秸秆生物炭还田对围垦盐碱土壤的低碳化改良

利用芦苇秸秆和其生物炭还田改良围垦盐碱土壤。通过盆栽实验,从改良后土壤的脱盐率、植物的生长情况和生物量以及土壤呼吸和有土壤机碳含量等方面研究和比较了芦苇及其生物炭还田对围垦盐碱土壤的改良效应以及对土壤碳收支的影响。研究结果表明:秸秆和秸秆生物炭改良后土壤的含盐量显著低于空白对照,两者改良后的植物总收获量(干重)基本相同,均显著高于未改良的空白对照,但生物炭还田改良后的土壤呼吸强度显著低于秸秆直接还田,改良后其土壤有机碳含量也高于后者以及空白对照。高度稳定的生物炭还田能有效抵抗微生物的分解作用,因此其土壤微生物总量低于秸秆直接还田,从而导致土壤异养微生物活性较弱,使得生物炭中的碳得以在土壤中长期保存,增加了土壤有机碳含量,降低了土壤呼吸,是一种较低碳的秸秆还田措施。     

土壤呼吸与土壤有机碳对不同秸秆还田的响应及其机制

以黄豆、玉米、水稻这3种农业秸秆为原料,崇明东滩围垦土地为试验样区,以景观植物地肤草为目标植物,研究土壤呼吸和土壤有机碳对不同秸秆还田的响应及其可能的机制.结果表明,不同秸秆直接还田的土壤呼吸和地上植物量均高于对照组;黄豆秸秆还田后土壤呼吸相对最低,土壤有机碳最高,因此黄豆秸秆还田的土壤碳封存能力高于玉米和水稻秸秆.秸秆还田显著促进土壤微生物活性,增加了土壤微生物量以及β-糖苷酶、脱氢酶活性,脱氢酶活性与土壤呼吸相关性最显著.黄豆秸秆还田脱氢酶活性最低,相应的土壤呼吸也最低.黄豆秸秆纤维素、木质素和C/N含量最高,可降解性最低,表明黄豆秸秆难以被微生物降解利用,因而还田后其土壤微生物活性最低,最终导致最低的土壤呼吸和较高的土壤有机碳.     

紫色土壤有机碳活性组分对生物炭施用量的响应

土壤有机碳(SOC)是土壤最重要的组成部分,土壤活性有机碳是引起土壤碳库变化的关键,为研究在不同施用量生物炭还田下土壤有机碳及其活性组分的影响,本试验在重庆国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地测定了无物料还田(CK)、生物炭还田(8 000 kg·hm-2,BC)、0.5倍生物炭还田(4 000 kg·hm-2,0.5 BC)、2倍生物炭还田(16 000 kg·hm-2,2BC)配施化肥处理下的紫色土丘陵区油菜/玉米轮作制中土壤有机碳及活性组分含量.结果表明:(1)施用生物炭可以显著提高土壤有机碳的含量(P0.05),在一定范围内,生物炭的施用量与土壤有机碳含量成正比.适量的生物炭施入土壤后,土壤微生物量碳(SMBC)含量上升,但0.5BC和2BC处理下土壤微生物量碳反而减少.生物炭不同施入量均可提高土壤可溶性碳(DOC)和土壤易氧化碳(ROC)的含量,其中0.5BC处理的含量最高,分别为198.83 g·kg-1和4.86 g·kg-1.(2)生物炭的施用均显著降低了土壤微生物熵和ROC/SOC,其中0.5BC处理最低,分别较CK处理下降了20.45%和4.11%,而2BC处理最高.0.5BC和BC处理均能提高DOC/SOC,且0.5BC处理显著高于BC处理.总体上,虽然生物炭还田微生物活性较低,但土壤有机碳及其稳定性较高,有利于土壤有机碳积累,促进土壤固碳.同时适量的生物炭还田可以持续稳定增长土壤有机碳含量,少量生物炭0.5BC处理还田可提高土壤中可溶性有机碳和易氧化有机碳含量.     

秸秆与生物炭还田对土壤团聚体及固碳特征的影响

揭示秸秆与生物炭还田对团聚体有机碳含量、分布、稳定性以及相对贡献率的影响,有利于明确秸秆与生物炭还田下土壤碳库的稳定性及其保护机制.采用田间试验方法研究了油菜/玉米轮作模式下,秸秆与生物炭还田对土壤团聚体及固碳特征的影响.结果表明:(1)秸秆与生物炭还田各处理均能提高土壤有机碳含量,其中生物炭还田(BC、16.88 g·kg~(-1))、秸秆+生物炭还田(CSBC、17.37 g·kg~(-1))效果优于秸秆还田(CS、13.76 g·kg~(-1))和秸秆+速腐剂还田(CSD、14.68 g·kg~(-1)).(2)与对照(CK)处理相比,CS、CSD处理能显著地提高大团聚体(2 mm)含量,增加率为94.00%~117.78%,同时显著提高了水稳性团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、R0.25,降低了分形维数(D),提高了团聚体稳定性(P0.05).(3)随着团聚体粒径的增大,团聚体有机碳含量呈现先降低再增高然后再降低,且粉黏粒(0.053 mm)对土壤有机碳贡献率最高(29.61%~42.18%),大团聚体有机碳贡献率最低(9.19%~17.81%).除CSD处理外,CS、BC、CSBC处理降低了较大团聚体(2~0.25 mm)和微团聚体(0.25~0.053 mm)有机碳贡献率.秸秆还田促进土壤团聚作用效果优于生物炭还田,而生物炭还田提高团聚体有机碳含量效果优于秸秆还田,秸秆新碳主要向大团聚体内分配,秸秆+速腐剂还田还能促进较大团聚体内不同组分结合新碳,生物炭、秸秆+生物炭还田主要向微团聚体中富集.     

秸秆及生物炭还田对油菜/玉米轮作系统碳平衡和生态效益的影响

在油菜/玉米轮作下,研究不同秸秆与生物炭还田方式对农田生态系统碳平衡和收益的影响,阐明秸秆和生物炭还田的固碳作用.在重庆国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地,通过油菜和玉米两季作物田间定位试验,设置了常规施肥(CK)、秸秆还田(CS)、生物炭还田(BC)、秸秆+速腐剂还田(CSD)、秸秆+生物炭1∶1还田(CSBC)5个处理,测定了秸秆与生物炭还田下土壤碳累积排放量,并结合实地调研数据,从土壤呼吸碳排放、土壤碳库及作物碳库角度兼顾考虑农业成本投入,分析了秸秆与生物炭还田下农田生态系统碳排放、碳固定、碳汇效应和经济环境效益.结果表明:(1)两季作物的土壤碳累积排放量均高于对照(CK),其中秸秆直接还田(CS)处理和秸秆+速腐剂还田(CSD)处理显著(P0.05);(2)与CK对比,秸秆及生物炭还田均能提高两季作物产量与生态系统净初级生产力(NPP),增产1.49%~3.92%,NPP提高了4.44%~17.90%,且秸秆+速腐剂处理(CSD)的两季作物产量与NPP均为最大;(3)各处理(除CK外)均为系统净固碳量正值,表现为"碳汇";在油菜季和玉米季两季中,系统净固碳量最高的分别为秸秆+速腐剂还田(CSD,9.05 t·hm~(-2))和生物炭还田(BC,10.75 t·hm-2)处理,而碳排放量最低的均是生物炭(BC)处理,比CK减少62.69%~81.86%.(4)油菜季的秸秆直接还田(CS)处理的两季作物产投比最高,而两季作物的BC处理均会降低产投比,但其碳排放交易量最高(466.95~561.22元·hm-2).(5)两季作物的BC处理均会提高碳生产力(CP),而BC处理的经济效益(CJ)与生态效益(CE)均显著低于其他处理.秸秆直接还田增加了系统的经济效益和生态效益,而生物炭还田降低了系统的经济效益和生态效益.     

油菜/玉米轮作农田土壤呼吸和异养呼吸对秸秆与生物炭还田的响应

土壤呼吸是农田生态系统碳排放的主要途径,为研究土壤呼吸、其组分和水热因子对秸秆与生物炭还田的响应,在重庆国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地采用根系排除法联合运用土壤呼吸自动监测系统(ACE-002/OPZ/SC)测定了无物料还田(CK)、秸秆还田(CS)、秸秆+速腐剂还田(CSD)、生物炭还田(BC)、秸秆+生物炭1∶1还田(CSBC)5种处理下的紫色土丘陵区油菜/玉米轮作制中油菜和玉米生长季的土壤呼吸及其水热因子,并计算了根系呼吸贡献.结果表明,秸秆与生物炭还田显著影响土壤呼吸季节性变化特征和峰值,除BC处理外,其他处理均促进了土壤呼吸和碳排放;油菜季土壤呼吸呈单峰曲线,在0.12~2.29μmol·(m~2·s)~(-1)波动,不同处理土壤呼吸差异显著,表现为CSCSDCSBCCKBC处理;玉米季各处理土壤呼吸变化较复杂,变化范围为1.02~15.32μmol·(m~2·s)~(-1),其中CS、CSD和CSBC呈双峰型曲线,CK和BC呈单峰曲线.土壤异养呼吸能够解释土壤总呼吸变化的86.50%~93.94%,各处理的玉米季根系呼吸贡献(26.49%~32.86%)显著低于CK处理(53.65%).土壤呼吸速率的变化主要受5cm土壤温度控制,与土壤含水量无显著关系;5cm土壤温度能够解释土壤呼吸季节变化的82%~94%.土壤呼吸的温度敏感性系数Q10值在3.28~4.47之间,与CK处理相比,CS、CSD、CSBC处理的Q10分别降低了26.62%、18.12%、20.58%;而BC处理则增大了12.53%.水热双因子对土壤呼吸不存在协同作用,仅用土壤温度单因子指数函数可较好地模拟土壤呼吸速率的动态变化.可见,秸秆、秸秆+速腐剂和秸秆+生物炭还田显著促进了土壤呼吸,生物炭还田抑制了土壤呼吸.     

生物质炭和秸秆配合施用对土壤有机碳转化的影响

为探讨生物质炭和秸秆碳输入对土壤碳构成和转化的影响,通过室内培养试验,研究了单施生物质炭、秸秆及两者配合施入下土壤二氧化碳的释放特征以及土壤微生物碳和有机碳的变化.结果表明,秸秆有机碳在土壤中的矿化率为21.50%(2%添加水平),远大于等量生物质炭的矿化率(8.09%);施用等量(占4%土重)生物质炭和秸秆,培养200 d后土壤有机碳含量分别为24.40 g·kg~(-1)、17.40 g·kg~(-1),表明生物质炭对有机碳的提升作用大于秸秆的.施用生物质炭对土壤固有有机碳有一定的保护作用,生物质炭与秸秆配合施用促进了秸秆的矿化,对有机碳矿化影响的交互效应为正值.施用秸秆能大幅度增加土壤微生物碳,而生物质炭对土壤微生物碳影响小;秸秆和生物质炭配合也增加了土壤微生物碳,但其交互效应与培养时间、施用量等有关,可正可负.     

等碳量添加秸秆和生物炭对土壤呼吸及微生物生物量碳氮的影响

为探究土壤呼吸、土壤微生物生物量碳氮及水热因子对生物炭和秸秆添加的响应,采用LI-8100土壤碳通量测量仪（LI-COR,Lincoln,USA）测定了常规施肥（CK）、常规施肥+2.25t·hm^-2生物炭-C（T1）、常规施肥+2.25 t·hm^-2秸秆-C（T2）、常规施肥+1.125t·hm^-2生物炭-C+1.125 t·hm^-2秸秆-C（T3）这4种处理下土壤呼吸及微生物量的变化.结果表明：①添加生物炭和秸秆显著增加了土壤呼吸速率和CO₂总排放,T3增幅最大,T1增幅最小;T1对土壤呼吸的作用表现为烟草生育前期促进,后期抑制.②生物炭和秸秆还田均显著增加土壤微生物量碳氮以及功能菌菌落数,其中T1对固氮菌的提高作用显著,T2对真菌无显著影响,T3表现为正交互作用;土壤呼吸速率与土壤微生物量碳氮以及细菌、放线菌的数量显著正相关.③T3显著增加了5 cm土壤温度,增幅为4.53%.土壤呼吸速率与土壤温度表现出显著的指数相关性.综上所述,等碳量添加秸秆和生物炭显著提高土壤呼吸速率及微生物生物量,生物炭与秸秆的交互效应为正值;与添加秸秆相比,施用生物炭在一定程度上可以减少碳矿化,其固碳减排效应更好.     

施用秸秆和生物炭的茉莉园土壤微生物量及细菌多样性的差异

土壤微生物在农田生态系统的生物地球化学循环中起着重要作用，然而目前尚不清楚秸秆直接还田和炭化还田对土壤微生物量及细菌多样性影响的差异.本研究在福州茉莉(Jasminum sambac)种植基地开展了田间实验，并设置对照(0 kg·hm^-2)、秸秆(8000 kg·hm^-2)、生物炭(8000 kg·hm^-2)3个添加处理，测定了土壤微生物量碳、氮、磷(MBC、MBN、MBP)含量，分析了细菌群落多样性和组成，以期为该区域土壤配肥和改良提供科学的理论依据.结果表明：与对照相比，秸秆施用下土壤MBC含量显著降低了16.85%(p<0.05)，而生物炭施用下土壤MBC、MBN、MBP含量分别显著增加了23.17%、329.15%和40.09%(p<0.05).其次，秸秆处理对细菌群落多样性无显著影响，而生物炭的施用显著提高了细菌群落多样性(p<0.05).再之，施用生物炭促进了植物生长有益菌，如芽孢杆菌纲、α-变形菌纲、γ-变形菌纲、黏球菌纲的相对丰度.冗余分析(RDA)结果表明，土壤磷含量是影响茉莉园土壤细...     

长期秸秆还田褐土有机碳矿化特征及其驱动力

基于连续30 a(1992～2021年)秸秆还田长期定位试验,按照等碳量秸秆还田,设置秸秆覆盖还田（SM）、秸秆粉碎直接还田（SC）、秸秆过腹还田（CM）和秸秆不还田（CK）这4个处理,探讨长期不同秸秆还田方式对土壤有机碳、土壤活性有机碳组分、土壤碳库管理指数、酶活性和土壤有机碳矿化的影响,揭示春玉米连作体系褐土有机碳矿化特征及其主要驱动因子,为褐土区秸秆还田措施优化和固碳减排等提供科学依据.结果表明：(1)秸秆还田处理均提高了褐土土壤有机碳含量,CM处理提高幅度最大,且碳库管理指数提升效果最显著.(2)SC和CM处理的活性碳组分含量均上升,而SM处理的易氧化有机碳含量显著降低.(3)温度每升高10℃,矿化速率约提升7.99 mg·（kg·d）-1.不同秸秆还田处理土壤有机碳矿化速率顺序为：CM> SC>SM> CK.(4)低温（15～25℃）条件下,CM处理的温度敏感性最低,最有利于碳库的积累,能有效提高土壤有机碳库周转速率,缩短周转时间,可作为褐土管理的最佳秸秆还田模式.(5)温度、土壤中β-1,4-葡萄糖苷酶活性和DOC是褐土土壤有机碳矿化的主要驱动力.有机碳组...     

稻草烟尘中有机碳/元素碳及水溶性离子的组成

选取我国6种稻草,通过自制的生物质焚烧装置模拟秸秆露天焚烧.采用Model 2001A热/光分析仪和ISC 2000/ISC3000离子色谱仪测定了阴燃、明燃烟尘中有机碳(OC)、元素碳(EC)与水溶性离子的含量.结果表明,明燃条件下稻草中OC排放因子(EFOC)均值为(6.37±1.86)g·kg-1,EC排放因子(EFEC)均值为(1.07±0.30)g·kg-1;阴燃条件下稻草中EFOC均值为(37.63±6.26)g·kg-1,EFEC均值为(4.98±1.42)g·kg-1.同一品种稻草燃烧排放出的PM、OC与EC变化趋势一致.明燃时稻草中的OC/EC均值为5.96,阴燃时比值均值为7.80,OC/PM几乎不受燃烧状态的影响,阴燃、明燃时EC/PM分别在0.06~0.08、0.08~0.11范围内,通过EC/PM比值可以初步判断燃烧状态的趋势,两种燃烧方式中排放的OC、EC相关性达到0.97,在0.01水平上相关性显著.阴离子中,Cl-含量最高,明燃时稻草中Cl-的排放因子均值为(0.246±0.150)g·kg-1,阴燃下为(0.301±0.274)g·kg-1,明燃时K+排放因子均值为(0.118±0.051)g·kg-1,阴燃时排放因子远低于明燃排放量,均值为(0.053±0.031)g·kg-1.水溶性Na+在阴燃条件下的排放因子均高于明燃状态下的排放.明燃条件下水溶性离子间的相关性比阴燃时显著.通过OC/EC比值可以将稻草与石化燃料及其他一些生物质燃烧区分开,而水溶性离子中的K+/Na+、Cl-/Na+比值也可以将稻草与一些树木类焚烧区别开来.     

餐厨垃圾与秸秆混合中温和高温厌氧消化对比

餐厨垃圾与秸秆混合厌氧消化可有效改善两者单独厌氧消化易出现的挥发性脂肪酸积累和木质纤维素难以降解等问题,并回收生物质能.在中温(35℃)和高温(55℃)条件下,对餐厨垃圾与秸秆混合厌氧消化进行了序批式试验研究.结果表明,进料的挥发性固体(VS)浓度为3 kg·m~(-3),中温条件下,物料进料比(VS/VS)为9∶1时,单位有机负荷累积甲烷产量达到最高,为272.0 mL·g~(-1);高温条件下,进料比为5∶5时,单位有机负荷累积甲烷产量达到最高,为402.3 mL·g~(-1),分别显著高于两温度条件下餐厨垃圾单独厌氧消化的结果(中温218.6 mL·g~(-1),高温322.0 mL·g~(-1)).高温条件下物料中的碳流向甲烷的比例高于中温,且两物料混合消化促进碳流向甲烷.高温下木质纤维素总降解率为34.7%~45.8%,高于中温的12.6%~42.2%.利用高通量测序技术检测细菌与古菌的16S rRNA基因序列信息和真菌的内转录间隔(ITS)序列信息,结果表明,高温下木质纤维素降解细菌和放线菌数量明显高于中温条件,可解释高温下木质纤维素总降解率更高的原因.     

秸秆还田对江西农田土壤固碳影响的模拟分析

秸秆还田等农田管理措施能有效地增加土壤碳储量,从而有利于减缓大气CO₂浓度的上升趋势。论文基于环境政策综合气候模型(EPIC),采用千烟洲生态试验站和鹰潭生态试验站农田监测场长期观测数据,验证和优化了EPIC模型参数,同时利用1990-2010年江西省气象资料以及土壤清查资料,模拟分析了4种秸秆还田(CR)比例情景下2010-2030年江西省水稻田土壤的固碳潜力。研究结果表明,无秸秆还田 (CR0%)和秸秆还田25%(CR25%)两种处理下耕作层土壤有机碳储量分别下降21.3%和6.5%,秸秆还田50%(CR50%)和100%(CR100%)处理下土壤有机碳储量分别增加5.4%和11.9%;相对CR0%情景而言,CR25%、CR50%、CR100% 情景下江西省水稻田土壤总固碳潜力分别为6.43、14.92和25.26 TgC(1 Tg = 10⁶ t)。研究结果表明,通过合理的调控措施,采用保护性耕作(秸秆还田)是提高水稻田土壤固碳能力的一种有效途径。     

利用辐照预处理麦秆作为反硝化固体碳源的研究

采用经辐照预处理的秸秆作为反硝化微生物的固体碳源和生物膜载体反硝化脱氮,以考察辐照预处理是否可以提高麦秆作为固体碳源反硝化的性能.静态试验结果表明,辐照预处理可以使麦秆作为固体碳源反硝化的反硝化速率提高20%,在硝酸氮初始浓度65.3 mg/L时,辐照剂量300 kGy的麦秆的反硝化速率可以达到0.087　mg/(g·h),硝酸氮去除率在90%以上.部分试验结果通过麦秆的表面结构红外分析和扫描电镜观察得到了证实.     

不同氮水平下秸秆和活性碳对土壤不同粒级碳的影响

利用采集自FACE(Free Air Carbon Dioxide Enrichment)技术平台上田间培养的土壤样品,通过温室培养的方法,研究不同CO₂浓度下导致作物生物量增加和更多碳输入对土壤含碳量的影响. 结果表明, CO₂浓度高(即通过秸秆还田和根系进入土壤的含碳量增加)时,其显著影响碳在不同粒级土壤中的转化,粒径>53 μm土壤的含碳量增加,粒径<53 μm土壤的含碳量降低;在没有秸秆加入的常规氮水平下与有秸秆加入的低氮水平下,含碳量变化幅度较大;单位土壤各粒级的含碳量均有增加,有秸秆加入,活性碳(葡萄糖)量越大,含碳量增加幅度越大;没有秸秆加入,活性碳量越大,总碳含量增加幅度越小. 而不同氮水平下秸秆的分解代谢对土壤不同粒级碳的影响还不明确,有待继续研究.      

优化秸秆管理提高麦玉农田碳氮效率与经济效益

优化周年秸秆管理,可促进小麦-玉米周年集约化种植系统增产增收和碳氮高效.基于2012年开始的大田定位试验,设置5种秸秆管理方式：C100(100%还田)、 C75(75%还田+25%收获)、 C50(50%还田+50%收获)、 C25(25%还田+75%收获)和C0(100%收获),分析不同秸秆管理下小麦-玉米周年农田碳氮投入量的差异,以及碳氮投入比对作物籽粒产量、碳氮效率和经济效益的影响.结果表明：(1)小麦-玉米周年秸秆还田量不同导致碳氮投入量差异显著,每减少25%的秸秆还田量,来自作物的碳和氮的年均投入分别减少1.76 t·hm^-2和34.28 kg·hm^-2;碳氮投入比随小麦-玉米周年秸秆还田量减少而降低,C100处理到C0处理的周年碳氮投入比分别为18.62、17.03、15.64、12.54和9.61.(2)小麦、玉米及周年籽粒产量均随着碳氮投入比的降低先增加后降低,且秸秆管理对小麦籽粒产量的影响大于玉米;与C100和C0相比,C50的小麦和玉米籽粒平均产量分别高13.34%～13.67%和16.10%～17.71%,周年籽粒产量...     

以稻草为碳源和生物膜载体去除水中的硝酸盐

采用室内试验装置,研究了以农业废弃物稻草为反硝化碳源和反应介质的生物反应器对于污水中硝酸盐的去除效果及其影响因素.结果表明,以稻草为反硝化碳源和生物膜载体的反应器启动时间短,对污水中硝酸盐氮的去除效果好,且试验过程中未发现亚硝酸盐累积;进水硝酸盐浓度对装置的处理效果有一定影响,浓度过高会导致硝酸盐的去除率下降;装置对进水DO和ｐH变化有一定抗性,DO在1.0～3.5 mg/L,pH在6.5～8.5之间变化时,反应器硝酸盐的去除率变化很小,缓冲能力较强;反应器稳定性强,装置运行84 ｄ后,出水硝酸盐开始升高,硝酸盐去除率逐步降低,但去除率仍在50%以上.