冬季施用鸡粪和生物炭对南方稻田土壤CO2与CH4排放的影响

生物炭的利用近年来是农田土壤固碳减排研究中的热点。本研究通过在冬季稻田养鸡,结合生物炭添加,采用箱式法结合温室气体分析仪定量测定冬季稻田和双季稻期间土壤CO_2和CH_4排放通量,分别估算冬季稻田和双季稻期间土壤CO_2和CH_4排放总量,评估生物炭和鸡粪添加对土壤碳排放的影响。结果表明,鸡粪还田处理显著提高了土壤CO_2的排放,冬季稻田和水稻生育期排放量分别达9 935.39 kg·hm~(-2)和27 756.34kg·hm~(-2),比对照增加58.7倍(P0.01)和56%(P0.05);生物炭添加处理冬季稻田和水稻生育期CO_2累积排放量比对照高12.3倍(P0.01)和41%(P0.05)。鸡粪还田处理下冬季稻田和水稻生育期稻田的CH_4排放量均显著高于其他处理;而生物碳添加对冬季稻田CH_4排放无显著影响,但显著降低了水稻生育期稻田的CH_4排放。鸡粪还田配施生物炭处理也显著提高了稻田土壤CO_2的排放。冬季稻田时,鸡粪还田配施生物炭土壤CO_2累积排放量显著高于鸡粪还田处理;而水稻生育期时,鸡粪还田配施生物炭处理下土壤CO_2累积排放量显著低于鸡粪还田处理。鸡粪还田下添加生物碳可以降低因鸡粪还田引起的CH_4排放增加的效应。总之,鸡粪原位还田显著增加了冬季稻田和水稻生育期稻田的CO_2和CH_4排放;无论是冬季稻田还是水稻生育期,生物炭的添加都降低了土壤CH_4的排放,且生物炭添加后期有抑制土壤CO_2排放的作用。因此,从更长的时间尺度来看,生物炭施入土壤有利于土壤固碳减排。     

两种生物炭对污染土壤铜有效性的影响

采用盆栽试验,探究了添加不同比例(0,1%,2%,4%)玉米秸秆炭和商陆根生物炭对铜污染红壤中小油菜生长与铜有效性的影响。结果表明,与对照相比,添加两种生物炭均能够增加铜污染红壤上小油菜的生物量。在低铜污染水平下,4%玉米炭和商陆炭处理小油菜生物量分别增加了21.2倍和67.9倍;高铜污染水平下,4%玉米炭和商陆炭处理小油菜生物量分别增加了8.6倍和109.6倍。商陆炭的添加能够显著提高土壤p H值,在低铜污染水平下,商陆炭处理土壤p H值升高了0.4~1.66个单位,较玉米炭处理土壤p H值多升高了0.25~1.35个单位;在高铜污染下,商陆炭处理土壤p H值升高了0.33~1.52个单位,较玉米炭土壤p H值多升高了0.3~1.25个单位。向污染土壤中添加两种生物炭均能够显著降低土壤有效态铜的含量。其中,在低铜污染土壤中,4%玉米炭和商陆炭处理土壤有效态铜含量分别降低了21.9%和45.2%;在高铜污染土壤中,4%玉米炭和商陆炭处理土壤有效态铜含量分别降低了41.9%和53.8%。两种生物炭均能够显著降低小油菜铜累积量,向低铜污染土壤中添加4%的玉米炭和商陆炭,小油菜地上部铜含量下降了21.2%、67.8%。高污染土壤中添加4%的玉米炭和商陆炭小油菜地上部铜含量下降了19.9%、66.8%。两种生物炭均可以改良红壤的酸度,降低土壤铜有效性,并提高小油菜的生物量,降低小油菜铜累积量,但是商陆炭的效果更为明显。     

桂西南连续年龄序列尾巨桉人工林碳储量及其分布特征

采用固定标准地法对广西宁明县连续年龄系列(1~4年)生尾巨桉人工林的碳储量和年碳素固定量进行了研究。结果表明:尾巨桉各器官中碳素含量范围在455.4~502.4 g/kg之间,不同器官碳素含量高低的排列顺序为树叶、树干、树皮、树枝、树根。林分中不同结构层次碳素平均含量高低的排列顺序乔木层、地表凋落物层、灌木层、草本层;0~80 cm土壤碳素含量均随林龄的增长而增加。1、2、3和4年生尾巨桉人工林生态系统碳储量依次为88.42、106.84、122.76和135.30 t/hm~2,其中乔木层碳储量占4.84%~35.04%,灌草层占0.38~1.14%,现存凋落物层占为1.85%~2.48%、土壤层占61.77%~92.90%.4个林龄杉尾巨桉人工林乔木层净生产力依次为9.02、23.26、24.56和24.30 t/(hm~2·a),碳素年净固定量分别为4.30、11.12、11.92和11.84 t/(hm~2·a).     

桂西南连续年龄序列尾巨桉人工林碳储量及其分布特征

采用固定标准地法对广西宁明县连续年龄系列(1~4年)生尾巨桉人工林的碳储量和年碳素固定量进行了研究。结果表明:尾巨桉各器官中碳素含量范围在455.4~502.4 g/kg之间,不同器官碳素含量高低的排列顺序为树叶、树干、树皮、树枝、树根。林分中不同结构层次碳素平均含量高低的排列顺序乔木层、地表凋落物层、灌木层、草本层;0~80 cm土壤碳素含量均随林龄的增长而增加。1、2、3和4年生尾巨桉人工林生态系统碳储量依次为88.42、106.84、122.76和135.30 t/hm~2,其中乔木层碳储量占4.84%~35.04%,灌草层占0.38~1.14%,现存凋落物层占为1.85%~2.48%、土壤层占61.77%~92.90%.4个林龄杉尾巨桉人工林乔木层净生产力依次为9.02、23.26、24.56和24.30 t/(hm~2·a),碳素年净固定量分别为4.30、11.12、11.92和11.84 t/(hm~2·a).     

碳氮添加对雨养农田土壤全氮、有机碳及其组分的影响

为探明碳氮添加4年后,土壤全氮、有机碳及其组分(可溶性有机碳、微生物量碳、轻组和重组有机碳)的变化特征,依托布设于甘肃省定西市安定区李家堡镇的不同碳源配施氮素田间定位试验,涉及秸秆、生物质炭、氮素3个因素,秸秆设置为不施、施用秸秆2水平;生物质炭为不施和施用生物质炭2个水平;氮素设置为不施氮、施纯氮50 kg/hm^2、施纯氮100 kg/hm^2 3个水平,共9个处理。结果表明:不同处理下土壤全氮、有机碳及其组分的含量均随土层的加深而降低。添加生物质炭对土壤全氮、有机碳及其组分均具有不同程度的提升效应。添加秸秆对土壤全氮、有机碳和可溶性有机碳、微生物量碳、轻组有机碳均具有显著提升效应,仅在0-5 cm土层对重组有机碳有显著提高。添加氮素可显著提升土壤全氮、有机碳和可溶性有机碳、微生物量碳、轻组有机碳含量。较其他处理,添加生物质炭对土壤全氮、有机碳和重组有机碳的提升效应最高,添加秸秆对可溶性有机碳、微生物量碳、轻组有机碳的提升效果最优。从提升土壤质量的角度出发,推荐秸秆配施氮素模式,该模式下土壤碳素有效性高、易于被微生物利用,有利于作物生长。从提高土壤固碳角度考虑,推荐生物质炭配施氮素模式,该模式有利于碳的封存。     

生物质炭对盆栽黑麦草生长的影响及机理

通过盆栽试验,采用实时定量PCR和微孔板荧光法,分别研究了生物质炭添加对太湖地区农田土壤黑麦草生长、微生物群落丰度和酶活性的影响。结果表明:生物质炭添加量为4%(炭/土质量比)处理显著提高了土壤p H、有机碳、全氮、碳氮比、速效钾含量及黑麦草生物量;提高了土壤细菌、古菌和固氮菌nif H基因拷贝数,而对真菌无影响;提高了β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、木糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性。微生物丰度(除真菌外)与多数土壤酶活性(除亮氨酸氨基肽酶)均成显著正相关。因此,生物质炭可增加土壤矿质养分,提高主要微生物类群和功能菌的丰度及土壤碳、氮和磷转化酶活性,这可能是施用生物质炭提升农田土壤养分转化功能和生产力的主要原因。     

磷酸二氢钙与生物质共热解提高生物炭固碳效果

以木屑和牛粪为生物质原材料,通过添加磷酸二氢钙与生物质原材料共同热解制备生物炭,研究其对生物炭形成过程中碳保留量及稳定性的研究,以期为提高生物炭的固C能力提供新思路,为全面了解生物炭固碳减排效果提供理论参考。结果表明,与不添加磷酸二氢钙制备的生物炭相比,添加磷酸二氢钙制备的木屑和牛粪生物炭碳保留量则分别提高了31.3%和26.1%。尽管与不添加磷酸二氢钙制备的生物炭相比,添加磷酸二氢钙制备的牛粪生物炭被过氧化氢氧化损失C的量增加了8.8倍,但添加磷酸二氢钙制备的木屑生物炭被过氧化氢氧化损失C的量减少了93.1%。此外,添加磷酸二氢钙制备的木屑和牛粪生物炭还降低了其微生物好氧矿化损失C的量,降幅分别为90.3%和72.8%。可见,通过添加磷酸二氢钙对生物质原材料进行共热解,达到了对生物炭进行以固"C"为目的的设计效果,并且效果取决于生物炭原材料的类型。     

温度对纤维素半纤维素和木质素热解炭理化性能的影响

生物质炭是由生物质在缺氧或无氧的情况下,经高温慢速热解产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质,在能源、农业、环境和材料领域有广阔的应用前景。该文以纤维素、半纤维素和木质素为原料,采用程序控温管式炉,在不同的热解温度条件下(250、350、450、550、650、750和850℃)制备生物质三组分炭材料,并利用元素分析仪、量热仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、核磁共振波谱仪(13C NMR)、热重分析仪(TG)和扫描电镜(SEM)等仪器对其物理化学性能进行表征,研究热解温度对生物质三组分炭材料理化性能的影响。结果表明:随着热解温度增加,生物质三组分炭的质量产率和能量产率都呈下降的趋势,纤维素炭、半纤维素炭和木质素炭的质量产率分别从94.23%、63.06%和87.14%减少至17.01%、20.67%和41.40%,能量产率分别从94.23%、55.7%和77.82%减少至58.69%、12.91%和31.09%。随着热解温度增加,生物质三组分炭中C元素的含量逐渐增加,而H元素、O元素、H/C、O/C的含量逐渐减少,尤其在250～450℃范围内下降最为显著。随着热解温度增加,FTIR分析表明-OH、-CH3、-CH2、C=O、C=C、苯环骨架、C-O、C-H等官能团含量显著下降,并且在高温热解时红外曲线几乎变为直线。随着热解温度增加,XRD分析表明生物质三组分炭中的三斜晶系(Iα)和单斜晶系(Iβ)衍射峰的强度逐渐降低,而石墨化微晶碳的002衍射峰和101衍射峰的强度逐渐增加;13CNMR分析表明生物质三组分炭中的烷基碳、含氧烷基碳和羧基碳含量逐渐减少,而芳基碳的含量则显著增加,证明高温有利于类石墨化结构形成。随着热解温度的增加,纤维素炭和半纤维素炭的热失重率逐渐下降,而木质素炭的热失质量率逐渐增加,三组分炭的热失质量峰值往高温一侧移动。随着热解温度的增加,生物质三组分炭的颜色逐渐加深,其中纤维素炭发生皱缩现象,其直径不断减小,半纤维素炭发生熔融和发泡现象,变为薄片状的炭材料,木质素炭的孔结构变得更加发达,并且出现球状的金属结晶体。该文研究结果可为生物质炭的制备和应用提供基础数据。     

热解温度对生物质炭碳保留量及稳定性的影响

以核桃壳为生物质炭生产原料,研究热解温度(200~700℃)对生物质炭产率、元素组成、表面官能团分布及其稳定性的影响,以期探明生物质炭基本性质随热解温度变化的规律,为全面了解生物质炭固碳减排效果提供理论参考。结果表明,生物质炭的C含量随温度升高而增加,H和O元素含量却随温度升高而降低。此外,生物质炭的H/C和O/C随着温度增加而减少。生物质炭的产率及碳保留量随着温度的升高而降低。红外光谱分析结果表明,经过热解核桃壳原材料分子中所含的-C-O和O-CH3基团消失,随着热解温度升高,生物质炭中的烷烃基团-CH逐渐减少,芳香化程度逐渐升高。500℃制备生物质炭的K2Cr2O7和KMn O4氧化碳损失量均最低,分别为10.4%和1.66%。相关分析表明,生物质炭的产率、碳保留量及稳定性与热解温度之间均具有显著相关关系。     

生物质炭和有机肥配施对水稻土溶解性有机质光谱学特征的影响

为探究生物质炭对水稻土壤溶解性有机质（DOM）的影响及其与有机肥配施的协同效应,通过5年连续定位试验,探讨了生物质炭施用5年后不同施肥处理：对照(CK)、生物质炭 (BC)、化肥(F)、生物质炭+化肥(F+BC)、化肥+有机肥（25%氮替代, MF）和化肥+生物质炭+有机肥（25%氮替代, MF+BC）对水稻产量和土壤pH、全氮、有效磷、速效钾、有机碳、易氧化有机碳（ROC）及溶解性有机碳的影响。采用紫外-可见光谱、荧光光谱结合平行因子分析方法对土壤中DOM的光谱特征和荧光组分进行表征,分析了DOM的紫外光吸收系数和紫外光斜率系数以及荧光指数、腐殖化指数、生物指数和富里酸、色氨酸、胡敏酸相对含量。结果表明：施用生物质炭和有机肥均能有效提高水稻产量,缓解土壤酸化,并且MF+BC处理水稻产量和土壤有效磷含量最高。水稻产量与DOM生物可利用性、芳香化程度、腐殖化程度、色氨酸组分含量和亲水性呈显著正相关(P＜0.05)。提高DOM生物可利用性和腐殖化程度均表现为有机肥大于生物质炭。生物质炭显著增加DOM富里酸和色氨酸组分含量,并且促进了水稻土中ROC向难氧化有机碳转化;而有机肥有效增加DOM富里酸、色氨酸、胡敏酸和ROC含量。生物质炭和有机肥协同配施对提升水稻产量及增加ROC、DOM富里酸和色氨酸含量、芳香化程度、腐殖化程度和生物可利用性方面具有交互作用。综上所述,在本研究条件下生物质炭配施有机肥在水稻增产和水稻土有机碳及DOM组分功能多样性提升方面具有长期效应。     

不同生物炭对中国亚热带地区湿地松生长、氮肥利用率、土壤N2O和CH4排放以及碳变化的影响

Intensive management of planted forests may result in soil degradation and decline in timber yield with successive rotations.Biochars may be beneficial for plant production,nutrient uptake and greenhouse gas mitigation.Biochar properties vary widely and are known to be highly dependent on feedstocks,but their effects on planted forest ecosystem are elusive.This study investigated the effects of chicken manure biochar,sawdust biochar and their feedstocks on 2-year-old Pinus elliottii growth,fertilizer N use efficiency (NUE),soil N2O and CH4 emissions,and C storage in an acidic forest soil in a subtropical area of China for one year.The soil was mixed with materials in a total of 8 treatments:non-amended control (CK);sawdust at 2.16 kg m-2 (SD);chicken manure at 1.26 kg m-2 (CM);sawdust biochar at 2.4 kg m-2 (SDB);chicken manure biochar at 2.4 kg m-2 (CMB);15N-fertilizer alone (10.23 atom％ 15N) (NF);sawdust biochar at 2.4 kg m-2 plus 15N-fertilizer (SDBN) and chicken manure biochar at 2.4 kg m-2 plus 15N-fertilizer (CMBN).Results showed that the CMB treatment increased P.elliottii net primary production (aboveground biomass plus litterfall) and annual net C fixation (ANCF) by about 180％ and 157％,respectively,while the the SDB treatment had little effect on P.elliottii growth.The 15N stable isotope labelling technique revealed that fertilizer NUE was 22.7％ in CK,25.5％ in the NF treatment,and 37.0％ in the CMB treatment.Chicken manure biochar significantly increased soil pH,total N,total P,total K,available P and available K.Only 2％ of the N in chicken manure biochar was available to the tree.The soil N2O emission and CH4 uptake showed no significant differences among the treatments.The apparent C losses from the SD and CM treatments were 35％ and 61％,respectively;while those from the CMB and SDB treatments were negligible.These demonstrated that it is crucial to consider biochar properties while evaluating their effects on plant growth and C sequestration.     

不同类型生物炭理化特性及其对土壤持水性的影响

[目的]对比分析不同原料制备的生物炭的理化性质及其对土壤持水性的影响,为选择合适的生物炭改良和修复土壤提供理论依据。[方法]以鸡粪、浒苔及稻草为原料,分高、中、低3种不同温度制备生物炭,运用元素分析、盆栽培养等试验研究其特性。[结果]稻草中C,H及灰分的含量较高,鸡粪中N含量较高,浒苔中C含量低,O含量较高;而在制备的生物炭中,鸡粪基生物炭C和N含量较高,浒苔基生物C含量却比较低。另外,3种类型生物炭的H/C摩尔比值随着热解温度的升高而逐渐降低,C/N比随着热解温度的升高而增大。不同原料制备的生物炭pH值随着热解温度的升高而增大,pH值从6.82~8.35升高至9.33~10.29;3种类型的生物炭pH值随着灰分含量的增大而增大,但增长速率不同,稻草基生物炭浒苔基生物炭鸡粪基生物炭。并且,随着热解温度的升高,鸡粪、浒苔及稻草基生物炭引起土壤持水性逐渐增强。[结论]在土壤提供营养成分方面,鸡粪基生物炭显然更具优势,而且在促进土壤持水性方面,鸡粪生物炭也相对更强一些。     

猪粪制备的生物炭对西维因的吸附与催化水解作用

以猪粪为原料,在不同温度下制备生物炭,并对其进行除灰处理,研究了不同处理温度和灰分含量的生物炭与西维因的相互作用。猪粪制备的生物炭含有无机矿物、不定型有机质和结晶态芳香碳,且随处理温度升高,灰分含量增加,BET比表面积增加。生物炭对西维因的吸附表现为非线性,等温线符合Freundlich方程,且随生物炭制备温度的升高,非线性增强。生物炭除灰后,吸附作用大大增强,表明有机碳与无机成分复合造成其一部分吸附点位的损失。生物炭对西维因的吸附由亲脂性分配与特殊作用力构成,随着生物炭不同以及西维因浓度的变化,吸附机制发生变化。生物炭可提高溶液pH,pH随生物炭添加量和处理温度而升高,生物炭含有的矿物对西维因水解具有催化作用,其水解速率及程度与生物炭灰分含量呈正相关。     

Comparison of Wet-Digestion and Dry-Ashing Methods for Total Elemental Analysis of Biochar

Total elemental analyses of biochars presents challenges during digestion because of biochars' high chemical recalcitrance and widely varied composition. Three biochars were chosen with contrasting properties: corn stover pyrolyzed at 300 °C, oak wood at 600 °C, and poultry manure with sawdust at 600 °C. Recovery of phosphorus (P), potassium (K), sulfur (S), calcium (Ca), magnesium (Mg), and zinc (Zn) from poultry manure biochar was 10 to 100 times less with published wet- or dry-digestion methods than when using improved methods. The published dry-digestion method returned significantly (P < 0.05) more sodium (Na), suggesting contamination from borosilicate glassware. A modified dry-ashing (MDA) method was the most precise method, demonstrating a relative standard deviation within 3.7% of the most precise method for recovery of P, K, S, Ca, Mg, and Zn from both corn and oak biochars. The MDA method is comparatively safe and effective for preparing biochar for elemental analysis.     

生物质炭与有机物料配施的土壤培肥效果及对玉米生长的影响

生物质炭作为一种多功能的土壤培肥材料被广泛应用,但其与传统有机物料的对比及配施研究还比较少。通过盆栽试验,研究了生物质炭与秸秆、发酵鸡粪单施及配施对壤质潮土和砂土养分含量、酶活性及玉米生长的影响,并采用主成分分析方法对3种有机物料的培肥效果进行综合评价。试验设6个处理,分别为不添加有机物料(CK)、添加生物质炭(BC)、小麦秸秆(WS)、发酵鸡粪(CM)、秸秆和生物质炭(WS+BC)、鸡粪和生物质炭(CM+BC)。研究结果表明,各处理均增加了砂土玉米生物量和株高,3种有机物料的提升幅度排序为:鸡粪生物质炭秸秆,鸡粪还可增加壤质潮土玉米生物量和株高。添加生物质炭和有机物料还可提高土壤有机质含量,其中生物质炭的提升幅度最大。此外,3种有机物料对土壤养分和酶活性的影响各异,单施鸡粪分别增加壤质潮土和砂土的碱解氮22.08%和26.67%,速效磷91.92%和53.65%,脲酶活性40.54%和36.94%;单施生物质炭分别增加壤质潮土和砂土速效磷83.52%和89.91%,速效钾79.38%和127.02%,过氧化氢酶活性3.41%和11.22%,却降低了土壤碱解氮含量,且与鸡粪配施后会抑制鸡粪中氮的有效性;单施秸秆分别增加壤质潮土和砂土速效钾49.48%和63.02%,β-葡糖苷酶活性51.86%和59.09%;生物质炭与鸡粪或秸秆配施可以更均衡地提升土壤肥力。通过主成分分析和相关分析发现,玉米生物量和株高与土壤氮、磷供应正变化的第2主成分(PC2)得分呈极显著正相关关系。因此,3种有机物料中,鸡粪对土壤氮、磷含量及相关酶活性影响最大;秸秆对土壤钾以及纤维素分解相关酶影响较大,而生物质炭对土壤肥力的提升作用更均衡,且土壤肥力综合得分最高。秸秆或鸡粪配施生物质炭可以更全面地提高土壤肥力。     

Designing relevant biochars as soil amendments using lignocellulosic-based and manure-based feedstocks

Purpose

Biochars are a by-product of the biofuel processing of lignocellulosic and manure feedstocks. Because biochars contain an assemblage of organic and inorganic compounds, they can be used as an amendment for C sequestration and soil quality improvement. However, not all biochars are viable soil amendments; this is because their physical and chemical properties vary due to feedstock elemental composition, biofuel processing, and particle size differences. Biochar could deliver a more effective service as a soil amendment if its chemistry was designed ex ante with characteristics that target specific soil quality issues. In this study, we demonstrate how biochars can be designed with relevant properties as successful soil amendments through feedstock selection, pyrolysis conditions, and particle size choices.

Materials and methods

Biochars were produced by pyrolysis of parent lignocellulosic feedstock sources—peanut hull (PH; Archis hypogaea), pecan shell (PS; Carya illinoensis), switchgrass (SG; Panicum virgatum), pine chips (PC; Pinus taeda), hardwood wastes (wood), and poultry litter manure (PL; Gallus domesticus), as well as blends of these feedstocks at temperatures ranging from 250 to 700 °C. Additionally, blended feedstocks were made into pellets (>2 mm) prior to pyrolysis at 350 °C. Dust-sized (<0.42 mm) biochar was obtained through grinding of pelletized biochars. After chemical characterization, the biochars were evaluated as fertility amendments in a Norfolk soil (fine-loamy, kaolinitic, thermic, Typic Kandiudult) during two different pot incubation experiments.

Results and discussion

PL biochars were alkaline and enriched in N and P, whereas biochar from lignocellulosic feedstocks exhibited mixed pH and nutrient contents. Blending PL with PC resulted in lower biochar pH values and nutrient contents. In pot experiment 1, most biochars significantly (P?<?0.05) raised soil pH, soil organic carbon, cation exchange capacity, and Mehlich 1 extractable P and K. PL biochar added at 20 g?kg^?1 resulted in excessive soil P concentrations (393 to 714 mg?kg^?1) and leachate enriched with dissolved phosphorus (DP, 22 to 70 mg?L^?1). In pot experiment 2, blended and pelletized PL with PC feedstock reduced soil pH and extractable soil P and K concentrations compared to pot experiment 1. Water leachate DP concentrations were significantly (P?<?0.05) reduced by pelletized biochar blends.

Conclusions

Short-term laboratory pot experiments revealed that biochars can have different impacts at modifying soil quality characteristics. Keying on these results allowed for creating designer biochars to address specific soil quality limitations. In the process of manufacturing designer biochars, first, it is important to know what soil quality characteristics are in need of change. Second, choices between feedstocks, blends of these feedstocks, and their accompanying particle sizes can be made prior to pyrolysis to create biochars tailored for addressing specific soil quality improvements. Utilization of these principles should allow for effective service of the designed biochar as a soil amendment while minimizing unwanted ex facto soil quality changes and environmental effects.     

塔河流域天然胡杨林不同林龄地上生物量及碳储量

[目的]探讨不同林龄单株胡杨地上部分生物量、林分的生物量及碳储量的分布特征,为进一步开展胡杨天然林生态系统碳循环、碳储量、固碳速率和潜力研究提供基础。[方法]以新疆维吾尔自治区轮台县天然胡杨林为研究对象,利用不同林龄下不同径阶的标准解析木样本数据,构建胡杨地上部分各器官的生物量回归模型,探讨不同林龄胡杨地上部分的生物量组成、分配以及各器官生物量随年龄的变化规律。[结果]随着林龄的增加,单株胡杨地上部分各器官生物量呈上升趋势,其中树干占主导地位。幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的林分地上生物量分别为:4.91,7.95,19.47,61.95,47.64t/hm2,且随林龄的增加胡杨林地上部分生物量先增加后稍有降低;胡杨林地上部分不同器官平均含碳率从大到小依次为:树干(48.17%)树枝(47.75%)树皮(46.13%)树叶(44.90%),且随林龄的增加不同器官含碳率先增加后降低,但各器官之间含碳率差异不显著;塔河流域胡杨林碳储量随林龄先增加后降低,大小顺序为成熟林(30.38t/hm2)过熟林(23.26t/hm2)近熟林(9.30t/hm2)中龄林(3.69t/hm2)幼龄林(2.20t/hm2)。[结论]地上部分各器官碳储量按依次排列为:树干树枝树皮树叶,树干是胡杨林地上部分碳储量的主要器官。     

不同来源生物质废弃物热解炭化农业应用潜力分析:生物质炭产率、性质及促生效应

  【目的】  中国农业生物质废弃物种类多、数量大,且存在病原菌、农药和抗生素残留等潜在生态和环境风险。热解炭化作为一种废弃物的安全处理方法,其生物质炭的循环得率、性质及其土壤改良和促进作物生长的效应还需系统的比较研究。  【方法】  本研究选取作物生产来源的原生生物质、养殖业来源的次生生物质、食品加工处理的残余生物质等共26种生物质废弃物原料,在同一条件下炭化,分析不同来源原料热解后生物质炭产出率与性质。以小白菜 (Brassica campestris L. ssp.) 为试材进行盆栽试验,研究生物质炭对作物生长及土壤改良效应,进而评估这些废弃物炭化农业循环的应用潜力。  【结果】  供试26种废弃物炭化后的生物质炭产出率介于22%～71%,有机碳循环回收率介于22%～81%,氮素循环回收率介于21%～67%。26种废弃物生物质炭的pH和阳离子交换量差异较小 (变异系数10%左右),总有机碳、氮、水分、灰分含量等差异较大,变异系数在60%～70%;而不同原料生物质炭的电导率和溶解性有机碳含量变化极大,变异系数大于90%。生物质炭盆栽试验中,生物炭添加1%,小白菜生物量提升效应介于–34%～314%,变异系数大于100%;小白菜品质提升效应介于–14%～228%,变异系数为59%;土壤肥力提升效应介于20%～360%,特别是土壤有效磷含量提升幅度在0～24倍,均值为359%。同时,生物质炭产出率与生物质炭中灰分呈显著正相关,生物质炭的碳氮回收率与原料中碳氮含量呈显著正相关;不同原料热解炭化的质量回收率、碳氮回收率与小白菜产量及品质等指标间变化差异较大,在小白菜产量效应和品质效应间,部分生物质炭存在抵消作用,而另一部分生物质炭表现为协同作用。  【结论】  综合考虑热解炭化的生物质炭化循环率及碳氮回收循环率和土壤质量–植物生长协同提升效应,供试26种原料中,蚕砂、稻壳牛粪、骨粉、双孢菇渣、兔粪、羊粪和玉米渣的炭化循环率和土壤质量–植物生长协同提升幅度较高 (> 50%),为优先炭化农业利用的生物质废弃物;而木糖渣、稻壳粉、椰渣、高粱酒渣、核桃皮、蚓粪和红茶渣等废弃物热解炭化,因炭化循环率较低,或者土壤质量–植物生长提升的不一致效应,认为不宜炭化农业利用;而其余废弃物热解炭化后的效应介于上述两类之间,具有较高的炭化循环率和一定程度的土壤质量–植物生长协同提升效应,属于可炭化农业利用的生物质废弃物。     

Effect of Three Different Qualities of Biochar on Selected Soil Properties

An incubation study was conducted to determine how biochar interacts with a nitrogen fertilizer and how it reacts in the soil as well as to measure the effect of different biochars on soil chemical properties. Two Iowa soils, Nicollet surface soil (fine-loamy, mixed, superactive, mesic Aquic Hapludoll) and Storden subsoil (fine-loamy, mixed, superactive, mesic Eutrudept), were mixed with three different qualities of biochar and a nitrogen fertilizer (urea). The biochar was created from corn stover that was pyrolized with three different amounts of atmospheric air: 0% (biochar 1), 10% (biochar 2), and 25% (biochar 3). Soil tests for pH, total nitrogen (N), extractable phosphorus (P), extractable potassium (K), ammonium N, nitrate N, organic matter, and total carbon (C) were performed. The different biochars significantly affected the total N, total organic C, and pH in both soils at all rates of urea applied. The conditions during pyrolysis influenced how the biochar/fertilizer reacted with the soil.