芦竹制备生物炭的特性表征及对土壤N_2O排放的抑制

【摘要】：N_2O是一种重要的温室气体，且对大气臭氧层具有巨大的破坏作用。农业土壤是大气中N_2O的主要排放源之一，大量施肥会导致土壤N_2O排放的增加。近年来，生物炭作为一种环境友好型土壤添加剂的研究与应用备受各国科学家的关注。生物炭不仅可以实现大规模的土壤固碳，减少温室气体排放，还可以提高土壤肥力，促进作物生长。近来有研究表明生物炭可以抑制土壤N_2O排放，但也有一些研究认为生物炭不能抑制土壤N_2O排放，甚至还会有促进作用。另外，目前生物炭抑制N_2O排放的机理尚不明确。因此，需要进行更多更深入的研究以全面了解生物炭对农业土壤N_2O排放的影响及其机制。 本研究利用湿地植物——芦竹制备热解生物炭，并进行特性表征（包括产率、灰分、pH值、元素分析、孔隙分析和FTIR分析等），通过室内土壤培育实验研究芦竹生物炭添加到土壤中后对N_2O排放的影响，并探讨生物炭抑制土壤N_2O排放的机理。主要研究结果如下： （1）芦竹生物炭的表征结果：随着热解温度的升高，芦竹生物炭的产率随之降低，而pH值和灰分含量增加；元素分析结果表明芦竹生物炭随热解温度升高，H和O元素降低，而C元素增加；利用CO2作为吸附气体测定生物炭微孔，结果表明生物炭微孔面积和微孔体积随热解温度的升高而增加；FTIR分析表明高温生物炭含有较多的芳香官能团；利用普鲁士蓝比色测定生物炭中的总酚和水溶性酚含量，结果表明200℃热解的芦竹生物炭含有大量酚类物质，且生物炭酚类物质含量随着热解温度的升高而减少。 （2）室内土壤培育实验表明：土壤加水培育后N_2O呈峰型排放，培育初期N_2O排放速率很低，随时间延长排放速率迅速增加，在培育8小时到36小时时间段里N_2O大量排放，而到48小时后，排放量渐趋于零。培育96h后，对照土壤N_2O的累积排放量为33.30±1.32mg N·m~(-2)，而添加芦竹原料后土壤N_2O的累积排放量达到了39.06±1.87mg N·m~(-2)，比对照土壤提高了17.30%。添加L200，L300，L350，L400，L500和L600的土壤培育96h后N_2O累积排放量分别为0.90±0.48,5.06±1.68,6.63±3.40,11.10±0.51,3.35±1.36和1.68±0.73mg N·m~(-2)，分别比对照土壤减少N_2O排放量97.30%，84.80%，80.09%，66.67%，89.94%和94.95%。实验表明，芦竹热解生物炭可以有效抑制土壤N_2O排放，尤其是L200、L500和L600。 （3）生物炭添加到土壤中后可以提高土壤pH值，但不同热解温度生物炭提高土壤pH值的幅度与减少N_2O排放量并没有相关性。这说明提高土壤pH值并不是生物炭抑制土壤N_2O产生与排放的决定性因素。 （4）低温热解生物炭尤其是L200中含有大量的酚类物质（如对苯二酚等），这些酚类物质可能会释放到土壤中并影响微生物活性，从而抑制土壤N_2O的产生。