生物炭的稳定性及其对矿物改性的响应机制研究进展

生物炭具有高度的碳素稳定性,是一种能有效缓解温室效应的固碳材料.研发碳素持留率高和稳定性强的生物炭对固碳减排具有重要意义.矿物改性处理能对生物炭的稳定性起调控作用,但目前相关研究并未得到足够重视,相应调控机理尚不十分清楚.本研究首先对生物炭稳定性的评价指标进行了归纳,主要包括H/C原子比、O/C原子比、稳定性系数R₅₀、挥发性物质含量、碳素热失重率、碳素(化学)氧化损失率、微生物矿化量等.其次,在分析生物炭稳定性影响因素(如原料类型、炭化条件、外界环境等)的基础上,综述了矿物改性对生物炭稳定性影响的研究进展,并探讨了稳定性增强和减弱的响应机制,认为生物炭稳定性的增强响应主要是基于矿物本身的物理阻隔作用,以及矿物与生物炭之间通过交互作用形成的有机矿物复合体对生物炭起到的保护作用,在一定程度上抑制生物炭的降解;而生物炭稳定性的减弱响应则主要与特殊矿物组分有关,例如含铁矿物组分在高温下促进生物炭的降解.最后对未来的研究方向进行了展望,以期进一步推动生物炭固碳减排技术的发展,并为获得稳定性更强的生物炭提供技术支撑和理论依据.     

陕西黄土区不同施肥条件下农田土壤动物的群落组成和结构

为探明长期施肥与土壤动物群落之间的关系,于2001年6月至2002年10月,在陕西黄土区对不同施肥条件下的农田土壤动物类群的群落组成和结构进行了研究.在6种不同施肥处理的小区内,即对照组(不施肥,简称CK)、撂荒(不施肥、不耕作、不种植,简称ABAND)、施氮磷钾(简称NPK)、施氮磷钾+秸秆(简称SNPK)、施氮磷钾+有机肥(简称MNPK)和施1.5倍MNPK(简称1.5MNPK),两年4次共采集了72个定点土壤样品.采用手捡法和Cobb过筛法共获得农田土壤动物标本5495个,隶属6门11纲22目61科2亚科35属.结果显示6种施肥处理中,大型农田土壤动物的个体总数从多到少依次为SNPK＞1.5MNPK＞NPK＞ABAND＞MNPK＞CK,类群数依次是1.5MNPK＞NPK＞SNPK＞CK＞ABAND=MNPK.中小型农田土壤动物个体总数由多到少依次为1.5MNPK＞MNPK＞ABAND＞SNPK＞NPK＞CK,类群数依次是SNPK=MNPK＞CK=NPK=1.5MNPK＞ABAND.大型农田土壤动物个体数和类群数分布最多的分别是SNPK和1.5MNPK处理,而中小型农田土壤动物则分别是1.5MNPK和SNPK处理.表明农田土壤动物类群分布与施肥处理有关.农田土壤动物优势类群分布以施氮磷钾(NPK)小区最多,常见类群以对照组(CK)最多,极稀有类群以施1.5倍MNPK小区最多.群落相似性指数分析结果表明,在不同施肥处理之间,农田土壤动物的相似性系数一般较低,而其群落组成的异质性较高如大型土壤动物群落在撂荒地与其他施肥处理之间的相似性明显低于其他各施肥处理之间;而中小型土壤动物群落在对照小区与其他施肥之间的相似性指数明显低于其他各施肥处理之间,反映出不同施肥处理对土壤生态系统内部环境,进而对土壤动物群落产生的影响.     

长期施肥及撂荒对土壤氮素矿化特性及外源硝态氮转化的影响

以黄土高原南部17年长期定位试验不同处理土壤为研究对象,研究了不同肥料处理及撂荒条件下土壤氮素矿化特性、灭菌与不灭菌条件下不同肥力土壤对施入外源硝态氮转化的影响.结果表明：氮磷钾化肥和有机肥配施（MNPK）及长期撂荒处理显著提高了土壤有机质和全氮含量以及土壤氮素矿化量和矿化率;氮磷钾化肥（NPK）处理虽然提高了土壤无机氮含量,但对土壤有机质、全氮、土壤氮素矿化量和矿化率的影响相对较小.高温高压灭菌显著增加了土壤铵态氮含量,但对不同处理土壤硝态氮含量无明显影响;在灭菌土壤培养过程中,土壤铵态氮含量呈显著增加趋势.同一土壤类型,不论灭菌与否,培养过程中施入土壤的硝态氮含量保持相对稳定,说明在本研究培养条件下,生物因素和非生物因素对外源硝态氮在土壤中的转化无明显影响.     

长期施肥下三类典型农田土壤小麦磷肥利用效率的差异

对我国北方长期施肥下三类典型农田土壤（塿土、潮土和褐潮土）的小麦产量、小麦磷肥农学利用效率、小麦磷肥利用率进行了研究.结果表明：长期施用磷肥处理（氮磷化肥配合施用、氮磷钾化肥配合施用、氮磷钾化肥和秸秆配合施用、氮磷钾化肥和有机肥配合施用）的小麦产量为2914～6219 kg·hm^-2,较不施磷肥处理（不施肥对照、单施化肥氮、氮钾化肥配合施用）提高了2～4倍,各施磷肥处理之间无显著差异.试验起始年施用氮磷钾化肥处理的塿土、潮土和褐潮土上的小麦磷肥农学利用效率分别为17.0、20.3和13.3 kg·kg^-1,小麦磷肥利用率分别为15.3%、31.2%和23.8%;施肥15年后,小麦磷肥农学利用效率每年分别增加3.9、2.5和2.8 kg·kg^-1,小麦磷肥利用率每年分别增加1.3%、0.9%和1.0%.同一类型土壤不同施磷处理间的磷肥农学利用效率和利用率差异不显著.在我国北方地区,长期施用磷肥可以显著提高小麦产量和磷肥利用效率;氮磷钾化肥和有机肥配施处理下,塿土平均每年增长的小麦磷肥农学利用效率和磷肥利用率较潮土和褐潮土高.     

温度、水分及不同氮源对土壤硝化作用的影响

选用陕西省 3个自然生态区 3种主要耕作土壤土样 ,在实验室培养条件下 ,研究温度、水分及不同氮肥品种对其硝化作用的影响 ,并用 d N/ dt=b N(B-N) / B方程描述硝化作用过程中硝态氮含量随时间的累积变化 ,获得定量描述硝化作用强弱的两个指标 (Kmax和 td)。结果表明 :不同土壤水分含量对硝化作用的影响在不同土壤间差异明显 ;但不同土壤在田间持水量 (F H C)的 60时 ,硝化作用的最大速率 (Kmax)及硝化率最高。土壤温度不仅显著影响硝化作用的最大速率 (Kmax)和硝化率 ,而且迟缓期 (td)也有明显变化。不同氮肥品种对硝化作用的影响主要表现在硝化率不同 ,3种土壤硝化率均为硫酸铵 >尿素和碳铵 >氯化铵 ,显示硫酸根离子的促进作用和氯离子的强烈抑制作用。但氮肥品种对硝化作用的最大速率 (Kmax)和迟缓期 (td)的影响不规律。     

施肥对麦田土壤可溶性有机氮的影响

利用长期定位试验,研究施肥和小麦生长对土壤可溶性有机氮(EON)的影响。长期不同施肥土壤包括不施肥(No-F)、施用化肥(NPK)和有机肥与化肥配施(MNPK)3种。EON含量范围为7.5—29.3 kg/hm~2,No-F、NPK和MNPK土壤中EON分别占可溶性总氮的40%、56%和56%。长期有机肥与化肥配施显著提高0—15 cm土层EON含量,但对30 cm以下土层EON含量无影响。在小麦开花期,可溶性有机氮的含量及其相对含量显著高于拔节期和收获期。虽然施用氮肥对当季EON含量无显著影响,但同位素示踪微区试验表明,土壤耕层(0—15 cm)中仍有0.4%—2.8%的可溶性有机氮来源于当季施入的肥料氮。可见,化学氮肥向可溶性有机氮的转化缓慢,但农田土壤中可溶性有机氮含量与矿质态氮含量相当,发生淋溶损失的风险大。     

不同施肥处理对玉米秸秆碳氮比及其矿化特性的影响

以两个长期定位试验不同施肥处理玉米秸秆为对象,采用室内培养试验研究了其碳、氮养分在土壤中的矿化特性.结果表明：与未施肥处理相比,施用化肥（NPK）或化肥与有机肥配施（MNPK）处理明显增加了玉米秸秆的氮素含量,降低了其C/N.不同处理秸秆碳、氮矿化量和被微生物固持的碳、氮量因培养时期不同而异,NPK、MNPK和240 kg N·hm^-2处理秸秆在培养期间碳的矿化率显著高于相应不施肥处理;60 d培养期结束后,NPK处理秸秆的有机碳矿化量最大,占加入总有机碳的13.24%.各施肥处理玉米秸秆施入土壤后引起的土壤矿质氮固持量均较不施肥秸秆低,其中MNPK处理最低.施用秸秆增加了土壤微生物的代谢熵（qCO₂）,但不同处理间qCO₂的差异较小;各处理土壤微生物生物量碳、氮含量因培养时期不同而异.因此,生产中利用秸秆时应考虑不同施肥处理秸秆养分含量的差异.     

不同施肥条件下黄土麦地杂草生物多样性

采用倒置“W”9点取样法,研究了黄土区9种不同施肥处理长期肥料定位试验小麦田间杂草的生物多样性.结果表明,不同施肥条件下小麦田间杂草组成有一定差异,试验区共有杂草16种,隶属10科16属,约占陕西省麦田杂草种数的34%.随着土壤养分状况的改善,杂草的物种多样性逐渐减少,氮磷钾及其与有机物料配合施用处理（NPK、SNPK、M1NPK、M2NPK）的杂草种群为3～5个,对照及氮、氮磷、氮钾处理(CK、N、NP、NK)杂草种群为6～8个;不同施肥处理杂草相对丰度为0～73%,Shannon多样性指数为0.2～1.08,Shannon均匀度指数为0.05～0.26,Margalef物种丰富度指数为0.26～1.26.不平衡施肥处理的3个多样性指数都高于平衡施肥处理,且大部分达到显著水平.     

播种密度对秸秆覆盖旱地冬小麦产量和土壤水分的影响

为了解秸秆覆盖下作物群体对土壤水分和小麦产量的影响,于2012年6月至2013年6月在渭北旱塬研究秸秆覆盖与常规耕作模式下播种密度对土壤储水量、冬小麦群体动态变化、小麦产量及水分利用效率的影响。秸秆覆盖与常规耕作相比休闲期在0~3.6 m土层多蓄水105 mm,主要于小麦拔节后利用。不同播种密度主要影响小麦抽穗前的群体大小,抽穗后群体差异不显著。小麦籽粒产量为2 841~3 496 kg/hm, 不同密度水平或覆盖均没有显著影响小麦产量,但是高密度处理较中、低密度显著降低小麦收获指数。另外,秸秆覆盖小麦较常规增加20%耗水量,小麦水分利用效率降低11%。因此,在休闲期降雨丰富,生育期特旱的气候条件下播种密度对秸秆覆盖小麦产量没有影响,显著增加耗水量,降低水分利用效率。播种密度、秸秆覆盖及其交互效应还有待于在其他气候年型下进一步研究观测以便综合评价这些因素的影响效应,进而建立旱地小麦高产高效用水的管理措施。     

长期施肥对玉米生育期土壤微生物量碳氮及酶活性的影响

以小麦-玉米轮作长期肥料定位试验为平台,探讨不同养分管理对玉米生育期塿土微生物量碳、氮和酶活性动态变化的影响。试验包括6个处理,分别为不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷配合(NP)、氮磷钾配合(NPK)、NPK+秸秆(SNPK)以及有机肥+NPK(MNPK)。结果表明玉米生育期土壤微生物量碳、氮变化显著。不同施肥管理下土壤微生物量碳、氮的高低显著性分别为MNPK>SNPK、NP、NPK>N、CK。玉米生育期内土壤酶活性也变化显著,蔗糖酶、脲酶和纤维素酶在玉米抽雄期达到活性高峰,而磷酸酶在玉米拔节期出现活性高峰。不同施肥管理对土壤酶活性的影响总体表现为MNPK处理最高,其次为SNPK处理,再次为NPK和NP处理,N和CK处理最低。不同施肥处理间土壤微生物量碳、氮以及酶活性与土壤有机碳、全氮、速效磷水平密切相关。塿土长期施用氮磷或氮磷钾化肥可以提高土壤微生物量碳、氮以及酶活性。一季作物秸秆还田配合氮磷钾化肥与氮磷钾相比有提高土壤微生物量碳、氮以及酶活性的趋势。在等氮量下,有机肥配合化肥与其他施肥模式相比,均显著提升土壤化学肥力因素、微生物量碳氮和酶活性。因此,塿土上建议进行有机无机肥配合以提高土壤肥力,保持土壤生物健康。