氣候變化背景下生物炭對農(nóng)田土壤環(huán)境過程影響的研究.pdf

1、生物炭（biochar）是一類由生物質(zhì)經(jīng)過缺氧或無氧熱解過程制成的富碳材料。將生物炭添加到土壤中被認(rèn)為是一種低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的土壤碳封存方法，以應(yīng)對全球氣候變化。全球氣候變化是未來人類面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。氣候變化會導(dǎo)致極值天氣過程如長時(shí)間干旱和頻繁的旱澇交替。生物炭是一種長期的土壤碳封存方法。因此，有必要研究氣候變化背景下生物炭添加到農(nóng)田土壤中的環(huán)境效應(yīng)。本文圍繞在氣候變化背景下生物炭對農(nóng)田土壤的水分、農(nóng)用化學(xué)品、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物和

2、土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體等的影響開展了一些實(shí)驗(yàn)研究，并試圖分析生物炭所產(chǎn)生的效應(yīng)與生物炭本身理化性質(zhì)、土壤特征、土壤微生物和環(huán)境氣候條件等之間的相互關(guān)聯(lián)和影響。
　　土壤持水能力對于農(nóng)作物的生長和土壤微生物的生存都至關(guān)重要。本文運(yùn)用壓力膜法對不同種類、劑量和粒徑的生物炭對兩種典型農(nóng)田土壤的持水能力開展了研究。結(jié)果表明，高比表面積的生物炭對砂質(zhì)土壤的持水能力有顯著的提高作用。低比表面積的生物炭對土壤持水能力沒有顯著影響。生物炭對于粘土含量

3、較高的土壤的持水能力沒有顯著影響。較大粒徑的生物炭（1-2 mm）對土壤持水能力的影響大于小顆粒的生物炭。高比表面積生物炭對于土壤永久萎蔫點(diǎn)沒有顯著影響，因此有利于提高土壤植物可利用水。
　　為了更好地了解生物炭-土壤體系在干燥過程中的水分分布，運(yùn)用中子成像法研究了砂土-生物炭混合樣在自然風(fēng)干過程中生物炭內(nèi)部、表面和周邊材料的含水率變化情況。結(jié)果表明，生物炭在浸潤后含水率高于砂土，在混合樣品風(fēng)干過程中，生物炭能夠持續(xù)向周邊材料釋放

4、水分，而生物炭自身含水率始終高于周邊材料?？傮w上來看，添加生物炭的砂土中水分分布情況為：生物炭內(nèi)部>生物炭表面>生物炭周邊材料。生物炭對于周邊材料的含水率的影響范圍隨著自身含水率的降低而減少。
　　本文選擇了廣泛應(yīng)用的農(nóng)用化學(xué)品，考察了生物炭添加對其歸趨的影響?？疾炝司哂械湫捅砻嫖锢砘瘜W(xué)特性的5種生物炭以及農(nóng)田土壤對于3種有代表性的苯脲基除草劑（利谷隆，敵草隆，滅草?。┑奈阶饔?。大部分吸附等溫線能夠較好地用Freundlich模

5、型進(jìn)行描述（R2=0.93-0.97）。吸附參數(shù)KF值在不同除草劑間有較大差異（6.94-1306.95 mg kg-1），其大小變化為：利谷隆>敵草隆>滅草??；不同生物炭和土壤之間也有所差異，其大小變化如下：核桃殼生物炭>木質(zhì)生物炭>火雞凋落物生物炭>強(qiáng)化生物炭>豬糞生物炭>Yolo粉質(zhì)壤土。這些結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了生物炭的特性是隨著制備原料和各制備條件的差異而有所不同的，其與土壤及農(nóng)用化學(xué)品之間的相互作用并不能簡單用生物炭的一個(gè)或幾個(gè)表

6、面物理、化學(xué)特性作結(jié)論。結(jié)果表明，生物炭對農(nóng)用化學(xué)品的歸趨可能會同時(shí)有正面（減少淋溶損失）和負(fù)面（降低除草劑的有效性）的影響。在探討生物炭土壤添加所產(chǎn)生的效應(yīng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮生物炭的表面特性（如碳/氫元素比例和比表面積等）、土壤特征、目標(biāo)化學(xué)品和氣候環(huán)境因子等，從而更好地進(jìn)行農(nóng)用化學(xué)品的農(nóng)田管理，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)效益和環(huán)境效益雙贏的目標(biāo)。
　　土壤水可提取有機(jī)碳盡管只占土壤有機(jī)碳的一小部分，但能非?；钴S地參與到許多土壤微生物活動(dòng)中。為

7、了研究生物炭、生物固體（biosolid）在不同水文過程背景下生物炭和生物固體對土壤水可提取有機(jī)物的影響，本文運(yùn)用美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校Russell Ranch長期實(shí)驗(yàn)站的Yolo粉質(zhì)壤土，用實(shí)驗(yàn)室模擬的方法構(gòu)建了濕潤、干燥和干濕交替的水分條件下，具有0，0.5％，1%（質(zhì)量百分比，下同）核桃殼生物炭處理和/或0，0.5%，1%生物固體添加處理的為期52周的培育實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，生物炭和生物固體都能顯著提高土壤水可提取有機(jī)物的含量

8、。干燥和干濕交替的土壤水分過程也會增加土壤水可提取有機(jī)物。運(yùn)用碳穩(wěn)定同位素方法和特定波長紫外吸收法進(jìn)一步研究了水可提取有機(jī)物的來源。結(jié)果表明，單位質(zhì)量核桃殼生物炭比土壤釋放更多的水可提取有機(jī)碳。在極值水分過程下，生物炭添加處理中檢測到更高的水可提取有機(jī)碳，核桃殼生物炭可能增加源于土壤有機(jī)物的水可提取有機(jī)物（提高52.88-87.86%）。這一影響對土壤生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)具有正面和負(fù)面的影響。增加的水可提取有機(jī)物有益于土壤微生物群落，然而也增加

9、了土壤有機(jī)質(zhì)流失的風(fēng)險(xiǎn)。在生物炭的田間的實(shí)際應(yīng)用中，生物炭的理化特性和土壤的多樣性以及環(huán)境氣候條件的不確定性都意味著生物炭作為長期的土壤碳封存方法，其對于土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)力學(xué)的影響有待進(jìn)一步的研究。這些結(jié)果進(jìn)一步表明生物炭對土壤產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)是需要結(jié)合生物炭、土壤和氣候特性綜合考慮的。
　　土壤微生物參與許多土壤的碳、氮等養(yǎng)分循環(huán)，其中也包括土壤溫室氣體排放等。為了研究在氣候變化背景下在不同水文過程背景下生物炭和生物固體對土壤微生物群

10、落，本文用Yolo粉質(zhì)壤土，構(gòu)建了為期12周的具有三種水分條件：濕潤、干燥和干濕交替的水分條件下，和具有0，0.5%，1%核桃殼生物炭處理和/或0，0.5%生物固體添加處理的培育實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用土壤微生物磷脂脂肪酸方法對微生物群落的變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，土壤水分過程對土壤微生物群落有較強(qiáng)的影響。干濕交替處理中的雙重的水分環(huán)境壓力較之濕潤和干旱處理對微生物群落導(dǎo)致顯著不同的影響。生物固體能持續(xù)提高土壤微生物的生物量。生物炭對土壤微生物群落的

11、影響是存在多種機(jī)制的，其最終效應(yīng)取決于生物炭劑量和土壤養(yǎng)分條件。生物固體能夠減少土壤水分條件導(dǎo)致的微生物群落之間的差異。生物固體的存在也能夠放大生物炭對土壤微生物所產(chǎn)生的效應(yīng)。
　　土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體是影響土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)力學(xué)、土壤水分傳導(dǎo)和植物根系生長的重要土壤結(jié)構(gòu)。微生物活動(dòng)在土壤團(tuán)聚體的形成和轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮重要作用。為了了解生物炭對土壤團(tuán)聚體及微生物群落的影響以及它們的相互作用，以田間實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室培育實(shí)驗(yàn)兩種方式開展研究。田間實(shí)

12、驗(yàn)具有0，0.5%（表層土壤）核桃殼生物炭處理和礦質(zhì)肥料、堆肥處理。在田間條件下，土壤團(tuán)聚體受作物、環(huán)境條件等多方面影響，2年后生物炭對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各組分的含量沒有顯著影響。用兩種典型的農(nóng)田土壤Yolo粉質(zhì)壤土和Vina砂質(zhì)壤土為材料，構(gòu)建了為期12個(gè)月的有0，0.5%，1%核桃殼生物炭和0，0.5%，1%強(qiáng)化生物炭處理的培育實(shí)驗(yàn)，對土壤化學(xué)特征、土壤團(tuán)聚體和土壤微生物群落進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，兩種生物炭均能影響包括土壤 pH、電導(dǎo)

13、率和土壤有機(jī)碳的組成等特征。生物炭對這些因子的影響同樣會通過多種機(jī)制對土壤微生物群落和土壤團(tuán)聚作用產(chǎn)生影響。兩種生物炭對Yolo粉質(zhì)壤土的水穩(wěn)性團(tuán)聚體有很大的提升。兩種生物炭對 Vina砂質(zhì)壤土的土壤團(tuán)聚作用則大多沒有顯著影響。未熱解完全的生物炭可能為土壤微生物群落提供額外碳源，提升土壤微生物生物量。生物炭中所含的高度芳香化的碳可能影響土壤微生物代謝芳香化碳的能力，同時(shí)也會增加土壤有機(jī)質(zhì)的總體芳香程度，從而影響土壤的團(tuán)聚過程。本文的結(jié)果

14、表明，生物炭對團(tuán)聚體的提升作用可以增強(qiáng)團(tuán)聚體對土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)，從而實(shí)際上進(jìn)一步增強(qiáng)生物炭的土壤碳封存作用。
　　本文的結(jié)果表明，在今后的生物炭農(nóng)田土壤實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要綜合考慮生物炭的理化特性、土壤特征，根據(jù)田間管理的目標(biāo)選擇合適的組合。同時(shí)，在全球氣候變化的背景下，需要同時(shí)考慮可能的由氣候變化導(dǎo)致的極端土壤水文過程。生物炭在農(nóng)田中的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)在綜合考慮上述因素對土壤水分、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)、農(nóng)用化學(xué)品環(huán)境過程和土壤微生物群落的