生物质炭对土壤性质及温室气体排放的影响

生物质炭是指生物质如作物残体、畜禽粪便以及其他任何形式的有机物质,在高温缺氧下裂解形成的物质。生物质炭有很多环境效应,最主要的是将碳长期固存在土壤中,缓温室效应,遏制全球气候变暖。生物质炭施入土壤后,能有效改善土壤结构,促进植物对土壤养分的吸收,提高作物产量,可以有效降低温室气体的排放。但大规模的生物质炭施用还存在很多的不确定性,包括工业生产的成本核算、原料的有效性以及生物质炭施用的长期效应的不确定等。本文综述了不同条件下制得的生物质炭的性质差异,生物质炭施入后对土壤物理、化学、微生物性质以及对地-气主要温室气体通量的影响,对水稻产量及稻田温室气体排放的影响,森林火灾发生后产生木炭的一些环境效应。     

秸秆生物质炭对土壤结构体与活性碳分布、转化酶动力学参数及小麦生长的影响

为探明生物质炭输入土壤后与水稳性团聚体的作用机理,及对土壤活性碳库、微生物活性、作物生长的促进作用。以生物质炭和秸秆碳为外源碳材料,两者等碳量添加条件下,在小麦不同生育期采用湿筛法、电镜扫描、酶动力学方程等方法,测定土壤结构、酶活性、活性有机碳、及小麦产量等指标的响应情况。结果表明:生物质炭添加下,土壤0.25 mm大颗粒团聚体显著增加了16.9%—45.8%;土壤结构体分布以土壤大颗粒团聚体为主,含量约为小颗粒团聚体的2倍。生物质炭少量或适量添加(0.8%或2.4%),土壤微生物量碳增加了9.7%—33.6%,溶解性有机碳降低了12.6%—27.5%;而过量添加下(8%),则呈现正好相反的规律。生物质炭输入下,转化酶动力学参数Km、Vmax、k分别下降了17.3%、17.0%、16.1%。生物质炭适量添加下,小麦产量增加了14.9%—19.1%;秸秆3%和10%添加水平下,小麦产量则下降了37.3%和90.1%。整体而言,生物质炭通过增加0.25 mm大颗粒团聚体的形成及土壤转化酶的活性来促进土壤结构和作物的生长的改善,且生物质炭在2.4%水平下的生物质炭添加改善作用最为突出,有助于研究区域过剩秸秆资源的资源化利用。     

玉米秸秆及其生物质炭输入对毛竹林土壤有机碳化学组分与碳降解功能基因的影响

研究玉米秸秆及其生物质炭输入对毛竹林土壤有机碳化学组分和碳降解功能基因(cbhI)丰度与群落结构组成的影响,可为亚热带毛竹林土壤增汇减排技术的开发提供理论依据。本研究以亚热带毛竹林为对象,设置对照(0 t C·hm^-2)、玉米秸秆(5 t C·hm^-2)和玉米秸秆生物质炭(5 t C·hm^-2)3个处理,开展为期1年的野外控制试验,在试验处理后的第3和12个月分别采集土壤样品,利用¹³C-固态核磁共振、实时荧光定量PCR和高通量测序技术测定土壤有机碳化学组分和cbhI功能微生物的数量及群落结构。结果表明：与对照相比,玉米秸秆处理显著增加了土壤有机碳中烷氧碳含量,降低了芳香碳含量,而玉米秸秆生物质炭处理则产生了相反的效果;玉米秸秆处理增加了cbhI功能基因丰度和青霉属、顶囊壳属、小皮伞属等优势菌种的相对丰度,而玉米秸秆生物质炭处理则降低了这些基因的丰度。相关性分析显示,土壤cbhI优势菌种的相对丰度与烷氧碳含量呈显著正相关,与芳香碳含量呈显著负相关。冗余分析表明,玉米秸秆处理通过改变土壤烷氧碳含量,而...     

生物质炭配施有机物料对贫瘠红壤酶活性和微生物碳源代谢功能的影响

为进一步促进红壤固碳培肥,于2017和2018年通过田间试验研究了两种有机物料(玉米秸秆和羊粪)单施以及与生物质炭配施对贫瘠红壤养分含量、碳转化相关酶活性和微生物底物利用速率的影响。试验设置6个处理,即不施有机物料(对照)、玉米秸秆、羊粪、单施生物质炭、玉米秸秆与生物质炭配施、羊粪与生物质炭配施。结果表明:与对照相比,有机物料施用显著增加了土壤pH值、有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量;与单施秸秆和羊粪相比,生物质炭与秸秆或羊粪配施显著增加了土壤有机碳、速效钾和碱解氮含量,但两者无交互效应。与对照相比,有机物料施用显著提高了β-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CB)、β-木聚糖苷酶(XYL)和过氧化物酶(PERO)活性;与单施秸秆相比,生物质炭与秸秆配施处理酚氧化酶、过氧化物酶活性分别显著降低了28.6%、22.2%;与单施羊粪相比,生物质炭与羊粪配施处理α-葡萄糖苷酶(AG)、BG、XYL和PERO活性分别显著降低了46.1%、50.9%、41.6%和31.3%。与对照相比,有机物料施用显著提高了土壤基础呼吸和微生物对碳水化合物的利用速率,而生物质炭配施处理对碳水化合物、羧酸类底物的利用速率存在显著抑制作用。微生物碳源利用速率与BG和PERO活性呈显著正相关。因此,有机物料与生物质炭配施更有利于提高土壤养分含量,降低有机碳分解酶和微生物碳源代谢活性,从而促进红壤固碳培肥,有利于贫瘠红壤的地力提升。     

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。     

生物炭及秸秆对水稻土各密度组分有机碳及微生物的影响

生物炭被认为是土壤碳封存的有效手段,但是关于生物炭对土壤不同密度组分有机碳影响的研究报道很少。以南方稻麦轮作区水稻土为研究对象,通过田间小区试验研究了不施有机物(CK)、玉米秸秆还田(CS)、施用300℃热解生物炭(300BC)、施用400℃热解生物炭(400BC)和施用500℃热解生物炭(500BC)处理对土壤轻重组分质量比例,土壤轻重组分有机碳和土壤微生物的影响。结果表明:1)施用生物炭显著提高了土壤轻组的质量比例和土壤轻组有机碳含量,轻组有机碳含量为500BC400BC300BCCSCK,对重组有机碳影响不显著,但重组有机碳在土壤中占重要比例;2)施加生物炭后土壤微生物量相比对照也有提高,但是与施加秸秆处理相比,微生物量提高幅度较小。研究表明,生物炭能提高土壤有机碳含量,尤其提高了土壤轻组有机碳的累积,但由于生物炭特殊的芳烃结构,其轻组组分化学性质稳定,这与传统的土壤有机碳轻组理论不同。与秸秆处理相比,生物炭处理具有较低的土壤微生物量与微生物商,有利于土壤碳的固定。     

施用竹叶生物质炭对板栗林土壤CO2通量和活性有机碳库的影响

于2012年7月—2013年7月,在浙江省临安市典型板栗林样地采用静态箱-气相色谱法测定了施用竹叶生物质炭后板栗林土壤CO₂排放速率及土壤温度、含水量、水溶性有机碳(WSOC)和微生物生物量碳(MBC)含量变化.结果表明： 板栗林土壤CO₂排放通量呈现显著的季节性变化特征.在试验的第1个月中,生物质炭处理土壤CO₂排放通量显著高于对照(无生物质炭),但之后无显著差异;生物质炭处理的土壤CO₂通量年均值和年累积排放量与对照相比无显著差异.生物质炭处理土壤MBC含量年均值(362 mg·kg^-1)显著高于对照(322 mg·kg^-1),而土壤WSOC年均值无显著差异.土壤CO₂排放通量与不同土层土壤温度之间均具有显著相关性;生物质炭处理的土壤呼吸温度敏感系数Q₁₀值显著高于对照;土壤CO₂排放通量与WSOC含量之间具有显著相关性,而与土壤含水量和MBC含量均无显著相关性.综上所述,施用竹叶生物质炭对板栗林土壤CO₂年累积排放量无显著影响,但增加了土壤Q₁₀值;土壤温度和WSOC含量是影响板栗林土壤CO₂排放的主要因素.     

生物质炭对土壤养分淋溶的影响及潜在机理研究进展

农田生态系统中土壤养分淋溶控制一直是农业环境领域的研究热点.生物质炭因其特殊的理化性质,具有增加土壤碳库储量、改善土壤质量和提高作物产量等作用.作为一种外源输入的新型功能材料,生物质炭将直接或间接参与农田生态系统土壤养分循环,并对土壤养分淋溶产生重要影响.本文重点针对生物质炭影响土壤养分淋溶的内在因素(如:生物质炭的物理和化学性质及其与土壤生物的相互作用等)进行分析,并结合生物质炭添加量、土壤类型、土层深度、施肥情况、时间动态变化等外在因素,对生物质炭影响土壤氮磷等养分淋溶情况进行了综述.在此基础上,阐明了生物质炭对土壤养分淋溶的4种潜在影响机制:即通过微孔结构或表面电荷直接吸附养分、通过影响土壤持水能力影响养分淋溶、通过与土壤微生物的相互作用影响养分循环、被吸附的养分优先通过细微生物质炭颗粒发生迁移.最后对生物质炭与土壤养分流失控制领域的研究方向进行了展望.     

玉米与蚕豆秸秆配施对秸秆分解及土壤养分含量的影响

采用室内培养试验研究了禾本科作物玉米秸秆和豆科作物蚕豆秸秆单施及其不同比例配施后的秸秆分解及土壤养分含量.结果表明：单施玉米秸秆,土壤有机碳的矿化量和秸秆有机碳的矿化速率都较低,土壤矿质态氮被固持的时间也最长;玉米秸秆与蚕豆秸秆配合施用促进了秸秆有机碳和土壤固持矿质态氮的矿化.两种秸秆单施和配施均显著增加土壤微生物生物量碳、氮含量.禾本科作物秸秆与豆科作物秸秆配合施用,可以加快秸秆的分解,协调养分供应.     

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。     

稻麦轮作体系下有机肥施用对作物产量和土壤性质影响的整合分析

为明确稻麦轮作系统有机肥施用对作物产量和土壤性质的影响,本研究搜集已公开发表的文献数据,利用meta分析法定量分析了有机肥类型(普通有机肥、生物质炭、秸秆)、施用策略(单施有机肥、有机肥配施部分化肥、有机肥配施全量化肥)、施用年限(短期、中期、长期)对稻麦产量和土壤性质的影响及其对不同土壤条件(酸性、中性、碱性)的响应。结果表明: 与单施化肥相比,有机肥施用对水稻和小麦的增产效应相近,分别为3.1%和3.0%。有机肥施用对土壤性质的提升效果更明显,显著降低了土壤容重(5.7%),显著提高了土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量,以及微生物生物量碳、氮,增幅在11.7%～38.4%。不同类型有机肥中,生物质炭和普通有机肥对土壤性质的改良效果优于秸秆;与单施有机肥相比,有机肥配施化肥的作物增产效果更好,而土壤性质改良效果较差;随着有机肥施用年限增加,作物增产和土壤肥力提升效应逐渐增强;在酸性土壤条件下有机肥施用对作物的增产效果最显著。土壤容重与稻麦周年产量呈显著负相关,而土壤全氮、速效磷、速效钾含量和微生物生物量氮与稻麦周年产量呈显著正相关关系。     

生物质炭对水稻土团聚体微生物多样性的影响

生物质炭施用对土壤微生物群落结构的影响已有报道,但土壤团聚体粒组中微生物群落对生物质炭施用的响应的研究还相对不足。以施用玉米秸秆生物质炭两年后的水稻土为对象,采用团聚体湿筛法,通过高通量测序对土壤团聚体的微生物群落结构与多样性进行分析,结果表明:(1)与对照相比,生物质炭施用显著促进了大团聚体(2000—250μm)的形成,并提高了团聚体的稳定性。(2)不同粒径团聚体间微生物相对丰度存在显著差异。在未施生物质炭的处理(C0)中,随着团聚体粒径增大,变形菌门、子囊菌门、β-变形杆菌目、格孢腔菌目的相对丰度逐渐降低,而酸杆菌门、担子菌门、粘球菌目、类球囊霉目的相对丰度逐渐升高。(3)生物质炭施用显著改变了团聚体间的微生物群落结构。与C0处理相比,生物质炭施用处理的大团聚体中变形菌门、鞭毛菌门和β-变形杆菌目的相对丰度分别显著提高了14.37%、33.28%和33.82%;微团聚体(250—53μm)中酸杆菌门、子囊菌门和粘球菌目的相对丰度分别显著降低了20.15%、19.93%和17.66%;粉、黏粒组分(53μm)中担子菌门的相对丰度升高90.25%,而子囊菌门和鞭毛菌门的相对丰度分别降低12.15%和12.58%。由此可见,生物质炭不仅改变土壤团聚体组成和分布,同时伴随着土壤微生物群落结构的改变。     

生物质炭生物与非生物氧化特性研究进展

生物质炭是由植物生物质热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。生物质热解炭化还田能否成为人类应对全球气候变化的重要途径直接取决于其在土壤生态系统中的稳定性。生物质炭稳定性的研究对科学计算和评估土壤生态系统生物质炭输入的碳固持与减排作用具有重要现实意义。重点概述了土壤生态系统生物质炭生物与非生物氧化特性、影响因素及其机理研究进展,并对生物质炭在土壤环境中的稳定性预测模型研究进行了分析。在此基础上,今后需针对不同类型旱地土壤生态系统和不同类型稻田土壤生态系统生物质炭稳定性及其机理开展研究,并进一步开展土壤生态系统生物质炭稳定性预测模型研究。     

土壤生物质炭环境行为与环境效应

生物质炭具有高度稳定性和较强的吸附性能,可从气候、地质等多方面对环境产生影响,在全球气候变化、碳生物地球化学循环以及环境系统中发挥着非常重要的作用,长期以来成为国内外大气科学、地质学和环境科学领域研究的热点.作为土壤腐殖质中高度芳香化结构组分的可能来源,生物质炭对增加土壤碳库贮量、提高土壤肥力以及维持土壤生态系统平衡意义重大.本文重点概述了生物质炭特性、生物质炭生物与非生物氧化机理、生物质炭对全球气候变化的影响以及土壤生物质炭环境效应等方面的国内外研究进展,并对今后生物质炭在土壤生态系统中的环境行为和环境效应研究进行了简要的展望.     

不同冬季覆盖作物对双季稻田土壤有机碳的影响

以冬闲-双季稻种植模式为对照(CK),分析了黑麦草-双季稻(Ry)、紫云英-双季稻(Mv)、马铃薯-双季稻(Po)和油菜-双季稻(Ra)5种不同种植模式下冬季覆盖作物秸秆还田后对0～5、5～10、10～20 cm土壤有机碳、活性有机碳、碳库管理指数和有机碳储量的影响.结果表明:与CK处理相比,黑麦草、紫云英、马铃薯和油菜秸秆还田处理均提高了稻田0～5、5～10、10～20 cm土壤总有机碳和活性有机碳含量,其中Po处理最高.冬季覆盖作物秸秆还田均提高了稻田不同层次土壤的碳库活度、碳库活度指数、碳库指数和土壤碳库管理指数,其大小顺序均表现为Po>Mv>Ry>Ra>CK.不同冬季覆盖作物秸秆还田处理与CK处理相比均有利于提高稻田不同层次土壤有机碳储量,其中以紫云英秸秆还田的效果最好,黑麦草和马铃薯次之;各处理稻田土壤有机碳储量均随土壤深度的增加而递增.     

生物质炭与氮肥配施对红壤线虫群落的影响

利用生物质炭改良土壤近年来受到关注,但仍缺乏对土壤动物群落变化的认识.基于野外定位试验,研究了不同用量的生物质炭(0、10、20、30、40 t·hm^-2)与氮肥(60、90、120 kg N·hm^-2)配施对干旱期和湿润期红壤理化性质和线虫群落的影响.结果表明： 施用生物质炭在干旱期和湿润期均显著影响土壤含水量和pH.随生物质炭施用量的增加,土壤含水量先增加后降低,而土壤pH保持增加的趋势.土壤微生物生物量碳氮、碳氮比及基础呼吸均受到生物质炭和氮肥的显著影响,且低量生物质炭对微生物生物量碳氮、碳氮比及基础呼吸有刺激作用,而高量生物质炭则对其有抑制作用.如生物质炭施用量低于30 t·hm^-2时,在干旱期和湿润期均促进土壤微生物活性.此外,生物质炭的效果也依赖于不同采样时期.如在施用量高于30 t·hm^-2时,微生物生物量碳在干旱期显著高于对照,在湿润期与对照无显著差异;而微生物生物量氮则呈相反趋势.可溶性有机物和矿质氮在干旱期受到生物质炭和氮肥的显著影响,但是在湿润期仅受到氮肥的影响.生物质炭、氮肥及二者的交互作用在干旱期和湿润期均显著影响线虫数量及营养类群的结构.高量生物质炭和氮肥配施能够提高土壤线虫的数量.值得注意的是,生物质炭显著提高了干旱期食真菌线虫的比例,尤其在干旱期趋势明显,暗示在生物质炭作用下土壤食物网结构趋向于以真菌主导的能流通道.总之,生物质炭对红壤的效果呈现出复杂的影响趋势,不仅依赖于生物质炭的施用量及与氮肥的交互作用,而且与红壤的采样时期有关,表明今后生物质炭的研究应结合多种生态因子.     

低剂量生物质炭对旱地红壤增肥增产效果

针对江西旱地红壤粘重板结、肥力低下等突出问题,基于野外旱地红壤定位试验,研究了低剂量生物质炭对旱地红壤增肥增产效果的影响。试验设置3个试验处理,即0(CK)、758(BC1)、1515(BC2)kg·hm~(-2)·a~(-1)3种生物质炭施用水平。结果表明:与对照相比,施入低剂量生物质炭(即BC1、BC2处理),旱地红壤在0~60 cm土层土壤容重分别降低了0.57%~2.05%和0.87%~4.88%,土壤pH分别提高了2.51%~13.66%和8%~12%,阳离子交换量分别提高了3.73%~6.45%和4.91%~7.13%;施用低剂量生物质炭在一定程度上提高了旱地红壤有机质和N、P、K养分含量,且随着生物质炭施用量的增加,有机质、全钾、速效钾呈上升趋势;连续施用低剂量生物质炭,BC1、BC2处理红薯产量在2013年分别提高了19.08%和23.68%,2014年分别提高了18.01%和22.98%。研究表明,施用低剂量生物质炭能有效改善旱地红壤的土壤理化性质和养分状况,提高旱地红壤肥力,有效增加作物产量。从综合投入产出来看,低剂量生物炭的连续施用更有实际应用价值和前景。     

生物炭影响作物生长及其与化肥混施的增效机制研究进展

利用秸秆型生物炭进行还田改土不仅具有提升作物产量的潜力,而且能够产生明显的环境效益,现已成为当今国内外农业领域的研究热点.本文综述了近年来国内外有关生物炭添加影响作物生长的分子调控机制研究,尤其关注了生物炭与作物根系的互作效应;介绍了生物炭与化肥混施的生物学效应及可能的增效机制;展望了今后的研究方向,以期促进我国相关领域的研究.国内外的最新研究表明:生物炭土壤添加改善植物生长的关键是生长素相关信号转导分子,通过促进植物细胞扩增、细胞壁松弛、水及营养的转运等相关基因的表达,有利于植物的新陈代谢及生长.生物炭及其与根系的相互作用能够直接或间接地影响土壤物理、化学、生物因子,从而在炭、肥互作增效过程中起主导调控作用.     

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.     

还田秸秆碳在土壤中的转化分配及对土壤有机碳库影响的研究进展

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分.随着秸秆还田技术的广泛应用,作物秸秆成为土壤外源碳的主要来源.秸秆碳在土壤中的转化与分配直接影响土壤有机碳组成与含量,进而改变土壤养分循环.基于近年来的相关研究,本文探讨了还田秸秆碳转化与分配过程的影响因子,详细介绍了参与秸秆碳同化过程的土壤微生物组成,归纳与阐述了秸秆碳对土壤有机碳组成、含量及其周转的影响.同时,就非生物因子对秸秆碳的生物转化效应的影响、秸秆碳转化过程中的生物和非生物因子的互作、秸秆碳氮和土壤碳氮循环的耦合作用、秸秆碳向土壤活性有机碳库或稳定性有机碳库转化的有效调控技术等主要研究方向进行了展望,以期为准确揭示秸秆还田条件下各类土壤有机碳的变化特征,进而为实现秸秆还田的高效培肥与固碳效应提供理论依据和技术支撑.