气候变化背景下生物炭对农田土壤环境过程影响的研究

发布时间：2018-07-20 11:17

【摘要】：生物炭(biochar)是一类由生物质经过缺氧或无氧热解过程制成的富碳材料。将生物炭添加到土壤中被认为是一种低成本、低风险的土壤碳封存方法,以应对全球气候变化。全球气候变化会导致极值天气过程,如长时间干旱和频繁的旱涝交替。本文围绕在气候变化背景下生物炭作为长期的土壤碳封存方法,对农田土壤的水分、农用化学品、土壤有机质、土壤微生物和土壤水稳定性团聚体等的影响开展了一些实验研究,并试图分析生物炭所产生的效应与生物炭本身理化性质、土壤特征、土壤微生物和环境气候条件等之间的相互关联和影响。本文运用压力膜法对不同种类、剂量和粒径的生物炭对两种典型农田土壤的持水能力开展了研究。结果表明,高比表面积的生物炭对砂质土壤的持水能力有显著的提高作用,较大粒径的生物炭(1-2 mm)对土壤持水能力的影响大于小颗粒的生物炭。生物炭对于粘土含量较高的土壤的持水能力没有显著影响。高比表面积生物炭对于土壤永久萎蔫点没有显著影响,因此有利于提高土壤植物可利用水。低比表面积的生物炭对土壤持水能力没有显著影响。为了更好地了解生物炭-土壤体系在干燥过程中的水分分布,运用中子成像法研究了砂土-生物炭混合样在自然风干过程中生物炭内部、表面和周边材料的含水率变化情况。结果表明,生物炭在浸润后含水率高于砂土,在混合样品风干过程中,生物炭能够持续向周边材料释放水分。总体上来看,添加生物炭的砂土中水分分布情况为:生物炭内部生物炭表面生物炭周边材料。本文选择考察了具有典型表面物理化学特性的5种生物炭以及农田土壤对于3种有代表性的苯脲基除草剂(利谷隆,敌草隆,灭草隆)的吸附作用,考察了生物炭添加对其归趋的影响。大部分吸附等温线能够较好地用Freundlich模型进行描述(R2=0.93-0.97)。吸附参数KF值在不同除草剂间有较大差异(6.94-1306.95 mg kg-1),其大小变化为:利谷隆敌草隆灭草隆;不同生物炭和土壤之间也有所差异,其大小变化如下:核桃壳生物炭木质生物炭火鸡凋落物生物炭强化生物炭猪粪生物炭Yolo粉质壤土。结果表明,生物炭对农用化学品的归趋可能会同时有正面(减少淋溶损失)和负面(降低除草剂的有效性)的影响。在探讨生物炭土壤添加所产生的效应时,应当综合考虑生物炭的表面特性(如碳/氢元素比例和比表面积等)、土壤特征、目标化学品和气候环境因子等,从而更好地进行农用化学品的农田管理,从而达到农业效益和环境效益双赢的目标。为了研究生物炭、生物固体(biosolid)在不同水文过程背景下生物炭和生物固体对土壤水可提取有机物的影响,本文运用美国加利福尼亚大学戴维斯分校russellranch长期实验站的yolo粉质壤土,用实验室模拟的方法构建了湿润、干燥和干湿交替的水分条件下,具有0,0.5%,1%(质量百分比,下同)核桃壳生物炭处理和/或0,0.5%,1%生物固体添加处理的为期52周的培育实验。结果表明,生物炭和生物固体都能显著提高土壤水可提取有机物的含量。干燥和干湿交替的土壤水分过程也会增加土壤水可提取有机物。运用碳稳定同位素方法和特定波长紫外吸收法进一步研究了水可提取有机物的来源。结果表明,单位质量核桃壳生物炭比土壤释放更多的水可提取有机碳。在极值水分过程下,生物炭添加处理中检测到更高的水可提取有机碳,核桃壳生物炭可能增加源于土壤有机物的水可提取有机物(52.9-87.9%)。这一影响对土壤生态系统同时具有正面和负面的影响。增加的水可提取有机物有益于土壤微生物群落,然而也增加了土壤有机质流失的风险。在生物炭的田间的实际应用中,生物炭的理化特性和土壤的多样性以及环境气候条件的不确定性都意味着生物炭作为长期的土壤碳封存方法,其对于土壤有机质动力学的影响有待进一步的研究。为了研究在气候变化背景下在不同水文过程背景下生物炭和生物固体对土壤微生物群落的影响,本文用yolo粉质壤土,构建了为期12周的具有三种水分条件:湿润、干燥和干湿交替的水分条件下,和具有0,0.5%,1%核桃壳生物炭处理和/或0,0.5%生物固体添加处理的培育实验。运用土壤微生物磷脂脂肪酸方法对微生物群落的变化进行了研究。结果表明,土壤水分过程对土壤微生物群落有较强的影响。相比微生物生物量,微生物群落组成能够更为迅速地响应环境压力。革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比例是一个表征土壤短期水分压力的有效指标。生物炭对于土壤微生物群落的影响取决于生物炭施加量和土壤养分状况。额外的土壤养料能够减少极端土壤水分情形对土壤微生物群落的负面影响。为了了解生物炭对土壤团聚体及微生物群落的影响以及它们的相互作用,以田间实验和实验室培育实验两种方式开展研究。田间实验具有0,0.5%(表层土壤)核桃壳生物炭处理和矿质肥料、堆肥处理。在田间条件下,2年后生物炭对土壤水稳性团聚体各组分的含量没有显著影响。用两种典型的农田土壤yolo粉质壤土和vina砂质壤土为材料,构建了为期12个月的有0,0.5%,1%核桃壳生物炭和0,0.5%,1%强化生物炭处理的培育实验。结果表明,两种生物炭均能影响包括土壤ph、电导率和土壤有机碳的组成等特征,并会通过多种机制对土壤微生物群落和土壤团聚作用产生影响。两种生物炭对yolo粉质壤土的水稳性团聚体有很大的提升。两种生物炭对Vina砂质壤土的土壤团聚作用则大多没有显著影响。未热解完全的生物炭可能为土壤微生物群落提供额外碳源,提升土壤微生物生物量。生物炭中所含的高度芳香化的碳可能影响土壤微生物代谢芳香化碳的能力,同时也会增加土壤有机质的总体芳香程度,从而影响土壤的团聚过程。生物炭对团聚体的提升作用可以增强团聚体对土壤有机质的物理保护,从而实际上进一步增强生物炭的土壤碳封存作用。本文的结果表明,在今后的生物炭农田土壤实际应用的过程中,需要综合考虑生物炭的理化特性、土壤特征,根据田间管理的目标选择合适的组合,同时考虑可能的由气候变化导致的极端土壤水文过程。生物炭在农田中的应用应当在综合考虑上述因素对土壤水分、结构、有机质、农用化学品环境过程和土壤微生物群落的影响后进行,以使生物炭这一应对气候变化的工具在环境效益、农业效益和应对气候变化达到多方面的最大益处。
[Abstract]:Biochar ( biochar ) is a kind of carbon - rich material which is made of biomass through anoxic or anaerobic pyrolysis . It is considered to be a low - cost , low - risk soil carbon sequestration method to deal with global climate change . In order to study the effects of bio - carbon on soil microbial community , organic carbon could be extracted from soil water . The results showed that biological carbon could be used as a long - term soil carbon sequestration method .
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S154.1

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