生物質(zhì)炭制備及對白漿土改良效果和溫室氣體排放影響.pdf

1、“萬物土中長，有土斯有糧?！备刭|(zhì)量直接關(guān)系到國家糧食安全。白漿土作為我國典型的低產(chǎn)型土壤之一，具有酸、粘、厚、重等特點(diǎn)。白漿土在我國東北地區(qū)分布廣泛，僅在黑龍江省總面積就達(dá)到331.37萬hm2，其中耕地面積116.36萬hm2，分別占全省總面積和總耕地面積的7.47％和10.07％。生物炭作為改良土壤特別是改良酸性土壤的重要措施，本研究為探討不同溫度條件下對不同秸稈原料制備的生物質(zhì)炭特性的影響，以篩選出優(yōu)質(zhì)的生物炭原料和制備工藝條件

2、，應(yīng)用篩選出的生物質(zhì)炭和以生物質(zhì)炭為基質(zhì)的炭基土壤改良劑在白漿土土壤進(jìn)行了土壤改良效果和溫室氣體減排方面的研究。本文采用實(shí)驗(yàn)室和田間試驗(yàn)兩種方法，重點(diǎn)研究不同溫度條件(300℃、400℃、500℃、600℃和700℃)對不同生物質(zhì)原料（水稻、玉米、大豆秸稈）制備的生物質(zhì)炭理化性狀的影響，確定最佳生物質(zhì)炭原料，作為田間試驗(yàn)生物質(zhì)炭施用基礎(chǔ);其中田間試驗(yàn)在黑龍江省佳木斯市曙光農(nóng)場科技示范園區(qū)進(jìn)行，通過向白漿土白漿層中施入不同梯度用量的生物質(zhì)

3、炭10、20、30 t·hm-2（分別用B1、B2、B3表示）和炭基土壤改良劑10、20、30 t·hm-2（分別用G1、G2、G3表示），研究生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對白漿層土壤孔隙結(jié)構(gòu)、持水能力等理化性質(zhì)指標(biāo)的影響，分析生物質(zhì)炭對土壤固碳減排以及作物產(chǎn)量的影響規(guī)律，提出對于黑龍江省白漿土改良方面的適宜生物質(zhì)炭用量，以期為生物質(zhì)炭用于土壤改良提供理論參考依據(jù)，主要研究結(jié)果如下:
　　1.熱解溫度對秸稈制備生物質(zhì)炭理化性狀的影響<

4、br>　　(1)水稻秸稈、玉米秸稈和大豆秸稈3種生物質(zhì)原料制備的生物炭在產(chǎn)率、平均孔直徑總體呈現(xiàn)出隨熱解溫度的增高而降低，其中生物炭產(chǎn)率在300-400℃條件下最高，3種秸稈原料生物炭產(chǎn)率表現(xiàn)為大豆秸稈＞玉米秸稈＞水稻秸稈;平均孔直徑降低幅度表現(xiàn)為玉米秸稈＞大豆秸稈＞水稻秸稈;(2)三種原料制備的生物質(zhì)炭的比表面積均隨熱解溫度升高而增加，在300-700℃條件范圍內(nèi)，玉米秸稈、水稻秸稈和大豆秸稈比表面積增幅分別為1889.6％、764.

5、4％和1334.4％，3種秸稈生物炭比表面積表現(xiàn)為玉米＞大豆＞水稻;(3)水稻秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭的微孔容積隨著熱裂解溫度的升高而增加，而大豆秸稈生物質(zhì)炭的微孔容積隨著熱裂解溫度的升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。相比較而言，水稻秸稈生物質(zhì)炭的微孔容積最小，玉米秸稈和大豆秸稈的T-plot微孔容積在700℃和500℃達(dá)到最大，分別為0.057cm3·g-1和0.088 cm3·g-1，在相同熱裂解溫度條件下，大豆秸稈的微孔容積最大;(4)3

6、種秸稈原料制得的生物質(zhì)炭pH和CEC與熱裂解溫度呈現(xiàn)了良好的正相關(guān)性，均隨著熱解溫度的升高提高了pH值和陽離子交換量，其中pH、CEC屬玉米秸稈的變量最大，分別達(dá)到9.2和23.8 cmol·kg-1，總體表現(xiàn)為玉米秸稈炭＞水稻秸稈炭＞大豆秸稈炭。
　　2.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對于白漿土理化性質(zhì)的影響
　　(1)隨著生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入，可以有效降低白漿層土壤容重和比重，且隨著施入量的增加效果顯著提升。生物質(zhì)炭

7、和炭基土壤改良劑施入可以有效降低土壤的容重和比重，當(dāng)生物質(zhì)炭施入量為20 t·hm-2和30 t·hm-2時，白漿土的容重分別為1.24 g·cm-3和1.219·cm-3，分別比對照CK處理降低9.68％和12.40％，且達(dá)到差異顯著水平(p＜0.05)。隨著生物質(zhì)炭用量的增加，白漿層的比重呈降低的趨勢，降低幅度0.78％-4.02％;炭基土壤改良劑施入量為10、20、30 t·hm-2時，白漿層的容重分別比CK(1.36 g·cm-

8、3)降低了1.49％-8.80％;比重分別降低了0.39-2.37％;兩年數(shù)據(jù)可以看出，生物質(zhì)炭和生物質(zhì)炭基土壤改良劑具有顯著降低白漿層容重和比重的作用，并且具有持續(xù)性，但是第二年效果較首年施入略所下降。
　　(2)當(dāng)玉米秸稈生物質(zhì)炭的施入量為10、20和30 t·hm-2時，首年白漿層土壤的持水保水能力分別較CK(22.43％)提升了0.41％、2.88％和4.60％。炭基土壤改良劑處理G1、G2和G3分別較CK提升了7.13％

9、、8.27％和9.81％。第二年生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對白漿層田間持水量的作用影響較第一年略有降低，但總體趨勢基本保持一致。生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入有效改善和調(diào)節(jié)了白漿層的土壤三相比例，降低白漿層厚、重的特點(diǎn)，提升其持水和透氣性。在生物質(zhì)炭基土壤改良劑20 t·hm-2和生物質(zhì)炭10 t·hm-2處理時對于白漿層的土壤三相比率作用效果較為協(xié)調(diào)，此時的土壤固相∶液相∶氣相分別為50.20％∶23.95％∶25.86％和50.58％

10、∶24.21％∶25.21％，此時的土壤三相比最為接近最適宜三項(xiàng)比率，可作為改善土壤三相比的改良劑施入量參考。
　　(3)生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入顯著提高了白漿層土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、無機(jī)氮素(NH4+-N和NO3--N)以及微生物量碳、氮的含量。在0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm的土層，兩年間施生物質(zhì)炭處理的土壤有機(jī)質(zhì)與對照CK處理相比分別增加0.31％-8.73％和0.31-8.07％;炭基土壤改良

11、劑處理的土壤有機(jī)質(zhì)與對照CK處理相比分別增加1.35％-10.77％和0.26-4.86％;在生物質(zhì)炭基土壤改良劑30t·hm-2施入量時，與對照CK處理達(dá)到差異效果顯著(p＜0.05)，其它處理間無顯著性差異。土壤陽離子交換量(CEC)與CK(19.01 cmol·kg-1)處理相比，分別提高了59.55％、81.12％、104.58％和20.57％、55.39％、84.32％，在B2和G3處理?xiàng)l件下，達(dá)顯著水平(p＜0.05），第二

12、年土壤陽離子交換量(CEC)較第一年效果略有提高，源于隨著時間的變化，生物質(zhì)炭的表面的某些含氧官能團(tuán)發(fā)生氧化，導(dǎo)致其表面的官能團(tuán)的數(shù)量顯著增多而致。
　　(4)生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入能在一定程度上延緩NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化。20-30cm處土層各處理NH4+-N含量區(qū)分度明顯，仍以最大施入量的生物質(zhì)炭B3處理和改良劑G3處理的條件下含量高。生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑處理對氮素轉(zhuǎn)化為NO3--N有明顯的控制作用，在1

13、0-20cm處硝態(tài)氮含量高，總體表現(xiàn)為生物質(zhì)炭處理＞炭基土壤改良劑處理，其中，第一年土壤微生物量碳為267.58-682.86mg·kg-1，土壤微生物量氮為40.50-121.07mg·kg-1，第二年土壤微生物量碳為270.27-628.35 mg·kg-1，土壤微生物量氮為40.11-99.19mg·kg-1，不同處理對土壤微生物量碳、氮變幅較大，總體為炭基土壤改良劑處理效果高于生物質(zhì)炭處理。
　　3.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良

14、荊對土壤溫室氣體排放特性的影響
　　施用生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑對土壤溫室氣體排放、增溫潛勢(GWP)和減排的效應(yīng)強(qiáng)度(GHGI)的影響:(1)與對照CK處理相比，在生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理?xiàng)l件下土壤N2O的排放總量在2014年和2015年分別降低了9.34％～70.66％和24.26％～87.04％;在生物質(zhì)炭基土壤改良劑的處理?xiàng)l件下，N2O-N的排放量連續(xù)兩年顯著降低，2014和2015年分別降低了8.33％～39.46％

15、和18.97％～56.82％;(2)在生物質(zhì)炭處理?xiàng)l件下CO2-C排放量連續(xù)兩年均有不同程度的上升，2014和2015年分別提高了22.92％～59.94％和13.85％～53.60％;生物質(zhì)炭基土壤改良劑的處理?xiàng)l件下，分別提高了13.54％～40.22％和7.53％～25.10％;(3)與對照CK處理相比，生物質(zhì)炭處理下GWP(100)連續(xù)兩年顯著降低，分別降低了19.52％～46.53％和8.54％～41.42％;生物質(zhì)炭基土壤改良

16、劑處理下GWP(100)連續(xù)兩年顯著降低，分別降低了15.94％～36.23％和7.68％～40.16％;(4)與對照CK處理相比，生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理下GHGI連續(xù)兩年顯著降低，2014和2015年分別降低了19.79％～48.28％和9.44％～42.88％;生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理下GHGI連續(xù)兩年顯著降低，分別降低了17.88％～38.31％和9.04％、～41.94％;綜合連續(xù)兩年試驗(yàn)結(jié)果，生物質(zhì)炭對于土壤CO2的排放

17、具有增加趨勢，而對于降低土壤N2O排放、GWP、 GHGI具有持續(xù)效應(yīng)，且高用量下生物質(zhì)炭(30 t·hm-2)的持續(xù)效應(yīng)連續(xù)兩年間具有穩(wěn)定性。
　　4.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對土壤微生物數(shù)量的影響
　　生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入顯著增加了白漿層土壤微生物數(shù)量和總量。當(dāng)生物質(zhì)炭的施入量為10、20和30 t·hm-2時，白漿層細(xì)菌數(shù)量第一年分別為對照CK(0.62×106CFU·g-1)處理的1.76、3.84和5.3

18、5倍;在炭基土壤改良劑10、20、30 t·hm-2處理?xiàng)l件下，分別為CK處理的2.11、3.42和4.74倍;其中在B2、B3和G3處理?xiàng)l件下與CK處理之間達(dá)到差異效果極顯著水平(p＜0.01)。第二年白漿層土壤中細(xì)菌較第一年略有降低，但總體保持了提高土壤細(xì)菌數(shù)量的效果;氨化細(xì)菌和放線菌在B3（30 t·hm-2施入量）處理?xiàng)l件下總量達(dá)到最大值，兩年間數(shù)據(jù)結(jié)果分別為CK處理的27.44倍、19.57倍和6.05倍、6.19倍，且均在最

19、大施入量30t·hm-2時達(dá)到最大值;白漿層土壤自生固氮菌在G3處理?xiàng)l件下(30t·hm-2)達(dá)到最大值，兩年間數(shù)據(jù)結(jié)果分別為對照CK處理的8.06倍和9.19倍;其中真菌數(shù)量兩年間分別在B2、B3處理?xiàng)l件下，即20t·hm-2和30 t·hm-2施入量時達(dá)到最大值。微生物總量和多樣性總體來看，高施入量＞低施入量效果，除自生固氮菌外，生物質(zhì)炭對于微生物數(shù)量的作用效果要高于生物質(zhì)炭基土壤改良劑。
　　5.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對玉

20、米生長發(fā)育及產(chǎn)量的作用影響
　　與對照處理相比生物質(zhì)炭B1、B2和B3處理?xiàng)l件下的玉米籽粒產(chǎn)量兩年分別提高了0.21％～2.58％和0.28％～3.37％;生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理?xiàng)l件下的玉米籽粒產(chǎn)量第一年與CK處理相比分別提高了1.53％～3.08％和2.32％～3.37％，在生物質(zhì)炭30t·hm-2和炭基土壤改良劑20t·hm-2高用量處理?xiàng)l件下差異效果較明顯。綜合兩年間產(chǎn)量結(jié)果可知，施用生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對穩(wěn)定和提高玉