秸稈及其生物炭對農(nóng)田土壤系統(tǒng)碳氮循環(huán)的影響.pdf

1、如何應(yīng)對氣候變化已成為全球社會需面對的重大挑戰(zhàn)之一。來自農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放是加劇全球氣候變化的重要原因，而溫室效應(yīng)不斷增強也會加劇全球土壤凍融效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田土壤氮素流失及溫室氣體的加速排放。因此，探尋有效增強土壤碳匯功能、減緩農(nóng)田土壤系統(tǒng)中溫室氣體排放、促進(jìn)凍融條件下土壤氮高效利用途徑，并揭示這些過程的機(jī)制，對于減緩全球氣候變化和提高農(nóng)田土壤肥力質(zhì)量具有重要意義，目前已成為熱點研究領(lǐng)域。近年來，秸稈還田成為增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳

2、氮固存數(shù)量的主要方式，然而秸稈進(jìn)入土壤腐解時會排放大量溫室氣體，因而將秸稈制成生物炭加以利用已逐漸成為重要的農(nóng)藝措施。生物炭是一類高度芳香化、穩(wěn)定性高的富碳有機(jī)物料，具有較大的比表面積和疏松多孔的特性，在田間施用可明顯減緩溫室氣體排放，降低土壤容重，有效固持土壤水分和養(yǎng)分，明顯改善土壤理化性質(zhì)，為作物生長提供良好環(huán)境;尤其是生物炭具備同時固持土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的能力，因而有望顯著提高作物的氮素利用率。然而，不同類型生物炭由于制備原料、生

3、產(chǎn)條件、土壤環(huán)境各異，施用后帶來的氮固持效應(yīng)也不盡相同。特別是不同熱解溫度制備的生物炭對凍融土壤氮循環(huán)及作物產(chǎn)量的影響還鮮有報道。鑒于此，本研究主要采用室內(nèi)模擬試驗與田間土柱試驗相結(jié)合的方法，研究了秸稈與其生物炭施用后的腐解特征、有機(jī)碳動態(tài)變化和團(tuán)聚體組成的影響，以及不同溫度下制備的生物炭對凍融土壤氮固持和吸收利用、作物產(chǎn)量和土壤微生物的影響等內(nèi)容，以揭示秸稈及其生物炭對農(nóng)田土壤碳氮循環(huán)的影響及其潛在增產(chǎn)效應(yīng)，評價其維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展

4、的潛力。本文所獲得的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)進(jìn)行不同物料（小麥秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈生物炭及玉米秸稈生物炭，依次以WS、MS、WB、MB表示）添加及其用量（5、10、20g/kg土）的室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗，通過比較這些有機(jī)物料腐解特征，探討腐解過程中CO2釋放規(guī)律，并對腐解過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，以評估生物炭固碳潛力。結(jié)果表明，小麥和玉米秸稈生物炭在石灰性土壤中的礦化速率比對應(yīng)的秸稈分別降低77％、76％，兩種生物炭CO2累積釋放量

5、（84.6和82.4mg/pot）遠(yuǎn)低于其對應(yīng)秸稈釋放量(355.8和347.0mg/pot);不同生物炭施入土壤后的礦化規(guī)律符合對數(shù)模型，在培養(yǎng)條件不變時能夠較為有效預(yù)測其長期腐解特征;根據(jù)模型預(yù)測，百年尺度下生物炭降解率與其施用量成反比，即生物碳施用量越大，預(yù)計百年后土壤中所剩余生物炭量相對越多。
　　(2)通過秸稈、生物炭及其施用量的模擬培養(yǎng)試驗，探討對土壤各有機(jī)碳組分影響，并對各碳庫指標(biāo)敏感度變化進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，兩

6、種生物炭(WB、MB)的累積礦化率在培養(yǎng)結(jié)束時分別為9.0％、8.2％，而兩種秸稈(WS、MS)的礦化率高達(dá)55.6％、52.6％，平均高出生物炭5.3倍;添加四種有機(jī)物料均能顯著增加土壤總有機(jī)碳(SOC)含量，增幅依次為WB＞MB＞MS＞W(wǎng)S，且其增幅與施用量呈正比;生物炭不同用量對土壤活性有機(jī)碳(LOC)和可溶性有機(jī)碳(DOC)含量無顯著影響，但顯著影響土壤微生物量碳(MBC)含量。這表明本試驗條件下施用生物炭能快速增加SOC含量，

7、而對土壤活性有機(jī)碳庫影響有限。
　　(3)進(jìn)行土壤滅菌與否、不同秸稈或生物炭添加為研究因素的室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗，通過測定土壤干濕團(tuán)聚體組成、土壤容重、比重、孔隙度及團(tuán)聚體中各碳組分含量，探討土壤、生物炭和土壤微生物之間的互作關(guān)系及對土壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，土壤滅菌能顯著降低土壤干團(tuán)聚體數(shù)量，且添加生物炭可顯著提高＜1mm土壤各粒級團(tuán)聚體干重，而添加秸稈僅增加＞2mm干團(tuán)聚體數(shù)量;而對濕團(tuán)聚體而言，添加秸稈和生物炭均能顯著提高土

8、壤大團(tuán)聚體（＞0.25mm）的比例，較CK平均分別增加400％和50％。此外，添加生物炭還顯著提高了土壤微團(tuán)聚體比例（0.25-0.053mm），并且滅菌與否及材料類型對濕團(tuán)聚體無顯著影響;添加生物炭可明顯提高土壤保水能力;施用生物炭與秸稈相比，前者能顯著增加SOC含量，而后者主要增加三種活性有機(jī)碳(LOC、DOC、MBC)含量;同時，土壤滅菌能顯著降低了MBC含量?？梢?，添加生物炭對土壤團(tuán)聚體的影響與土壤微生物之間存在密切關(guān)系。

9、>　　(4)連續(xù)兩年(2014-2015)進(jìn)行室外原生態(tài)土柱培養(yǎng)試驗，包括添加不同溫度(250、300、350、400、450、500、550、600℃)制備的生物炭、春季強化凍融兩個研究因子，以在-10℃恒溫冰箱中冷凍3d作為春季強化凍融措施，記錄全年土壤凍融循環(huán)數(shù)據(jù)，并測定溫室氣體釋放量及土壤硝銨態(tài)氮淋溶量。結(jié)果表明，田間N2O釋放量在春融期第4d達(dá)到峰值，生物炭添加與凍融條件的交互作用達(dá)顯著水平，即在凍融條件下，施用高溫(＞450

10、℃)下制備生物炭時N2O釋放量最大;在土壤凍融條件下，土壤淋溶硝態(tài)氮含量顯著增加，但添加高溫制備的生物炭能顯著降低硝態(tài)氮淋溶量，而對銨態(tài)氮淋溶無顯著影響，同時添加生物炭也顯著降低了淋溶液中硝銨比（由7.1降至4.1）?？梢?，添加高溫制備的生物炭能有效緩解土壤冬春季凍融引起的土壤氮素淋溶損失，但同時對春季N2O釋放有加劇效應(yīng)。
　　(5)采用前述的室外原生態(tài)土柱培養(yǎng)試驗方法，并配合15N同位素示蹤技術(shù)，研究配施生物炭條件下氮素在土壤

11、-作物體系中的循環(huán)過程。結(jié)果表明，相對于不添加生物炭的土壤而言，添加生物炭能顯著提高春季對土壤氮素的固持能力及作物的氮素吸收能力，分別從20％、1.5％提高到39％、3.2％，其中高溫制備生物炭提高氮素利用率的效果尤為顯著。由15N示蹤結(jié)果可知，添加生物炭不僅可提高土壤氮素固持能力，也能提高作物對氮素的吸收利用;土壤凍融使作物產(chǎn)量降低30％，但添加生物炭能有效減緩這種降低作用，兩者間互作顯著，同時15N同位素示蹤技術(shù)結(jié)果也驗證了這一發(fā)現(xiàn)

12、。可見，高溫制備生物炭的施用能有效緩解土壤冬季凍融對淋溶氮素的損失和作物減產(chǎn)現(xiàn)象。
　　(6)采用田間土柱試驗并配合離子交換樹脂袋方法，在2015-2016年間，通過吸附試驗研究不同溫度制備生物炭配施綠肥對凍融土壤氮循環(huán)及作物產(chǎn)量的影響。試驗包括三個因素，分別為是否除雪、是否配施豆科綠肥及添加不同溫度制備的生物炭，以進(jìn)一步驗證生物炭對全年氮素淋溶的影響。結(jié)果表明，生物炭能降低冬春休閑期間土壤硝態(tài)氮淋溶損失，尤其在配施綠肥條件下，施

13、用生物炭能顯著降低此階段硝態(tài)氮淋溶總量，降幅達(dá)8.7％，且在氮素供應(yīng)充足條件下，生物炭對氮素固持能力更強;凍融效應(yīng)雖能間接降低作物產(chǎn)量，但施用生物炭能有效補償凍融對作物產(chǎn)量的降低作用，與凍融條件相比可增產(chǎn)20％，同時，與單施綠肥相比，綠肥與生物炭配施還能將產(chǎn)量再提高5.1％;生物炭不同制備溫度與土壤微生物量氮(MBN)含量之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，生物炭制備溫度越高，施用后MBN含量越低，而土壤pH升幅越大。這似乎表明，pH可能是影響MB

14、N的因素之一。因此，生物炭配施綠肥不僅能夠有效提高凍融土壤的氮固持能力，同時也能達(dá)到穩(wěn)固增產(chǎn)的作用。
　　綜上所述，本研究主要得到以下結(jié)論:第一，添加生物炭與添加秸稈相比，前者在減排方面效果極為顯著，并對土壤惰性碳庫有顯著增加效果，而對活性有機(jī)碳庫提升并不明顯，原因可能在于生物炭自身的碳組分相對穩(wěn)定;第二，添加生物炭能顯著提高土壤微團(tuán)聚體比例，其效果與土壤微生物存在與否密切相關(guān)，而添加秸稈主要提高了土壤大團(tuán)聚體數(shù)量;第三，在土壤凍

15、融條件下，添加生物炭能降低氮素淋溶損失并提高作物產(chǎn)量，而對N2O排放有促進(jìn)作用;同時，生物炭配施綠肥能進(jìn)一步達(dá)到增產(chǎn)效果。綜上，在全球氣候變暖條件下，農(nóng)田土壤中施入生物炭和秸稈各有利弊，但總體而言生物炭對土壤碳/氮養(yǎng)分固持效果明顯，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面增匯減排效果更好，并能降低土壤凍融和氮肥投入帶來的潛在養(yǎng)分流失。然而，田間施用生物炭作為土壤改良材料，仍需根據(jù)不同土壤條件、氣候類型綜合考慮，其對土壤的長期培肥及增產(chǎn)效果，仍有待不同的