生物质炭制备及对白浆土改良效果和温室气体排放影响

【摘要】：“万物土中长,有土斯有粮。”耕地质量直接关系到国家粮食安全。白浆土作为我国典型的低产型土壤之一,具有酸、粘、厚、重等特点。白浆土在我国东北地区分布广泛,仅在黑龙江省总面积就达到331.37万hm2,其中耕地面积116.36万hm2,分别占全省总面积和总耕地面积的7.47%和10.07%。生物炭作为改良土壤特别是改良酸性土壤的重要措施,本研究为探讨不同温度条件下对不同秸秆原料制备的生物质炭特性的影响,以筛选出优质的生物炭原料和制备工艺条件,应用筛选出的生物质炭和以生物质炭为基质的炭基土壤改良剂在白浆土土壤进行了土壤改良效果和温室气体减排方面的研究。本文采用实验室和田间试验两种方法,重点研究不同温度条件(300℃、400℃、500℃、600℃和700℃)对不同生物质原料(水稻、玉米、大豆秸秆)制备的生物质炭理化性状的影响,确定最佳生物质炭原料,作为田间试验生物质炭施用基础;其中田间试验在黑龙江省佳木斯市曙光农场科技示范园区进行,通过向白浆土白浆层中施入不同梯度用量的生物质炭10、20、30 t·hm~(-2)(分别用B1、B2、B3表示)和炭基土壤改良剂10、20、30 t·hm~(-2)(分别用G1、G2、G3表示),研究生物质炭及炭基土壤改良剂对白浆层土壤孔隙结构、持水能力等理化性质指标的影响,分析生物质炭对土壤固碳减排以及作物产量的影响规律,提出对于黑龙江省白浆土改良方面的适宜生物质炭用量,以期为生物质炭用于土壤改良提供理论参考依据,主要研究结果如下:1.热解温度对秸秆制备生物质炭理化性状的影响(1)水稻秸秆、玉米秸秆和大豆秸秆3种生物质原料制备的生物炭在产率、平均孔直径总体呈现出随热解温度的增高而降低,其中生物炭产率在300-400℃条件下最高,3种秸秆原料生物炭产率表现为大豆秸秆玉米秸秆水稻秸秆;平均孔直径降低幅度表现为玉米秸秆大豆秸秆水稻秸秆;(2)三种原料制备的生物质炭的比表面积均随热解温度升高而增加,在300-700℃条件范围内,玉米秸秆、水稻秸秆和大豆秸秆比表面积增幅分别为1889.6%、764.4%和1334.4%,3种秸秆生物炭比表面积表现为玉米大豆水稻;(3)水稻秸秆和玉米秸秆生物质炭的微孔容积随着热裂解温度的升高而增加,而大豆秸秆生物质炭的微孔容积随着热裂解温度的升高呈现先增加后降低的趋势。相比较而言,水稻秸秆生物质炭的微孔容积最小,玉米秸秆和大豆秸秆的T-plot微孔容积在700℃和500℃达到最大,分别为0.057cm3·g~(-1)和0.088 cm3·g~(-1),在相同热裂解温度条件下,大豆秸秆的微孔容积最大;(4)3种秸秆原料制得的生物质炭p H和CEC与热裂解温度呈现了良好的正相关性,均随着热解温度的升高提高了pH值和阳离子交换量,其中pH、CEC属玉米秸秆的变量最大,分别达到9.2和23.8 cmol·kg~(-1),总体表现为玉米秸秆炭水稻秸秆炭大豆秸秆炭。2.生物质炭及炭基土壤改良剂对于白浆土理化性质的影响(1)随着生物质炭和炭基土壤改良剂的施入,可以有效降低白浆层土壤容重和比重,且随着施入量的增加效果显著提升。生物质炭和炭基土壤改良剂施入可以有效降低土壤的容重和比重,当生物质炭施入量为20 t·hm~(-2)和30 t·hm~(-2)时,白浆土的容重分别为1.24 g·cm~(-3)和1.21g·cm~(-3),分别比对照CK处理降低9.68%和12.40%,且达到差异显著水平(p0.05)。随着生物质炭用量的增加,白浆层的比重呈降低的趋势,降低幅度0.78%-4.02%;炭基土壤改良剂施入量为10、20、30 t·hm~(-2)时,白浆层的容重分别比CK(1.36 g·cm~(-3))降低了1.49%-8.80%;比重分别降低了0.39-2.37%;两年数据可以看出,生物质炭和生物质炭基土壤改良剂具有显著降低白浆层容重和比重的作用,并且具有持续性,但是第二年效果较首年施入略所下降。(2)当玉米秸秆生物质炭的施入量为10、20和30 t·hm~(-2)时,首年白浆层土壤的持水保水能力分别较CK(22.43%)提升了0.41%、2.88%和4.60%。炭基土壤改良剂处理G1、G2和G3分别较CK提升了7.13%、8.27%和9.81%。第二年生物质炭及炭基土壤改良剂对白浆层田间持水量的作用影响较第一年略有降低,但总体趋势基本保持一致。生物质炭和炭基土壤改良剂的施入有效改善和调节了白浆层的土壤三相比例,降低白浆层厚、重的特点,提升其持水和透气性。在生物质炭基土壤改良剂20 t·hm~(-2)和生物质炭10 t·hm~(-2)处理时对于白浆层的土壤三相比率作用效果较为协调,此时的土壤固相:液相:气相分别为50.20%:23.95%:25.86%和50.58%:24.21%:25.21%,此时的土壤三相比最为接近最适宜三项比率,可作为改善土壤三相比的改良剂施入量参考。(3)生物质炭和炭基土壤改良剂的施入显著提高了白浆层土壤pH、有机质、CEC、无机氮素(NH4+-N和NO3--N)以及微生物量碳、氮的含量。在0~(-1)0 cm、10-20 cm和20-30 cm的土层,两年间施生物质炭处理的土壤有机质与对照CK处理相比分别增加0.31%-8.73%和0.31-8.07%;炭基土壤改良剂处理的土壤有机质与对照CK处理相比分别增加1.35%~(-1)0.77%和0.26-4.86%;在生物质炭基土壤改良剂30t·hm~(-2)施入量时,与对照CK处理达到差异效果显著(p0.05),其它处理间无显著性差异。土壤阳离子交换量(CEC)与CK(19.01 cmol·kg~(-1))处理相比,分别提高了59.55%、81.12%、104.58%和20.57%、55.39%、84.32%,在B2和G3处理条件下,达显著水平(p0.05),第二年土壤阳离子交换量(CEC)较第一年效果略有提高,源于随着时间的变化,生物质炭的表面的某些含氧官能团发生氧化,导致其表面的官能团的数量显著增多而致。(4)生物质炭和炭基土壤改良剂的施入能在一定程度上延缓NH4+-N向NO3--N的转化。20-30cm处土层各处理NH4+-N含量区分度明显,仍以最大施入量的生物质炭B3处理和改良剂G3处理的条件下含量高。生物质炭和炭基土壤改良剂处理对氮素转化为NO3--N有明显的控制作用,在10-20cm处硝态氮含量高,总体表现为生物质炭处理炭基土壤改良剂处理,其中,第一年土壤微生物量碳为267.58-682.86mg·kg~(-1),土壤微生物量氮为40.50~(-1)21.07mg·kg~(-1),第二年土壤微生物量碳为270.27-628.35 mg·kg~(-1),土壤微生物量氮为40.11-99.19mg·kg~(-1),不同处理对土壤微生物量碳、氮变幅较大,总体为炭基土壤改良剂处理效果高于生物质炭处理。3.生物质炭及炭基土壤改良剂对土壤温室气体排放特性的影响施用生物质炭和炭基土壤改良剂对土壤温室气体排放、增温潜势(GWP)和减排的效应强度(GHGI)的影响:(1)与对照CK处理相比,在生物质炭B1、B2、B3处理条件下土壤N2O的排放总量在2014年和2015年分别降低了9.34%~70.66%和24.26%~87.04%;在生物质炭基土壤改良剂的处理条件下,N2O-N的排放量连续两年显著降低,2014和2015年分别降低了8.33%~39.46%和18.97%~56.82%;(2)在生物质炭处理条件下CO2-C排放量连续两年均有不同程度的上升,2014和2015年分别提高了22.92%~59.94%和13.85%~53.60%;生物质炭基土壤改良剂的处理条件下,分别提高了13.54%~40.22%和7.53%~25.10%;(3)与对照CK处理相比,生物质炭处理下GWP(100)连续两年显著降低,分别降低了19.52%~46.53%和8.54%~41.42%;生物质炭基土壤改良剂处理下GWP(100)连续两年显著降低,分别降低了15.94%~36.23%和7.68%~40.16%;(4)与对照CK处理相比,生物质炭B1、B2、B3处理下GHGI连续两年显著降低,2014和2015年分别降低了19.79%~48.28%和9.44%~42.88%;生物质炭基土壤改良剂处理下GHGI连续两年显著降低,分别降低了17.88%~38.31%和9.04%、~41.94%;综合连续两年试验结果,生物质炭对于土壤CO2的排放具有增加趋势,而对于降低土壤N2O排放、GWP、GHGI具有持续效应,且高用量下生物质炭(30 t·hm~(-2))的持续效应连续两年间具有稳定性。4.生物质炭及炭基土壤改良剂对土壤微生物数量的影响生物质炭和炭基土壤改良剂的施入显著增加了白浆层土壤微生物数量和总量。当生物质炭的施入量为10、20和30 t·hm~(-2)时,白浆层细菌数量第一年分别为对照CK(0.62×106CFU·g~(-1))处理的1.76、3.84和5.35倍;在炭基土壤改良剂10、20、30 t·hm~(-2)处理条件下,分别为CK处理的2.11、3.42和4.74倍;其中在B2、B3和G3处理条件下与CK处理之间达到差异效果极显著水平(p0.01)。第二年白浆层土壤中细菌较第一年略有降低,但总体保持了提高土壤细菌数量的效果;氨化细菌和放线菌在B3(30 t·hm~(-2)施入量)处理条件下总量达到最大值,两年间数据结果分别为CK处理的27.44倍、19.57倍和6.05倍、6.19倍,且均在最大施入量30 t·hm~(-2)时达到最大值;白浆层土壤自生固氮菌在G3处理条件下(30 t·hm~(-2))达到最大值,两年间数据结果分别为对照CK处理的8.06倍和9.19倍;其中真菌数量两年间分别在B2、B3处理条件下,即20 t·hm~(-2)和30 t·hm~(-2)施入量时达到最大值。微生物总量和多样性总体来看,高施入量低施入量效果,除自生固氮菌外,生物质炭对于微生物数量的作用效果要高于生物质炭基土壤改良剂。5.生物质炭及炭基土壤改良剂对玉米生长发育及产量的作用影响与对照处理相比生物质炭B1、B2和B3处理条件下的玉米籽粒产量两年分别提高了0.21%~2.58%和0.28%~3.37%;生物质炭基土壤改良剂处理条件下的玉米籽粒产量第一年与CK处理相比分别提高了1.53%~3.08%和2.32%~3.37%,在生物质炭30t·hm~(-2)和炭基土壤改良剂20t·hm~(-2)高用量处理条件下差异效果较明显。综合两年间产量结果可知,施用生物质炭及炭基土壤改良剂对稳定和提高玉米产量具有持续效应。施用炭基土壤改良剂处理下的产量连续两年高于对照,其对作物增产和提高氮肥利用效率的效果优于生物质炭。建议生物质炭30 t·hm~(-2)或炭基土壤改良剂20t·hm~(-2)可作为大田机械作业的参考施入量标准。