生物炭对石灰性农田土壤反硝化过程N2O排放的影响

作     者：陈诗轩 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王朝旭;白生云

授予年度：2021年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 120405[管理学-土地资源管理] 

主      题：生物炭 石灰性农田土壤 反硝化 N2O排放 溶解性有机碳 

摘      要：生物炭是生物质在缺氧条件下,高温热解得到的固态产物。生物炭具有土壤NO减排作用。因此,生物炭还田成为人类应对全球气候变化的一个重要途径。硝化和反硝化作用是土壤NO排放的两个主要过程。黄土高原半干旱区农田土壤,大部分时段处于相对干旱状态,然而在降雨、灌溉或春季土壤冻融条件下,其含水量较高,此时反硝化作用可能是土壤NO排放的主要来源。然而,在土壤含水量有利于反硝化作用发生的条件下,生物炭对黄土高原石灰性农田土壤NO排放的影响尚不清楚。另外,将生物炭添加至土壤后,其所含溶解性有机碳(DOC)在反硝化过程中的作用如何,也有待进一步研究。为探明生物炭对石灰性农田土壤反硝化过程NO排放的影响,选用400、600和800℃制备的玉米秸秆生物炭(BC400、BC600和BC800),分别以质量比0%、2%和5%与土壤充分混匀,进行为期15 d的室内静态厌氧土壤培养实验,测定培养过程中土壤NO排放速率的动态变化,并计算NO累积排放量。同时,测定了培养前后土壤的pH值、无机氮和DOC含量。结果表明,三种生物炭均显著促进了石灰性农田土壤的NO排放,其中BC400-5%处理的促进效果最显著。与对照处理相比,BC400-2%、BC600-2%和BC800-2%处理的NO累积排放量分别增加了123.08%、64.22%和24.28%,BC400-5%、BC600-5%和BC800-5%处理的NO累积排放量分别增加了566.98%、197.34%和161.51%。培养前后土壤pH值和NO-N含量变化均表明,玉米秸秆生物炭显著促进了石灰性农田土壤的反硝化作用,且随生物炭添加量增大促进作用增强。与BC800相比,BC400对土壤NO排放的促进作用更强,其原因为BC400的DOC含量较高,且其含有较丰富的酚羟基C-OH。在上述研究基础上,通过添加DOC含量差异较大的BC400及其碳骨架,进一步探究不同外源含碳物质对石灰性农田土壤反硝化过程NO排放的影响。同时,以葡萄糖为参照,识别生物炭中DOC结构对NO排放的影响。BC400及其碳骨架分别设置2%和5%(质量比)添加量;葡萄糖设置高、低两个添加量,使其分别与BC400-2%和BC400-5%处理中所添加生物炭的DOC含量相同。开展15 d的室内静态土壤培养实验,测定培养过程中土壤NO排放速率的动态变化,并计算NO累积排放量。同时,测定培养前后土壤的pH值、无机氮和DOC含量。结果表明,碳骨架与葡萄糖均促进石灰性农田土壤NO排放,且随外源材料添加量增加促进作用增强。与BC400相比,其碳骨架对石灰性农田土壤NO排放的促进作用较弱,主要由于碳骨架制备过程中流失了大量DOC。与添加葡萄糖处理相比,生物炭对土壤NO排放的促进作用更强,主要由于生物炭DOC中含有丰富的具有还原性的酚羟基C-OH。为探究生物炭中DOC在石灰性农田土壤NO排放中的作用,选用两种DOC含量显著低于玉米秸秆生物炭的稻壳生物炭BC1和BC2,分别以质量比0%、2%和5%与土壤充分混匀,进行为期15 d的室内静态土壤培养实验,测定培养过程中土壤NO排放速率的动态变化,并计算NO累积排放量。同时,测定了培养前后土壤的pH值、无机氮和DOC含量。结果表明:稻壳生物炭(BC1和BC2)的添加显著抑制了石灰性农田土壤反硝化过程NO排放,主要由于稻壳生物炭的添加使培养体系DOC含量降低。与BC1相比,BC2对石灰性农田土壤NO排放的抑制作用更强,主要由于其表面较低的酚羟基C-OH含量。通过本研究,以期探明生物炭影响黄土高原石灰性农田土壤反硝化过程NO排放的机理,为生物炭在该区域的农业工程应用提供理论依据。