【摘要】：生物炭(biochar)是一類由生物質(zhì)經(jīng)過缺氧或無氧熱解過程制成的富碳材料。將生物炭添加到土壤中被認為是一種低成本、低風險的土壤碳封存方法,以應對全球氣候變化。全球氣候變化會導致極值天氣過程,如長時間干旱和頻繁的旱澇交替。本文圍繞在氣候變化背景下生物炭作為長期的土壤碳封存方法,對農(nóng)田土壤的水分、農(nóng)用化學品、土壤有機質(zhì)、土壤微生物和土壤水穩(wěn)定性團聚體等的影響開展了一些實驗研究,并試圖分析生物炭所產(chǎn)生的效應與生物炭本身理化性質(zhì)、土壤特征、土壤微生物和環(huán)境氣候條件等之間的相互關(guān)聯(lián)和影響。本文運用壓力膜法對不同種類、劑量和粒徑的生物炭對兩種典型農(nóng)田土壤的持水能力開展了研究。結(jié)果表明,高比表面積的生物炭對砂質(zhì)土壤的持水能力有顯著的提高作用,較大粒徑的生物炭(1-2 mm)對土壤持水能力的影響大于小顆粒的生物炭。生物炭對于粘土含量較高的土壤的持水能力沒有顯著影響。高比表面積生物炭對于土壤永久萎蔫點沒有顯著影響,因此有利于提高土壤植物可利用水。低比表面積的生物炭對土壤持水能力沒有顯著影響。為了更好地了解生物炭-土壤體系在干燥過程中的水分分布,運用中子成像法研究了砂土-生物炭混合樣在自然風干過程中生物炭內(nèi)部、表面和周邊材料的含水率變化情況。結(jié)果表明,生物炭在浸潤后含水率高于砂土,在混合樣品風干過程中,生物炭能夠持續(xù)向周邊材料釋放水分�？傮w上來看,添加生物炭的砂土中水分分布情況為:生物炭內(nèi)部生物炭表面生物炭周邊材料。本文選擇考察了具有典型表面物理化學特性的5種生物炭以及農(nóng)田土壤對于3種有代表性的苯脲基除草劑(利谷隆,敵草隆,滅草隆)的吸附作用,考察了生物炭添加對其歸趨的影響。大部分吸附等溫線能夠較好地用Freundlich模型進行描述(R2=0.93-0.97)。吸附參數(shù)KF值在不同除草劑間有較大差異(6.94-1306.95 mg kg-1),其大小變化為:利谷隆敵草隆滅草隆;不同生物炭和土壤之間也有所差異,其大小變化如下:核桃殼生物炭木質(zhì)生物炭火雞凋落物生物炭強化生物炭豬糞生物炭Yolo粉質(zhì)壤土。結(jié)果表明,生物炭對農(nóng)用化學品的歸趨可能會同時有正面(減少淋溶損失)和負面(降低除草劑的有效性)的影響。在探討生物炭土壤添加所產(chǎn)生的效應時,應當綜合考慮生物炭的表面特性(如碳/氫元素比例和比表面積等)、土壤特征、目標化學品和氣候環(huán)境因子等,從而更好地進行農(nóng)用化學品的農(nóng)田管理,從而達到農(nóng)業(yè)效益和環(huán)境效益雙贏的目標。為了研究生物炭、生物固體(biosolid)在不同水文過程背景下生物炭和生物固體對土壤水可提取有機物的影響,本文運用美國加利福尼亞大學戴維斯分校russellranch長期實驗站的yolo粉質(zhì)壤土,用實驗室模擬的方法構(gòu)建了濕潤、干燥和干濕交替的水分條件下,具有0,0.5%,1%(質(zhì)量百分比,下同)核桃殼生物炭處理和/或0,0.5%,1%生物固體添加處理的為期52周的培育實驗。結(jié)果表明,生物炭和生物固體都能顯著提高土壤水可提取有機物的含量。干燥和干濕交替的土壤水分過程也會增加土壤水可提取有機物。運用碳穩(wěn)定同位素方法和特定波長紫外吸收法進一步研究了水可提取有機物的來源。結(jié)果表明,單位質(zhì)量核桃殼生物炭比土壤釋放更多的水可提取有機碳。在極值水分過程下,生物炭添加處理中檢測到更高的水可提取有機碳,核桃殼生物炭可能增加源于土壤有機物的水可提取有機物(52.9-87.9%)。這一影響對土壤生態(tài)系統(tǒng)同時具有正面和負面的影響。增加的水可提取有機物有益于土壤微生物群落,然而也增加了土壤有機質(zhì)流失的風險。在生物炭的田間的實際應用中,生物炭的理化特性和土壤的多樣性以及環(huán)境氣候條件的不確定性都意味著生物炭作為長期的土壤碳封存方法,其對于土壤有機質(zhì)動力學的影響有待進一步的研究。為了研究在氣候變化背景下在不同水文過程背景下生物炭和生物固體對土壤微生物群落的影響,本文用yolo粉質(zhì)壤土,構(gòu)建了為期12周的具有三種水分條件:濕潤、干燥和干濕交替的水分條件下,和具有0,0.5%,1%核桃殼生物炭處理和/或0,0.5%生物固體添加處理的培育實驗。運用土壤微生物磷脂脂肪酸方法對微生物群落的變化進行了研究。結(jié)果表明,土壤水分過程對土壤微生物群落有較強的影響。相比微生物生物量,微生物群落組成能夠更為迅速地響應環(huán)境壓力。革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌比例是一個表征土壤短期水分壓力的有效指標。生物炭對于土壤微生物群落的影響取決于生物炭施加量和土壤養(yǎng)分狀況。額外的土壤養(yǎng)料能夠減少極端土壤水分情形對土壤微生物群落的負面影響。為了了解生物炭對土壤團聚體及微生物群落的影響以及它們的相互作用,以田間實驗和實驗室培育實驗兩種方式開展研究。田間實驗具有0,0.5%(表層土壤)核桃殼生物炭處理和礦質(zhì)肥料、堆肥處理。在田間條件下,2年后生物炭對土壤水穩(wěn)性團聚體各組分的含量沒有顯著影響。用兩種典型的農(nóng)田土壤yolo粉質(zhì)壤土和vina砂質(zhì)壤土為材料,構(gòu)建了為期12個月的有0,0.5%,1%核桃殼生物炭和0,0.5%,1%強化生物炭處理的培育實驗。結(jié)果表明,兩種生物炭均能影響包括土壤ph、電導率和土壤有機碳的組成等特征,并會通過多種機制對土壤微生物群落和土壤團聚作用產(chǎn)生影響。兩種生物炭對yolo粉質(zhì)壤土的水穩(wěn)性團聚體有很大的提升。兩種生物炭對Vina砂質(zhì)壤土的土壤團聚作用則大多沒有顯著影響。未熱解完全的生物炭可能為土壤微生物群落提供額外碳源,提升土壤微生物生物量。生物炭中所含的高度芳香化的碳可能影響土壤微生物代謝芳香化碳的能力,同時也會增加土壤有機質(zhì)的總體芳香程度,從而影響土壤的團聚過程。生物炭對團聚體的提升作用可以增強團聚體對土壤有機質(zhì)的物理保護,從而實際上進一步增強生物炭的土壤碳封存作用。本文的結(jié)果表明,在今后的生物炭農(nóng)田土壤實際應用的過程中,需要綜合考慮生物炭的理化特性、土壤特征,根據(jù)田間管理的目標選擇合適的組合,同時考慮可能的由氣候變化導致的極端土壤水文過程。生物炭在農(nóng)田中的應用應當在綜合考慮上述因素對土壤水分、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)、農(nóng)用化學品環(huán)境過程和土壤微生物群落的影響后進行,以使生物炭這一應對氣候變化的工具在環(huán)境效益、農(nóng)業(yè)效益和應對氣候變化達到多方面的最大益處。
[Abstract]:Biochar ( biochar ) is a kind of carbon - rich material which is made of biomass through anoxic or anaerobic pyrolysis . It is considered to be a low - cost , low - risk soil carbon sequestration method to deal with global climate change . In order to study the effects of bio - carbon on soil microbial community , organic carbon could be extracted from soil water . The results showed that biological carbon could be used as a long - term soil carbon sequestration method .
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S154.1

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