土壤固碳和土壤健康都是本世纪以来土壤学服务社会的研究前沿。但是为应对气候变化的土壤固碳是否能与土壤健康协同是急需明确的科学问题。欧盟最近启动了“土壤健康与食物”全欧专项行动，提出了土壤健康是“土壤履行各项土壤功能和提供生态系统服务的持续能力”。生物质炭绿色农业技术是否能实现土壤固碳与土壤健康协同，是否能增进土壤的持续健康，南京农业大学农业资源与生态环境研究所进行了一项长达10多年的稻田生物质炭农田试验和跟踪研究，最近发表了“Legacy of soil health improvement with carbon increase following one time amendment of biochar in a paddy soil-A rice farm trial”重要论文。
试验在江苏省宜兴市现徐舍区宜丰社区的黄泥土稻田进行，2018年前由退伍军人王洪元老先生承包耕种。2009年5月水稻移栽前设置了生物质炭试验小区，2012年小区全部翻耕和整田，平均施炭量为10吨/公顷；毗邻的另一块田一直未施炭。一直跟踪观察作物生长、施肥、农药施用和作物收获测产。 2015年10月，博士生陆海飞等，在水稻收获时采集耕层（0-15 cm）土壤，采用团聚体分组和电子显微镜鉴定、有机碳形态分析、酶活性分析和微生物基因测序等技术，从有机质-土壤结构-土壤团聚体-土壤微生物区系组成与活性等关联性变化，分析施炭后土壤性质、功能和健康的长期变化（下图）。
研究表明，与未施生物质炭的稻田相比，一次性施用秸秆生物质炭6年后，土壤有机质含量持续增加了30%以上，超过了生物质炭的直接增加量；应用13C稳定性同位素分析揭示主要来源于增加的根系物质；在2009-2015年间，年均固碳速率为0.5~0.7 t C ha-1，年均增量远大于“千分之四全球增碳”( Carbon 4 per mil) 计划的期望目标。在增碳的同时，土壤团聚体平均质量直径增加25%，表明土壤团聚体发育和稳定大幅度促进，带来了25%以上的土壤微生物生物量（碳氮）的增加，而微生物胞外酶活性综合提高33%，碳代谢效益高的细菌相对丰度增加，而致病性真菌丰度相对下降，总体上植物生长和健康得到显著改善。
图1 黄泥土生物质炭1次施用后农田性状、土壤结构、土壤团聚体和微生物区系组成变化研究(Lu et al., 2020. Geoderma online publication)
实际上，农民最先感知这种变化。直至2018年，与未施炭田对比，施炭稻田水稻植株抗病性和抗倒伏能力增强，病虫害减少，产量一直明显较高，累计平均增产12%，说明施炭稻田土壤健康大为改善。事实上，从第三年以后，农民减少了施炭田施肥量和农药施用量。科学分析表明(Zhang et al., 2012)，施炭田的生态系统净生产力提高25%以上，氮肥排放系数降低45%以上，氮肥农学利用率提高近50%；而产量的年际变率仅为5%，而未施炭田块高达30%。固碳、增产、减排和资源利用率的提高是一次施炭带来的多年的系统性多赢变化，说明了生物质炭通过快速增加有机质、改善土壤结构、团聚体过程和微生物过程而显著和持续地增进了土壤健康。作为全球最早的生物质炭大田试验实例，这个研究不但为土壤固碳与土壤健康的良好共赢提供了来自野外长期过程的直接证据，而且提供了生物质炭绿色农业技术服务健康农业（土壤健康-食物系统）的理论依据和参考案例。
该项研究工作得到国家自然科学面上基金和教育部双一流学科建设项目经费支持。包括澳大利亚新南威尔士大学 Stephen Joseph中外学者14人参与了研究。研究论文“Legacy of soil health improvement with carbon increase following one time amendment of biochar in a paddy soil - A rice farm trial.”为题， 2020年7月在线发表于国际土壤学顶尖刊物-Geoderma。论文的第一作者是土壤学科博士生陆海飞，潘根兴教授是通讯作者。该论文可以在线获取, 随论文发表了这个试验的部分原始观测资料、农民感知以及补充性研究数据。相关论文如下：
Lu, H.F., Bian, R.J., Xia, X. et al., 2020. Legacy of soil health improvement with carbon increase following one time amendment of biochar in a paddy soil-A rice farm trial. Geoderma,376,114567. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114567;
Wang, L., Li, L., Cheng, K., Ji, C., Yue, Q., Bian, R., Pan, G., 2018. An assessment of emergy, energy, and cost-benefits of grain production over 6 years following a bio-char amendment in a rice paddy from China. Environ. Sci. Pollut. Res. 25 (10), 9683 -9696.
Zhang, A., Bian, R., Hussain, Q., Li, L., Pan, G., Zheng, J., Zhang, X., Zheng, J., 2013.
Change in net global warming potential of a rice-wheat cropping system with biochar soil amendment in a rice paddy from China. Agric. Ecosyst. Environ. 173, 37–45.
