生物质炭对模拟淹水土壤CO2排放和CH4释放潜力的影响

摘要

目前，气候变暖和温室气体减排已成为全球关注的焦点。近年来，由于生物质炭在改善土壤性质，提高土壤碳汇和控制农业温室气体排放方面的巨大应用潜力，特别是对土壤碳的增汇减排作用，已成为土壤学和环境科学的研究热点。
　　本课题采用土柱试验，模拟稻田淹水环境，以生物质炭为供试材料，通过添加质量分数(w/w)2％(C2)、5％(C5)和8％(C8)的生物质炭到稻田土壤中，另设不加炭为对照(C0)，以此了解生物质炭的输入及其不同施炭量对淹水土壤CO2排放和CH4释放潜力的影响，并结合土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构的变化，综合分析其影响机制。其中，各项研究结果表明:
　　(1)生物质炭的输入促使土壤的pH显著提高，且pH随施炭量的增加呈递增趋势。与对照相比，C2、C5、C8的pH值分别约提高了0.2、0.3和0.5个单位。此外，生物质炭可以有效地改善土壤的通透性，降低土壤的厌氧还原程度，而本研究结果显示，土壤的氧化还原电位(Eh)于不同施炭量处理之间无明显差异。
　　(2)生物质炭的输入显著提高了土壤的有机碳含量，平均每增加1％(w/w)的生物质炭，土壤有机碳总量约增加7mg·g-1。同时生物质炭的施入还对土壤的有机碳矿化速率和水溶性有机碳(WSOC)含量有明显的抑制作用。
　　(3)施加生物质炭明显地提高了土壤的微生物量碳(MBC)。与对照相比，C2、C5和C8处理土壤的MBC分别增加了约75％、84％和50％。这得益于生物质炭对土壤性质和微生物生存环境的改善。但并未发现土壤MBC随施炭量的变化而呈规律性的变化。
　　(4)施用生物质炭对土壤脱氢酶（DHA）和辅酶F420活性有显著的抑制作用。且表现出的酶活性大小顺序极为一致:C0＞C5＞C2＞C8。可以看出，生物质炭对土壤中这两种酶活性的抑制作用明显，且高施炭量(C8)处理下可能抑制作用更强。
　　(5)与对照相比，C2、C5和C8处理的土壤CO2累计释放量分别降低了5.1％、2.4％和26.5％。显然，生物质炭对土壤CO2释放有显著地抑制作用，由于高施炭量(C8)更有利于提升土壤有机碳的氧化稳定性，因此提高施炭量或许对抑制淹水土壤的CO2释放效果更好。
　　(6)土壤的生化产甲烷潜力(BMP)试验结果表明，土壤的产甲烷潜力随淹水培养时间的延长而降低。生物质炭的输入在短期内促进了土壤有机质的厌氧分解和CH4的产生。而长期的试验研究发现，各施炭量处理的BMP高低顺序为:C5＞C0＞C2＞C8。显然，C2、C8处理的BMP明显低于对照，而且高施炭量处理(C8)对土壤产CH4潜力的抑制作用尤为显著。
　　(7)通过PCR-DGGE技术对土壤总细菌和产甲烷菌的群落结构分析得出:生物质炭的输入对土壤总细菌的生态群落结构影响不明显，而对土壤中某一特定产甲烷菌的生长有较显著的影响。样品处理中第28、31号条带所代表的古菌类或许是造成C5产CH4潜力高于其他处理的原因。而C5、C8处理中第25号条带所代表的此古菌类泉古菌门的丰度或活性较低，或许是导致高施炭量对抑制CH4释放潜力效果更好的原因所在。
　　综上所述，生物质炭的输入对土壤的pH、MBC、WSOC、有机碳矿化、土壤酶活性及微生物群落结构等理化性质及生化特征变化有显著的影响。总体而言，高施炭量对控制土壤CO2和CH4释放更具重要意义。施用生物质炭一方面通过提高土壤有机碳的氧化稳定性，降低土壤的有机碳矿化速率，从而减少土壤CO2和CH4的释放;另一方面，生物质炭对土壤微生物活性和酶活性起到了良好的抑制作用，以致降低土壤有机质的厌氧分解进而减少土壤CO2和CH4的释放。然而，针对目前生物质炭对农田温室气体排放的综合效应、量化研究及其微观机理仍鲜有报道，这也将是未来该领域亟需解决的一项重要课题。

目录

摘要

1 绪论

1．1 气候变暖和全球碳排放

1．2 农业温室气体排放

1．3 生物质炭的特性及其土壤环境功能

1．3．1 生物质炭的范畴和特性

1．3．2 生物质炭的土壤环境效益

1．4 生物质炭在农田温室气体排放中的研究应用及必要性

1．5 农田温室气体排放的生物质炭作用机制及其影响因素

1．5．1 作用机制

1．5．2 影响因素

1．6 研究内容、意义和技术路线

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究意义

1．6．3 技术路线

2 试验材料与方法

2．1 仪器与材料

2．2 供试材料

2．2．1 供试土壤的基本性质

2．2．2 供试生物质炭的基本性质

2．3 试验设计

2．4 样品的采集与监测

2．5 分析测定方法

2．5．1 土壤氧化还原电位

2．5．2 土壤有机碳

2．5．3 土壤水溶性有机碳

2．5．4 土壤微生物量碳

2．5． 5 土壤脱氢酶

2．5．6 土壤辅酶F420

2．5．7 土壤BMP试验

2．5．8 CO2排放通量

2．5．9 CH4分析

2．6 数据处理与分析

3 生物质炭对土壤理化性质的影响

3．1 生物质炭对土壤pH的影响

3．2 生物质炭对土壤Eh的影响

3．3 生物质炭对土壤有机碳矿化的影响

3．4 生物质炭对土壤水溶性有机碳含量的影响

3．5 本章小结

4 生物质炭对土壤微生物量碳和土壤酶活性的影响

4．1 生物质炭对土壤微生物量碳的影响

4．2 生物质炭对土壤脱氢酶的影响

4．3 生物质炭对土壤辅酶F420的影响

4．4 本章小结

5 生物质炭对土壤CO2排放和CH4释放潜力的影响

5．1 生物质炭对土壤CO2释放的影响

5．1．1 温度和昼夜变化对淹水土壤CO2释放的影响

5．1．2 淹水深度对土壤CO2释放的影响

5．2 生物质炭对土壤BMP的影响

5．2．1 BMP试验的缘由和目的

5．2．2 BMP试验的结果与分析

5．3 本章小结

6 生物质炭对土壤微生物群落结构的影响

6．1 生物质炭对土壤总细菌群落结构的影响

6．1．1 DNA提取

6．1．2 细菌16S rDNA片段的PCR扩增

6．1．3 PCR产物的变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析

6．1．4 DGGE图谱中优势条带的回收与测序

6．1．5 总细菌的PCR-DGGE分析

6．2 生物质炭对土壤产甲烷菌群落结构的影响

6．2．1 DNA提取

6．2．2 古菌目的片段的PCR扩增

6．2．3 PCR产物的变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析

6．2．4 DGGE图谱中优势条带的回收与测序

6．2．5 产甲烷菌的PCR-DGGE分析

6．3 本章小结

7 结论、展望与创新点

致谢

参考文献

附录

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