土壤呼吸对秸秆与秸秆生物炭还田的响应及其微生物机制

土壤呼吸释放CO_2是温室气体排放的重要途径之一,减少土地利用中温室气体排放、增强土壤碳汇聚能力对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物炭具有改善土壤理化性质、增加作物产量、调节土壤微生物性质等特性。本研究采用室外盆栽的方式,以地肤草为目标植物,研究了芦苇、水稻、互花米草三种农林秸秆及其秸秆生物炭还田对土壤的改良效应,以及对土壤呼吸的影响及其微生物机制。结果表明:秸秆及其秸秆生物炭均可改善土壤肥力,促进植物生长,且生物炭改良效果略好于秸秆直接还田。但秸秆生物炭还田的土壤呼吸显著低于秸秆直接还田,其中芦苇生物炭最低。秸秆直接还田可促进土壤β-糖苷酶、脱氢酶和活性微生物量等微生物活性指标,从而促进土壤呼吸,增加土壤CO_2的释放,而生物炭还田对土壤微生物活性无显著的促进作用,反而有一定的抑制作用,这可能是由于生物炭中易降解有机物含量很低,可降解性较低的缘故。     

根施生物炭对设施连作土壤氮素转化及黄瓜幼苗根系氮代谢的影响

设施连作土壤普遍存在由于氮素过量积累导致的土壤障碍问题。本研究以不添加生物炭作为对照,以添加5%的生物炭(质量比)为处理,采用盆栽方式分析了生物炭对土壤微生物群落结构、氮循环功能基因丰度以及黄瓜幼苗根系生长和氮素代谢相关基因表达的影响,以期探明外源添加生物炭对设施连作土壤氮素转化的调控作用。结果表明：与对照相比,设施连作土壤添加生物炭处理后显著提高了黄瓜幼苗的株高、根系干重、总根长、根表面积和根体积;改善了根区环境,诱导黄瓜通过上调植物氮代谢相关基因的表达促进了黄瓜根系对氮素的吸收。施入生物炭显著提高了土壤微生物生物量氮、硝态氮和亚硝态氮含量,显著提高了土壤中变形菌门和蓝细菌门以及鞘脂单胞菌(土壤固氮菌)等氮代谢相关菌群丰度;增加了土壤硝化、氮同化还原功能基因丰度;增强了参与氮代谢的羟胺脱氢酶、硝基单加氧酶和碳酸酐酶活性。综上,根施生物炭改善了设施连作土壤理化性质和微生物生态系统,通过促进硝化作用和氮同化作用来调节土壤的氮循环过程,提高了植株对土壤氮素的吸收能力,最终促进了黄瓜植株生长。     

生物炭添加对不同水氮条件下芦苇生长和氮素吸收的影响

生物炭能改良土壤从而促进植物生长和氮素吸收，但其作用效果是否受水氮条件的影响尚不清楚。以湿地植物芦苇为研究对象，在3种氮添加水平（无添加，30 kg hm^-2 a^-1和60 kg hm^-2 a^-1）和两种水分（淹水和非淹水）条件下分别进行生物炭添加和不添加处理，结果表明：（1）生物炭添加能促进芦苇根系生长，在非淹水条件下根系生物量增加了40.5%，在淹水条件下根系生物量增加了20.1%。（2）生物炭添加能促进非淹水条件下芦苇的氮素吸收，能提高淹水条件下芦苇的氮素生产力。（3）生物炭添加加剧了土壤氮素损失，且在非淹水高氮条件下作用最强，可能是由于生物炭促进了芦苇的氮素吸收。芦苇氮素吸收速率与土壤氮损失之间存在显著的正相关关系。因此，在添加生物炭时，需要考虑土壤水分状况和氮素富集程度以及植物的氮素吸收偏好。该研究结果可为生物炭在湿地生态系统中的应用提供参考。     

生物炭对农田土壤微生物生态的影响研究进展

生物炭作为新型土壤改良剂在国内外环境科学等领域受到广泛的关注.关于生物炭对土壤理化性质的改良研究较早,目前虽然已深入到土壤微生物生态的领域,但是大多数将土壤理化性质与土壤微生物生态分开考虑,缺乏对二者相互作用的系统评述.本文总结了施用生物炭后土壤理化性质的改变与土壤微生物群落变化之间的相互关系:生物炭不仅能够提高土壤pH值、增强土壤的持水能力、增加土壤有机质等,而且会影响土壤微生物的群落结构、改变细菌和真菌的丰度;施用生物炭后,土壤环境和土壤微生物之间互相影响互相制约,共同促进了土壤微生物生态系统的改良.本文旨在为生物炭改良农田土壤微生态的深入研究提供新的思路,从生态系统的角度促进生物炭环境效应影响的研究,使生物炭的应用更具有科学性和有效性,并对生物炭在相关领域的应用进行了展望.     

生物炭对土壤有机碳矿化的激发效应及其机理研究进展

近年来由于生物炭具有碳素稳定性强和孔隙结构发达等特性,其在土壤固碳减排方面的作用研究受到广泛关注.然而当生物炭进入土壤环境后最终是增加土壤碳的储存还是促进土壤碳的排放?目前学术界对该问题仍存在争议.生物炭对土壤有机碳的激发效应及其机理研究有待进一步深入开展.本文在分析生物炭自身碳素组分和稳定性、孔隙结构及表面形态特征的基础上,综述了添加生物炭对土壤本底有机碳矿化产生激发效应的研究进展,分别阐述了产生正激发和负激发效应(即促进和抑制矿化)的机制机理,认为正激发效应主要是基于生物炭促进土壤微生物活性增强、生物炭中易分解组分的优先矿化以及由此引发的土壤微生物的共代谢作用,而负激发效应主要是基于生物炭内部孔隙结构和外表面对土壤有机质的包封作用和吸附保护作用、生物炭促进土壤有机-无机复合体形成的稳定化作用、生物炭对土壤微生物及其酶活性的抑制作用.最后对今后相关研究方向进行了展望,以期为生物炭在土壤固碳减排方面的应用提供理论依据.     

生物炭介导植物病害抗性及作用机理

生物炭是生物有机材料在缺氧或限氧条件下经高温热裂解后生成的固体产物，在固碳减排、污染修复、土壤改良等方面具有较大的应用潜力。研究表明，生物炭在植物病害胁迫中也起重要的抗性作用。综述了国内外关于生物炭缓解植物病害的相关研究，重点介绍了生物炭在降低病害和提高植物抗性方面的作用机理。生物炭通过诱导植物增强系统抗性，改良土壤理化特性，改变土壤微生物群落结构，增加土壤有益微生物类群的丰度和活性，吸附病原菌及其产生的有毒物质等来降低病原菌对寄主植物的侵害作用，从而促进植物生长和增强植株抗病性。生物炭对病害的抗病效果与生物炭的原料类型、用量、土壤及病害类型等有关。未来的研究应重点应围绕"生物炭-土壤-植物病害"体系，借助组学手段，深入研究生物炭介导植物病害的分子机理。     

生物炭对杉木人工林土壤养分、酶活性及细菌性质的影响

为了探究添加生物炭对南方红壤杉木人工林土壤养分含量、酶活性及细菌丰度和群落结构及多样性的影响,分析三者之间的作用机制,基于高通量测序技术,通过添加不同生物炭对人工杉木林土壤环境中细菌群落进行培养和测定,同时挑选与土壤C、N循环相关的4种酶,分析4种酶与土壤养分含量及土壤细菌相对丰度的关系。结果表明:添加生物炭总体使得土壤pH值,全磷、有效磷、速效钾等含量有所提高,同时促进土壤-α-葡萄糖苷酶、土壤-β-葡萄糖苷酶及脲酶的活性,对过氧化氢酶的影响不显著;由于生物炭制备原料不同,其自身性质和物质含量也存在差异,因此杉叶炭对土壤养分的提高量大于木屑炭,而木屑炭处理的土壤全碳含量高于杉叶炭;低添加量生物炭对参与碳循环的土壤葡萄糖苷酶活性提高程度大于高添加量生物炭,而与氮循环有关的土壤脲酶活性随着生物炭添加量的增加而提高,尤其3%BL600处理对土壤脲酶影响十分显著;向土壤添加杉叶炭能够提高土壤细菌丰度,而木屑炭降低了土壤细菌丰度,低温炭大于高温炭;添加生物炭对土壤pH值,全碳、全磷、有效磷、速效钾含量等具有直接影响,土壤组分和性质对不同细菌种群生活习性与功能产生不同的影响,土壤酶活性与土壤细菌存在密切的联系,细菌丰度的变化又会引起土壤酶活性的改变,因此土壤酶活性和细菌群落相对丰度对添加生物炭的响应存在一定的相关关系。     

不同磷水平配施生物炭对土壤磷有效性

生物炭在提高土壤磷素有效性及促进作物生长方面具有显著作用,但其效果因土壤类型不同存在较大差异。试验以赤红壤(pH 4.91)和褐土(pH 7.24)为供试土壤,设置3种磷肥水平(0、30、90 kg P·hm^-2,分别以不施磷、低磷、高磷表示)配施稻秆生物炭(0、4%)的大豆盆栽试验,研究了不同磷水平下配施生物炭对土壤磷有效性、磷酸单酯酶活性和植株磷吸收的影响。结果表明: 不同磷水平配施生物炭显著提高了两种土壤的速效磷和全磷含量,且低磷水平添加生物炭处理速效磷增幅最大,在赤红壤和褐土的增幅分别为192.6%和237.1%。与低磷相比,赤红壤中低磷配施生物炭处理的碱性磷酸单酯酶活性显著增加78.9%,活性有机磷含量降低39.3%,同时显著促进了植株生长与磷吸收;生物炭添加显著降低了褐土活性有机磷含量,但不同处理对土壤磷酸单酯酶活性和植株生长无显著影响。土壤活性有机磷含量与速效磷含量均呈显著负相关。综上,生物炭对土壤磷有效性的作用因土壤类型和磷肥水平差异而不同,其在赤红壤上对植株生长和磷吸收的促进效应强于褐土,且在低磷条件下效果更佳。本研究为生物炭在减施磷肥和促进大豆磷吸收,特别是在赤红壤上的应用提供了科学依据。     

施用生物炭对土壤动物群落的影响研究进展

土壤动物是土壤生物群落不可或缺的组成部分,是调控土壤生态过程重要的生物驱动因子。探明向土壤中施加生物炭对土壤动物群落的影响及二者之间的相互关系,对深刻认识土壤生态系统的运行机制、评价土壤生态服务功能具有重要意义。本文综述了施用生物炭对土壤动物群落的影响及机制,包括生物炭原料、制备温度、施用量的差异对土壤动物群落造成的直接影响,及以生物介导(改变植物生理特性、提高微生物数量)和非生物介导(土壤理化性质的改变)环境条件的改变对土壤动物群落造成的间接影响。低量生物炭添加下(生物炭与土壤质量比＜5%),对土壤动物的生长繁殖和行为活动起促进作用,若施炭量过高(＞10%),则会产生毒害;土壤动物的行为活动也会影响生物炭的稳定性。未来应该加强长期田间定位、时空变异性、多学科交融和分析预测等方面的研究。     

植物根系分泌物主要生态功能研究进展

根系分泌物在植物根系-土壤-微生物互作过程及其生态反馈机制中发挥重要作用。在植物根际复杂网络互作过程中, 根系分泌物被认为是“根际对话”的媒介, 其在调控植物适应微生境、缓解根际养分竞争及构建根际微生物群落结构方面意义重大。该文结合国内外该领域主要研究成果, 综述了根系分泌物对植物生长、土壤微生物特性及土壤养分循环的影响, 并展望了未来根系分泌物的研究方向。     

生物炭对玉米/大豆、玉米/花生间作系统土壤水肥热及产量的影响

于2019年5—9月在沈阳农业大学水利学院科研试验基地进行田间试验,设置2种种植模式MS、MP(玉米/大豆间作、玉米/花生间作)和3个生物炭施用量T0、T1和T2(0、15和30 t·hm^-2)的田间小区试验,研究施入生物炭对玉米/大豆、玉米/花生间作系统土壤水热、养分吸收和产量的影响。结果表明:施入生物炭对作物生育初期0~30 cm土壤储水量影响不显著,随着生育期的推进,由于受降雨等因素的影响,生物炭处理显著提高了0~30 cm土壤储水量,其中在抽雄期MPT2处理的增幅最大,达15.49%;在苗期与拔节期,由于降雨少,生物炭对30~60 cm土壤储水量的影响并不显著,从抽雄期开始至生育末期表现出显著性差异,但提升效果不如0~30 cm土层。生物炭可以显著提高苗期与拔节期土壤有效积温,在苗期MPT2处理下提升效果最为显著,增幅达20.97%,而在作物生育中后期,生物炭对土壤有效积温的影响减弱,在抽雄期和灌浆期的影响最小。生物炭施入土壤后虽然显著降低了作物生育前期土壤的矿质氮含量,但显著提高了作物生长发育中后期的矿质氮含量(25.19%~48.82%),因而增加了MS总产量(12.79%~13.71%)和MP总产量(15.86%~18.01%)。因此,生物炭有效调控了作物生长发育关键期土壤的水肥热状况,改善了间作系统的作物生长环境,使得间作这一本来就有着产量优势的种植模式产生了更大的增产效应。     

Cost-benefit analysis of using biochar to improve cereals agriculture

Biochar has received considerable scientific attention in the past decade as a possible method for carbon storage and increasing agricultural yields. Despite this promise, however, economic assessments of biochar are yet to definitively establish the value of the technology, primarily due to discrepancy between observed short-term agronomic benefits and expectations of biochar as a lasting soil improver. This study investigated the economic value of biochar as an agricultural technology for long-term improvement of arable farming. From presently available field trial data, the costs and benefits of using biochar technology to enhance cereals agriculture were evaluated in two generalized geo-economic agricultural scenarios: North-Western Europe (NWE) and Sub-Saharan Africa (SSA). Cost models were developed to estimate the total cost of biochar from initial biomass feedstock acquisition to final soil application for each agricultural setting. Benefits of biochar application were estimated by statistical meta-analysis of crop yield data from published biochar field trials to find the increase in cereal grain yield attributable to biochar application for both NWE (+0.07 to +0.28 t ha⁻¹ yr⁻¹) and SSA (+0.18 to +1.00 t ha⁻¹ yr⁻¹). The grain yield improvement from a one-time biochar application was assumed to persist without decay for an independently varying time period, and the increase in grain production then monetised using projected future commodity prices. The Net Present Value (NPV) of applying biochar was then calculated by setting present total costs against present total benefits as a function of biochar performance longevity. Biochar application was found to carry a positive NPV for cereal cropping in SSA in several scenarios where the duration of the biochar yield effect was assumed to extend 30 years into the future. Conversely, NWE biochar scenarios were all found to have negative NPVs even when the benefits time span was indefinitely stretched.     

生物质炭对土壤氮素循环的影响及其机理研究进展

生物质炭因其特殊的理化性质,具有改良土壤、持留养分、提高肥力及增加土壤碳库贮量的作用,成为土壤生态系统生物地球化学循环和农业固碳减排领域的研究热点.作为一种人为输入的新材料,生物质炭将直接或间接地参与土壤氮素物质的周转,进而对土壤生态系统功能产生深远的影响.本文综述了生物质炭输入对土壤生态系统氮素循环的影响研究,重点概述了生物质炭对土壤氮素物质吸附作用以及硝化作用、反硝化作用和固氮作用等生物化学过程的影响,并对其潜在的机理进行了分析.在此基础上,对今后生物质炭与土壤氮素循环的相互作用进行了展望.     

生物炭对土壤氮循环的影响研究进展

在定性资料调研的基础上,基于ISI Web of Science数据库,采用文献计量学方法,针对"生物炭对土壤氮循环的影响"及其分支技术进行文献检索、数据整理、分类以及主题分析,从国际整体研究态势和分支技术主题两个角度探讨了目前国内外生物炭影响土壤氮循环方面的研究进展,并从生物炭对土壤N_2O排放、肥料利用率、硝化速率、NH_4~+/NH_3吸附、NO_3~-吸附以及土壤微生物氮素固持等6个方面的影响进行了详细论述。近年来,生物炭对土壤氮循环的影响研究急剧增温,发文量逐年增加,截止2014年6月,SCI数据库中共检索到2468篇论文。其中,期刊论文2188篇、综述性论文93篇,其它类论文177篇。美国、加拿大、英国等欧美国家在该领域的研究中占有明显优势,而自2010年以来,中国已成为该领域全球第一的年发文大国。发文热点主要集中在生物炭对土壤N_2O排放和对氮肥利用率的影响2个方面,占总发文量的73.7%。从6个方面的分支技术主题来看,生物炭的影响作用争议性较大。大部分研究认为,生物炭能够抑制土壤N_2O排放、提高氮肥利用率、促进土壤硝化速率、提高土壤对NH_4~+/NH_3和NO_3~-的固持作用以及土壤微生物氮素固持作用等,但也有研究表明生物炭会促进土壤N_2O排放、抑制土壤硝化速率,且不具备NO_3~-固持能力。这主要与生物炭的类型、老化过程,以及土壤类型及其含水孔隙率等密切相关。总之,探讨了生物炭对土壤氮循环影响的研究动态、热点及主要结论,为深入了解生物炭对土壤理化特性影响的作用机制提供了一定研究思路,为生物炭的农业应用提供了一定借鉴和参考。     

The legacy effect of biochar application on soil nitrous oxide emissions

Existing studies suggest that biochar application can reduce soil nitrous oxide (N₂O) emissions, mainly based on short-term results. However, it remains unclear what the effects (i.e., legacy effects) and underlying mechanisms are on N₂O emissions after many years of a single application of biochar. Here, we collected intact soil columns from plots without and with biochar application in a subtropical tea plantation 7 years ago for an incubation experiment. We used the N₂O isotopocule analysis combined with ammonia oxidizer-specific inhibitors and molecular biology approaches to investigate how the legacy effect of biochar affected soil N₂O emissions. Results showed that the soil in the presence of biochar had lower N₂O emissions than the control albeit statistically insignificant. The legacy effect of biochar in decreasing N₂O emissions may be attributed to the reduced effectiveness of the soil substrate, nitrification and denitrification activities, and the promotion of the further reduction of N₂O. The legacy effect of biochar reduced the relative contribution of nitrifier denitrification/bacterial denitrification, nitrification-related N₂O production, and the relative abundance of several microorganisms involved in the nitrogen cycle. Our global meta-analysis also showed that the reduction of N₂O by biochar increased with increasing application rate but diminished and possibly even reversed with increasing experimental time. In conclusion, our findings suggest that the abatement capacity of biochar on soil N₂O emissions may weaken over time after biochar application, but this remains under further investigation.