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生物炭陈化对土壤养分和水稻生长的影响

苗微  
【摘要】:生物炭理化性质优异,在增加土壤肥力、提高作物产量方面具有积极作用,是促进农业低碳、循环、可持续发展的重要技术途径之一。但是,生物炭的性质虽然稳定,却也并非一成不变,施入土壤后,其理化性质会随着时间推移而发生缓慢变化,即发生陈化,进而有可能对土壤质量、作物产量等产生影响。为明确生物炭的陈化过程、分析陈化机制、辨析陈化效应可能导致的对作物生长的影响,本研究以稻壳为原料制备了生物炭,并应用于包含纯炭、炭土混合和纯土3个不同处理的对比实验,通过冻融循环和干湿交替循环两种加速陈化方式,模拟研究了生物炭理化性质的变化规律,深入探讨了生物炭陈化对土壤养分影响,并通过高选择压力的水稻苗期耐冷性试验检验了生物炭陈化可能对植物生长产生的影响,以期为生物炭在农业上合理应用提供理论依据和参考。主要研究结果如下: 1.生物炭较好地保留了原生物质——稻壳的外观形态和内部细胞分室结构,与原材料相比,碳元素和氮元素含量、灰分含量、固定碳含量、比表面积、总孔体积和孔径均显著提高,挥发分含量显著降低。表面结构分析得出,生物炭的比表面积较其原材料提高100倍左右,总孔体积较原材料提高10倍左右,说明生物炭比表面积大,孔隙结构丰富。 2.陈化处理对生物炭的理化性质有明显影响,其表面结构、pH值、元素组成、吸附能力等均发生了不同程度的变化。在冻融循环模拟研究中,生物炭的pH值呈现先下降后上升的趋势,在25个周期后又回复到初始水平,说明生物炭的pH值并不容易改变,且与生物炭的碳酸盐含量和官能团的变化有关。冻融循环对生物炭表面性质有较大影响,生物炭的表面氧化在初期发生迅速且显著,到后期趋于稳定,氧化程度高于生物炭的整体氧化,在第11个周期时表明氧化高于整体氧化2倍左右。说明生物炭的表面氧化有助于保护生物炭颗粒内部免于进一步氧化。冻融循环到25个周期时,生物炭对对苯二酚的吸附量由初始的5.928mg·g-1增加到11.73mg·g-1,说明冻融循环处理增加了生物炭的吸附能力。在干湿交替循环模拟研究中,生物炭的pH值逐步降低,元素含量变化程度小于冻融循环,吸附性能也没有显著的规律性变化。总体看来,不同处理方式显著影响了生物炭的陈化过程,干湿交替处理对生物炭理化性质的影响要小于冻融循环处理。 3.生物炭的添加减少了土壤中氮素的淋溶损失,进而在一定程度上影响了土壤碳氮比。在冻融循环条件下,碳氮比的变化幅度为生物炭处理混炭处理纯土处理。本研究认为生物炭的加入对微生物活动起到了一定的影响作用进而影响了碳氮比。在冻融循环和淋溶过程纯炭处理钾元素大幅度的下降,本研究认为是由于生物炭的钾元素含量较高(生物炭的钾含量是土壤的10-30倍)导致。 4.陈化生物炭对水稻苗期生长产生一定影响,显著降低了水稻苗期的叶绿素和类胡萝卜素含量。在低温处理下,不同陈化周期的生物炭对水稻苗期耐冷性的生理性质影响存在差异。在低温下在第5个周期总叶绿素和类胡萝下素含量显著高于其他陈化周期,第15个周期时叶片外渗电导率显著低于其他陈化周期,可溶性糖的含量显著高于其他陈化周期。在低温处理下,第11和20周期GAs的生物合成蛋白基因GA20ox2和GA3ox2的表达量显著低于其他周期


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