生物炭对土壤氮素固持转化影响的模拟研究

摘要

土壤氮(N)素是作物生长和产量提高的最重要营养元素，然而，大量施用氮肥可引起地表水及地下水等严重的环境问题，影响着农田土壤肥力和土壤环境质量。生物炭具有促进土壤氮固持、减少硝态氮(NO3--N)淋失等作用，然而生物炭对土壤氮素的固持转化机制还不确定。因此，研究生物炭对土壤氮素固持转化作用机制，成为提高农田氮素利用率、减少氮素流失量的迫切需要。本研究采用小麦秸秆、玉米秸秆、花生壳三种原料在400℃、500℃、600℃、700℃热解温度下制备得到不同类型生物炭，研究了制备原料、热解温度对生物炭产率、元素含量、灰分含量、pH值、阳离子交换量(CEC)及比表面积等特征的影响。同时，利用吸附试验、土柱淋溶模拟试验以及室内培养试验，研究生物炭对无机氮素的吸附能力、对土壤NO3-N固持转化规律的影响以及对土壤微生物学特征的影响等，深入探讨生物炭对农田土壤氮素的固持转化作用机制。主要研究结果如下:
　　(1)制备原料、热解温度显著影响生物炭理化性质。随着热解温度从400℃升高至700℃，生物炭产率及元素氮、氢、氧含量均逐渐降低，而生物炭灰分含量、pH值及碳元素含量则表现为逐渐升高;同时，玉米秸秆生物炭电导率、阳离子交换量(CEC)远远高于小麦秸秆生物炭和花生壳生物炭，但是比表面积却低于后两者。
　　(2)各种类型生物炭均能够吸附水溶液中铵态氮(NH4+-N)，吸附特征符合Freundlich吸附等温线，生物炭吸附能力由大到小表现为玉米秸秆生物炭＞花生壳生物炭＞小麦秸秆生物炭，且三种原料制备的生物炭均表现为随着热解温度的升高，对NH4-N吸附量下降，在50 mg NH4+ L-1溶液中，玉米秸秆生物炭能够吸附2.3 mg NH4+-N g-1;但是，本论文制备的生物炭均不具备吸附水溶液中NO3--N的能力，甚至在高浓度条件下(＞300 mg NO3-L-1)向溶液中释放NO3-N。
　　(3)生物炭能够有效地增加土壤的持水能力、提高微生物量含量，促进土壤氮固持能力。淋溶实验过程中，与对照相比，添加2％、4％、8％比例的生物炭处理的土柱累积淋溶液体积分别减少了7.0％、12.0％、19.2％，NO3--N累积淋失的纯N量分别为49.1、44.1、38.4 mg，NO3--N累积淋失量分别减少了14.9％、23.5％、33.3％，增加微生物量碳、氮含量分别为7.1％-21.0％、18.7％-51.8％。
　　(4)生物炭对不同类型土壤生化性质及微生物学特征影响差异显著。对于土壤pH值，生物炭能够显著提高红壤pH值，添加4％比例的生物炭提高土壤pH值达17.2％，而对黑土影响不明显，增加比例仅为2.7％;对于土壤有机质含量，添加1％、2％、4％比例的生物炭能够显著提高红壤、黑土有机质含量，分别为4.0％-85.4％、17.8％-58.4％;对于土壤可溶性碳含量，生物炭降低红壤可溶性碳含量为34.0-154.5 mgkg-1，提高黑土中可溶性碳含量分别为5.7％-25.3％;对于土壤可溶性氮，添加1％、2％、4％比例的生物炭能够降低红壤、黑土中可溶性氮含量分别为7.8％-16.4％、21.1％-31.5％;对于土壤全氮，生物炭能够不同程度的提高红壤、黑土中的全氮含量;不同土壤类型对生物炭固持无机氮的反应差别迥异，添加生物炭对红壤中NH4--N和NO3--N影响不显著，对黑土中NH4+-N影响不显著，但可降低NO3--N含量;对微生物碳氮含量而言，生物炭能够降低红壤中微生物量碳、氮含量，提高黑土中微生物量碳含量，对培养末期微生物量氮含量影响不显著;生物炭能够抑制红壤中的呼吸速率，促进黑土的呼吸速率;添加生物炭抑制红壤中PLFA总量，提高黑土中PLFA总量。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 生物炭概述

1．2．1 概念及特点

1．2．2 生物炭作用

1．2．3 影响因素

1．3 生物炭对土壤氮素固持转化影响的研究进展

1．3．1 生物炭对土壤无机氮固持转化的影响

1．3．2 生物炭对土壤氮相关生物学过程的影响

1．3．3 生物炭对土壤微生物量及群落结构的影响

1．3．4 生物炭对氮肥利用率的影响

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 生物炭的制备、性质表征及对NH4+-N和NO3ˉ-N吸附能力特征研究

2．1 材料与方法

2．1．1 不同类型生物炭的制备

2．1．2 生物炭理化性质的表征

2．1．3 NH4+和NO3ˉ的生物炭吸附实验

2．1．4 数据分析

2．2 结果与分析

2．2．1 不同类型生物炭产率及元素组成

2．2．2 不同类型生物炭理化性质

2．2．3 不同类型生物炭对NH4+-N的吸附特征

2．2．4 不同类型生物炭对NO3ˉ-N的吸附特征

2．3 讨论

2．4 小结

第三章 生物炭对土壤硝态氮淋失的影响研究

3．1 材料与方法

3．1．1 供试生物炭理化特性

3．1．2 土壤采集及理化性质

3．1．3 土柱模拟淋溶实验

3．1．4 土壤样品的测定项目及方法

3．1．5 数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 生物炭的理化性质

3．2．2 生物炭对土壤持水能力的影响

3．2．3 生物炭对淋溶液pH和EC值的影响

3．2．4 生物炭对土壤硝态氮固持的影响

3．2．5 生物炭对土壤氮素固持的影响

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 生物炭对土壤生化性质及生物活性的影响研究

4．1 材料与方法

4．1．1 供试生物炭理化特性

4．1．2 土壤采集及理化性质

4．1．3 培养试验

4．1．4 土壤样品测定项目及方法

4．1．5 数据分析

4．2 结果与分析

4．2．1 生物炭对不同类型土壤化学性质的影响

4．2．2 生物炭对土壤无机氮含量的影响

4．2．3 生物炭对土壤生物学过程的影响

4．2．4 生物炭对土壤微生物量碳／氮含量的影响

4．2．5 生物炭对土壤PLFA含量的影响

4．3 讨论

4．4 小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 研究展望

5．3 创新点

附录

参考文献

致谢

作者简历