不同种类生物质炭诱导人工林土壤有机碳分解激发效应及机制

Priming effect is one of the most important ecological processes affecting soil carbon sequestration. In order to increase the storage of forest carbon sink and thus mitigate global climate change, it is of great significance to understand the priming effects on the decomposition of soil organic carbon (SOC) induced by biochar, which is considered to be a potential effective measure for soil carbon sequestration. However, there is a lack of systematic understanding of the mechanisms involved in priming effects induced by different kinds of biochars. A soil from a poplar plantation will be used in a laboratory experiment to study the magnitudes and directions of the priming effects on SOC decomposition induced by six different kinds of biochars produced by rice, poplar and rabbit manure under 300 and 500 ºC respectively using 13C stable isotope tracing technique; the involved mechanisms of priming effects will be further revealed by phospholipid fatty acid-stable isotope probing (PLFA-SIP), substrate induced growth respiration (SIGR), enzyme activity measurement and infrared spectroscopy techniques from the point of soil microbial community and carbon availability; Meanwhile, the key biochar property influencing the priming effects on SOC decomposition will be explored by combination analysis of physicochemical properties of biochars and the induced priming effects. This study is of great significance for the further understanding of the soil carbon sequestration by biochar, and provides a theoretical basis for the development of new technologies for carbon sequestration and emission mitigation in plantations.

激发效应是影响土壤碳累积的重要生态过程之一。理解潜在有效的固碳物质——生物质炭所诱导的土壤有机碳（SOC）分解激发效应对于提高森林碳汇、应对气候变化具有重要意义。然而，不同种类生物质炭所诱导的激发效应及机制还缺乏系统认识。本研究拟以杨树人工林土壤为研究对象，通过室内培养实验，以不同种类生物质炭为切入点，利用13C同位素示踪技术研究不同种类生物质炭诱导人工林SOC分解激发效应的强度和方向；进一步利用磷脂脂肪酸-稳定同位素探针（PLFA-SIP）、底物诱导生长呼吸（SIGR）、土壤酶活性测定、红外光谱等技术，从土壤微生物群落和碳源可利用性两个方面，揭示不同种类生物质炭诱导人工林SOC分解激发效应的机制；同时，结合不同种类生物质炭的理化性质，探究影响人工林SOC分解激发效应的关键生物质炭性质。本研究对加深理解生物质炭的土壤固碳功能具有重要意义，并为人工林固碳减排新技术的研发提供理论依据。

理解生物质炭对土壤有机碳分解的激发效应有助于认识生物质炭的固碳减排功能。本项目研究了以水稻为原料在300 oC（B300）和500 oC（B500）制备的2 种生物质炭对人工林土壤有机碳（SOC）分解的激发效应及机制。依托江苏省东台市国有林场，以幼龄（4 年）和老龄（23 年）的杨树人工林土壤为研究对象，利用13C 稳定同位素技术开展了室内培养实验。B300和B500分别导致了杨树人工林SOC分解的正激发效应和负激发效应。60 d的培养期间，B300在幼龄和老龄的杨树人工林土壤诱导的激发效应大小分别为18.6和5.56 mg C kg-1，相对大小分别为12.4％和3.35％；B500诱导的激发效应大小分别为-24.9和-29.6 mg C kg-1，相对大小分别为-16.6％和-17.8％。B300 没有引起土壤胞外酶活性的增加，B500 没有降低土壤本身来源的热水提取溶解有机碳（DOC）含量。依托南京林业大学下蜀林场，选取榉树人工林为实验地，利用13C 稳定同位素技术开展了182 d的野外原位实验。B300和B500对榉树人工林SOC分解产生正激发和负激发效应，累积激发量分别为30.3和-19.4 g C m-2，相对大小分别为22.3％和-13.6％。培养结束时，B300增加了土壤微生物生物量，降低了放线菌的相对丰度以及革兰氏阴性（G-）细菌/革兰氏阳性（G+）细菌，没有增加胞外酶活性，这表明B300诱导了表观正激发效应。相反，B500降低了土壤微生物生物量，增加了放线菌的相对丰度以及G-细菌/G+细菌的比例，提高了多酚氧化酶和过氧化物酶活性，表明土壤微生物倾向于分解相对难分解的OC。13C同位素分析表明，B300增加了土壤本身来源的热水提取DOC，而B500没有影响。而且，土壤本身和生物质炭来源的二氧化碳在B300和B500处理均呈正相关关系。综上所述，室内培养和野外实验共同证明，300 oC 生物质炭通过激活土壤休眠微生物而引起表观正激发效应，而500 oC 生物质炭通过改变微生物群落并引起微生物的部分基质转移而诱导真正的负激发效应，这种差异与生物质炭的OC 组成密切相关。本研究将SOC分解及由不稳定C引起的SOC分解激发效应的“微生物控制”扩展到低比表面积的生物质炭引起的激发效应，同时为人工林固碳减排新技术的研发提供了依据。