生物质炭对人工林土壤有机碳分解的激发效应的影响:原位实验毕业论文_生态学毕业论文

生物质炭对人工林土壤有机碳分解的激发效应的影响:原位实验毕业论文

2021-04-27更新

摘 要

生物质炭改良土壤、固碳减排的功能受到学术界的广泛关注。本研究以下蜀林场榉树人工林土壤为研究对象,用水稻作为原料在300和500 ºC下烧制两种生物质炭,通过182 d的野外原位实验,设计不添加生物质炭对照(CK)、添加300 ºC生物质炭(B300)和添加500 ºC生物质炭(B500)3个处理,研究生物质炭输入对榉树人工林土壤有机碳分解的激发效应。培养期间,CK、B300和B500处理的土壤CO2排放通量的变异系数分别为57.2%、72.8%和69.3%,前期(0-19 d)和后期(74-182 d)基本呈现B300 gt; CK gt; B500的趋势,培养中期(19-63 d)则为B500 gt; CK gt; B300。与CK处理相比,B300处理的土壤CO2累积排放量升高了29.7%(p lt; 0.05),B500处理则降低了4.84%(p gt; 0.05)。利用13C稳定同位素技术,区分了土壤和生物质炭2种来源的CO2排放,发现B300和B500处理被生物质炭所激发的土壤本身CO2排放通量的变化范围分别为-36.7-112.6 mg C m-2 h-1和-41.4-44.0 mg C m-2 h-1,平均值分别为8.44和-2.96 mg C m-2 h-1。整个培养期间,B300和B500处理被激发的累积CO2排放量分别为31.8和-19.4 g C m-2,激发效应的相对大小分别为22.3%和-13.6%。因此,不同制备温度生物质炭所诱导的榉树人工林土壤有机碳分解的激发效应不同。本研究将为生物质炭固碳潜力的估算提供基础数据,并为深入研究激发效应的机理提供基础。

关键词:生物质炭;土壤有机碳;激发效应;13C稳定同位素;榉树人工林

Biochar Induced Priming Effects on Soil Organic Carbon Decomposition from a Zelkova Serrata Plantation

ABSTRACT

It is widely accepted that biochar has the potential to improve soil properties and to reduce carbon emissions. The raw material (rice plant) was labeled by 13C stable isotope, then pyrolized at 300 and 500 ºC. In situ incubation was carried out for 182 d including three treatments: no amendment (CK), 300 ºC pyrolized biochar amendment (B300) and 500 ºC pyrolized biochar amendment (B500) in order to study the biochar induced priming effects on soil organic carbon decomposition from a Zelkova serrata plantation in Xiashu forest farm. During the experiment, the coefficient of variation (C.V.) of soil CO2 efflux were 57.2%, 72.8% and 69.3% in CK, B300 and B500 treatments, respectively. Soil CO2 efflux was highest in B300 treatment, followed by CK, and lowest in B500 treatment in earlier (0-19 d) and later stages (74-182 d) while the trend was B500 gt; CK gt; B300 in middle stage (19-63 d). Compared with CK treatment, the cumulative CO2 emissions from soil increased by 29.7% and decreased by 4.84% in B300 (p lt; 0.05) and B500 treatments (p gt; 0.05), respectively. Using 13C stable isotope technology, CO2 emissions from the native soil and biochar were distinguished. It was found that the CO2 emission fluxes primed by biochar ranged from -36.7 to 112.6 mg C m-2 h-1 and from -41.4 to 44.0 mg C m-2 h-1 with the average of 8.44 and -2.96 mg C m-2 h-1 in B300 and B500 treatments, respectively. During the whole incubation, the accumulative CO2 emissions primed by biochars were 31.8 and -19.4 g C m-2 while the relative size of the priming effects were 22.3% and -13.6% in B300 and B500 treatments, respectively. Therefore, the priming effects on organic carbon decomposition induced by biochars pyrolized at different temperatures were different in the Zelkova serrata plantation soil. This study will provide basic data for the estimation of carbon sequestration potential by biochar and provide a basis for further research on the mechanisms of the biochar induced priming effects.

Key words: Biochar; Soil organic carbon; Priming effect; 13C stable isotope; Zelkova serrata plantation

目 录

1 文献综述 1

1.1 生物质炭 1

1.2 生物质炭的性质 1

1.3 生物质炭对土壤有机碳分解的激发效应 2

1.4 生物质炭输入产生激发效应的机制 3

1.5 小结 3

2 研究背景、内容和技术路线 4

2.1 研究背景 4

2.2 研究内容 4

2.3 技术路线 6

3 研究区概况与研究方法 7

3.1 研究区概况 7

3.2 生物质炭的制备与性质 7

3.3 试验设计 10

3.4 样品采集与分析 11

3.5 数据分析 12

3.5.1 土壤CO2通量 12

3.5.2 土壤CO2累积排放量 12

3.5.3 激发效应的计算 12

3.5.4 数据处理 13

4 研究结果 14

4.1 土壤CO2排放 14

4.1.1 土壤CO2通量的时间动态 14

4.1.2 土壤累积CO2排放 17

4.2 土壤有机碳分解的激发效应 18

4.2.1 被生物质炭激发的土壤CO2通量的时间动态 18

4.2.2 被生物质炭激发的土壤累积CO2排放 20

4.3 讨论 21

4.3.1 不同制备温度生物质炭对土壤CO2排放的影响 21

4.3.2 不同制备温度生物质炭对土壤有机碳分解的激发效应 22

5 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

致 谢 24

参考文献 25

1 文献综述

1.1 生物质炭

生物质炭(biochar)是由生物质在无氧或缺氧条件下经高温裂解炭化生成的一类高度芳香化、难熔性、多孔固态物质(Antal和Gronli, 2003)。据报道,生物质炭不但能够改良土壤、提高土壤肥力,还能够固定土壤中的C、N,降低温室气体排放。因此,生物质炭在减缓全球变暖中发挥着重要作用(Ahmad et al., 2014; Nelissen et al., 2014; Tang et al., 2013; 孔丝纺等,2015)。

土壤有机碳是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子(Hamer et al., 2004)。生物质炭富含C元素并且有着较大的孔隙度,同时具有较为稳定的化学性质。生物质炭添加到土壤中,会在较长的时间范围内影响有机碳分解。以下将从生物质炭的性质入手,综述生物质炭对土壤有机碳分解产生激发效应的相关研究结果及机制,为生物质炭在农林生产实践中的应用提供参考,并且指出生物质炭研究中目前尚不明确的问题。

1.2 生物质炭的性质

生物质炭中的主要元素为C、H、O、N,其中C的含量最高,除此之外N、P、K、Ca、Mg的含量也较高。在生物质炭的热解过程中,作为制备原料的植物体内积累的碱基被浓缩,因而生物质炭一般呈碱性(Yip et al., 2010)。生物质炭具有十分发达的孔隙结构,按生物质炭孔径的大小可将其孔隙分为小孔隙(lt; 0.9 nm)、微孔隙(lt; 2 nm)和大孔隙(gt; 50 nm)(Downie et al., 2009)。大孔隙可以影响土壤的通气性和保水能力,此外也为微生物提供了生存和繁殖的场所;小孔隙可以影响生物质炭对分子的吸附和转移(袁金华和徐仁扣,2011)。低温条件下制备的生物质炭孔隙度较低,吸附能力相对较弱,原因在于低温加热过程中产生的挥发性有机物会残留在生物质炭表面,堵塞部分孔隙。

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