生物炭的生态功能
2019-08-06
秸秆和生物炭施用对稻田土壤微生物代谢功能多样性的影响
生物炭和秸秆还田作为提高土壤肥力的有效方法而被广泛应用，但生物炭和秸秆还田对土壤微生物，特别是稻田土壤微生物功能多样性的影响还尚不清楚。本研究基于3年的稻田土壤田间定位试验，选择不施肥（Control）、秸秆还田（Straw）和生物质碳还田（Biochar）3个处理，采用15种不同碳源底物（包括糖类、羧酸氨基酸和酚酸等）的微生物群落代谢功能多样性（CLPP）分析方法，研究了秸秆和生物炭施用及休闲期、水稻不同生育期（即分蘖和扬花期）下土壤微生物碳代谢功能多样性的变化特征。结果表明：秸秆还田处理的土壤微生物代谢功能多样性明显高于不施肥和生物质碳还田处理的土壤，因秸秆还田处理下土壤微生物群落能利用更多碳源底物。生物炭主要诱导了以α-酮戊二酸为碳源的微生物生长。主成分和冗余分析表明，生物炭处理的土壤中微生物群落生理功能多样性与秸秆和不施肥处理的土壤差异较大，且相互间明显分离。土壤有机碳含量是调控微生物代谢功能多样性变化的最主要因子。此外，水稻根际沉积及其不同生育期下养分吸收利用特性对稻田土壤微生物代谢功能多样性产生显著影响并促进微生物对含N物质的利用，如氨基酸等。因此，稻田土壤微生物的代谢功能多样性受施肥措施（秸秆和生物炭）和水稻生育期共同作用的影响。
炭化和未炭化玉米秸秆应用对黑土团聚体及其密度组分中有机碳的影响
在中国，大力提倡秸秆还田，而生物质炭还田，不仅有利于农业发展，而且有利于环境保护。本研究通过5年（2011-2015）的田间试验，研究了玉米秸秆和炭化玉米秸秆应用对土壤以及不同粒径团聚体及其密度组分中有机碳（OC）含量的影响。与对照（CK）相比，应用秸秆和炭化秸秆土壤OC含量分别显著提高9.30%和23.4%，连续5年等碳量施入秸秆和炭化秸秆的土壤OC固定效率分别为19.7%和58.2%。应用秸秆土壤大团聚体（>0.25 mm）和闭蓄态微团聚体（0.25-0.053 mm）的比例分别显著提高7.73%和18.1%，而应用炭化秸秆土壤分别增加10.7%和19.6%。此外，应用秸秆和炭化秸秆土壤大团聚体OC含量分别显著增加19.4%和35.0%，闭蓄态微团聚体OC含量分别增加21.7%和25.1%。在大团聚体和闭蓄态微团聚体中，应用秸秆土壤矿物结合态OC含量分别显著增加24.7%和33.3%，而应用炭化秸秆土壤矿物结合态OC含量分别显著提高18.4%和44.9%。施入秸秆和炭化秸秆土壤大团聚体中粗颗粒有机质（POM）的OC含量分别显著增加65.1%和41.2%。炭化玉米秸秆应用导致闭蓄态微团聚体中重组POM的OC显著增加50.4%，而炭化和未炭化玉米秸秆应用致使游离态微团聚体中重组POM的OC含量显著提高36.3%和20.0%。综上，未炭化和炭化玉米秸秆应用通过促进大团聚体和闭蓄态微团聚体的形成而物理保护更多的有机碳，从而提高土壤固碳。与原材料秸秆相比，炭化玉米秸秆应用更有利于碳封存。
生物质炭在改良土壤酸度中的作用
我国南方地区分布有大面积的酸性土壤，并正处于加速酸化状态。土壤酸度、铝毒害和养分匮乏严重限制了酸性土壤上作物生长。大量研究表明，作物秸秆生物质炭能够有效改良土壤酸度，提高作物产量。因此，我们总结了作物秸秆生物质炭改良土壤酸度、缓解土壤铝毒和提高土壤酸缓冲能力的效果和相关机制。生物质炭中丰富的碳酸盐、表面含氧官能团以及部分硅酸盐成分是其能够改良酸性土壤并抑制土壤酸化的主要原因。与传统的施用石灰的方法相比，施用秸秆生物质炭是一种改良酸性土壤的更佳选择。然而，关于生物质炭改良酸性土壤的争议性和不确定性问题，仍然需要进一步的系统研究。
农作物秸秆蒸汽爆破预处理改善了生物质炭作为土壤改良剂的特性
本研究选用5种常见的农作物（小麦、水稻、玉米、油菜和棉花）秸秆，进行蒸汽爆破预处理（210°C，2.5 MPa，2 min）后，于纯氮气、500°C的条件下炭化2 h制备得到生物质炭。结果表明，蒸汽爆破使原材料中的半纤维素和纤维素分别减少了47-95%和5-16%。相比于未经处理的秸秆炭，由蒸汽爆破小麦、玉米、水稻和棉花秸秆制备得到的生物质炭的比表面积和孔容积均有所降低，但是蒸汽爆破油菜秸秆炭的比表面积却增加为原来的16倍。蒸汽爆破预处理后，生物质炭的阴离子交换量（AEC, 6.88-11.44 cmol kg–1）和等电点（PZNC, pH 3.61-5.32）均显著增加，说明具有更大的阴离子吸附潜力。相比于其他原材料，油菜秸秆可能更适合于蒸汽爆破预处理，以得到更适于作为土壤调理剂和吸附材料的生物质炭。对于蒸汽爆破秸秆生物质炭的田间应用潜力还有待进一步的观察。
