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

2021-04-27更新

摘 要

土壤有机碳(SOC)库是陆地生态系统的最大碳库,增加土壤碳积累对于提高土壤肥力、减缓全球气候变暖有着重要的意义,同时也是人工林固碳的重要途径。本研究以东台林场4年生杨树人工林土壤为研究对象,进行60 d的室内培养实验,设计不添加生物质炭的对照(CK)、添加300 ºC制备的生物质炭(B300)和添加500 ºC制备的生物质炭(B500)3个处理,研究不同制备温度的生物质炭对杨树人工林土壤有机碳分解的激发效应。培养期间,土壤CO2排放通量在前30 d内呈现逐渐降低趋势,30 d后有所回升。与CK处理相比,B300处理的土壤CO2累积排放量升高了40.4%(p lt; 0.05),B500处理则降低了9.52%(p gt; 0.05)。利用13C稳定性同位素技术,区分了土壤和生物质炭2种来源的CO2排放,B300和B500处理中被生物质炭所激发的CO2排放通量分别为-0.10 ~ 0.19和0.00 ~ -0.07 mg C kg-1 h-1,平均值分别为0.03和-0.02 mg C kg-1 h-1。整个培养期间,B300和B500处理中被生物质炭激发的土壤CO2累积排放量分别为18.6和-24.8 mg C kg-1,激发效应的相对大小分别为12.4和-16.6%,即分别产生了正激发和负激发效应。因此,不同制备温度生物质炭对杨树人工林土壤有机碳分解所产生的激发效应不同。本研究的结果为深入研究生物质炭的固碳功能提供了基础。

关键词:生物质炭;土壤有机碳;激发效应;13C稳定同位素;杨树人工林

Priming Effects on Soil Organic Carbon Decomposition from a Poplar Plantation Induced by Biochars Pyrolyzed at Different Temperatures

ABSTRACT

Soil organic carbon pool has the most amount of carbon in terrestrial ecosystem. The soil carbon sequestration has considerable meaning toward promoting soil fertility and mitigating global climate warming. In order to study the priming effects induced by biochars pyrolyzed at different temperatures on soil organic carbon decomposition, a laboratory incubation of 60 days was carried out in a four-year old poplar plantation soil from Dongtai forest farm. The incubation included three treatments: without biochar amendment (CK), amended with biochar pyrolyzed at 300 ºC (B300), amended with biochar pyrolyzed at 500 ºC (B500). During the incubation period, the CO2 flux of the soil showed a gradually decreasing trend within the prior 30 days, and recovered after 30 days. Compared with the CK treatment, the soil cumulative CO2 emission increased by 40.4% in B300 treatment (p lt; 0.05), while that decreased by 9.52% in B500 treatment (p gt; 0.05). Using 13C stable isotope technology, CO2 emissions from the native soil and biochar were distinguished. CO2 fluxes primed by biochar ranged from -0.10 to 0.19 and 0.00 to -0.07 mg C kg-1 h-1 with the average of 0.03 and -0.02 mg C kg-1 h-1 in B300 and B500 treatments, respectively. During the whole incubation, the cumulative CO2 emission from native soils primed by biochars were 18.6 and -24.8 mg C kg-1, with the relative sizes of 12.4 and -16.6% in B300 and B500 treatments, respectively, that is positive and negative priming effects. In conclusion, priming effects on soil organic carbon decomposition induced by biochars prepared at different temperatures were different. The results of this research could provide basis for further study of carbon sequestration by biochar.

Key words: Biochar; Soil organic carbon; Priming effect; 13C Stable isotope; Poplar Plantation

目 录

1 文献综述 1

1.1 生物质炭及其性质 1

1.1.1 生物质炭 1

1.1.2 生物质炭的性质 1

1.2 激发效应 1

1.3 生物质炭对土壤有机碳分解的激发效应 2

1.4 生物质炭影响土壤有机碳分解的激发效应的原因 2

1.5 研究不足与展望 3

2 研究背景、内容和技术路线 4

2.1 研究背景、目的及意义 4

2.2 研究内容 4

2.3 技术路线 5

2.4 特色与创新 5

3 材料与方法 6

3.1 研究区概况 6

3.2 实验材料 6

3.2.1 水稻的13C标记和生物质炭的制备 6

3.2.2 土壤样品的采集 6

3.3 室内培养 6

3.4 样品测定 7

3.5 数据分析 7

3.5.1 土壤CO2排放的计算 7

3.5.2 激发效应的计算 8

3.5.3 统计分析 8

4 研究结果 9

4.1 生物质炭对土壤CO2排放的影响 9

4.1.1 土壤CO2排放通量 9

4.1.2 土壤CO2累积排放量 10

4.2 生物质炭对土壤CO2排放的激发效应 11

4.2.1 被激发的土壤CO2排放通量 11

4.2.2 被激发的土壤CO2累积排放量 12

4.3 讨论 13

4.3.1 生物质炭对土壤CO2排放的影响 13

4.3.2 生物质炭对土壤有机碳分解的激发效应 14

5 结论与展望 15

5.1 结论 15

5.2 研究不足与展望 15

致 谢 16

参考文献 17

1 文献综述

1.1 生物质炭及其性质

1.1.1 生物质炭

生物质炭主要是由植物残体在无氧或低氧环境下经过高温热解而产生的固体材料。生物质炭与黑炭类似,但黑炭的范畴更大一些,有的时候一些研究会直接将其视为黑炭。研究生物质炭可以提高土壤肥力,对森林固碳减排,减缓全球气候变暖具有十分重要的意义。

1.1.2 生物质炭的性质

生物质炭是一种含碳聚合物,主要由单环和多环的芳香族化合物组成。这种结构特点就决定了生物质炭有较高的生物化学稳定性,较强的抵抗微生物分解的能力,增强了土壤的固碳作用,减少碳向大气的再释放。袁金华和徐仁扣[1](2011)研究了生物质炭的性质,他发现在土壤里添加生物质炭可以提高其对营养元素的吸持能力和阳离子交换量(CEC)、降低土壤酸度、提高土壤养分利用率、促进微生物种群的发展、增强土壤微生物的活性以及增加土壤有机碳的含量,从而可以促进植物的生长。在原料相同的情况下,热裂解温度会在较大程度上影响生物质炭的理化性质,且通过高纤维素物料制备的生物质炭的性质会因制备温度变化而产生显著差异[2]。赵世翔等[3](2017)发现低温条件下制备的生物质炭残留的有机质较多,正因如此,进入土壤后这部分有机碳参与到土壤的腐殖化过程,进而降低土壤的腐殖化程度。而高温(gt; 400 ºC)制备的生物质炭具有较大的比表面积,这使得土壤腐殖物质碳的结构复杂化,也对有机质保存具有重要的意义。

1.2 激发效应

激发效应是指外源有机碳加入土壤后,原有SOC的分解速率在短期内发生变化的一种现象[4]。田耀武等[5](2016)发现添加“新碳”(莎草)后,土壤“旧碳”(原有)分解速率加快,诱导了激发效应的发生。添加外源有机物质后促进土壤原有SOC分解速率的现象称为正激发效应,反之则为负激发效应。胡乐宁等[6](2011)先后对比了两种喀斯特典型土壤在添加14C标记的有机质后土壤原有有机质的激发效应的大小,发现土壤原有有机质的激发效应大小依次为:红壤gt;棕色石灰土gt;黑色石灰土。有研究发现温度升高能对红松阔叶混交林土壤有机碳矿化作用产生明显的激发效应,而且激发效应的大小受添加的外源有机物的种类、数量及所处的温度和时间等因素的影响[7]。Zimmerman等[8](2011)进一步发现随着生物质炭的燃烧温度不断升高(250-650 ºC),生物质炭对土壤原有SOC分解的激发效应会降低,且从正激发变为负激发效应。

1.3 生物质炭对土壤有机碳分解的激发效应

生物质炭对土壤本身SOC分解的影响,可能促进也可能抑制,且激发效应的大小和方向取决于土壤类型、土壤中原有SOM的数量和质量、气候或培养条件以及黑炭的数量和特征[9-10]。相关研究表明,黑炭(生物质和化石燃料不完全燃烧形成的富含碳的固体有机材料)中的活性碳能够引起短期的正激发效应,尤其在黑炭含量较低的情况下,然而随着黑炭中活性碳逐渐被微生物消耗完,会由正激发转变为负激发效应[11]。虞竹韵[2](2017)也做了类似实验,研究表明在慢速热裂解条件下除300 ºC制备的花生壳生物质炭外(-0.14 g C kg-1),其余在不同物料和温度制备的11种生物质炭均引起红壤的正激发效应;在快速热裂解条件下,450 ºC制备的玉米秸秆生物质炭导致有机质含量低的酸性土壤产生剧烈负激发效应(-74.8 μg C kg-1),并且土壤酸性越强、有机质含量越低、细菌和真菌群落组成越简单,生物质炭引起的负激发效应就会越强烈。

1.4 生物质炭影响土壤有机碳分解的激发效应的原因

生物质炭通过改变土壤团聚体结构、养分固持和微生物活性从而引起原有土壤有机碳周转改变。正激发效应主要是指由于生物质炭促进土壤微生物活性增强、生物质炭中易分解的组分优先矿化,并且会同时引发土壤微生物的共代谢作用[12-13]。袁淑芬等[14](2015)初步验证了添加外源物质后,微生物分泌的胞外酶活性会提高,进而会促进原有SOC的分解,产生正激发效应。在土壤中添加外源有机碳(生物质炭)也有可能会产生负激发效应,这主要是由于生物质炭内部孔隙结构和外表面对土壤有机质的包封作用和吸附保护作用[12]。在土壤中添加生物质炭引起的负激发效应还可能表现为生物质炭诱发原有有机碳更加稳定或生物质炭中易挥发有机物抑制原有土壤微生物活性而降低土壤碳排放量[13]

1.5 前人研究不足

目前已有一些关于生物质炭对土壤原有有机碳的激发效应的探讨,相关研究还有待进一步深入开展:

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