秸稈、木質(zhì)素及生物炭對土壤有機(jī)碳氮和微生物多樣性的影響.pdf

1、我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中每年都產(chǎn)生大量秸稈和木質(zhì)素等廢棄物，雖然其中有部分通過直接還田、接枝改性、用作飼料或燃料等方式加以利用，但仍然有大量有機(jī)物被肆意排放或就地焚燒。因此，秸稈、木質(zhì)素等廢棄物資源化利用是目前備受關(guān)注的問題。本研究利用秸稈生物炭及木質(zhì)素生物炭，與秸稈和木質(zhì)素直接還田進(jìn)行對比，在北方的潮土及南方的紅壤上通過室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)、溫室盆栽試驗(yàn)和田間埋袋試驗(yàn)相結(jié)合，探討不同來源的生物炭及原料對土壤碳、氮含量和礦化過程的影響及微生物群

2、落結(jié)構(gòu)響應(yīng)。以期在理論上探討秸稈、木質(zhì)素及生物炭對不同類型土壤有機(jī)碳、氮的影響，在實(shí)踐上對秸稈和木質(zhì)素的高效資源化及土壤固碳具有實(shí)踐意義。主要研究結(jié)果如下:
　　1.隨著裂解溫度的升高，生物炭的pH、灰分、C(carbon)含量及C穩(wěn)定性逐漸升高，而揮發(fā)物質(zhì)、H(hydrogen)、O(oxygen)、N（nitrogen）、S(sulphur)含量降低，同時(shí)，H/C、O/C及(O+N)/C比值降低。通過掃描電鏡圖像及核磁共振圖譜

3、可以看出裂解溫度升高使生物炭孔隙數(shù)量增加，芳香化程度增強(qiáng)。結(jié)果顯示，生物質(zhì)種類及裂解溫度對生物炭性質(zhì)的影響較裂解時(shí)間顯著。
　　2.隨著埋袋時(shí)間延長秸稈分解率、碳釋放率增加，而C/N降低，經(jīng)過360天后秸稈在潮土和紅壤上的分解率分別達(dá)到了81％和68％，其分解曲線符合對數(shù)方程y=14.85ln(t)-8.238(R2=0.989，P＜0.01)（潮土）和y=13.19ln(t)-18.60(R2=0.882，P＜0.01)（紅壤）

4、。秸稈生物炭的分解率、碳釋放率及C/N在兩種土壤上基本沒有變化。與原始物料相比，埋袋360天后秸稈中芳香碳比例增加，烷氧基碳/烷基碳降低，說明秸稈分解程度較高。通過核磁共振NMR(Nuclearmagnetic resonance)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)生物炭一年時(shí)間內(nèi)不會發(fā)生明顯的分解，這是因?yàn)樯锾恐械挠袡C(jī)碳具有很強(qiáng)的生物學(xué)惰性。潮土上芳香碳比例較高，烷氧基碳/烷基碳降低更多，因此秸稈在潮土上較紅壤上分解程度更高。有機(jī)物料的分解受物料自身特

5、性的影響最大，其次為環(huán)境因素。
　　3.等碳量施用秸稈、木質(zhì)素及其生物炭4種有機(jī)物料，土壤CO2釋放特征的影響存在顯著差異。與對照相比，秸稈和木質(zhì)素能夠顯著增加土壤CO2釋放速率及累積釋放量，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化過程。其中潮土上秸稈處理土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度、代謝商及微生物商分別為對照的11倍、5倍和3倍。兩種生物炭處理對土壤CO2釋放特征沒有顯著影響。
　　秸稈、木質(zhì)素及其生物炭短期內(nèi)（30天）均能夠顯著增加土壤有機(jī)碳(SOC

6、，soil organic carbon)含量，但培養(yǎng)一年后，秸稈和木質(zhì)素對SOC含量沒有顯著作用，而秸稈炭和木質(zhì)素炭均可以顯著提高SOC含量。對于土壤活性有機(jī)碳[DOC(dissolved organic carbon)、ROC(readily oxidizedorganic carbon)和MBC(microbial biomass carbon)]而言，秸稈處理和木質(zhì)素處理有明顯增加，兩種生物炭處理與對照相比卻沒有顯著差異。與秸稈

7、和木質(zhì)素相比，生物炭能較大幅度的提高土壤有機(jī)碳含量，而不增加土壤CO2釋放，具有較好的固碳減排效果。
　　4.潮土和紅壤上，木質(zhì)素處理土壤N2O累積釋放量均顯著高于其他處理，分別為2998μg·kg-1、592μg·kg-1。相同處理?xiàng)l件下，潮土上土壤N2O累積釋放量均高于紅壤。木質(zhì)素顯著增加各形態(tài)土壤氮含量，而木質(zhì)素炭僅增加土壤TN(total nitrogen)含量。30天時(shí)秸稈減少了土壤NO3--N含量，增加了土壤MBN(m

8、icrobial biomass nitrogen)含量，經(jīng)過360天培養(yǎng)，秸稈對各形態(tài)土壤氮素含量具有增加作用，秸稈炭對土壤氮素含量沒有顯著影響。
　　5.通過Biolog-Eco板測定土壤AWCD(average well color development)發(fā)現(xiàn)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，各處理土壤微生物對碳源的利用量增加，但是不同土壤類型和不同處理的土壤微生物群落反應(yīng)速度和最終能達(dá)到程度不同。在48 h內(nèi)兩種土壤的AWCD均很小

9、，在48 h以后AWCD急劇升高，同時(shí)處理間差異變大。秸稈處理土壤AWCD最高，其次為對照和生物炭處理，而木質(zhì)素處理土壤AWCD在整個(gè)測定過程均顯著低于其他處理。利用AWCD數(shù)據(jù)計(jì)算微生物多樣性指數(shù)Shannon、Mclntosh和Simpson，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素降低了土壤微生物功能多樣性。木質(zhì)素促進(jìn)土壤微生物數(shù)量增加，從而使土壤CO2釋放速率和有機(jī)碳礦化強(qiáng)度提高，但對土壤微生物性狀和生化功能產(chǎn)生抑制作用。
　　6.秸稈處理土壤微生物P

10、LFAs(phospholipid fatty acid)種類為58種，顯著多于其他處理，其PLFAs總量比對照提高了110％(P＜0.05)。木質(zhì)素對土壤微生物PLFAs單體種類沒有影響，PLFAs總量提高了32％(P＜0.05)。與對照相比，生物炭對土壤微生物PLFAs種類及總量均沒有顯著影響。秸稈促進(jìn)土壤中細(xì)菌和真菌的增殖，木質(zhì)素僅增加了細(xì)菌PLFAs含量。通過冗余分析發(fā)現(xiàn)，土壤活性有機(jī)碳對土壤微生物群落分異影響較大，另外，紅壤微

11、生物多樣性變化同時(shí)與土壤pH相關(guān)。
　　綜上所述，秸稈含可溶性碳、蛋白質(zhì)、糖類及纖維素等易分解物質(zhì)，可作為微生物代謝的碳源、氮源，因此秸稈能顯著增加土壤微生物數(shù)量及多樣性，進(jìn)而使土壤CO2、N2O釋放速率、累積釋放量等指標(biāo)升高。木質(zhì)素易溶于水，C、N含量高，施入土壤后也能夠增加土壤CO2、N2O釋放。與秸稈作用不同的是木質(zhì)素提高了土壤微生物數(shù)量，但降低了土壤微生物多樣性，促進(jìn)了一部分微生物繁殖，對某些菌群產(chǎn)生了為抑制作用。秸稈、木