我们首先将采取的水稻土进行产甲烷预实验，以消耗掉其中的有机质；待不再有甲烷产生后，分装到厌氧体系中进行研究，并选择乙醇作为唯一碳源。在上述淹水水稻土体系中，我们分两次加入乙醇以完成两个产甲烷周期，研究不同碳化温度下制备的火成炭对甲烷产生和群落结构的影响，并结合火成炭的电化学特性，分析火成炭的导电性和氧化还原性对产甲烷过程的影响机理。

结果发现，在第一个产甲烷周期，只有氧化还原特性最强的400℃火成炭促进了甲烷的产生；而在第二个产甲烷周期，所有的火成炭对甲烷的产生都表现出相似的促进效果，仅仅是1000℃火成炭因其较大的比表面积和吸附能力而延缓了甲烷产生。乙酸型产甲烷抑制剂（CH₃F）的添加抑制了体系中大部分的产甲烷过程。水稻土的循环伏安分析结果表明，随着碳化温度的升高和导电性的提高，添加火成炭后体系的电化学响应电流（氧化还原峰电流）逐渐升高，表面体系中的电子传递速度得以加速。

▲图1 淹水水稻土中的第一个周期（a）和第二个周期（b）甲烷的产生情况；乙酸型产甲烷抑制剂（CH₃F）的添加对上述体系中甲烷产生的影响（c）；火成炭添加对水稻土电化学响应的影响（d）（来源：ScienceDirect）

此外，我们选择水稻土循环伏安分析中的氧化峰峰电流来表征土壤的电化学响应能力，并且分析了峰电流与相应细菌和古菌的相对丰度之间的相关性（图2）。结果发现，具有电化学活性的细菌Geobacter和现阶段报道具有可以直接或者间接接受电子潜力的古菌Methanobacterium, Methanoregula和Methanolinea与土壤的电化学响应电流之间具有严格的正向线性相关关系；而乙酸型产甲烷古菌Methanothrix与土壤的电化学响应之间具有明显的负向线性相关性。以上结果表明：生物炭的导电性能可以改善土壤中的电子传递情况，并可能通过以上改变影响水稻土中的群落结构，增加电化学细菌和古菌的含量，抑制乙酸型产甲烷的相对丰度。

▲图2 火成炭添加下水稻土中相关细菌和古菌与土壤电化学响应之间的线性关系分析图（来源：ScienceDirect）

因此，生物炭在水稻土中的加入，一方面利用其自身的氧化还原性促进甲烷的产生，发挥“短期刺激”作用；另一方面可以利用其自身的导电性改善土壤电子传递状况，进而调控其中的群落结构，增加电活性细菌和古菌的丰度，将主要的甲烷产生途径由乙酸型产甲烷向氢型产甲烷和电子型产甲烷转变，发挥“长期调控”作用（图3）。

▲图3 火成炭对水稻土产甲烷过程影响的机理示意图（来源：ScienceDirect）