生物炭添加对黄河三角洲盐渍土有机质矿化及改良研究

Abstract

黄河三角洲的盐渍化环境造成土壤有机质含量低、土壤保水保肥能力弱，微生物多样性和活性低，极大地限制了作物的生长。生物炭作为一种新型环境功能材料，在温室气体减排和土壤改良方面的应用引起了广泛的关注。研究表明生物炭可以提高土壤有机质含量，增强土壤肥力并提高作物产量。生物炭对盐渍土有机质矿化作用和改良效果尚缺乏系统的报道。为此，本研究首先选取八种原材料，研究了炭化温度和炭化时间对制得生物炭产率、固定碳/挥发分/灰分、pH值、酸性/碱性官能团、电导率及碘吸附值的影响。其次，重点研究了不同环境因子（温度和水分）对土壤有机质矿化的影响，并深入探讨了干湿交替现象对盐渍土有机质矿化的影响。最后，为了有效指导生物炭在农业生产的应用，论文通过野外大田试验和室内盆栽试验，研究了生物炭添加对作物产量及土壤pH值、有机质、营养元素等理化性质的影响。主要结论如下： （1）在300-600℃的炭化温度内，随着炭化温度的升高，生物炭中的固定碳含量、pH值和碱性官能团增大，而产率、吸附性能、酸性官能团减少。杏树绿叶、地瓜藤生物炭的pH值较高，添加后会增加盐渍土的pH值，不利于盐渍土的改良。梧桐树干、芦苇、杨树枯叶不如小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆三种农业废弃物来源广。因此，本研究主要以小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆为原料，在炭化温度较低时制得的生物炭来进行改良盐渍土的研究。 （2）土壤-生物炭混合后的累积矿化量随着温度升高而增大。加入300℃生物炭处理，15℃时的累积矿化量为367&micro;gCO2/gsoil，温度增加到25℃、35℃时，累积矿化量分别增加了77.9%、201%。各处理累积矿化量的大小为：土+秸秆+生物炭（S+W+C1）&gt;土+秸秆（S+W）&gt;土+4%（W/W）300℃生物炭（S+2C1）&gt;土+2%300℃生物炭（S+C1）&gt;土+2%600℃生物炭（S+C2），纯土（S）。培养温度为25℃时，S+W处理的平均矿化速率为48.53&micro;gCO2/gsoil/d，S+C1处理的平均矿化速率为2.97&micro;gCO2/gsoil/d。因此，有机物料炭化能大幅减少有机质的矿化速率，这对减少温室气体排放，增加土壤碳库储量有重要意义。S+W+C1处理的平均矿化速率为79.6&micro;gCO2/gsoil/d，低于S+W处理的平均矿化速率（114.5&micro;gCO2/gsoil/d）。秸秆与生物炭混施的方式，能降低秸秆在土壤中的分解速率，延长秸秆还田的增碳作用。 除S、S+C2处理，Two-pool模型很好地拟合了其他处理有机质的矿化过程（R2&gt;0.9）。由拟合参数可知，分解初期主要消耗活性碳库中的有机碳，后期主要消耗惰性碳库中的有机碳。各处理温度敏感系数Q10的变化范围分别为1.28-1.34(S)、1.36-2.18(S+W)、1.7-1.78(S+C1)、1.21-2.28(S+C2)、1.57-1.59(S+2C1)、1.6-2.04(S+W+C1)。随着培养温度的升高，Q10降低。在15℃-25℃时，S+C1处理的Q10值为1.78，在25℃-35℃时，Q10值为1.7。 （3）水分对土壤-生物炭有机质矿化速率的影响较为复杂。对纯土处理，有机碳矿化速率在淹水条件下最高。加入生物炭处理，在15℃、25℃时，70%FC条件下累积矿化量最高。35℃时，一定量的生物炭加入量在淹水条件下有机质的累积矿化量最高，如果加入量过多，也会抑制有机质的矿化。 各处理干湿交替的累积矿化量均比恒湿条件的累积矿化量低。与恒湿条件相比，在第一、第三周期末，S+W处理干湿交替的降幅分别为13.8%、26.3%。而对S+2C1处理干湿交替的降幅为14.2%、3.6%。这说明低温生物炭的添加能减少干旱对盐渍土的影响。 （4）野外大田试验结果表明，与对照226kg/hm2的棉花产量相比，生物炭加入量为15t/hm2-35t/hm2时，棉花的产量增加了141%-224%。生物炭的加入增加了盐渍土的孔隙度，使土壤容重降低。当生物炭加入量为15t/hm2-25t/hm2时，土壤容重达到适宜作物生长的容重范围（1.2-1.3g/cm3）。与对照相比，生物炭添加增加了土壤总有机碳和有效磷含量，且随着生物炭加入量增多而增大。但实验末期，生物炭添加对盐渍土含水量和电导率的影响不大。 （5）室内盆栽试验为野外大田试验提供了有效的补充。结果表明，生物炭对盐地碱蓬的促进作用在施用量上存在一个限值。当小麦生物炭施用量为5g/kg-10g/kg时，随着生物炭加入量的增加，盐地碱蓬干重逐渐增大，增幅为11.7%-115%。当生物炭施用量增加为20g/kg时，盐地碱蓬干重反而有所下降。盐地碱蓬的地下生物量只有在加入量达到20g/kg时，才明显增大，比对照增加了26.4%。等量不同原料生物炭的添加中，花生生物炭对盐地碱蓬干重及地下生物量的促进作用比小麦生物炭大。 不同原料添加中，小麦生物炭对盐渍土pH值的改善作用最大，盐渍土pH值降低了约0.2个单位。在小麦生物炭加入量为10g/kg、20g/kg时，土壤总有机碳含量显著增加，小麦/玉米/花生生物炭添加对土壤总有机碳的增幅效果相差不大。仅在小麦加入量为20mg/g时，土壤有效磷的含量显著增加，碱化度显著降低。不同原料添加中，玉米生物炭对土壤有效磷含量的增幅最大，为34.1%。花生生物炭对土壤碱化度的改善作用最明显，降幅为32.7%。各处理生物炭添加对土壤微生物碳含量及阳离子交换量的改善作用并未达到显著水平。需建立长期的监测实验，以研究生物炭施用的作物学效应及对盐渍土理化性质的改良效果。<br /