近日，我院罗琳教授、张嘉超教授团队在农业科学Top期刊《Agriculture, Ecosystems and Environment》（中国科学院1区，SCI 2025 IF=7.7）发表重要成果：生物炭与益生菌酵素协同驱动土壤碳封存与重金属钝化

文章信息

第一作者：赵柯棋（湖南农业大学、湖南省农业科学院）

通讯作者：罗琳教授（湖南农业大学）、张嘉超教授（湖南农业大学）、杨晓梅研究员（中国农业科学院）

通讯单位：湖南农业大学、中国农业科学院

论文DOI：10.1016/j.agee.2026.110577

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农业土壤既是温室气体的重要排放源，同时也具备巨大的碳封存潜力。如何在提升土壤碳汇能力的同时实现重金属的原位钝化，是可持续农业发展面临的重大科学与技术挑战。本研究以水稻田为研究对象，系统探究了生物炭（B，稻壳生物炭，500℃热解，1350 kg/ha）、益生菌发酵剂（PFA，主要成分为枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，45 L/ha）及二者联合施用（BPFA）对土壤团聚体稳定性、碳封存及重金属形态转化的影响。研究发现，施肥策略显著改善了土壤的理化与生化性质，促进了土壤大团聚体（>0.25 mm）占比的提升。益生菌发酵剂显著增强了团聚体碳储量及平均重量直径（MWD）。生物炭处理使土壤中Cr、Cd、Pb的生物有效性分别平均降低34.3%、34.8%和23.5%；益生菌发酵剂使稻米中As、Pb、Cd、Cr含量分别降低18.8%、10.9%、23.2%和41.1%。联合策略使Cd、Cr、As的生物有效性分别降低14.5%、94.9%和79.7%，并显著降低了稻米中重金属（类金属）含量。结构方程模型分析表明，重金属污染是限制土壤碳汇功能的首要因素（总效应-0.75），而酶活性是驱动碳汇功能的关键因子（总效应0.72）。本研究为农业系统碳封存与污染协同治理提供了重要的科学依据与管理策略。

图文摘要

研究结果

图1系统展示了不同处理下土壤大团聚体（>2 mm）与微团聚体（<0.25 mm）中碳、氮、磷含量的变化规律。结果表明，微团聚体具有最高的全碳含量，而大团聚体全碳含量最低，这归因于微团聚体更大的比表面积和吸附能力。BPFA处理在生长中后期对土壤全氮的提升最为显著，生物炭则通过调控固定或活化过程改善了土壤全磷水平。

图1 有机物料对土壤全碳（A, B）、全氮（C, D）和全磷（E, F）的影响

图2展示了β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶、纤维素酶活性以及微生物生物量碳、氮、磷的变化特征。生物炭与益生菌发酵剂的联合施用产生了最佳的酶活性提升效果，其中氮和磷获取酶的活性增幅达34.8%至107.7%。值得注意的是，生物炭使微生物生物量磷（MBP）显著提高了297.5%（P < 0.05），而益生菌发酵剂则显著提升了微生物生物量碳（MBC）。这一结果表明，不同有机物料对微生物养分代谢的调控具有差异化的作用机制。

图2 有机物料对土壤酶活性及微生物生物量碳、氮、磷的影响

图3揭示了施肥处理对土壤团聚体组成及稳定性的调控效应。与返青期相比，施肥处理促进了微团聚体比例的下降和大团聚体分布的提升，其中BPFA处理对大团聚体占比的提升最为显著。益生菌发酵剂处理对团聚体碳储量的增强效果最为突出，同时MWD也显著提高。这些结果表明，生物炭与益生菌发酵剂的联合施用可通过物理-生物协同机制，有效促进大团聚体的形成与稳定，从而最大化土壤碳封存能力。

图3 有机物料对土壤团聚体分布、碳储量及稳定性的影响

图4展示了水稻不同生育期（返青、分蘖、拔节、抽穗、成熟）土壤中As、Cd、Pb、Cr生物有效性的动态变化。生物炭对Cr表现出全生育期稳定且显著的降低效果（降幅7.1%~88.3%），但对As和Cd在中后期存在一定的活化风险。益生菌发酵剂在拔节期对As的去除效果高达97.2%，但在分蘖期却导致As增加231.8%、Pb增加29.6%，表明其单独使用存在一定的环境风险。BPFA处理在成熟期使Cd降低14.5%，在返青期使Cr降低94.9%、As降低79.7%，展现出最佳的协同钝化效果。

图4 有机物料对不同生育期土壤重金属生物有效性的影响

图5对比了返青期与成熟期土壤团聚体中重金属形态的分布特征。在成熟期，BPFA处理使各粒径团聚体中残渣态As和Pb均有所增加，表明该处理有效促进了这些元素的稳定化。生物炭在所有粒径中均显著提升了可交换态Cd的含量，尤其在大团聚体中最为明显；而益生菌发酵剂与生物炭的联合处理则在微团聚体中部分降低了可交换态Cd。Cr的稳定性在B和BPFA处理下得到普遍改善。这一形态转化差异表明，生物炭主要通过其固有的理化性质实现重金属的吸附固定，而益生菌发酵剂则通过生物矿化等更复杂的生化途径实现长效稳定化。

图5 土壤团聚体中As和Cd形态的变化

图6揭示了土壤有机碳含量与电导率（EC）、铵态氮（NH₄⁺-N）、微生物生物量碳（MBC）及碳储量之间的线性关系。所有粒径团聚体的有机碳含量均与EC和NH₄⁺-N呈显著正相关（P < 0.05）。碳储量与MWD在所有粒径中均呈显著相关（P < 0.05），其中MWD与多种酶活性的相关性更为显著（P < 0.01）。这表明提升MWD不仅是改善土壤物理结构的目标，更是增强土壤碳封存能力和促进微生物代谢活动的关键策略。

图6 土壤碳含量与相关因子的线性关系及团聚体稳定性与土壤性质的相关性

图7通过冗余分析和随机森林模型，系统评估了环境因子对温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）排放的解释力。益生菌发酵剂有效降低了土壤碳限制和氮限制，使微生物代谢从限制状态转向更加平衡的状态。冗余分析进一步证实，引起温室气体通量变异的主要环境因素是MBC、MBN、MBP的变化以及益生菌发酵剂诱导的关键酶活性变化。随机森林模型表明，除碳获取酶外，氮和磷的有效性对CO₂和CH₄排放也具有重要影响。这一发现突破了传统碳-氮循环的认知局限，揭示了磷元素在微生物代谢过程中的基础性作用。

图7 环境因子对温室气体排放的响应及碳、氮限制评估

图8通过结构方程模型定量解析了有机物料输入、土壤有机碳、重金属、微生物生物量、碳获取酶及碳功能基因对土壤碳储量的驱动机制。模型显示，酶活性是驱动土壤碳封存的最显著因子（总效应0.72），应作为调控的核心靶点。重金属污染是限制碳储功能的主要因素（总效应-0.75），钝化处理成为最为关键的修复技术。有机物料输入具有刺激效应（总效应-0.27），需要加强监管并建立控制体系。这一多目标协同调控方案为提升土壤碳汇效率提供了工程化路径和定量依据。

图8 结构方程模型揭示各因子对土壤碳储量的直接与总效应

研究亮点：

协同增效机制：揭示了生物炭作为微生物物理庇护所与益生菌发酵剂提供易降解有机碳的互补性协同机制，实现了“1+1>2”的土壤修复效果。

团聚体-碳封存-重金属耦合：首次系统阐明了有机物料输入下团聚体演替与重金属形态转化之间的内在关联，为碳封存与污染治理的协同推进提供了理论支撑。

微生物碳氮限制缓解：证实益生菌发酵剂可通过提升碳获取酶活性和微生物生物量，有效缓解土壤微生物的碳限制和氮限制，优化代谢能量分配。

定量化驱动因子解析：通过结构方程模型首次量化了酶活性（驱动因子，总效应0.72）与重金属污染（限制因子，总效应-0.75）对土壤碳储量的贡献度。

论文信息：

Zhao, K., Yu, X., Qin, X., Li, R., Luo, L., Yang, X., He, L., Chen, A., Zhang, J., Huang, H., Zhao, X. Synergistic effects of biochar and probiotic fermentation agent on soil aggregate stability, carbon sequestration, and heavy metal(loid) passivation in paddy fields. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2026, 411: 110577. https://doi.org/10.1016/j.agee.2026.110577

我院陈安伟教授、黄红丽副教授、张立华副教授及中科院亚热带所何流琴研究员、赵曦晨助理研究员等共同参与了相关工作。

基金资助：

本研究得到湖南省自然科学基金杰出青年项目（2023JJ10022）、国家重点研发计划（2023YFD1301403）、国家自然科学基金区域创新重点项目（U20A2086）及亚洲开发银行贷款长江绿色生态廊道综合农业发展项目（L3740）等基金的共同资助。

作者简介

第一作者：赵柯棋，湖南农业大学环境与生态学院2022级生态学专业博士研究生，目前已就职于湖南省农科院耕地与农业环境生态所。主要研究方向为减污降碳协同增效相融合的农业废弃物资源化利用与应用研究，有着坚实的理论基础和丰富的研究经验。发表SCI论文14篇，其中以第一作者在Agr. Ecosyst. Environ.、Sci. Total Environ.、Car. Res.、Environ. Res.、J. Environ. Manage.、J Environ. Chem. Eng.等期刊上发表SCI论文7篇。Web of Science总引500余次，H指数10。曾获得2016-2017湖南农业大学优秀学生干部、2017-2018国家励志奖学金、2019届湖南省优秀毕业生、2022-2023湖南农业大学优秀团干、2024年博士研究生国家奖学金、2026届优秀毕业生。连续主持参与三届“中国青年碳中和”创新创业大赛并荣获华中赛区银奖，主持参与首届和第三届湖南省大学生节能减排社会实践与科技竞赛并荣获三等奖，受邀参与清华大学和中国研究生教育学会工作委员会举办的第二届全国碳中和博士生论坛并作口头报告，受邀参与湖南地理学会年会并作口头汇报。申请国家发明专利3项；先后担任担任J. Hazard. Mater.、Environ. Res.、BMC Plant Biol.、Curr. Pollut. Rep.、J.Soil Sci. Plant Nut.等国际SCI期刊的审稿人。联系邮箱：keqizhao@yeah.net。

通讯作者：张嘉超，博士，教授，博士生导师，主要从事秸秆粪污等农业有机固废资源化过程温室气体减排和污染物高效削减方面的工作。湖南省自然科学基金杰出青年，岳麓山实验室畜禽品种创制中心畜禽粪污资源化PI，国务院-教育部学术新人奖获得者，湖南省青年骨干教师，湖南农业大学1515骨干人才。入选2021、2022年度“全球高被引科学家”，2021全球环境科学高产作者（Top100）。近5年主持或负责国家自然科学基金项目2项、国家重点研发计划项目1项、湖南省重点研发计划项目3项、湖南省自然科学基金项目2项、湖南省教育厅优秀青年基金项目1项等。在J. Hazard. Mater.、Bioresour. Technol.、Carbon Res.、Environ. Res.、J. Environ. Manage.等国际期刊发表论文80余篇，ESI高被引或热点论文20篇，Web of Science总引8000余次，H指数58。通讯邮箱：jiachao.zhang@163.com。

通讯作者：杨晓梅，女，博士，助理研究员。主要研究方向为农业资源高效利用。主持国家重点研发计划子课题1项、省部级科研课题6项、执行国际合作项目2项；副主编1部、参编著作5部；获副国级领导批示1项、省部级领导批示6项。通讯邮箱：yangxiaomei@caas.cn。

通讯作者：罗琳，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为重金属污染治理与固体废物资源化。主持国家“十三五”重点研发计划项目1项、国家基金地区联合基金1项，国家自科基金4项，国家“十二五”科技支撑计划课题1项，副主持国家863重点项目1项，省部级科研课题5项；获中国有色金属工业科学技术奖一等奖1项、二等奖1项，湖南省自然科学奖三等奖2项，获湖南省教学成果奖二等奖1项；授权发明专利10项，主编专著1部，国家“十二五”规划教材1部，副主编1部。通讯邮箱：luolinwei0@163.com。