秸秆与秸秆生物炭还田对土壤微生物群落结构的影响

秸秆及其生物炭性质的差异可能会导致其还田后土壤微生物结构与特性的改变,从而影响土壤的物质循环。本研究选取芦苇秸秆(Straw,ST)及其生物炭(Biochar,BC)为还田材料,研究它们短期内对土壤微生物群落结构及微生物酶活性的影响。结果表明,BC和ST处理都显著增加了微生物的多样性,但增加的微生物类型存在显著差异。BC处理诱导的特异性微生物其腐殖化能力相对较强,或多以自养方式生存;ST处理诱导的微生物一般氧化活性高,往往在易降解碳源丰富的条件下占优势。较CK而言,ST处理显著增加了酶的活性,使得β-葡萄糖苷酶和脱氢酶活性分别提高了19.23%和187.27%;而BC处理则相反,其抑制了两种酶的活性,使得β-葡萄糖苷酶和脱氢酶活性分别下降了20.85%和61.09%。     

不同还田方式对砂质潮土理化性质及微生物的影响

为探索不同物料还田方式对中低产田砂质潮土的改良效果,在黄淮海平原麦玉轮作区典型砂质潮土上进行了连续6季的田间小区试验,设置全量秸秆翻耕还田(TS),秸秆等碳量的生物炭(TB)及半量秸秆半量生物炭配合翻耕还田(TSB),全量秸秆免耕覆盖还田(NTS)和半量秸秆半量生物炭配合免耕覆盖还田(NTSB),共5种还田方式。结果表明,与常规秸秆翻耕还田(TS)相比,生物炭翻耕还田(TB)显著降低土壤容重,增加玉米各个生育期土壤水分和p H值,有机质含量提升了16.4%,但TB处理的土壤大团聚体降低了21.2%和微生物数量降低了16.1%;翻耕秸秆配合生物炭还田(TSB)除了显著降低了大团聚体数量,对其余理化及微生物指标的影响均不显著;免耕模式下的秸秆还田(NTS)和秸秆生物炭配施(NTSB)分别在玉米生长的喇叭口期和收获期显著增加了土壤水分含量、耕层土壤的微生物数量和有效降低砂质潮土分形维数,对容重和有机质含量有一定的改善,其中NTSB有机质含量提升了14.9%和微生物数量增加了53.7%,对砂质潮土改良效果更好。总体来说,短期内用等碳量的生物炭替代秸秆翻耕还田更多的表现为物理的掺混效应,虽能有效提升土壤有机质含量,但不能有效改善砂质潮土的物理结构及生物性质,一半秸秆用生物炭替代还田对该类土壤的理化及微生物指标的改良效果也不显著,而免耕条件下秸秆配合生物碳还田效果最佳,可为砂质潮土的改良提供新的途径和理论依据。     

生物质炭化还田对稻田温室气体排放及土壤理化性质的影响

通过水稻种植田间试验,研究了水稻秸秆直接还田、水稻秸秆与生活垃圾炭化后还田对稻田温室气体CH4、CO2和N2O排放及土壤理化性质和水稻产量的影响.结果表明:与直接还田相比,秸秆炭化后还田可显著降低稻田CH4和N2O的累积排放量,降幅分别为64.2%～78.5%和16.3%～18.4%.与不添加生物炭相比,无论种植水稻与否,添加秸秆炭和垃圾炭均显著降低了稻田N2O的累积排放量;不种植水稻情况下,添加垃圾炭显著降低了稻田CO2的累积排放量,降幅为25.3%.秸秆炭对提高稻田土壤pH和速效钾含量的作用优于垃圾炭.两种生物炭均能显著提高稻田土壤有机碳含量,但对土壤容重、全氮、有效磷、阳离子交换量及水稻籽粒产量均未产生显著影响.与秸秆直接还田相比,秸秆炭化后还田对水稻增产的效果更佳.     

不同秸秆还田和耕作方式对夏玉米农田土壤呼吸及微生物活性的影响

采用基质诱导呼吸法和CO2释放量法,研究了冬小麦季长期不同耕作方式(常规翻耕、免耕和深松)和秸秆处理(秸秆还田和无秸秆还田)对夏玉米田土壤呼吸及微生物活性的影响.结果表明:秸秆还田和保护性耕作主要在O～ 10 cm土层起作用.秸秆还田能明显提高土壤微生物生物量碳和微生物活性,降低呼吸熵,在苗期和开花期提高土壤呼吸,而在灌浆期、腊熟期和收获期降低土壤呼吸;在相同秸秆处理条件下,深松和免耕比常规翻耕能显著降低土壤呼吸和呼吸熵,提高微生物生物量碳和微生物活性.整个生育期,秸秆还田结合保护性耕作能显著提高微生物生物量碳和微生物活性,降低呼吸熵,与常规翻耕无秸秆还田相比,深松秸秆还田和免耕秸秆还田0～10 cm土层微生物生物量碳平均提高了95.8％和74.3％,微生物活性提高了97.1％和74.2％.     

秸秆不同还田方式对旱地棕壤CO_2排放和土壤碳库管理指数的影响

通过玉米种植田间试验,研究了玉米秸秆直接还田和炭化还田对旱地棕壤CO2排放及土壤碳库管理指数的影响。结果表明:与对照相比,秸秆直接还田和秸秆炭化还田均显著增加了土壤CO2的累积排放量,分别高于对照132%和76%;在同等化肥施用条件下,秸秆炭化还田比直接还田显著降低了土壤CO2的累积排放量,降幅为24%。与秸秆直接还田相比,生物炭的施入起到了良好的CO2减排效果。秸秆还田可以显著提升土壤碳库管理指数,与秸秆炭化还田相比,秸秆直接还田的效果更为显著。     

施用生物炭和秸秆还田对华北农田CO2、N2O排放的影响

以华北农田冬小麦-夏玉米轮作体系连续6a施用生物炭和秸秆还田的土壤为研究对象,于2013年10月—2014年9月,采用静态暗箱-气相色谱法,对CO_2、N_2O通量进行了整个轮作周期的连续观测,探究施用生物炭与秸秆还田对其排放通量的影响。试验共设4个处理:CK(对照)、C1(低量生物炭4.5 t hm~(-2)a~(-1))、C2(高量生物炭9.0 t hm~(-2)a~(-1))和SR(秸秆还田straw return)。结果表明:在整个轮作周期内,各处理CO_2、N_2O通量随时间的变化趋势基本一致。随着生物炭施用量的增加,CO_2排放通量分别增加了0.3%—90.3%(C1)、1.0%—334.2%(C2)和0.4%—156.3%(SR)。其中,C2处理对CO_2累积排放量影响最大,增幅为42.9%。对N_2O而言,C2处理显著降低了N_2O累积排放量,但增加了CO_2和N_2O排放的综合增温潜势,C1和SR处理对N_2O累积排放量及综合增温潜势均没有显著影响。相关分析表明,土壤温度和土壤含水量是影响CO_2通量最主要的因素,两者之间呈极显著的正相关关系;N_2O通量与土壤温度、土壤含水量、NO_3~--N和NH_4~+-N均表现出极显著的正相关关系,而与土壤p H值表现出极显著的负相关关系。由此可见,添加生物炭对于减少氮素的气体损失具有较大的潜力。     

秸秆还田量对土壤CO2释放和土壤微生物量的影响

对玉米季、小麦季3种不同秸秆还田量的土壤生物学指标的测定结果表明,在秸秆倍量还田中,随着秸秆量的增加,CO2释放量增加,而且倍量处理的增加量显著大于全量处理;在玉米和小麦季节中,不同量秸秆还田对土壤0～10和10～20cm的土壤微生物量的影响不同,但均能增大土壤微生物量,全量和倍量处理间没有明显差异、在土壤表层及下层,微生物量的最大值均落后于土壤呼吸的最大值,且土壤微生物量达到最大值即其最活跃状态后,下降缓慢,但土壤呼吸减少较快,说明微生物活动存在明显的合成性呼吸与维持性呼吸;综合评价不同秸秆量还田的效应,应采用秸秆全量还田,既能调节土壤物理环境,促进微生物的代谢活动,利于养分的转化,又可以减少环境污染。     

秸秆还田的效果、问题与对策

农作物秸秆还田是改善土壤理化性质、增加微生物和酶活性、促进作物增产的有效措施,也是农作物秸秆资源化利用的一种重要方式,但秸秆还田也可能会导致作物出苗率降低、加重作物病虫害发生、引起土壤重金属等有毒有害物质积累等负面影响。目前秸秆以直接还田为主,亦有少量通过堆沤、垫圈等方式间接还田。秸秆在土壤中的腐解速度及还田效果主要取决于秸秆的化学组成特别是C/N、土壤微生物状况、土壤温度及水分含量等。下一步,必须强化秸秆还田方法、快速腐解条件及制剂、对下季作物病害影响及防控、农机农艺配套、缓解全球变化能力等研究,完善相关技术与方法,促进秸秆还田快速推广应用。     

秸秆还田的效果、问题与对策

农作物秸秆还田是改善土壤理化性质、增加微生物和酶活性、促进作物增产的有效措施,也是农作物秸秆资源化利用的一种重要方式,但秸秆还田也可能会导致作物出苗率降低、加重作物病虫害发生、引起土壤重金属等有毒有害物质积累等负面影响。目前秸秆以直接还田为主,亦有少量通过堆沤、垫圈等方式间接还田。秸秆在土壤中的腐解速度及还田效果主要取决于秸秆的化学组成特别是C/N、土壤微生物状况、土壤温度及水分含量等。下一步,必须强化秸秆还田方法、快速腐解条件及制剂、对下季作物病害影响及防控、农机农艺配套、缓解全球变化能力等研究,完善相关技术与方法,促进秸秆还田快速推广应用。     

秸秆还田量对土壤CO2释放和土壤微生物量的影响

对玉米季、小麦季3种不同秸秆还田量的土壤生物学指标的测定结果表明,在秸秆倍量还田中,随着秸秆量的增加,CO₂释放量增加,而且倍量处理的增加量显著大于全量处理;在玉米和小麦季节中,不同量秸秆还田对土壤0～10和10～20cm的土壤微生物量的影响不同,但均能增大土壤微生物量,全量和倍量处理间没有明显差异.在土壤表层及下层,微生物量的最大值均落后于土壤呼吸的最大值,且土壤微生物量达到最大值即其最活跃状态后,下降缓慢,但土壤呼吸减少较快,说明微生物活动存在明显的合成性呼吸与维持性呼吸;综合评价不同秸秆量还田的效应,应采用秸秆全量还田,既能调节土壤物理环境,促进微生物的代谢活动,利于养分的转化,又可以减少环境污染.     

Biochar stimulates the decomposition of simple organic matter and suppresses the decomposition of complex organic matter in a sandy loam soil

Incorporating crop residues and biochar has received increasing attention as tools to mitigate atmospheric carbon dioxide (CO₂) emissions and promote soil carbon (C) sequestration. However, direct comparisons between biochar, torrefied biomass, and straw on both labile and recalcitrant soil organic matter (SOM) remain poorly understood. In this study, we explored the impact of biochars produced at different temperatures and torrefied biomass on the simple C substrates (glucose, amino acids), plant residues (Lolium perenne L.), and native SOM breakdown in soil using a ¹⁴C labeling approach. Torrefied biomass and biochars produced from wheat straw at four contrasting pyrolysis temperatures (250, 350, 450, and 550 °C) were incorporated into a sandy loam soil and their impact on C turnover compared to an unamended soil or one amended with unprocessed straw. Biochar, torrefied biomass, and straw application induced a shift in the soil microbial community size, activity, and structure with the greatest effects in the straw‐amended soil. In addition, they also resulted in changes in microbial carbon use efficiency (CUE) leading to more substrate C being partitioned into catabolic processes. While overall the biochar, torrefied biomass, and straw addition increased soil respiration, it reduced the turnover rate of the simple C substrates, plant residues, and native SOM and had no appreciable effect on the turnover rate of the microbial biomass. The negative SOM priming was positively correlated with biochar production temperature. We therefore ascribe the increase in soil CO₂ efflux to biochar‐derived C rather than that originating from SOM. In conclusion, the SOM priming magnitude is strongly influenced by both the soil organic C quality and the biochar properties. In comparison with straw, biochar has the greatest potential to promote soil C storage. However, straw and torrefied biomass may have other cobenefits which may make them more suitable as a CO₂ abatement strategy.     

Contrasting effects of maize residue,coal gas residue and their biochars on nutrient mineralization,enzyme activities and CO2 emissions in sandy loess soil

Mismanagement of crop straw and coal gas residue threatens the atmosphere and the economy. Nevertheless, thermal-pyrolysis is an option for management that turns bio-waste into biochar; its viability and adoption by the public as soil amendments is dependent on the agronomic and environmental values compared between biochar and the raw materials. We undertook a 60-day short-term analysis to assess the impact of various wastes and biochars, as well as inorganic nutrients (N), on carbon dioxide (CO₂) fluxes, soil enzyme activities, soil fertility status, and microbial activities. There were eight treatments of soil amendments: without an amendment (CK), Nutrients (N), straw + nutrients (S+N), straw biochar + nutrients (SB+N), coal gas residue + nutrients (C+N), coal gas residue biochar + nutrients (CB+N), straw + straw biochar + nutrients (S+SB+N) and coal gas residue waste + coal gas residue biochar + nutrients (C+ CB +N). The results indicated that soil EC, pH, nitrate N (NO₃^–- N), SOC, TN and available K were significantly (p < 0.05) increased coal gas residue biochar and combined with coal fly ash as compared to maize straw biochar and combined with maize straw and N treatments. The higher concentrations of soil MBC and MBN activities were increased in the maize straw application, while higher soil enzyme activity such as, invertase, urease and catalase were enhanced in the coal fly ash derived biochar treatments. The higher cumulative CO₂ emissions were recorded in the combined applications of maize straw and its biochar as well as coal gas residue and its biochar treatment. Our study concludes, that maize straw and coal fly ash wastes were converted into biochar product could be a feasible substitute way of discarding, since land amendment and decreased CO₂ fluxes and positive changes in soil microbial, and chemical properties, and can be confirmed under long-term conditions for reduction of economical and environment issues.     

秸秆预处理对土壤微生物量及呼吸活性的影响

冬小麦秸秆经8．0g·L^-1H2O2(pH11．0)溶液、12．5g·L^-1 NaOH溶液或H2SO4溶液浸泡8h并80℃烘干后,与无机N一起加入土壤,进行室内25℃恒温培养试验,在不同时间测定土壤微生物量C、N和CO2释放速率。结果表明,培养前期,秸秆预处理使土壤微生物量C数量增加了1．0～1．4倍,但降低了土壤微生物的呼吸活性;培养后期,NaOH和H2SO4处理使土壤微生物量C分别下降了28％和42％,但增加了土壤微生物的呼吸活性;H2O2处理则使土壤微生物量N增加90％;土壤微生物区系中的真菌比例在不同时刻有所增加,表明将秸秆预处理后施入土壤,将对土壤中微生物数量和呼吸活性产生一定影响。     

土壤有机碳和微生物群落结构对多年不同耕作方式与秸秆还田的响应

土壤有机碳对维持陆地生态系统功能和缓解土壤退化问题至关重要,土壤微生物参与土壤有机碳的循环过程,而耕作方式与秸秆还田影响土壤有机碳和微生物群落.本试验采用裂区试验设计,耕作方式为主区,分别设深松(ST)和旋耕(RT)处理,副区为秸秆还田量,分别设秸秆全还田(F)和秸秆不还田(0)处理,采用Illumina测序技术测定土壤微生物群落结构和固碳功能基因,并测定了2012—2017试验年间土壤有机碳含量.结果表明: 1)深松耕作和秸秆还田均显著提高了pH、微生物生物量碳、总氮、粉粒含量、黏粒含量,而显著降低了砂粒含量; 2)试验年间各处理的土壤有机碳(SOC)含量均呈增加趋势,但与旋耕耕作和秸秆不还田处理相比,深松耕作和秸秆还田处理的平均有机碳增量分别显著提高30.6%和33.2%; 3)土壤中最丰富的细菌类型为变形菌门,其次为酸杆菌门和芽单胞菌门; 4)深松秸秆还田处理(STF)具有较高的微生物多样性; 5)除砂粒含量外,土壤pH、微生物生物量碳、总氮、粉粒和黏粒含量均促使深松秸秆全还田处理下的微生物群落结构向着有利于有机碳积累的方向发生变异; 6)除二糖和寡糖代谢途径外,CO₂固定、发酵、主要碳水化合物代谢、一碳代谢、糖醇、有机酸、糖苷水解酶类的代谢功能基因丰度均表现为深松耕作显著高于旋耕,且均与土壤有机碳呈正相关关系.因此,深松结合秸秆还田能够改善土壤基本性质与土壤微生物群落结构,有利于增加土壤固碳能力和解决土壤退化问题.     

玉米秸秆生物炭对秸秆腐熟进程、养分含量和CO2排放量的影响

生物炭具有良好的理化特性(富碳、呈碱性、孔隙丰富),能够有效调节其所在系统的理化性质.通过室内培养试验研究了玉米秸秆生物炭对玉米秸秆腐熟进程以及腐熟产物的理化性质、养分含量和CO₂气体排放的影响.试验设置4个处理:对照(CK);生物炭添加量5%(B₁,生物炭干基质量占玉米秸秆腐熟体系的干基质量分数);生物炭添加量10%(B₂);生物炭添加量20%(B₃).结果表明: 生物炭能够提高秸秆腐熟体系的升温速率和温度峰值,加快秸秆腐熟进程;生物炭能够提高秸秆腐熟过程中微生物活跃时期的pH值,提高秸秆腐熟体系的电导率(EC),为微生物降解有机物提供更适宜的环境;生物炭能够促进秸秆腐熟体系有机质的降解,增加秸秆腐熟体系的总养分含量,提高秸秆腐熟产物的品质.另外,随着生物炭添加量的提高,氮(N)含量没有显著变化,磷(P₂O₅)含量和钾(K₂O)含量都显著提高.其中,B₃处理的P₂O₅和K₂O含量较CK分别提高了0.2%和0.9%.生物炭添加能够提高秸秆腐熟体系CO₂的排放通量,且CO₂排放通量与温度的变化趋势一致,进一步说明生物炭能够提高微生物降解有机物的强度.     

有机物料还田对双季稻田土壤有机碳及其活性组分的影响

有机物料还田是提升农田土壤有机碳、培肥土壤的重要措施。为探讨不同有机物料的还田效果,采用室外培养方法,研究了在等碳输入条件下,施用水稻秸秆、紫云英、生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭对洞庭湖双季稻区潮土有机碳和活性有机碳组分含量的影响。结果表明: 经过180 d的培养试验,与不施用有机物料相比,施用有机物料提高了土壤活性有机碳含量。生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭处理分别使土壤有机碳含量显著提升了26.1%、9.7%和30.7%,水稻秸秆和紫云英对土壤有机碳含量的提升效应在试验期间并不显著。水稻秸秆和紫云英还田更有利于土壤可溶性有机碳和微生物生物量碳的积累,猪粪更有利于土壤可溶性有机碳的积累,生物有机肥更有利于土壤微生物生物量碳和易氧化有机碳的积累,水稻秸秆生物炭则更有利于土壤微生物生物量碳和轻组有机碳的积累。与水稻秸秆还田相比,紫云英、生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭还田使土壤碳库管理指数分别提高了31.8%、111.6%、62.2%和50.7%。从土壤固碳和土壤碳库管理指数来看,生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭的还田效果优于水稻秸秆和紫云英还田。     

Formation of soil organic carbon pool is regulated by the structure of dissolved organic matter and microbial carbon pump efficacy: A decadal study comparing different carbon management strategies

To achieve long-term increases in soil organic carbon (SOC) storage, it is essential to understand the effects of carbon management strategies on SOC formation pathways, particularly through changes in microbial necromass carbon (MNC) and dissolved organic carbon (DOC). Using a 14-year field study, we demonstrate that both biochar and maize straw lifted the SOC ceiling, but through different pathways. Biochar, while raising SOC and DOC content, decreased substrate degradability by increasing carbon aromaticity. This resulted in suppressed microbial abundance and enzyme activity, which lowered soil respiration, weakened in vivo turnover and ex vivo modification for MNC production (i.e., low microbial carbon pump “efficacy”), and led to lower efficiency in decomposing MNC, ultimately resulting in the net accumulation of SOC and MNC. In contrast, straw incorporation increased the content and decreased the aromaticity of SOC and DOC. The enhanced SOC degradability and soil nutrient content, such as total nitrogen and total phosphorous, stimulated the microbial population and activity, thereby boosting soil respiration and enhancing microbial carbon pump “efficacy” for MNC production. The total C added to biochar and straw plots were estimated as 27.3–54.5 and 41.4 Mg C ha⁻¹, respectively. Our results demonstrated that biochar was more efficient in lifting the SOC stock via exogenous stable carbon input and MNC stabilization, although the latter showed low “efficacy”. Meanwhile, straw incorporation significantly promoted net MNC accumulation but also stimulated SOC mineralization, resulting in a smaller increase in SOC content (by 50%) compared to biochar (by 53%–102%). The results address the decadal-scale effects of biochar and straw application on the formation of the stable organic carbon pool in soil, and understanding the causal mechanisms can allow field practices to maximize SOC content.     

玉米秸秆生物炭对秸秆腐熟进程、养分含量和CO2排放量的影响

生物炭具有良好的理化特性(富碳、呈碱性、孔隙丰富),能够有效调节其所在系统的理化性质.通过室内培养试验研究了玉米秸秆生物炭对玉米秸秆腐熟进程以及腐熟产物的理化性质、养分含量和CO₂气体排放的影响.试验设置4个处理:对照(CK);生物炭添加量5%(B₁,生物炭干基质量占玉米秸秆腐熟体系的干基质量分数);生物炭添加量10%(B₂);生物炭添加量20%(B₃).结果表明: 生物炭能够提高秸秆腐熟体系的升温速率和温度峰值,加快秸秆腐熟进程;生物炭能够提高秸秆腐熟过程中微生物活跃时期的pH值,提高秸秆腐熟体系的电导率(EC),为微生物降解有机物提供更适宜的环境;生物炭能够促进秸秆腐熟体系有机质的降解,增加秸秆腐熟体系的总养分含量,提高秸秆腐熟产物的品质.另外,随着生物炭添加量的提高,氮(N)含量没有显著变化,磷(P₂O₅)含量和钾(K₂O)含量都显著提高.其中,B₃处理的P₂O₅和K₂O含量较CK分别提高了0.2%和0.9%.生物炭添加能够提高秸秆腐熟体系CO₂的排放通量,且CO₂排放通量与温度的变化趋势一致,进一步说明生物炭能够提高微生物降解有机物的强度.     

黑龙江不同玉米秸秆还田方式下土壤动物群落结构及其对秸秆降解的影响

以黑龙江省海伦市典型黑土耕地为试验样区,研究黑土区不同秸秆还田方式下土壤动物群落结构特征及其在秸秆降解中的作用。实验选取6目、30目、260目降解袋,设置5个处理:17kg玉米秸秆+2kg水还田+含微生物100%浓度催腐剂(样方A)、8.5kg玉米秸秆+1kg水还田+含微生物50%浓度催腐剂(样方B)、原始样方(样方C)、8.5kg玉米秸秆+1kg水还田(样方D)、17kg玉米秸秆+2kg水还田(样方E),并于2009—2011每年9月份测定不同样方的玉米秸秆降解率和微生物数量。结果表明:所有样方累积秸秆降解率都达55%以上,秸秆降解率从高到低排序依次为:样方A>样方B>样方C>样方D>样方E;对秸秆降解起主要作用的动物类群为中小型土壤动物中的甲螨亚目、中气门亚目和节跳虫科,约占土壤动物个体数的86.70%;不同处理样方中,土壤动物群落结构相似;相同处理样方中,不同规格的降解袋中土壤动物个数与类群差异显著(P<0.001);不同孔径降解袋中土壤动物的个数、类群数、多样性基本都与秸秆降解率呈正相关,进一步表明土壤动物对秸秆降解具有促进作用。