《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Biochar, plant productivity and community structure: a two-year study in a newly sown legume-rich pasture in Portugal under ambient and reduced precipitation
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生物炭作为一种富含碳的生物质热解副产物，因其改善土壤性质和提升植物生产力的潜力而日益受到关注。然而，生物炭在牧场中的混入效应尚少被关注。本研究展示了一项大规模操纵实验，调查了在葡萄牙新建立的豆科丰富牧场中，生物炭改良剂对植物生产力和群落结构的影响，实验持续两个
生物炭作为一种富含碳的生物质热解副产物，因其改善土壤性质和提升植物生产力的潜力而日益受到关注。然而，生物炭在牧场中的混入效应尚少被关注。本研究展示了一项大规模操纵实验，调查了在葡萄牙新建立的豆科丰富牧场中，生物炭改良剂对植物生产力和群落结构的影响，实验持续两个生长季，分别暴露于自然（100%）和减少（50%）的降水条件下。生物炭改良导致了生产力的提升，在两个生长季的四月份，地上生物量增加了约50%。豆科物种从生物炭添加中受益多于其他功能群，其生物量有时几乎翻了一番。因此，生物炭改变了两个生长季的群落结构。在第一个生长季，豆科植物（即豆科非禾本科杂草）的相对丰度显著增加，以非豆科非禾本科杂草的减少为代价；而在第二个生长季，则是以禾本科植物的减少为代价。尽管降水操纵（即减少50%的降水量）对生产力、群落结构和土壤参数几乎没有影响，但生物炭的添加增加了土壤湿度。然而，即使植被暴露于减少的降水条件下，水分可用性并非植物生长的限制因素。生物炭的添加导致土壤pH值和有效钾含量显著升高。这些变化对豆科物种特别有利，因为较高的pH值和钾可用性可能促进固氮作用。因此，生产力的提升和群落结构的变化很可能是由于pH值和钾的增加，以及土壤生物和理化性质的改变，增强了养分有效性，最终提高了豆科植物的竞争优势。随着集约化土地管理压力的增加，气候变化正威胁着地中海畜牧系统维持家畜生产力的能力，生物炭改良可以为牧场带来双赢局面，有助于同时确保生产力和家畜营养，以及整体生态系统的健康和应对全球气候变化的韧性。
生物炭作为生物质热解产生的富含碳的多孔碳质产品，近年来因其改善土壤理化性质和生物学特性、提高养分有效性和水分保持能力的潜力而备受关注。地中海地区的牧场通常由C3年生物种组成，对水分敏感，且面临气候变化导致降水减少的挑战。为了评估生物炭在提升草地生产力和应对气候变化方面的潜力，研究人员在葡萄牙开展了一项为期两年的田间实验，旨在探究生物炭改良对新建豆科丰富牧场（SBP）植物生产力、群落结构以及土壤参数的影响，并分析其潜在机制。
研究人员在该地区建立了一个包含20个3m×3m实验小区的平衡因子设计实验，设置四个处理：对照加自然降水（C100）、生物炭加自然降水（B100）、对照加50%降水（C50）和生物炭加50%降水（B50），每个处理重复五次。生物炭以4%（w/w）的浓度混入0-20cm的表土中，使用的生物炭由未经处理的木屑在700°C下热解制成。降水操纵通过搭建遮雨棚实现，拦截50%的降雨。在第一个生长季未进行放牧，在第二个生长季进行了两次模拟放牧（刈割至5cm高），并在第二个生长季开始时施加了磷肥。研究通过测定地上净初级生产力（ANPP）、各功能群生物量、土壤理化性质（pH、有机质、氮磷钾等）及植物组织营养含量来评估生物炭效应。
研究结果如下：
**3.1 生产力和相对丰度**：在两个生长季中，生物炭均显著提高了ANPP。在第一个生长季，生物炭处理组的ANPP平均比对照组高45%；在第二个生长季，虽然最终ANPP差异未达显著水平，但在三月和四月生物炭处理组的生物量显著高于对照组。降水操纵对ANPP无显著影响。生物炭显著改变了群落结构。在第一个生长季，豆科植物的相对丰度显著增加，以非豆科非禾本科杂草的减少为代价；在第二个生长季，豆科植物的相对丰度继续增加，但以禾本科植物的减少为代价。
**3.2 植物营养含量**：生物炭添加显著提高了植物组织中的钾浓度和全草中的氮、磷、钾累积量，尤其是在减少降水条件下，生物炭使氮累积量增加了102%。
**3.3 土壤参数**：生物炭显著提高了土壤pH值和有效钾含量。在第二个生长季，生物炭还显著提高了土壤硝态氮和总无机氮含量。此外，生物炭增加了土壤体积含水量（θv），但在本研究中，水分并非主要限制因子。
讨论部分指出，生物炭带来的生产力提升主要归因于其“石灰效应”和“类肥料效应”。生物炭提高了土壤pH值，改善了养分有效性，特别是促进了豆科植物的固氮作用和钾的吸收，从而增强了豆科植物的竞争优势。虽然生物炭提高了土壤持水能力，但在水分未成为限制因子的条件下，其对生产力的直接贡献有限。降水减少在本研究中未造成显著负面影响，表明在该实验期间水分供应充足。
研究结论部分总结如下：本研究首次在意大利年生物种为主的地中海草原中报告了原位生物炭效应。在新播种的豆科丰富牧场中，生物炭改良导致两个生长季地上生物量大幅激增，并伴随群落组成的显著变化，即豆科植物优势增强，分别以非豆科非禾本科杂草和禾本科植物的减少为代价。生物炭通过提高土壤pH值和提供类肥料效应（如增加阳离子交换能力和微生物活性），显著提升了生产力和养分累积，进而通过豆科植物的固氮作用进一步促进系统生产力。降水操纵对生产力和土壤参数影响甚微。总体而言，生物炭改良通过改善土壤特性增加牧场生长，为地中海牧场提供了一种双赢策略，有助于在气候变化背景下确保生产力和生态系统韧性。
