长期生物炭施用稻田中矿物-有机碳-磷耦合研究取得进展

生物炭作为重要的农田调控材料，在提升土壤养分利用效率、缓解气候变化方面具有广阔应用前景。然而，现有研究多聚焦于短期试验，对于其在长期田间管理条件下能否持续实现农学效益与环境效益协同提升，目前仍缺乏系统认知。尤其值得关注的是，生物炭的调控效应受土壤矿物过程与微生物过程共同影响，并随稻田周期性氧化还原变化及pH波动不断演变。因此，从长期尺度系统解析生物炭驱动的矿物-有机碳-磷耦合机制，成为评估其可持续应用潜力的关键科学问题。

针对上述科学问题，中国科学院南京土壤研究所王慎强研究员、汪玉副研究员团队，依托长江流域典型稻麦轮作区，开展了为期13年的长期秸秆生物炭还田定位试验，系统揭示了长期生物炭施用条件下，稻田土壤矿物转化、有机碳稳定与磷循环演变的耦合规律。

试验结果表明，生物炭在不同施用阶段呈现出显著差异化的调控效应，其中累积施用量是决定其效应转变的关键因素。当累积施用量低于56 t ha⁻¹（约2.5% w/w）时，生物炭主要发挥电子穿梭介质作用，可促进Fe(III)矿物的还原溶解及晶相转化，增强铁结合磷的释放，但土壤有效磷含量仍呈现显著下降趋势。

进一步研究发现，随着生物炭施用量和施用年限的持续增加，土壤pH逐步升高，钙矿物不断富集，有机碳与磷的固持机制由表面吸附主导转变为桥联作用和共沉淀作用主导，进而使土壤中钙结合磷和铁结合有机碳含量分别显著提升。这一过程推动磷素由前期活化释放后的快速消耗状态，逐步转向后期相对稳定且具有缓释特征的矿物结合态，最终使土壤有效磷呈现出“前期快速下降、后期趋于稳定”的阶段性变化特征。

在淹水条件下，这类碳磷共沉淀复合体对氧化还原波动的响应显著减弱，微生物可利用性同步下降，Fe(III)还原速率降低2.5-3.2倍，既进一步抑制了铁结合磷的释放，也显著降低了稻田甲烷排放。

该研究基于长期田间试验，明确了生物炭调控矿物–有机碳–磷耦合过程的机制，揭示了其作用由“促进铁结合磷释放”向“增强碳磷协同稳定”转变的关键机制。研究证实，在稻田生态系统中，长期施用生物炭不仅有助于稳定作物产量，还能同步促进土壤碳固存、增强碳磷协同稳定并降低温室气体排放，彰显了其在协同提升稻田养分管理效能与缓解气候变化方面的重要应用潜力。

相关研究成果近日发表在Environmental Science & Technology上，并受邀作为期刊副封面论文刊发。陈浩特别研究助理为论文第一作者，汪玉副研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（42277026、42407470、42407048）、江苏省杰出青年基金（BK20230049）和土壤与农业可持续发展全国重点实验室重大专项（SKLSSA2507）等项目的联合资助。

论文链接

长期施用生物炭稻田中矿物-有机碳-磷耦合研究