升溫條件下易分解，長期固碳潛力有限；

（3）研究強(qiáng)調(diào)團(tuán)聚體尺度機(jī)制在預(yù)測土壤碳-氣候反饋中的重要性，建議在未來模型中考慮納入團(tuán)聚體特異性參數(shù)。

本研究首次系統(tǒng)揭示了生物炭和秸稈通過團(tuán)聚體尺度過程調(diào)控SOC穩(wěn)定性和溫度敏感性的機(jī)制，為農(nóng)業(yè)土壤碳管理提供了科學(xué)依據(jù)。生物炭作為一種更穩(wěn)定的碳改良劑，在應(yīng)對氣候變暖背景下具有更大的應(yīng)用潛力。