废弃物基水热炭改良对水稻产量及氮素吸收的影响

生物炭农田回用是实现农林废弃物资源化利用和碳封存的有效手段.近年来,水热碳化技术由于在炭产率、能耗及生产过程中的烟气排放等方面显著优于常规热解碳化技术而受到关注.为实现农林废弃物的资源化利用,明确水热炭农田应用对作物生产力的影响,本研究通过原状土柱模拟试验和表征分析,研究了4种不同类型改良水热炭对两种典型土壤的水稻产量和氮素吸收的影响及可能的驱动因素.结果表明,锯末水热炭和秸秆水热炭经物理或生物改良后,在两种类型土壤上均能够增加水稻产量和氮素吸收,减少氮素损失,且其效应不受水热炭添加量影响（5‰,15‰;质量分数）.与对照相比,水热炭添加处理的产量和氮素吸收量分别提高9.2%~20.7%和7.7%~17.0%.高C/N比的锯末水热炭更有利于高肥力土壤水稻氮素吸收量的增加;而低肥力土壤由于限制性因子较多,受水热炭类型的影响较小.通过对水热炭的表征分析发现,其表面养分元素丰富;水洗或生物改良后其表面孔隙结构有较大改善,C元素相对含量明显降低,N和O元素相对含量明显增加,这对养分的固持/供应可能产生影响.因此,水热炭改良后孔隙结构的改变和N、O元素含量的增加可能是其施用后水稻产量和氮素吸收增加的关键驱动因素.结果说明,水热碳化材料改良后应用农田可以在实现农林废弃物资源化利用的同时,提高作物生产力,减少农田氮素环境损失.     

麦秸水热炭及其改良产物对水稻产量和稻田氨挥发排放的影响

水热炭的酸性特性及材料吸附性质为其稻田回用及氨挥发损失控制提供了可能.为实现农业废弃物的资源化利用和稻田环境损失控制,本研究以小麦秸秆为原材料,通过土柱模拟试验,考察了麦秸水热炭（WHC）及其水洗改良产物（W-WHC）对水稻产量和稻田氨挥发排放的影响.结果表明,麦秸水热炭及其改良产物稻田回用能够增加水稻产量,低量添加（0.5%）的增产效应高于高量添加（1.5%）处理.低量添加下,WHC和W-WHC处理的水稻产量分别较对照处理（CKU）增加17.16%和20.20%.结果同时表明,除W-WHC低量添加处理的氨挥发损失量与对照相当,水热炭及其改良产物添加均能够减少稻田氨挥发损失.其中,WHC低量添加和W-WHC高量添加处理的稻田氨挥发损失显著低于CKU处理,NH₃挥发累积排放量分别减少31.01%和17.40%.阶段氨挥发损失结果分析表明,水热炭添加对稻田氨挥发损失的控制效应主要集中在蘖肥期和穗肥期,水热炭添加后蘖肥期田面水氮素浓度的变化和穗肥期田面水pH的改变是秸秆水热炭添加后稻田氨挥发控制的主要驱动因素.结果说明,适宜用量下小麦秸秆碳化还田可以在提高作物产量的同时减少稻田氨挥发损失,是一种适于农业副产物资源化利用的良好方式.     

水热炭减少稻田氨挥发损失的效果与机制

作为生物质水热碳化的产物,水热炭因其丰富的孔隙结构和官能团等良好的表面特性,在稻田氨(NH_3)挥发减排方面有着良好的应用前景.本研究将水热炭作为一种土壤调理剂施加到稻田土壤中,通过水稻全生育期土柱试验,考察其对稻田氨挥发的影响.试验通过设置3个处理:CKU(不施加水热炭对照)、SHC(锯末水热炭)和W-SHC(水洗锯末水热炭),研究了不同水热炭对田面水pH、田面水NH_4~+-N浓度、氨挥发排放通量和累积量及单位产量氨挥发排放累积量的影响.其中水热炭和水洗水热炭施加量为0. 5%(质量分数).结果表明,SHC处理显著降低了NH_3挥发累积排放量和单位产量NH_3挥发累积排放量(P 0. 05),相比CKU分别减少了32. 42%和47. 61%. W-SHC处理氨挥发减排效果稍弱,NH_3挥发累积排放量和单位产量NH_3挥发累积排放量相比CKU分别减少了10. 14%和27. 71%.氨挥发减排可能与水热炭的施用导致的田面水pH变化和NH_4~+-N浓度的降低有关.与CKU相比,SHC和W-SHC处理均降低了田面水pH和NH_4~+-N浓度,且在水稻基肥期(BF)和蘖肥期(SF1)影响较明显.土壤脲酶活性受到水热炭施加的显著抑制(P 0. 05),同时土壤氨氧化基因(AOA和AOB)丰度也显著增加(P 0. 05),导致土壤氨氧化作用增强,这对于田面水NH_4~+-N浓度有削减作用.本研究将为实现稻田氨挥发减排背景下的水热炭农业环境应用提供理论和数据支持.