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我校在全球生物炭添加对土壤碳分解关键酶活性的影响方面取得新进展

核心提示: 近日,华中农业大学资源与环境学院在生态/农业与生物科学领域期刊Biological Reviews上在线发表了研究论文,明确了全球生物炭添加对土壤碳分解关键酶活性的影响,并阐明长期生物炭添加影响碳固持的驱动机制。

南湖新闻网讯(通讯员 冯娇)近日,华中农业大学资源与环境学院在生态/农业与生物科学领域期刊Biological Reviews上在线发表了题为“Trade-offs in carbon-degrading enzyme activities limit long-term soil carbon sequestration with biochar addition”的研究论文,明确了全球生物炭添加对土壤碳分解关键酶活性的影响,并阐明长期生物炭添加影响碳固持的驱动机制。

生物炭是生物质在高温缺氧环境下热解的产物,生物炭添加被认为是增加土壤碳固持及减缓大气CO2浓度增高的重要途径。近几十年来,生物炭添加被广泛采用,预计到2050年有望从大气中固持0.3–2.0 Pg CO2。然而,尽管众多研究表明生物炭添加对土壤碳固持有促进作用,但酶调控的分解过程如何影响长期土壤碳固持仍未知。

研究人员通过Meta分析收集了全球五大洲130篇文章中的923组土壤碳分解酶数据,分析生物炭添加对有机碳分解过程的影响。此外,还搜集12194条相关生物炭添加试验设置(时间、材料等)、气候、土壤、生物属性等信息,探究生物炭添加影响土壤碳固持的机制。研究表明,生物炭添加提高了分解复杂多酚大分子的木质素酶活性(+7.1%),但降低了分解简单多糖的纤维素酶活性(-8.3%)(图1)。

图1. 生物炭添加对土壤木质素酶、纤维素酶活性及其比例的影响

图1. 生物炭添加对土壤木质素酶、纤维素酶活性及其比例的影响

混合效应模型结果表明,这两类关键酶的权衡(木质素:纤维素酶比)是预测生物炭添加下土壤碳固持效应的最重要因素,且与土壤碳固持效应之间呈显著负相关关系。此外,土壤木质素酶与纤维素酶之比随生物炭添加时间显著增加,导致土壤碳固持效应随生物炭添加时间下降(图2)。

图2. 生物炭添加下酶介导的土壤碳固持机制概念模型

图2. 生物炭添加下酶介导的土壤碳固持机制概念模型

研究结果从酶角度提供了生物炭影响长期土壤碳固持的新证据,强调如果不考虑微生物群落生理特征的长期适应性,将大大提高关于生物炭对土壤碳固持潜力的评估。

华中农业大学资源与环境学院冯娇副研究员为论文第一作者,刘玉荣教授和丹麦奥尔胡斯大学陈骥教授为论文共同通讯作者。新墨西哥大学Robert L. Sinsabaugh教授、托莱多大学Daryl L. Moorhead教授、奥尔胡斯大学Mathias Neumann Andersen教授、阿伯丁大学Pete Smith教授、华中农业大学黄巧云教授及硕士生余岱霖等也参与了该项研究。本研究得到了国家自然科学基金、欧盟“玛丽居里学者”等项目的资助。

【英文摘要】

Biochar amendment is one of the most promising agricultural approaches to tackle climate change by enhancing soil carbon (C) sequestration. Microbial-mediated decomposition processes are fundamental for the fate and persistence of sequestered C in soil, but the underlying mechanisms are uncertain. Here, we synthesise 923 observations regarding the effects of biochar addition (over periods ranging from several weeks to several years) on soil C-degrading enzyme activities from 130 articles across five continents worldwide. Our results showed that biochar addition increased soil ligninase activity targeting complex phenolic macromolecules by 7.1%, but suppressed cellulase activity degrading simpler polysaccharides by 8.3%. These shifts in enzyme activities explained the most variation of changes in soil C sequestration across a wide range of climatic, edaphic and experimental conditions, with biochar-induced shift in ligninase:cellulase ratio correlating negatively with soil C sequestration. Specifically, short-term (

论文链接https://doi.org/10.1111/brv.12949

审核人 刘玉荣

责任编辑:蒋朝常 杨悦