旱地土壤施用生物质炭的后效应——水分条件对土壤有机碳矿化的影响

农田施用生物质炭作为农田土壤固碳减排技术的重要措施已受到广泛关注。本研究选择一次性大量施入生物质炭3年后且长期种植玉米的旱地土壤为研究对象,通过室内培养试验,研究了不同水分条件下的有机碳稳定性的变化,结果表明:一级动力学方程较好地描述了土壤有机碳的矿化动态,总体看来旱地土壤有机碳的矿化强度随土壤含水量的增加而增大,在25%WHC(持水量,water holding capacity)、50%WHC和75%WHC水分条件下,与C0(无生物质炭)相比,C20(生物质炭20 t/hm2)、C40(生物质炭40 t/hm2)处理下,有机碳的矿化强度分别降低了28.57%~42.86%(25%WHC)、22.22%~33.33%(50%WHC)、15.00%~30.00%(75%WHC),不同处理下土壤的微生物商和微生物代谢熵对水分的响应存在明显差异,与对照相比,生物质炭施用下微生物量相对稳定,且稳定程度与生物质炭用量有关。因此,旱地土壤施用生物质炭具有保持微生物量稳定且降低土壤有机碳矿化与CO2释放的作用,这对于农田土壤有机碳的固持增汇具有重要意义。     

水稻土基底呼吸与CO2排放强度的日动态及长期不同施肥下的变化

土壤呼吸排放是陆地生态系统土气交换快速而活跃的途径之一,对大气CO2浓度的变化有显著的影响。本文对太湖地区一个代表性水稻土水稻收割后土壤基底呼吸CO2排放进行了昼夜观测和采样分析。结果表明,不同小区平均土壤呼吸与CO2排放速率在CO2-C.12.2～25.2.mg/(m2h)之间,日排放量在CO2-C.327.2～604.1mg/(m2d)之间,低于文献报道的森林和草地及旱作农田的土壤呼吸;与长期有机-无机配施处理相比,长期单施化肥CO2日排放量提高了55%～85%,并且显著提高了土壤呼吸对土壤(5.cm)温度的响应敏感性。相关分析表明,土壤呼吸CO2排放强度与土壤微生物N(Nmic)、微生物C∶N(Cmic/Nmic)和P的有效性有密切的关系;生物有效N和P的有效性显著地影响着土壤呼吸与CO2的生成和排放。本试验结果进一步支持了水稻土的固碳效应。但是,供试不同小区土壤呼吸排放强度的变异隐含着长期不同施肥处理可能使与高呼吸活性有关的微生物群落发生改变,有待于进一步研究。     

水分特征对伴矿景天生长和重金属吸收性的影响

利用盆栽试验研究了水分特征对伴矿景天生长和重金属吸收性的影响.结果表明:在70% 土壤最大田间持水量(70%WHC)处理下,伴矿景天生长最好,其地上部鲜重显著高于其他处理;70%WHC处理伴矿景天对重金属吸收能力最强,其茎中Zn的浓度显著高于其他处理,茎中Cd的浓度分别比35%WHC、100%WHC、淹水处理高27.1%、29.0%、63.1%;叶中的Zn浓度表现出与茎中相同趋势,叶中Cd的浓度与茎中不同,以100%WHC处理最高.70%WHC处理下,植物提取Zn、Cd的效率最高,其修复效率均显著高于其他处理.这些结果表明,土壤水分状况在土壤重金属污染伴矿景天植物吸取修复中起着重要作用.     

长期不同施肥处理下黄泥土原土和团聚体颗粒组的菲含量变化

研究了太湖地区长期不同施肥处理下黄泥土团聚体颗粒组的组成、有机C含量,以及菲的分布和溶出特点.结果表明,不同施肥处理下,团聚体颗粒组均以0.25 ～ 0.02 mm所占比例最高,其质量分数范围为38.3% ～ 43.6%,而黏粒组所占比例最低仅为7.9% ～ 11.7%.另外,施用猪粪和秸秆可大幅度提高2.00 ～ 0.25 mm颗粒组所占的比例.而不同施肥处理下2.00 ～ 0.25 mm颗粒组的有机C含量最高,介于20.57 ～ 28.32 g/kg,并且施用猪粪和秸秆可提高原土和团聚体颗粒组的有机C含量.施肥处理对团聚体颗粒组的菲含量也有较大影响,以化肥区菲含量最高,其次为无肥区,常规区和秸秆区最低.而不同施肥处理下,菲在团聚体颗粒组中的分布具有相似的特征,主要分布在＜0.002 mm和2.00 ～ 0.25 mm两个颗粒组.长期施肥处理对原土和团聚体颗粒组菲的溶出无显著影响,在电解质作用下菲均无溶出.因此,长期不同施肥处理在影响团聚体颗粒组的组成、有机C含量的同时,也可对黄泥土团聚体颗粒组中的菲分布有着显著的影响.     

水洗处理对不同原料生物质炭吸附解吸Cd~(2+)行为的影响

以水稻、小麦、玉米和猪粪为原料,比较秸秆类生物质炭和畜禽粪便类生物质炭对溶液重金属Cd~(2+)的吸附解吸特点及其水溶性盐分含量的影响。结果表明,生物质炭对Cd~(2+)的吸附结果均很好地符合准二级动力学方程和Langmuir方程,猪粪炭的Cd~(2+)最大吸附量达20.7 mg g~(-1),为秸秆炭吸附量的1.37~1.72倍。洗脱去除可溶性盐分显著降低生物质炭对Cd~(2+)的吸附。水洗后秸秆炭对Cd~(2+)的最大吸附量为猪粪炭的2~4.3倍,水稻、小麦、玉米和猪粪炭对Cd~(2+)的最大吸附量分别降低52.6%、72.7%、72.8%和91.9%。洗脱作用提高了生物质炭对Cd~(2+)的解吸率,其中猪粪炭提高幅度最大,由原来的1.76%~7.96%提高到12.00%~27.49%。因此,可溶性盐分在生物质炭吸附Cd~(2+)过程中具有重要作用。所以,在污染土壤治理中需要考虑不同原料的组分差异,以制备高效修复土壤重金属污染的生物质材料。     

南方三种典型水稻土长期试验下有机碳积累机制研究I．团聚体物理保护作用

选取我国南方三种典型水稻土的长期试验田,采集长期不同处理下的未破坏土壤样品,采用低能量超声波分散法分离得到不同粒径的团聚体颗粒组,研究不同处理下这些团聚体颗粒组中的有机碳（Soil organic carbon,SOC）含量及其分配变化,探讨土壤有机碳积累与团聚体物理保护的关系。结果表明：供试三种水稻土团聚体颗粒组的组成以200—20μm和20～2μm粒径为主,分别占22％～43％和27％一44％,微团聚化作用较强。SOC含量以2000—200μm和〈2μm粒组中最高;而易氧化态碳（Labile organic carbon,LOC）主要富集于2000～200μm粗团聚体颗粒组中,其占SOC的比例（LOC／SOC）也是以该粒径中明显最高。直径为2000—200μm的粗团聚体颗粒组作为新增有机碳的主要载体,随不同耕作和施肥等长期处理的变化最为强烈,其中又以红壤性水稻土的SOC和LOC随不同施肥的变化最为强烈,说明其良好管理下的有机碳累积效应最为显著。统计分析表明,全土的有机碳积累量与2000～200μm粗团聚体的有机碳积累量之间的关系可用抛物线拟合（R2=0．95,n=8）。由此看来,长期试验下新固定的有机碳积累及其粗团聚体保护可能存在某种饱和机理。计算表明,供试水稻土的粗团聚体保护在长期试验期内还未达到其饱和限,本研究结果支持了我国学者对于近20年来南方水稻土特别是红壤丘陵区水稻土有机碳固定速率较高的认识。同时,红壤性水稻土的粗团聚体保护作用最强,仍然具有明显的固碳潜力,这也提示土壤中氧化铁对水稻土中有机碳的固定和化学稳定可能有重要贡献,水稻土固碳的团聚体保护作用与团聚体中有机碳的化学结合机制有关。     

生物质炭可溶性有机物化学组成及生物活性意义

生物质热解炭化过程中,有机可挥发组分从固相逸出,冷凝后重新吸附于生物质炭,成为其中的可溶性有机物。生物质炭可溶性有机物化学组成复杂,主要含小分子有机物与芳香类化合物且含有丰富的官能团,具有较高的化学反应活性和生物活性,可显著地改变土壤中养分元素和污染物的形态与有效性,影响土壤微生物组成与丰度,调控作物的生长与健康。依生物质原料和热解条件的差异,生物质炭可溶性有机物的化学结构与生物活性功能也不尽相同。生物质炭可溶性有机物的生物活性意义主要表现为对生物的刺激作用,但部分生物质炭可溶性有机物可能具有一定的潜在毒性风险。通过提取生物质炭可溶性有机物可生产具有生物刺激作用的商品液体有机肥,从而实现生物质炭的分值利用。未来需要进一步加强生物质炭可溶性组分的生物活性或毒性物质的鉴定及其形成机制的研究,这对于生物质炭产品的优化是十分必要的,也是应用生物质炭尽量避免环境风险的要求。     

土壤有机碳库与全球变化研究的若干前沿问题——兼开展中国水稻土有机碳固定研究的建议

缓解碳汇饱和的碳固定及其机制是寻找陆地生态系统碳管理可持续战略的主要科学问题。土壤有机碳是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一。近年来，国际学术界在探讨温带森林、湿地和极地生态系统与土壤碳汇效应的同时，越来越重视农业土壤有机碳库的变化及其对陆地生态系统和大气CO2的源汇效应，以及其在人类利用和管理与生态环境演变中的动态变化。西方国家已将固碳农业作为环境管理的导向。对土壤中有机碳固定作用的研究已应用颗粒分组^13C NMR或CPMAS－NMR技术，揭示土壤有机碳的微团聚体分布、腐殖质的转化和分子结构变化及其与土壤矿物质结合机制的微观水平。土壤有机碳在生态环境变化和全球变化下的稳定性是认识土壤碳库对于全球变化的长期效应的基本问题，成为土壤碳研究的热点。目前主要从土壤升温和空气CO2加倍两方面进行研究，但短期的实验结果用于讨论长期效应时仍存在不定性。中国大面积的水稻1980年以来显示出的有机碳库增加现象说明农业生产对大气CO2可能产生汇效应。但对于水稻土中有机碳的分布和结合状态与农业管理措施、水稻土质量变化、农业生态环境变化的关系仍不清楚。因而建议就这一问题从土壤物理学、化学和生物学的相互作用与土壤微团聚体中矿物质、有机质和生物质的相互结合关系的层面上进行多学科研究。     

大棚辣椒连作土壤微生物数量、酶活性与土壤肥力的关系

选取不同连作年限的辣椒大棚土壤和相邻露地小麦-辣椒轮作土壤(对照),研究了大棚辣椒连作土壤微生物数量、酶活性与土壤肥力的关系。结果表明,连作土壤养分含量显著高于对照,而pH值显著低于对照;土壤细菌,放线菌数量随连作年限延长呈先增加后降低的趋势并高于对照,而真菌数量不断增加;连作土壤酶活性含量均显著高于对照。土壤细菌数量与土壤有机质、全磷呈显著相关性,真菌数量与土壤养分无显著相关性,放线菌数量、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性与pH值呈显著负相关性,与养分呈显著相关性。土壤全磷、全氮、pH值对微生物数量的影响较大,而全氮、pH值对土壤酶活性的影响较大。     

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。