生物炭的生態(tài)功能
2019-08-06
秸稈和生物炭施用對(duì)稻田土壤微生物代謝功能多樣性的影響
生物炭和秸稈還田作為提高土壤肥力的有效方法而被廣泛應(yīng)用，但生物炭和秸稈還田對(duì)土壤微生物，特別是稻田土壤微生物功能多樣性的影響還尚不清楚。本研究基于3年的稻田土壤田間定位試驗(yàn)，選擇不施肥（Control）、秸稈還田（Straw）和生物質(zhì)碳還田（Biochar）3個(gè)處理，采用15種不同碳源底物（包括糖類(lèi)、羧酸氨基酸和酚酸等）的微生物群落代謝功能多樣性（CLPP）分析方法，研究了秸稈和生物炭施用及休閑期、水稻不同生育期（即分蘗和揚(yáng)花期）下土壤微生物碳代謝功能多樣性的變化特征。結(jié)果表明：秸稈還田處理的土壤微生物代謝功能多樣性明顯高于不施肥和生物質(zhì)碳還田處理的土壤，因秸稈還田處理下土壤微生物群落能利用更多碳源底物。生物炭主要誘導(dǎo)了以α-酮戊二酸為碳源的微生物生長(zhǎng)。主成分和冗余分析表明，生物炭處理的土壤中微生物群落生理功能多樣性與秸稈和不施肥處理的土壤差異較大，且相互間明顯分離。土壤有機(jī)碳含量是調(diào)控微生物代謝功能多樣性變化的最主要因子。此外，水稻根際沉積及其不同生育期下養(yǎng)分吸收利用特性對(duì)稻田土壤微生物代謝功能多樣性產(chǎn)生顯著影響并促進(jìn)微生物對(duì)含N物質(zhì)的利用，如氨基酸等。因此，稻田土壤微生物的代謝功能多樣性受施肥措施（秸稈和生物炭）和水稻生育期共同作用的影響。
炭化和未炭化玉米秸稈應(yīng)用對(duì)黑土團(tuán)聚體及其密度組分中有機(jī)碳的影響
在中國(guó)，大力提倡秸稈還田，而生物質(zhì)炭還田，不僅有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展，而且有利于環(huán)境保護(hù)。本研究通過(guò)5年（2011-2015）的田間試驗(yàn)，研究了玉米秸稈和炭化玉米秸稈應(yīng)用對(duì)土壤以及不同粒徑團(tuán)聚體及其密度組分中有機(jī)碳（OC）含量的影響。與對(duì)照（CK）相比，應(yīng)用秸稈和炭化秸稈土壤OC含量分別顯著提高9.30%和23.4%，連續(xù)5年等碳量施入秸稈和炭化秸稈的土壤OC固定效率分別為19.7%和58.2%。應(yīng)用秸稈土壤大團(tuán)聚體（>0.25 mm）和閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體（0.25-0.053 mm）的比例分別顯著提高7.73%和18.1%，而應(yīng)用炭化秸稈土壤分別增加10.7%和19.6%。此外，應(yīng)用秸稈和炭化秸稈土壤大團(tuán)聚體OC含量分別顯著增加19.4%和35.0%，閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體OC含量分別增加21.7%和25.1%。在大團(tuán)聚體和閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中，應(yīng)用秸稈土壤礦物結(jié)合態(tài)OC含量分別顯著增加24.7%和33.3%，而應(yīng)用炭化秸稈土壤礦物結(jié)合態(tài)OC含量分別顯著提高18.4%和44.9%。施入秸稈和炭化秸稈土壤大團(tuán)聚體中粗顆粒有機(jī)質(zhì)（POM）的OC含量分別顯著增加65.1%和41.2%。炭化玉米秸稈應(yīng)用導(dǎo)致閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中重組POM的OC顯著增加50.4%，而炭化和未炭化玉米秸稈應(yīng)用致使游離態(tài)微團(tuán)聚體中重組POM的OC含量顯著提高36.3%和20.0%。綜上，未炭化和炭化玉米秸稈應(yīng)用通過(guò)促進(jìn)大團(tuán)聚體和閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體的形成而物理保護(hù)更多的有機(jī)碳，從而提高土壤固碳。與原材料秸稈相比，炭化玉米秸稈應(yīng)用更有利于碳封存。
生物質(zhì)炭在改良土壤酸度中的作用
我國(guó)南方地區(qū)分布有大面積的酸性土壤，并正處于加速酸化狀態(tài)。土壤酸度、鋁毒害和養(yǎng)分匱乏嚴(yán)重限制了酸性土壤上作物生長(zhǎng)。大量研究表明，作物秸稈生物質(zhì)炭能夠有效改良土壤酸度，提高作物產(chǎn)量。因此，我們總結(jié)了作物秸稈生物質(zhì)炭改良土壤酸度、緩解土壤鋁毒和提高土壤酸緩沖能力的效果和相關(guān)機(jī)制。生物質(zhì)炭中豐富的碳酸鹽、表面含氧官能團(tuán)以及部分硅酸鹽成分是其能夠改良酸性土壤并抑制土壤酸化的主要原因。與傳統(tǒng)的施用石灰的方法相比，施用秸稈生物質(zhì)炭是一種改良酸性土壤的更佳選擇。然而，關(guān)于生物質(zhì)炭改良酸性土壤的爭(zhēng)議性和不確定性問(wèn)題，仍然需要進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。
農(nóng)作物秸稈蒸汽爆破預(yù)處理改善了生物質(zhì)炭作為土壤改良劑的特性
本研究選用5種常見(jiàn)的農(nóng)作物（小麥、水稻、玉米、油菜和棉花）秸稈，進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理（210°C，2.5 MPa，2 min）后，于純氮?dú)狻?00°C的條件下炭化2 h制備得到生物質(zhì)炭。結(jié)果表明，蒸汽爆破使原材料中的半纖維素和纖維素分別減少了47-95%和5-16%。相比于未經(jīng)處理的秸稈炭，由蒸汽爆破小麥、玉米、水稻和棉花秸稈制備得到的生物質(zhì)炭的比表面積和孔容積均有所降低，但是蒸汽爆破油菜秸稈炭的比表面積卻增加為原來(lái)的16倍。蒸汽爆破預(yù)處理后，生物質(zhì)炭的陰離子交換量（AEC, 6.88-11.44 cmol kg–1）和等電點(diǎn)（PZNC, pH 3.61-5.32）均顯著增加，說(shuō)明具有更大的陰離子吸附潛力。相比于其他原材料，油菜秸稈可能更適合于蒸汽爆破預(yù)處理，以得到更適于作為土壤調(diào)理劑和吸附材料的生物質(zhì)炭。對(duì)于蒸汽爆破秸稈生物質(zhì)炭的田間應(yīng)用潛力還有待進(jìn)一步的觀察。
