炉渣与生物炭施加对稻田土壤碳库及微生物的影响

以福州平原稻田为实验区,在2015年早、晚稻秧苗移栽前,对稻田进行施加生物炭、炉渣、生物炭+炉渣（混施）处理,并以不施加处理作为对照。为了了解施加处理的后续效应,于2017年检测早、晚稻拔节期和成熟期土壤有机碳含量及真菌、细菌数量。结果表明：3种施加处理稻田土壤有机碳（SOC）含量均比对照组有显著提高（P < 0.05）,但溶解性有机碳（DOC）、易氧化碳（EOC）、土壤微生物量碳（MBC）含量各处理之间差异不显著（P > 0.05）。与对照组相比,各施加处理组在一定程度上提高了土壤中真菌和细菌数量,但差异不显著（P > 0.05）。细菌数量与DOC含量呈极显著负相关（P < 0.01）,与EOC含量呈显著负相关（P < 0.05）,与MBC含量呈显著正相关（P < 0.05）。真菌/细菌比值与真菌数量、DOC含量呈极显著正相关（P < 0.01）。说明炉渣和生物炭施加处理2年后,仍可提高稻田土壤的碳库稳定性,并增加土壤微生物数量。     

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.     

棉秆炭特性及其对灰漠土土壤有机碳矿化的效应

生物炭具有提高土壤肥力和减缓温室气体排放的作用,但其对土壤有机碳矿化的作用效应存在争议。以新疆灰漠土为研究对象,采用300℃和600℃制备的棉花秸秆炭(棉杆炭)为试材,在25℃、75%的土壤饱和含水量条件下,通过100 d的室内培养,研究了不同比例的棉杆炭添加(0、0.1%、0.5%、1.0%、2.0%和100%,以质量计)对土壤有机碳矿化的效应。结果表明:1)高温制备的棉杆炭,孔隙结构排列整齐,表面光滑,孔隙度和比表面积大,芳香化程度增强;2)棉杆炭的有机碳矿化速率与时间呈乘幂关系(P0.05),300℃棉杆炭相比600℃棉杆炭的累积矿化量和累积矿化率分别提高了318%和87.06%;高温炭化抑制了有机碳矿化;与对照相比,添加300℃棉杆炭增加了土壤有机碳累积矿化量(0.1%处理除外,降低了7.22%),并随棉杆炭添加量而增加,土壤有机碳累积矿化量提高幅度在3.05%—35.28%,而添加600℃棉杆炭降低了土壤有机碳累积矿化量,降低幅度为6.11%—10.79%;3)培养前期(0—20 d)300℃棉杆炭对灰漠土土壤原有有机碳矿化为正激发效应(0.1%处理除外),后期为负激发效应,整个培养期内为负激发效应;600℃棉杆炭培养前期(0—5 d)对土壤原有有机碳激发效应微小,主要表现为负激发效应。由此可见,低温制备的棉杆炭能提高土壤有机碳矿化,而高温制备棉杆炭则抑制了土壤有机碳矿化,棉杆炭添加对土壤原有有机碳矿化具有负激发效应,能够促进土壤有机碳积累。     

温度对不同粘粒含量稻田土壤有机碳矿化的影响

模拟了亚热带地区3种不同粘粒含量的水稻土(砂壤土、壤粘土、粉粘土)在5种温度(10、15、20、25和30℃)下的有机碳(SOC)矿化特征,分析SOC矿化对温度变化的响应.结果表明:在160d的培养期内,温度对3种水稻土SOC矿化量的影响有一定差异,30℃时砂壤土、壤粘土和粉粘土SOC矿化量分别是10℃时的3.5、5.2和4.7倍.在较低温度(≤20℃)下,SOC矿化速度较低且相对稳定;在较高温度(≥25℃)下,前期SOC矿化速度较高,随着培养时间的延长逐渐降低,并趋于稳定.3种水稻土SOC矿化的温度系数(Q10)随培养时间出现波动,砂壤土的Q10平均值最低,为1.92,壤粘土和粉粘土的Q10平均值较接近,分别为2.37和2.32;3种土壤矿化速率常数(k)与温度呈极显著的指数相关(P<0.01).3种水稻土有机碳矿化对温度变化的响应敏感度依次为壤粘土>粉粘土>砂壤土.     

稻田土壤有机碳矿化及其激发效应对磷添加的响应

采用室内模拟培养和¹³C同位素标记技术相结合的研究方法,探讨了在葡萄糖与无机氮肥共施的条件下,土壤有机碳矿化及其激发效应对外源磷添加的响应,以揭示土壤有机碳矿化的碳磷耦合调控机制.结果表明:外源磷的输入加快了CO_2的释放,但抑制了CH_4的释放;在整个土壤淹水培养期间,磷添加抑制了土壤碳矿化释放CH_4总量的53.1%,其中外源葡萄糖-¹³C矿化成¹³CH_4的总量降低了70.5%;磷添加促使通过微生物转化的葡萄糖-¹³C向易利用态碳库的分配比例增加了3.6%,显著提高土壤有机碳快库矿化速率,缩短土壤碳矿化周期.土壤培养前期,外源有机质的添加表现为短暂的负激发效应;随着葡萄糖不断矿化分解,CO_2累积激发效应(PE_{CO_2})总体上呈现先增加后下降的趋势,而CH_4累积激发效应(PE_{CH_4})稳步增加最终保持基本稳定状态;培养结束时(100 d),在磷添加条件下,PE_{CO_2}增强32.3%,PE_{CH_4}显著降低93.4%.冗余分析和Pearson分析表明,电导率、氧化还原电位和溶解有机碳对稻田土壤碳矿化的影响最为显著;速效磷与¹³CH_4、PE_{CH_4}呈极显著负相关.在外源有机质添加条件下,磷的添加能够抑制CH_4排放及其激发效应,促进土壤有机质的矿化和养分释放,提高土壤原有有机碳的可利用性,促进稻田土壤有机碳循环.     

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。     

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...     

化肥减施条件下配施有机肥对旱地紫色土有机碳活性组分的影响

选取四川紫色土作为实验土壤,采用紫马铃薯与紫薯轮作制度,探究减肥条件下配施不同有机物对土壤有机碳活性组分的影响.共设置不施肥(CK)、常规化肥(CF)、常规化肥配施秸秆(CFS)、减量50％化肥配施微生物有机肥(RFM)、减量50％化肥配施蚯蚓生物复合有机肥(RFV)、减量50％化肥配施秸秆和微生物有机肥(RFSM)、...     

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。     

生物炭添加对土壤呼吸和有机碳含量的影响

以菜地和果园土壤为研究对象,通过室内培养实验,向土壤中分别添加不同材料制备的生物炭(马尼拉草、阔叶和竹叶),热解温度为350℃,研究不同材料制备生物炭添加对土壤呼吸和有机碳含量的影响.结果表明：不同生物炭施入土壤后,土壤 CO 2释放速率总的趋势是前期分解速率快,后期缓慢.在整个培养过程中(28 d),随着培养时间的延长,土壤 CO 2释放速率下降趋势逐渐降低.在不同土壤培养条件下,均是添加阔叶生物炭后土壤 CO 2-C 累计释放增多,果园和菜地土壤 CO 2-C 累计分别达到482．57和424．72 mg·kg-1.添加不同的生物炭均能提高土壤有机碳含量,但只有添加阔叶生物炭之后,差异才会达到显著(P ＜0．05).研究结果为正确利用生物炭和评价其在土壤碳库作用提供科学依据.     

红壤丘陵区水田和旱地土壤可溶性有机碳矿化对水分的响应

以亚热带红壤丘陵区典型水田和旱地土壤为研究对象,向土壤中添加¹⁴C标记稻草,培养30 d后,提取与原位土壤中结构相似的¹⁴C可溶性有机碳(DOC);将¹⁴C DOC加入水田和旱地土壤中,并设置45%、60%、75%、90%和105%田间持水量(WHC)5个水分梯度,在标准状态下(25 ℃)培养100 d,监测¹⁴C DOC在土壤中的矿化过程.结果表明: 培养100 d后,两种土壤中28.7%～61.4%的标记DOC被矿化为CO₂,且5个水分条件下,水田土壤DOC的矿化率均显著高于旱地,这主要是由于水田土壤DOC的结构组成比旱地土壤更简单.好气条件(56%～75%WHC)有利于两种土壤DOC的分解,淹水条件(105%WHC)则有利于DOC的积累.土壤处于好气条件(45%～90%WHC)时,DOC的生物可分解率及易分解态所占比例均随着含水量的增加而增加.100 d内,水田和旱地易分解态DOC分别占其累积矿化量的80.5%～91.1%和66.3%～72.4%,说明DOC的生物可分解率主要由其易分解态组分所占比例决定.     

土壤有机碳和外源添加碳对水稻土土体呼吸的影响

土体呼吸输出碳来源于土壤固有有机碳和外源添加碳,而以往关于不同施肥措施对水稻土碳排放的研究少有区分碳的来源。本试验利用一个长达30年的水稻土定位试验,在保证原有定位试验继续正常开展的前提下变更部分施肥处理,得到继续施用高量有机肥(HOM)、施用常量有机肥30年后改施高量有机肥(N-H)、继续施用常量有机肥(NOM)、施用化肥30年后改施常量有机肥(C-N)、施用高量有机肥30年后改施化肥(H-C)、施用常量有机肥30年后改施化肥(N-C)、继续施用化肥(CF)等7种施肥处理。通过观测早稻生长期间原有施肥和改施肥处理土体CO2排放通量(FCO2),研究不同后续施肥对水稻土FCO2的影响,以期探讨土壤原始有机碳和外源添加碳对土壤FCO2的影响。结果表明:7种不同施肥处理土体CO2平均排放通量(F珔CO2)分别为85.34、69.10、51.27、49.15、14.89、12.92和11.59 mg C.m-2.h-1;对施用无机肥料和常量有机肥料的土体而言,土壤本身有机碳含量对F珔CO2无显著影响,但对施用高量有机肥的土体而言,土壤本身的高有机碳含量会增强F珔CO2;CO2排放通量(Y)与添加外源碳量(x)之间符合指数方程:Y=13.33e1.719 x(R2=0.967,n=21),施入的外源有机碳对土体FCO2产生极显著影响;当季外源添加碳以CO2-C矿化分解释放的碳占其总碳量的14%左右,且该分解率受土壤有机碳含量和有机物料添加量的影响较小。     

不同施肥处理对土壤活性有机碳和甲烷排放的影响

通过采集田间试验区连续3a施入有机肥的稻田耕层土壤,分析土壤中微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)和可矿化有机碳(readily mineralizable carbon,RMC)等活性有机碳的含量,稻田甲烷(CH_4)的排放通量,探讨施用有机肥的土壤活性有机碳变化及与CH_4排放的关系。研究结果显示:(1)施有机肥对土壤中的活性有机碳均有一定的促进作用。3a不同施肥处理土壤中DOC、ROC、MBC和RMC的平均含量分别为383.6、2501.2、640.4 mg/kg和291.7 mg/kg。3a施猪粪(猪粪+化肥,PM)、鸡粪(鸡粪+化肥,CM)和稻草(稻草+化肥,RS)的DOC的含量分别比化肥(CF)处理增加5.6%、6.7%和19.3%,ROC的含量分别比CF增加6.6%、8.4%和9.8%;MBC含量分别比CF增加5.1%、14.8%和21.5%,RMC增加6.8%、22.0%和33.9%。不同施肥处理的稻田土壤活性有机碳为分蘖期高于成熟期。(2)施肥处理显著增加稻田CH_4排放,CH_4分蘖期的排放通量是成熟期的143倍,3a PM、CM和RS处理的CH_4排放分别比CF处理增加37.0%(P0.05)、92.7%(P0.05)和99.4%(P0.05)。(3)不同施肥处理的DOC、ROC、MBC和RMC含量与CH_4排放通量均存在显著正相关关系,ROC与CH_4排放的相关系数最高,为0.754(P0.01),且4种有机碳间关系密切。稻田分蘖期土壤中的活性有机碳与稻田CH_4排放呈显著正相关关系。(4)综合分析,在4种有机碳中,土壤中ROC和MBC的含量直接影响CH_4排放。     

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。     

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.