Short-term effects of biochar application on the carbon sequestration capacity of young Populus plantations

试验区位于江苏省泗洪县马浪湖林场，33°19′N，118°18′E，地处洪泽湖西岸，属暖温带湿润季风气候，年降水量约为972.5 mm，降水主要集中于6—8月，年平均气温为14.4 ℃，年日照时数为2 250.0~2 350.0 h，无霜期约为197.0 d。土壤母质为洪泽湖淤积土。实验林分为1年生杨树人工林(造林时间为2022年3月)，造林杨树无性系为‘南林3804杨’P. deltoides ‘Nanlin 3804’，造林密度为6 m×6 m，造林斑块总面积为6 hm²，造林苗木规格为“两根一干”，即苗木具备2年生的根系及1条1年生的健壮直立主干。林地土壤容重为1.25 g·cm⁻³，土壤全氮、全磷、有机碳分别为1.06、0.31、15.23 g·kg⁻¹，土壤速效磷、硝态氮、铵态氮分别为28.33、9.67、4.62 mg·kg⁻¹，土壤pH为6.65。

本研究采用随机区组实验设计方案。于2023年3月底设置3种不同实验处理：未施用生物炭的空白对照(ck)、低生物炭施用量(B1，30 t·hm⁻²)、高生物炭施用量(B2，60 t·hm⁻²)。每个处理设4个重复样地，不同样地之间间隔10 m以上，共12个样地。样地面积为24 m×24 m，每个样地内包含16株杨树，共计192株。本研究严格控制单一变量，所有处理均不进行任何施肥操作，仅通过生物炭施用量构建差异处理。根据每块样地的实际用量，先将生物炭均匀铺在样地地表，然后利用农用土壤翻耕机将生物炭均匀混入0~40 cm深土层中。对照样地仅进行与处理组完全一致的翻耕操作，不做其他任何处理。本研究生物炭总施用量合计20.8 t，生物炭材料为稻壳炭，碳质量分数为64.61%，氮质量分数为0.06%，氢质量分数为3.88%，氧质量分数为31.41%。

乔木层生物量及碳储量估算：于2023年3月、2024年3、8和12月以及2025年3月，对杨树人工林的乔木进行每木检尺。基于胸径树高数据，并结合陈乐蓓^[14]已建立的杨树单株生物量异速生长方程，计算每株林木的生物量并乘以碳转换系数0.48^[15]换算成固碳量，最终将所有林木株数累计推算得到乔木层碳储量。

草本层、凋落物层生物量及碳储量估算：于2023年3月、2024年3月和2025年3月，随机选取5个1 m×1 m样方，分别采集草本层和凋落物层样品。称取各小样方样品鲜质量，五点混匀后取20%带回实验室，放入105 ℃的烘箱杀青5~10 min，并在85 ℃持续烘干至恒质量，推算单位面积生物量，采用常见的碳转换率0.45^[16]计算碳储量。乔木层、草本层和凋落物层碳增量分别由2023年的碳储量与2024年的碳储量差值及2024年的碳储量与2025年的碳储量差值获得。

土壤取样时间分别为2023年3月、2024年3月和2025年3月，从每个样地采集土壤样品。对0~100 cm深度的土壤剖面取样，分0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm土层，每层土壤采集约200 g样品。将样品平均分成2份，一份置于－4 ℃冰箱，另一份风干，用于测定土壤养分等指标。采用钼锑抗比色法测定全磷和速效磷；采用2 mol·L⁻¹ 氯化钾浸提法测定土壤铵态氮和硝态氮；采用电位法测定土壤酸碱度；借助元素分析仪(Vario Element Ⅲ)测定土壤全氮。参照杨丽丽等^[17]的方法，通过单位换算系数对各土层碳质量分数、土壤容重、土层厚度的乘积进行累加计算得到土壤层碳储量，土壤层碳增量分别由2023年的碳储量与2024年的碳储量差值及2024年的碳储量与2025年的碳储量差值获得。

采用SPSS 27.0软件进行数据统计分析，借助单因素方差分析(One-way ANOVA)方法检验生态系统各层碳储量在不同处理下的差异显著性；同时使用重复测量方差分析(Repeated Measures ANOVA)检验不同处理和时间对各层碳储量的影响。使用Origin 2024软件对杨树人工林各层碳储量与土壤理化性质进行相关性分析。使用Canoco 5.0对土壤理化因子与土壤生态系统碳储量进行冗余分析。

生物炭施用可以显著促进杨树胸径、树高生长(图1)。其中，2024年3、8月，B2处理组杨树平均胸径、树高均显著高于ck (P＜0.05)；B1处理组与ck相比均无显著差异，表明这2个时期高生物炭施用对杨树胸径、树高生长存在短期显著促进作用。测量发现2024年3、8月胸径生长量B1处理较ck增长10.45%和12.87%，B2处理较ck增长14.78%和16.54%；树高生长量B1处理较ck增长2.47%和6.36%，B2处理较ck增长18.11%和17.12%，表明胸径、树高生长受B2处理影响更显著。

Figure 1.  Effects of biochar application on mean DBH and mean height of poplar trees

2023—2024年，生物炭施用显著提升了乔木层、草本层和凋落物层的碳储量净增量(P＜0.05，图2A)，而在2024—2025年对植被层碳储量净增量的促进作用不显著(图2B)。2023—2024年，乔木层碳储量净增量在ck、B1和B2处理下分别为1.38、1.94和2.24 t·hm⁻²；草本层为0.02、0.03和0.05 t·hm⁻²；凋落物层为0.01、0.05和0.07 t·hm⁻²。2023—2025年，与ck相比，B1和B2处理使乔木层碳储量提升23.26%和34.84%，草本层提升10.08%和26.58%，凋落物层提升28.53%和53.67%，乔木层、草本层和凋落物层碳储量净增量从大到小依次均为B2、B1、ck，即高生物炭施用量更有利于植被层生物量有机碳的固持。总体而言，生物炭施用使杨树人工林碳储量呈显著增加趋势，其中B2处理对植被层的固碳增汇能力更好。

Figure 2.  Effects of biochar application on net increases in carbon stock in the arbor layer, herb layer, and litter layer

2023—2024年，生物炭施用显著提升了0~40 cm的土壤碳储量净增量(P＜0.05，图3A)，在2024—2025年对土壤层的碳储量净增量作用不显著(图3B)。2023—2024年，B1、B2处理下0~40 cm平均土壤有机碳储量净增量较ck分别提高了15.98、34.02 t·hm⁻²，而生物炭施用对40~100 cm土壤层碳储量净增量没有显著影响。2023—2024年0~10 cm土壤层碳储量净增量在ck、B1和B2处理下分别为0.60、6.44和12.15 t·hm⁻²；10~20 cm土壤层碳储量净增量为0.13、5.95和11.67 t·hm⁻²。20~40 cm土壤层碳储量净增量为0.05、4.37和10.98 t·hm⁻²。各处理土壤层碳汇从大到小依次为B2、B1、ck。这表明高生物炭施用量有助于提升土壤层碳储量。总体而言，与ck相比，生物炭施用1 a后，0~40 cm土壤碳储量净增量均有不同程度增加，其中表层土的增效最大，说明土壤碳储量受到了生物炭的直接影响，生物炭施用对提升杨树土壤碳汇能力具有积极作用。

Figure 3.  Effects of biochar application on net increases in soil carbon stock

本研究对乔木层、草本层、凋落物层碳储量和0~100 cm土壤层总碳储量进行重复测量方差分析。分析结果(表1)表明：不同处理单独作用对草本层、凋落物层和土壤层碳储量有极显著影响(P＜0.01)，但对乔木层没有显著影响；不同时间单独作用对乔木层、草本层、凋落物层和0~100 cm土壤总碳储量均有极显著影响(P＜0.01)；不同处理和时间的交互作用对凋落物层碳储量和0~100 cm土壤总碳储量有极显著影响(P＜0.01)，对乔木层和草本层碳储量有显著影响(P＜0.05)。

相关分析(图4)表明：土壤全氮、全磷、铵态氮和乔木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量呈极显著正相关(P＜0.01)。土壤速效磷、硝态氮与乔木层呈显著正相关(P＜0.05)，与草本层、凋落物层和土壤层碳储量呈极显著正相关(P＜0.01)。土壤pH、碳氮比与草本层、凋落物层和土壤层碳储量呈极显著正相关(P＜0.01)。

Figure 4.  Correlation analysis of carbon storage in different layers of poplar plantations and soil physicochemical factors

进一步通过冗余分析探讨了生物炭施用后土壤理化性质对生态系统碳储量的影响机制。冗余分析结果(图5)表明：第1轴和第2轴共同解释变量的79.14%，土壤全氮是杨树人工幼林生态系统碳储量的主要贡献因子，解释了71.6% (P=0.002)。

Figure 5.  Redundancy analysis of carbon storage in different layers of poplar plantations and soil physicochemical factors

本研究表明：生物炭施用后，杨树人工幼林乔木层、草本层、凋落物层和土壤层的固碳增汇能力相较于ck均有显著提高。植被层碳储量净增量主要来源于乔木层贡献(占比97.9%)，与ck相比，生物炭施用大幅度提高了乔木层的固碳增汇能力。这与生物炭物理化学特性密切相关。生物炭可有效降低土壤容重、增大孔隙度，进而增强土壤持水能力，其蕴含的丰富碳元素及灰分中的营养物质为植物生长以及土壤微生物、动物活动提供了良好的养分基础^[18]。YIN等^[19]的研究证实，生物炭的多孔结构能有效改善根系发育环境，其表面官能团可与植物分泌物形成配位键，延长养分释放周期。这种特性有利于乔木等多年生木本植物的持续生长。与ck相比，B1和B2处理使乔木层碳汇提升23.26%和34.84%，证实了生物炭在提升植被层碳固定方面的优势。草本层与凋落物层作为生态系统的物质循环枢纽与能量流动载体，其碳汇能力提升并非孤立效应，而是与乔木层、土壤层形成了碳积累的正反馈循环。本研究B1、B2处理的草本层碳汇较ck处理提升10.08%和26.58%，凋落物层碳汇分别提升28.53%和53.67%。这一现象可归因于生物炭改良土壤后，草本植物生长旺盛带来的生物量增加，也与生物炭自身富含芳香性结构，能够抵御土壤微生物的分解有关^[20]。凋落物层碳储量的增加，能够降低土壤侵蚀导致的碳流失，缓慢分解过程释放有机碳和养分，进一步补充土壤碳库，为乔木和草本生长提供滋养。大量研究证实，生物炭可以通过促进植物生长，增加植被生物量碳来保护土壤有机碳免于分解，间接增强生态系统的碳储量^[21]。

有研究显示：自然界中普遍存在碳源与碳汇，固碳减排需提高碳汇规模，以推动碳储量的提升^[22]。固碳能力主要受有机质积累与分解过程调控，两者动态平衡决定了土壤肥力，适当添加生物炭可以增加有机质积累，提升土壤肥力，改善土壤结构，进而提升土壤的碳储量。本研究显示：生物炭施用1 a后杨树人工幼林土壤碳储量得以提高，表明生物炭具备良好的固碳效能，对土壤碳封存具有积极促进作用。这一结果与CRISCUOLI等^[23]将木屑生物炭施入葡萄园土壤后短期显著提升土壤碳储量的研究结论一致。此外，土壤碳质量分数随着土层深度增加而降低，具有明显的垂直分布特征^[24]。施用生物炭显著改变了土壤碳库的垂直分布格局，其固碳效应在不同土层深度表现出明显的异质性。本研究发现：在0~40 cm土层施用生物炭后各土层土壤碳储量均显著提高，且B1、B2处理较ck分别实现了36.97%和68.56%的碳汇提升。这主要源于2个方面：一是生物炭的直接碳输入，二是生物炭对土壤微环境的综合调控。生物炭的高芳香化结构和多孔特性可增加土壤比表面积^[25]，其表面羧基和酚羟基等官能团通过配位键固定有机分子，形成物理-化学双重保护机制，减少土壤有机碳的矿化分解^[26]；同时，生物炭的碱性特征使表层土壤pH提升，改善了苏北淤积土酸性的问题，促进了土壤微生物活性，进一步提升土壤有机碳。本研究中施加生物炭对表层土壤养分总量及有效量均呈现显著增加趋势。这与任涵^[27]研究结果基本一致，进一步佐证了生物炭对表层土壤环境的改良效应。深层土壤碳汇提升，则得益于生物炭在土壤中缓慢迁移并形成稳定的碳骨架^[28]，不易被微生物分解，从而提高土壤碳库稳定性，促进生物炭对土壤固碳的长期影响。在生物炭施用后的第1年，对乔木层、草本层、凋落物层及土壤层的碳汇能力均产生了显著的即时促进效应。在第2年，B1、B2处理的乔木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量净增量仍较第1年持续提升，但处理间差异不显著，这并未证明其促进作用消失，而是通过更稳定的土壤基础改良效应持续发挥作用。多数研究发现：生物炭施用引起的土壤养分增加通常是短暂的，且由于植物吸收和淋溶，这种影响随时间而下降^[29]，但本研究中第2年仍保持稳定固碳，可能是由于生物炭的多孔结构对养分的持续吸附释放有关，可缓解养分淋溶损失，且第1年改良的土壤物理结构已形成稳定环境，为植被生长和微生物活动提供了持续保障，这与GLASER等^[6]提出的长期施用生物炭对植物生长和产量的影响主要是通过改变养分的生物有效性，而不是通过生物炭直接提供养分的观点一致。由此可见，苏北杨树人工幼林土壤有机质质量分数较低，60 t·hm⁻²高剂量生物炭的输入不仅直接增加了土壤碳库的基础储量，对土壤物理性质、养分状况的改良效应也更显著，进而更有效地促进植被生长和碳固定。

土壤理化性质的改善是碳汇能力提升的重要驱动力，而生物炭的应用已被证明可以显著改善土壤理化性质^[30]。生物炭施用可综合改善土壤水、肥、气、热等环境条件^[31]，从而促进杨树生长发育。本研究相关分析表明：土壤pH、全氮、全磷、有效磷、铵态氮、硝态氮和碳氮比与杨树人工林乔木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量呈显著正相关，这可能与生物炭特性有关。生物炭能直接为杨树生长提供养分，同时减少酸性土壤中磷的固定作用，提升磷素的生物有效性。同时，生物炭比表面积较大，可以吸附土壤中的氮、磷、钾等有效养分^[32]，提高作物养分利用率^[33]。其中，生物炭对养分的吸附与活化效应，往往与其调节土壤酸碱度的能力密切相关。土壤酸性是影响土壤肥力提升和作物产量增加的关键因子^[34]。本研究结果表明：草本层、凋落物层和土壤层碳储量与pH呈极显著正相关。这与樊洪等^[33]研究一致，可能是由于生物炭表面存在负电荷的官能团，可以与土壤溶液结合从而提高土壤pH。此外，本研究稻壳炭本身pH较高，有利于提高土壤pH^[7]。其次，土壤全氮、全磷、有效磷、铵态氮、硝态氮和碳氮比与生态系统各层碳储量呈极显著正相关，这可能是由于施用生物炭提高了土壤养分有效性，减少了养分损失。CAO等^[34]研究表明：生物炭施用不仅提高了土壤pH和全磷质量分数，而且改善了土壤性质；PRAPAGDEE等^[35]研究发现：添加5%(质量比)的生物炭可显著提升土壤有效磷质量分数；王洪媛等^[36]研究指出：生物炭施用会对土壤氮素转化机制产生影响，进而作用于土壤氨氮。总体来说，由于生物炭独特的理化性质，在杨树幼林土壤中施用生物炭可显著提升土壤养分，增加土壤有机质储备，减少养分淋溶损失，并进一步提高土壤养分的利用效率。施用生物炭对土壤理化性质的改善及土壤肥力的稳定维持或提高是促进作物生长和固碳增汇的可能原因，然而，长期施用生物炭对杨树人工幼林土壤理化性质的影响机制仍需进一步研究。

综上所述，施用生物炭有利于持续稳定促进杨树林木胸径、树高的快速生长，且有效改善杨树人工幼林土壤的全氮、全磷、有效磷、铵态氮、硝态氮、碳氮比和pH，全氮是杨树人工幼林生态系统各层碳储量的主要贡献因子。施用生物炭在改良土壤结构的同时，提高了养分的实际利用效率，进而对杨树人工幼林乔木层、草本层、凋落物层及土壤层的固碳增汇产生正面效应。其中，60 t·hm⁻²的高生物炭施用量可在短期快速稳定固碳，对杨树人工幼林固碳增汇能力的促进效果更好。因此，施用生物炭可显著提升杨树人工幼林生态系统的固碳增汇潜力，其中乔木层和土壤层碳储量的变化主导了生态系统碳汇能力的提升。未来，应深入开展生物炭与联合施肥对杨树人工林碳储量影响的研究，以推动其在生产中的更广泛应用。