生物質(zhì)炭輸入對(duì)土壤氮素流失及溫室氣體排放特性的影響.pdf

1、生物質(zhì)炭是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)。常見的生物質(zhì)炭包括木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭等。生物質(zhì)炭具有高度穩(wěn)定性和較強(qiáng)的吸附性能，在全球碳生物地球化學(xué)循環(huán)、氣候變化和環(huán)境系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。本文通過對(duì)生物質(zhì)炭特性的系統(tǒng)研究，針對(duì)制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)田土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重和稻田溫室氣體排放量大等問題，重點(diǎn)開展了生物質(zhì)炭輸入對(duì)土壤氮素流失的影響、對(duì)稻田土壤溫室氣體排放的影響以及對(duì)水稻生長發(fā)

2、育和產(chǎn)量的影響等方面的研究，并就相關(guān)機(jī)理進(jìn)行探討，最后簡要提出了今后土壤生態(tài)系統(tǒng)生物質(zhì)炭的研究方向。研究結(jié)果為農(nóng)林廢棄生物質(zhì)炭化資源化和稻田土壤溫室氣體減排提供了新思路，對(duì)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的結(jié)構(gòu)性跨越，確保我國農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。具體研究結(jié)果如下：
　　 ⑴選擇典型性、代表性生物質(zhì)炭為對(duì)象，研究不同生物質(zhì)炭元素組成、形貌特征、表面基團(tuán)以及吸附特性。生物質(zhì)炭的性質(zhì)受到多種因素的影響，主要包括生物質(zhì)原料類型

3、、熱解過程的環(huán)境條件(如溫度、供氧狀況、濕度等)。炭化溫度為600℃時(shí)，生物質(zhì)炭具有較好的綜合特性。竹炭和秸稈炭都具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，雖然都以芳環(huán)骨架為主，但兩者的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)及含有的含氧官能團(tuán)有所差異。竹炭的BET比表面積和總孔容均大于秸稈炭，石墨化程度比秸稈炭更高，芳香化更強(qiáng)。秸稈炭的pH、電導(dǎo)率、陽離子交換量、表面酸性基團(tuán)和堿性基團(tuán)的數(shù)量均大于竹炭。秸稈炭對(duì)銨根離子的吸附能力強(qiáng)于竹炭。在改良土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力方面，秸稈炭比竹

4、炭具有更大的優(yōu)勢。
　　 ⑵通過實(shí)驗(yàn)室土柱淋溶試驗(yàn)，開展生物質(zhì)炭輸入對(duì)土壤氮素淋溶特性的影響研究。結(jié)果表明，添加竹炭可使土柱0～20 cm土壤溶液NH4+-N濃度顯著降低。與只施加氮肥的處理相比，同時(shí)施加氮肥和竹炭可使土柱20 cm層土壤溶液NH4+-N累積淋失量在70 d內(nèi)降低15.2％。添加竹炭使得0～20cm土壤溶液電導(dǎo)率顯著降低。竹炭對(duì)土壤中銨態(tài)氮具有良好的持留作用，可以起到減少化肥氮素淋溶損失、實(shí)現(xiàn)氮素緩釋的效果。

5、r>　　 ⑶通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，開展了生物質(zhì)炭輸入對(duì)淹水稻田土壤溫室氣體CH4和CO2排放的影響研究。研究發(fā)現(xiàn)在模擬厭氧條件無外加碳源情況下，稻田土壤CH4排放通量隨著生物質(zhì)炭添加水平的提高而降低，當(dāng)添加水平為2.5％(w/w)時(shí)，竹炭、秸稈炭可使淹水土壤CH4的累積排放量分別降低51.1％、91.2％；而不同添加水平的生物質(zhì)炭輸入對(duì)淹水土壤CO2的累積排放量均未產(chǎn)生顯著性影響。在以秸稈作外加碳源的情況下，生物質(zhì)炭輸入對(duì)淹水土壤CH4

6、和CO2的排放仍然具有一定的抑制作用，但只有在添加水平達(dá)2.5％(w/w)時(shí)，秸稈炭的抑制作用至培養(yǎng)第49天才呈現(xiàn)出顯著性。無論是否外加碳源，秸稈炭對(duì)淹水稻田土壤CH4和CO2排放的抑制作用均明顯優(yōu)于竹炭。此外，研究表明竹炭和秸稈炭輸入對(duì)淹水土壤產(chǎn)甲烷活性起到不同程度的抑制作用，而對(duì)土壤甲烷氧化活性均沒有產(chǎn)生顯著性影響。PCR-DGGE分子指紋圖譜分析表明，模擬培養(yǎng)49天后，無論是否添加秸稈，竹炭和秸稈炭輸入都未對(duì)淹水稻田土壤產(chǎn)甲烷菌和

7、甲烷氧化細(xì)菌的種群結(jié)構(gòu)多樣性產(chǎn)生顯著性影響。
　　 ⑷通過田間試驗(yàn)研究了生物質(zhì)炭輸入對(duì)稻田氮素流失及水稻產(chǎn)量的影響。初步研究結(jié)果表明，在未施肥的情況下，添加1％(w/w)生物質(zhì)炭對(duì)稻田氮素流失未產(chǎn)生顯著性影響；在施加尿素的情況下，添加竹炭或秸稈炭均能夠使稻田田面水和側(cè)滲水NH4+-N、NO3--N和TN濃度呈現(xiàn)降低趨勢，但差異性不顯著，施加竹炭包膜尿素與常規(guī)尿素處理之間亦無顯著性差異出現(xiàn)。秸稈炭比竹炭更有利于水稻的生長發(fā)育。在不