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

1、如何應(yīng)對(duì)氣候變化已成為全球社會(huì)需面對(duì)的重大挑戰(zhàn)之一。來(lái)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(qiáng)也會(huì)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(qiáng)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(guò)程的機(jī)制，對(duì)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(diǎn)研究領(lǐng)域。近年來(lái)，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(shí)會(huì)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(zhǎng)提供良好環(huán)境;尤其是生物炭具備同時(shí)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(lái)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(duì)凍融土壤氮循環(huán)及作物產(chǎn)量的影響還鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究主要采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)與田間土柱試驗(yàn)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(dòng)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(duì)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(duì)農(nóng)田土壤碳氮循環(huán)的影響及其潛在增產(chǎn)效應(yīng)，評(píng)價(jià)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(yàn)，通過(guò)比較這些有機(jī)物料腐解特征，探討腐解過(guò)程中CO2釋放規(guī)律，并對(duì)腐解過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，以評(píng)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(duì)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(duì)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(duì)數(shù)模型，在培養(yǎng)條件不變時(shí)能夠較為有效預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期腐解特征;根據(jù)模型預(yù)測(cè)，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(jì)百年后土壤中所剩余生物炭量相對(duì)越多。
　　(2)通過(guò)秸稈、生物炭及其施用量的模擬培養(yǎng)試驗(yàn)，探討對(duì)土壤各有機(jī)碳組分影響，并對(duì)各碳庫(kù)指標(biāo)敏感度變化進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。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(shí)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(duì)土壤活性有機(jī)碳(LOC)和可溶性有機(jī)碳(DOC)含量無(wú)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(yàn)條件下施用生物炭能快速增加SOC含量，

7、而對(duì)土壤活性有機(jī)碳庫(kù)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(yàn)，通過(guò)測(cè)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(duì)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(jí)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(duì)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(duì)濕團(tuán)聚體無(wú)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(shí)，土壤滅菌能顯著降低了MBC含量。可見，添加生物炭對(duì)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(yàn)，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(qiáng)化凍融兩個(gè)研究因子，以在-10℃恒溫冰箱中冷凍3d作為春季強(qiáng)化凍融措施，記錄全年土壤凍融循環(huán)數(shù)據(jù)，并測(cè)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(shí)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(duì)銨態(tài)氮淋溶無(wú)顯著影響，同時(shí)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）?？梢姡砑痈邷刂苽涞纳锾磕苡行Ь徑馔寥蓝杭緝鋈谝鸬耐寥赖亓苋軗p失，但同時(shí)對(duì)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(yàn)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(guò)程。結(jié)果表明，相對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)15N同位素示蹤技術(shù)結(jié)果也驗(yàn)證了這一發(fā)現(xiàn)

12、?？梢?，高溫制備生物炭的施用能有效緩解土壤冬季凍融對(duì)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(yàn)并配合離子交換樹脂袋方法，在2015-2016年間，通過(guò)吸附試驗(yàn)研究不同溫度制備生物炭配施綠肥對(duì)凍融土壤氮循環(huán)及作物產(chǎn)量的影響。試驗(yàn)包括三個(gè)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(yàn)證生物炭對(duì)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(duì)氮素固持能力更強(qiáng);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(bǔ)償凍融對(duì)作物產(chǎn)量的降低作用，與凍融條件相比可增產(chǎn)20％，同時(shí)，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(shí)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(duì)土壤惰性碳庫(kù)有顯著增加效果，而對(duì)活性有機(jī)碳庫(kù)提升并不明顯，原因可能在于生物炭自身的碳組分相對(duì)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(duì)N2O排放有促進(jìn)作用;同時(shí)，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(duì)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(lái)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(duì)土壤的長(zhǎng)期培肥及增產(chǎn)效果，仍有待不同的