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秸秆、木质素及生物炭对土壤有机碳氮和微生物多样性的影响

张杰  
【摘要】:我国工农业生产过程中每年都产生大量秸秆和木质素等废弃物,虽然其中有部分通过直接还田、接枝改性、用作饲料或燃料等方式加以利用,但仍然有大量有机物被肆意排放或就地焚烧。因此,秸秆、木质素等废弃物资源化利用是目前备受关注的问题。本研究利用秸秆生物炭及木质素生物炭,与秸秆和木质素直接还田进行对比,在北方的潮土及南方的红壤上通过室内模拟培养试验、温室盆栽试验和田间埋袋试验相结合,探讨不同来源的生物炭及原料对土壤碳、氮含量和矿化过程的影响及微生物群落结构响应。以期在理论上探讨秸秆、木质素及生物炭对不同类型土壤有机碳、氮的影响,在实践上对秸秆和木质素的高效资源化及土壤固碳具有实践意义。主要研究结果如下:1.随着裂解温度的升高,生物炭的p H、灰分、C(carbon)含量及C稳定性逐渐升高,而挥发物质、H(hydrogen)、O(oxygen)、N(nitrogen)、S(sulphur)含量降低,同时,H/C、O/C及(O+N)/C比值降低。通过扫描电镜图像及核磁共振图谱可以看出裂解温度升高使生物炭孔隙数量增加,芳香化程度增强。结果显示,生物质种类及裂解温度对生物炭性质的影响较裂解时间显著。2.随着埋袋时间延长秸秆分解率、碳释放率增加,而C/N降低,经过360天后秸秆在潮土和红壤上的分解率分别达到了81%和68%,其分解曲线符合对数方程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)(红壤)。秸秆生物炭的分解率、碳释放率及C/N在两种土壤上基本没有变化。与原始物料相比,埋袋360天后秸秆中芳香碳比例增加,烷氧基碳/烷基碳降低,说明秸秆分解程度较高。通过核磁共振NMR(Nuclear magnetic resonance)数据分析,发现生物炭一年时间内不会发生明显的分解,这是因为生物炭中的有机碳具有很强的生物学惰性。潮土上芳香碳比例较高,烷氧基碳/烷基碳降低更多,因此秸秆在潮土上较红壤上分解程度更高。有机物料的分解受物料自身特性的影响最大,其次为环境因素。3.等碳量施用秸秆、木质素及其生物炭4种有机物料,土壤CO2释放特征的影响存在显著差异。与对照相比,秸秆和木质素能够显著增加土壤CO2释放速率及累积释放量,促进了土壤有机碳矿化过程。其中潮土上秸秆处理土壤有机碳矿化强度、代谢商及微生物商分别为对照的11倍、5倍和3倍。两种生物炭处理对土壤CO2释放特征没有显著影响。秸秆、木质素及其生物炭短期内(30天)均能够显著增加土壤有机碳(SOC,soil organic carbon)含量,但培养一年后,秸秆和木质素对SOC含量没有显著作用,而秸秆炭和木质素炭均可以显著提高SOC含量。对于土壤活性有机碳[DOC(dissolved organic carbon)、ROC(readily oxidized organic carbon)和MBC(microbial biomass carbon)]而言,秸秆处理和木质素处理有明显增加,两种生物炭处理与对照相比却没有显著差异。与秸秆和木质素相比,生物炭能较大幅度的提高土壤有机碳含量,而不增加土壤CO2释放,具有较好的固碳减排效果。4.潮土和红壤上,木质素处理土壤N2O累积释放量均显著高于其他处理,分别为2998μg·kg-1、592μg·kg-1。相同处理条件下,潮土上土壤N2O累积释放量均高于红壤。木质素显著增加各形态土壤氮含量,而木质素炭仅增加土壤TN(total nitrogen)含量。30天时秸秆减少了土壤NO3--N含量,增加了土壤MBN(microbial biomass nitrogen)含量,经过360天培养,秸秆对各形态土壤氮素含量具有增加作用,秸秆炭对土壤氮素含量没有显著影响。5.通过Biolog-Eco板测定土壤AWCD(average well color development)发现,随着培养时间的延长,各处理土壤微生物对碳源的利用量增加,但是不同土壤类型和不同处理的土壤微生物群落反应速度和最终能达到程度不同。在48 h内两种土壤的AWCD均很小,在48 h以后AWCD急剧升高,同时处理间差异变大。秸秆处理土壤AWCD最高,其次为对照和生物炭处理,而木质素处理土壤AWCD在整个测定过程均显著低于其他处理。利用AWCD数据计算微生物多样性指数Shannon、Mclntosh和Simpson,发现木质素降低了土壤微生物功能多样性。木质素促进土壤微生物数量增加,从而使土壤CO2释放速率和有机碳矿化强度提高,但对土壤微生物性状和生化功能产生抑制作用。6.秸秆处理土壤微生物PLFAs(phospholipid fatty acid)种类为58种,显著多于其他处理,其PLFAs总量比对照提高了110%(P0.05)。木质素对土壤微生物PLFAs单体种类没有影响,PLFAs总量提高了32%(P0.05)。与对照相比,生物炭对土壤微生物PLFAs种类及总量均没有显著影响。秸秆促进土壤中细菌和真菌的增殖,木质素仅增加了细菌PLFAs含量。通过冗余分析发现,土壤活性有机碳对土壤微生物群落分异影响较大,另外,红壤微生物多样性变化同时与土壤p H相关。综上所述,秸秆含可溶性碳、蛋白质、糖类及纤维素等易分解物质,可作为微生物代谢的碳源、氮源,因此秸秆能显著增加土壤微生物数量及多样性,进而使土壤CO2、N2O释放速率、累积释放量等指标升高。木质素易溶于水,C、N含量高,施入土壤后也能够增加土壤CO2、N2O释放。与秸秆作用不同的是木质素提高了土壤微生物数量,但降低了土壤微生物多样性,促进了一部分微生物繁殖,对某些菌群产生了为抑制作用。秸秆、木质素在高温厌氧裂解过程中碳结构芳香化程度升高,生物炭具有较强的抵御热降解、化学降解和生物降解的能力,因此秸秆炭、木质素炭对土壤微生物群落结构没有显著影响。


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