炭际是生物炭与周围土壤之间的一个高度活跃区域，广泛存在于农业土壤中。然而，目前有关炭际土壤中活性氧（ROS）的产生尚不清楚。本文探讨了炭际ROS的生成及其时空演变特征。原位ROS捕获实验表明，随着距离生物炭/土壤界面的增加，ROS的产生逐渐减少。在时间上，随着孵育时间的延长，
O
2
•
-
和H
2
O
2
含量呈现先上升后下降的趋势，峰值分别达到3.04和5.40 mmol kg
-1
，而
•
OH的含量则持续下降。高通量测序结果表明，溶解性生物炭（DBC）通过促进具有电子释放能力的细菌（如Bacteroidetes、Acidobacteria、Actinobacteria和Chloroflexi）生长来增强ROS的生成。此外，添加电子转移能力削弱的DBC显著降低了炭际ROS含量（ANOVA，
P
<0.05），表明DBC还作为电子穿梭体和电子存储材料，通过加速电子转移来促进ROS的产生。抑制剂实验和同位素实验证实了炭际ROS在C
O
2
排放中的关键作用，且C
O
2
的排放主要来源于土壤有机碳（图1）。
为了探究炭际ROS的产生及其时空演变特征，首先制备了ROS荧光捕获膜，原位验证了炭际ROS的形成（图2b），随后利用EPR光谱技术对炭际ROS进行了定性识别（图2c-d），进一步采用分子探针法定量测定了3种代表性ROS（如
O
2
•
-
，H
2
O
2
和
•
O
H）的时空演变特征（图3）。研究结果发现，在空间上，炭际ROS含量随着与生物炭源的距离增加（2-8 mm）而递减；在时间上，
O
2
•
-
和
H
2
O
2
随生物炭老化时间（0-21 d）的延长先增加后降低，而
•
O
H含量呈现持续下降的趋势。这些研究结果证实了炭际是一个广泛存在但之前未被认识到的土壤ROS热区。
图
2
（
a
）炭际模拟实验装置；（
b
）原位炭际
R
OS
的荧光成像；（
c
）超氧和（
d
）羟基自由基的
E
PR
图谱。
图
3
炭际
R
OS
的时空演变特征。（
a
）
，
（
b
）和（
c
）分别代表超氧自由基，过氧化氢和羟基自由基。
为了揭示炭际ROS的产生机制，测定了炭际土壤中与ROS产生相关的生物和非生物因子，并通过相关性分析表明DBC和微生物在炭际ROS的产生起到了至关重要的作用（
r
2
=0.820-0.939，
P
<0.001）。进一步通过向灭菌或未灭菌的炭际土壤中添加DBC和/或土壤洗脱微生物，证实了DBC和微生物以协同相互作用的方式驱动炭际ROS的产生（图4）。此外，通过向炭际土壤中添加不同电子穿梭特性（包括电子交换容量、电导率和比电容）的DBC，发现DBC的电子穿梭特性越弱，炭际ROS的产生潜力越低（图5）。研究结果表明，炭际ROS的产生机制一方面依赖于DBC促进了微生物的胞外电子释放，另一方面DBC作为电子穿梭体和电子储存材料加速了电子传递。
图
4
灭菌和未灭菌土壤中添加或不添加
DBC
的（
a
）超氧自由基和（
b
）过氧化氢含量
。添加土壤洗脱微生物和添加
D
BC
与土壤洗脱微生物的
（
c
）超氧自由基和（
d
）过氧化氢含量
。
图
5
（
a
）不同氧化程度
DBC
的
EDC
和
EAC
值；（
b
）
XPS
图谱；不同氧化程度
DBC
的电导率（
c
）、（
d
）比电容和（
e
）傅里叶红外谱图。不同氧化程度
DBC
添加下土壤中超氧自由基（
f
）和过氧化氢（
g
）含量。
为了探究炭际ROS在C
O
2
排放中的作用，首先进行了同位素实验，发现92.66%的C
O
2
来源于土壤有机碳。进一步通过矿化实验和抑制剂实验证实了炭际ROS能够直接促炭际土壤中C
O
2
的释放，贡献率在18.0%-21.1%之间（图6）。这些研究揭示了炭际ROS在土壤有机碳周转中发挥了关键作用。
图6 （a）炭际土壤电子传递能力的荧光成像；（b）C
O
2
排放的同位素分析；（c）不同氧化程度DBC添加土壤中CO
2
排放潜力；（d）不同氧化程度添加土壤中荧光素二乙酸酯水解酶和脱氢酶活性。
该研究揭示了炭际是一个普遍存在但之前未被认识到的土壤ROS热区，有助于拓宽对地球表面ROS分布的理解。此外，研究探明了DBC通过刺激微生物生长和加速电子传递来促进炭际ROS的产生，加深了对生物炭添加土壤中ROS产生机制的认识。同时，研究证实了ROS在促进炭际土壤C
O
2
排放中的直接作用，为全面理解土壤有机碳分解和碳储量提供了新的视角。
