NC|生物炭如何提升土壤有机碳上限
人类活动在全球范围内以CO2的形式释放了260Pg的生态系统碳，这些碳不可避免的造成了深刻的气候影响。据估计，在转化为热带草地的1Mha土地上，1米深的土壤损失了122 Mg土壤有机碳(SOC)。土壤碳饱和概念表明SOC的储存存在上限，这个上限是由保护土壤有机质免受矿化的机制所决定的。IPCC认为生物炭具有巨大的CO2去除潜力。生物炭可以保护新碳（来源于根际沉积和微生物死物质）。然而，生物炭通过保护和建立土壤有机碳（SOC）来减缓气候变化的潜力经常被忽视。具体而言，生物炭对SOC的分子多样性、空间异质性和时间变化的影响机制在10年时间尺度上仍未解决。因此，本研究评估了生物炭如何建立新生物SOC库的能力和机制。结果表明，首次在亚热带牧场的铁铝土中应用柳桉生物炭提高了每公顷9.3Mg新碳的土壤碳上限，再次应用生物炭提高了额外的每公顷2.3Mg新碳。进一步分析表明，碳官能团的高度空间异质性导致微聚集体(53-250µm)和矿物组分(<53µm)中根际沉积和微生物死物质的保存。生物炭通过降低特定酶的活性，微生物的碳利用效率得到了提高，从而有助于将土壤中已有SOC的矿化降低18％。
场地实验系统：在2006年的表层土(0-1m)添加每公顷10吨生物炭+必要的NPK肥料（历史）vs.只添加NPK肥料（对照）。每年约产生35Kg黑麦草，并在冬季和春季施用6次每次46N的尿素和。接着在2018年(约8.2年后)，在历史和对照组中建立0.5m×0.5m的亚区域，继续施加生物炭，形成历史+最近和对照+最近组别继续试验1.3年。
微实验系统：为了研究植物-生物炭-土壤的互作如何影响土壤SOC的激活，使用脉冲标记法测定了土壤、土壤+根、沙子+根样品的二氧化碳的δ13C。
分析手段：13C同位素，3D-FIB-SEM-EDS，SXR，IRM，HAADF-STEM，EELS，XPS，模型估计。
其他分析：土壤和植物根呼吸作用，多种微生物酶含量，团聚体大小和密度，土壤有机碳含量。
通过有机碳分析可以看出，无论一次还是两次添加生物炭，均能提高SOC。9.5年后，对照组SOC为每公顷35Mg碳，而历史组为每公顷50Mg碳。当对照组在8.2年后添加生物炭，其SOC可以提高到每公顷44Mg碳。而历史组在再次添加生物炭，其SOC可以提高到每公顷58Mg碳。因此，在已经添加生物炭的历史组中，再次添加生物炭仍能够获得25%的SOC新碳积累。
经过生物炭处理后，SOC增加的原因是有机物矿化减慢的净积累。呼吸分析表明生物炭并没有改变土壤和根的呼吸。
9.5年后，13C的分馏结果表明，历史组的根沉积13C保留率明显高于对照组，约18%。因此，生物炭添加能够提高地下土壤碳保留。其中的14%可以被矿物有机物的13C分馏来解释。
这是因为在8.9年时，生物炭添加组微聚体中的包裹的颗粒有机物(O-POM)和大聚体中的矿物有机物(M-SOM)是对照组对应部分的两倍。而根驱动的13C在9.2年时被积累到了大聚体中的O-POM和M-SOM，而在9.5年时全部传递到了大聚体和微聚体的M-SOM中。
在8.8和9.5年之间，与控制+最近相比，重新添加生物炭显著提高了历史+最近组的柠檬酸、苹果酸和原儿茶酸的呼吸作用，这能够部分解释控制+最近组的代谢商更高（代谢商与C利用效率成反比），因此，也表明了历史+最近组具有更高的基质代谢效率和之前添加生物炭介导的快速的负激发作用。
通过13C同位素的跟踪和可视化技术的检测，生物炭在老化的过程中能够在表面富集一层薄薄的矿物层，这个矿物层有助于保护根驱动的碳和微生物的死物质而不被微生物继续代谢降解。而随着时间的推移，生物炭表面或界面形成了有机矿物和有机界面来建立根际沉积。
9.5年后，生物炭表面复杂的EDS光谱表明带正电的Al，Si，Ca，P和Fe相关的矿物能够附着在带负电的生物炭表面通过C=C，C-OH，C-N/C=N，C=O，COOH官能团醌基，阴离子等，并在生物炭表面形成了孔簇。这些结果都表明在团聚体周转时生物炭表面的有机矿物的重复形成。
多种光谱学结果表面碳能够通过在土壤中形成有机-矿物-Fe氧化物的形式保存下来。
通过分析了控制+生物炭组的生物炭表面和孔隙中形成的有机-矿物和有机-有机图层的化学组成。结果表明胶体生物炭颗粒、渗滤液、溶解的天然SOC和根沉积物可以进一步单独保留，或通过与Ca2+或Al和铁羟氧化物的阳离子桥接连接在一起或与有机物进行反应从而保留在生物炭表面的图层上。
作者依据光谱证据和现有的文献分析，得到了生物炭提高土壤SOC的步骤。
其中SXR分析表明微聚集体中的C官能团主要由醌类、芳香类碳（共轭碳=C的1s-π*跳跃）、碱-脂肪族C和羧基C组成。矿物部分的碳的特征是脂肪族、酰胺和羧基，表明微生物代谢物或碎片、胞外多糖和根系分泌物沉积在矿物表面。然而，SXR锋拟合表明历史+最近组的脂肪族碳是控制+最近组的两倍。结果证明了根沉积物和微生物死物质并入SOC的证据，根沉积物主要是微聚集体，而不是矿物组分。也就意味着根沉积的保留是基于矿物和矿物-有机界面的形成的，而微生物死物质保存在矿物中的有机矿物界面。
作者最后对生物炭提高全球的土壤有机碳库的能力进行了评估。基于目前木质生物炭的制造和应用容量，土壤碳预估可以实现每年额外的0.23-0.45 Pg C。
在本研究中，作者在在亚热带土壤中战略性地施用了一种Eucalyptus saligna生物炭，并在八年后发现生物炭提高了土壤有机碳的储存能力。而对已施用生物炭的土壤进行第二次施用，也会导致每公顷存储2.3兆克新的碳（包括微生物死亡物质和根际沉积物）作为SOC的补充。原位光谱分析表明，在分子和微团聚体尺度上，土壤中积累了粘土矿物-有机复合物。如果在其他热带红黏土土壤中也适用这一机制，将极大地增加通过利用生物炭实现二氧化碳去除的潜力。