不同生物炭对赣南稀土尾矿地土壤有机碳矿化特性的影响.pdf
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1、江西农业学报 2023,35(11):128134ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.11.019不同生物炭对赣南稀土尾矿地土壤有机碳矿化特性的影响龙 云1,吴强建1,陈莎莎1,桂 伦1,吁 安1,龚贵金2,陈柳萌1,康美花3*(1.江西省农业科学院 农业应用微生物研究所,江西 南昌 330200;2.江西正合生态农业有限公司,江西 新余 338000;3.江西省农业科学院 植物保护研究所,江西 南昌 330200)摘 要:为探讨不同生物炭对尾矿地土壤有机碳矿化特性的影响,以赣南稀土尾矿地为研究对象,设置了玉米秸秆、玉米芯、水稻
2、秸秆、稻壳、芦苇秸秆、椰壳、杏壳、核桃壳、竹子及木屑生物炭10种处理,对土壤有机碳矿化及生物炭特征参数进行了研究。结果表明:(1)低有机质(4.07 g/kg)土壤条件下,生物炭的施用促进了土壤有机碳矿化,在培养的第15天后土壤有机碳的矿化速率基本稳定,其中木屑生物炭的土壤有机碳平均矿化速率最强,为CK的3倍,以玉米芯生物炭的土壤有机碳平均矿化速率最弱,较CK无显著差异。(2)二项式拟合曲线结果表明,生物炭pH值、C含量及N含量与土壤有机碳累计矿化量的拟合值R2分别为0.7417、0.4524和0.6148。(3)通过对木屑和玉米芯生物炭的红外光谱及比表面积、孔径分析可知,玉米芯生物炭较木屑生
3、物炭具有更加丰富的有机官能团和较大的BET比表面积、孔径和总孔体积。综上所述,外源生物炭的添加促进了赣南稀土尾矿地土壤有机碳的矿化,其中以玉米芯生物炭的土壤有机碳平均矿化速率最弱,且生物炭适宜的特征参数在减弱土壤有机碳矿化方面具有良好的潜力。关键词:生物炭;稀土尾矿地;土壤有机碳矿化;特征参数 中图分类号:X53 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)11-0128-07Effect of Different Biochar on Mineralization Characteristics of Soil Organic Carbon in Rare Earth Taili
4、ng Areas in Southern Jiangxi LONGYun1,WUQiang-jian1,CHENSha-sha1,GUILun1,YUAn1,GONGGui-jin2,CHENLiu-meng1,KANGMei-hua3*(1.InstituteofAgriculturalAppliedMicrobiology,JiangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanchang330200,China;2.JiangxiZhengheEcologicalAgricultureCo.,Ltd.,Xinyu338000,China;3.Instituteof
5、PlantProtection,JiangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanchang330200,China)Abstract:Inordertoexploretheeffectsofdifferentbiocharonsoilorganiccarbonmineralizationcharacteristicsoftailingland,tenbiochartreatmentsofcornstover,cornkernel,ricestraw,ricehusk,reedstraw,coconuthusk,apricothusk,walnuthusk,bam
6、booandwoodchipbiocharweresetupinrareearthtailingslandofsouthernJiangxitostudythesoilorganiccarbonmineralizationandthecharacteristicparametersofbiochar.Theresultsshowedthat(1)theapplicationofbiocharpromotedsoilorganiccarbonmineralizationunderloworganicmatter(4.07g/kg)soilconditions,andtherateofsoilor
7、ganiccarbonmineralizationwasbasicallystableafterthe15thdayofincubation.Theaveragerateofsoilorganiccarbonmineralizationofwoodchipbiocharwasthestrongest,whichwasthreetimeshigherthanthatofCK.Theaveragerateofsoilorganiccarbonmineralizationofcorncobsbiocharwastheweakest,whichwasnotsignificantlydifferentf
8、romthatofCK.(2)TheresultsofthebinomialfittingcurvesshowedthattheR2ofthefitbetweenbiocharpH,Carboncontent,nitrogencontentandthecumulativemineralizationofsoilorganiccarbonwere0.7417,0.4524and0.6148,respectively.(3)Throughtheanalysesofinfraredspectra,thespecificsurfaceareasandporediametersofthewoodchip
9、sandcorncobbiochar,thecorncobbiocharhadricherorganicfunctionalgroupsandlargerBETspecificsurfacearea,porediameterandtotalporevolume.Thestudyshowedthattheaddition收稿日期:2023-09-19基金项目:江西省重点研发计划项目(20214BBG74007);江西省重大科技研发专项“揭榜挂帅”项目(20213AAF02023);江西省定南县科技重大专项“生物炭介导下能源植物高效固碳技术研究与示范”。作者简介:龙云(1993),女,江西抚州人,
10、硕士,研究方向为农业废弃物资源化利用与土壤修复。*通信作者:康美花。11 期龙云等:不同生物炭对赣南稀土尾矿地土壤有机碳矿化特性的影响129ofexogenousbiocharimprovedthemineralizationofsoilorganiccarbonintherareearthtailingssiteinsouthernJiangxi,andthemineralizationofsoilorganiccarbonwastheweakestinthecaseofcorncobbiochar.Thesuitablecharacteristicparametersofbiocharha
11、dabetterpotentialinattenuatingthemineralizationofsoilorganiccarbon.Key words:Biochar;Rareearthtailingarea;Soilorganiccarbonmineralization;Characteristicparameter赣南地区具有丰富的离子型稀土矿资源,储量居全国第一,是我国开采历史最长、开采规模和产量最大的地区1。长期开采导致矿区植被及矿床表面腐殖层被剥离、破坏,且酸性浸提液的大量使用,造成了矿区生态退化及诸多环境问题,尤其是池浸、堆浸等早期工艺产生的大量尾矿未能得到妥善处置,致使周边土地
12、遭受到不同程度的污染和破坏2,严重破坏了稀土矿区的土壤结构及其微生物群落,导致土壤呈强酸性,氮、磷及有机碳等养分含量极度贫瘠,若无人为干预,植被难以自然恢复3。因此,土壤作为植物生长的基质和微生物栖息的场所,对土壤进行有效改良是提升赣南稀土尾矿地土地生产力的重要手段。生物炭是以农林废弃物、动植物残体等有机物料为原料,在无氧或限氧条件下高温裂解炭化形成的高度芳香化稳定多孔富碳物质4,其具有丰富的孔隙结构、稳定的芳香结构、较大的比表面积及大量的有机官能团,因而被广泛应用于土壤改良及环境保护等方面5-6。阮泽斌等7在水稻盆栽试验研究中发现,添加生物炭的土壤pH值提升了0.230.31,有效改良了土壤
13、的酸性环境。王薇薇等8-11研究表明,生物炭施入土壤中,增加了土壤有机碳含量,优化了土壤通气透水性,提高了土壤团聚体稳定性,改善了土壤微生态环境,有利于土地生产力的恢复。张文丽等12-15研究发现,由烟秆、玉米秸秆、木枝及稻壳等原料制成的生物炭可显著提高土壤有机碳含量,有利于土壤有机碳库的提升。然而,生物炭对土壤有机碳矿化存在促进或抑制的作用,即生物炭施入对土壤有机碳矿化存在正激发效应16-17和负激发效应18-19,这可能与土壤类型及生物炭性质等因素有关,生物炭施入土壤后随着时间推移发生着各种物理化学反应,其可通过阳离子-相互作用、表面络合、离子交换和孔隙阻塞吸附有机化合物等方面影响着土壤有
14、机碳矿化20-22。目前,生物炭在农田生态系统中的应用较为广泛,但在稀土尾矿地土壤中的应用研究相对较少,尤其是对生物炭特征参数与土壤有机碳矿化的相关研究甚少,对生物炭在赣南稀土尾矿地的应用支撑较为有限。受不同土壤类型的影响,生物炭对土壤有机碳矿化的激发效应也存在差异,因此不可直接将农田生态系统的生物炭模型应用到稀土尾矿地。因此,本研究挑选了3种类型(木质炭、果壳炭、秸秆炭)10种不同原料制备的生物炭,通过实验室土培试验,探究不同种类生物炭对土壤有机碳矿化的影响,分析生物炭特征参数与土壤有机碳矿化之间的关系,明确生物炭影响稀土尾矿地土壤有机碳矿化的关键特征参数,以期为制备具有降低土壤有机碳矿化特
15、性的生物炭提供数据支持,为筛选在赣南稀土尾矿地上具有较弱土壤有机碳矿化的生物炭提供理论依据。1 材料与方法1.1 研究区概况江西省赣州市定南县属中亚热带季风湿润气候,水热充沛,矿产资源丰富。试验土壤采集于该县稀土尾矿区(北纬24 58 45,东经115 3 18,海拔419.88m)020cm的表层土壤,剔除土壤中的石砾、根系等杂质,经自然风干后,通过研磨过2mm筛混匀并保存备用。供试土壤理化性质:pH值4.11,有机质含量4.07g/kg,碱解氮含量10.49mg/kg,有效磷含量0.86mg/kg,速效钾含量129.85mg/kg,全氮含量0.36g/kg。生物炭由河南立泽环保科技有限公司
16、生产提供,经过2mm筛后备用。生产工艺:原料经风干粉碎在500左右的条件下高温裂解,升温速率为10/min,稳定炭化23h。1.2 试验设计本实验采用室内恒温恒湿培养碱液吸收法23-24,实验共设有11个处理,每个处理重复4次。将10种不同源生物炭(稻壳生物炭DK、杏壳生物炭XK、椰壳生物炭YK、核桃壳生物炭HK、芦苇秸秆生物炭LJ、水稻秸秆生物炭SD、玉米秸秆生物炭YJ、玉米芯生物炭YX、木屑生物炭MB、竹子生物炭ZB)分别以5%(w/w,以干土计)的比例添加至450.0g土壤中并混匀,另外设置不施用生物炭作为对照组CK。将11个处理分别放入小塑料瓶内,置于密闭的大号培养瓶中,培养瓶中同时放
17、置1个盛有10mL1mol/L中NaOH溶液和1个盛有10mL去CO2江 西 农 业 学 报35 卷130的蒸馏水的塑料瓶,分别用于吸收土壤呼吸释放的CO2和维持培养瓶内的空气饱和湿度。将培养瓶放置于25恒温培养箱中,培养期保持土壤含水量为田间持水量的60%左右。分别于培养的第1、3、5、7、9、11、15、30和60d移取盛有NaOH的塑料瓶,并立即放入新配置的盛有10mL1mol/LNaOH溶液的塑料瓶。将已吸收CO2的NaOH碱液全部转移至三角瓶中,并加入5mL1mol/L氯化钡溶液以及酚酞指示剂2滴,用0.1mol/LHCl滴定直至红色消失,利用消耗HCl的量计算土壤呼吸强度。土培试验
18、示意图如图1所示。土壤有机碳矿化量(mg/g)=CO2排放量/土壤干重;土壤有机碳矿化速率 mg/(gd)=培养时间段内土壤有机碳矿化量/培养时间;土壤有机碳平均矿化速率 mg/(gd)=土壤有机碳累积矿化量/总培养时间;生物炭累计激发效应(mg/g)=添加生物炭的土壤有机碳矿化量-对照的土壤有机碳矿化量;生物炭激发效应速率 mg/(gd)=(培养时间段内添加生物炭的土壤有机碳矿化量-对照的土壤有机碳矿化量)/培养时间。对照组CK生物炭处理组碱液蒸馏水土壤碱液蒸馏水土壤+生物炭图1 土培试验示意图1.3 分析方法土壤样品的测定方法:测定土壤pH值采用土水比为1 5(w/v)的玻璃电极法;有机质
19、含量采用重铬酸钾容量法稀释热法测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;有效磷含量采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定;全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定25。生物炭特征参数的测定方法:pH值采用生物炭与水比为120(w/v)玻璃电极法测定;C、N元素含量采用CHNS元素分析仪测定;BET比表面积及孔径采用比表面积及孔径分析仪测定;表面官能团采用溴化钾粉末压片傅里叶红外光谱法测定24。1.4 数据处理与分析利用MicrosoftExcel2003软件对试验数据进行处理,利用SPSS17软件进行方差分析,利用Origin2022软件制图。2 结果与分析2.1 不同生
20、物炭对土壤有机碳矿化速率的影响由图2可知,随着培养时间的延长,各处理土壤有机碳矿化速率呈现的变化趋势基本一致,在培养15d内各处理的土壤有机碳矿化速率均急剧下降,15d后则逐渐趋于稳定。外源生物炭投入初期,极大地提高了土壤微生物的活性,显著促进了土壤有机碳的矿化,表现为土培的第1天土壤有机碳矿化速率最强,土壤的呼吸活动较为剧烈,此时以MB处理的土壤有机碳矿化速率最强,为0.407mg/(gd),显著高于其他处理组;YX处理的土壤有机碳矿化速率最弱,为0.055mg/(gd),与CK处理 0.053mg/(gd)无显著差异。由此可知,生物炭的添加对土壤有机碳矿化有明显的促进作用,添加15d后土壤
21、有机碳矿化速率趋于稳定,且以YX处理对土壤有机碳矿化速率的促进效果最弱,对促进土壤有机碳的矿化作用不显著,有利于土壤有机碳的积累,体现了YX处理的汇碳减排效果。矿化速率/mg/(gd)图2 土壤有机碳矿化速率的变化2.2 不同生物炭对土壤有机碳累计矿化量的影响由表1可知,生物炭的添加促进了土壤CO2的排放,增加了土壤有机碳的矿化,不利于土壤有机碳的积累。其中,MB处理的土壤有机碳矿化效果提升最明显,显著高于其他生物炭处理,表现为其土壤有机碳平均矿化速率、土壤有机碳累计矿化量和土壤CO2累计释放量均最高,分别为0.048mg/(gd)、2.90mg/g和881.38mg,约为CK的3倍;以YX处
22、理的土壤有机碳矿化效果最弱,其土壤有机碳平均矿化速率、土壤有机碳累计矿化量和土壤11 期龙云等:不同生物炭对赣南稀土尾矿地土壤有机碳矿化特性的影响131CO2累计释放量分别为0.016mg/(gd)、0.98mg/g和262.85mg,与CK无显著差异。由此可知,在培养期内添加生物炭对土壤有机碳矿化具有促进效果,以MB处理的矿化效果提升最明显,YX处理的促进效果最弱,在赣南稀土尾矿地投入生物炭的同时不会促进土壤有机碳的矿化,这有利于生物炭发挥土壤汇碳减排的效果。表1 不同处理土壤有机碳的矿化特性处理土壤CO2累计释放量/mg土壤有机碳累计矿化量/(mg/g)土壤有机碳平均矿化速率/mg/(gd
23、)MB881.3817.39a2.900.06a0.0480.0013aSD438.855.44b1.580.03b0.0260.0005bYK397.8713.15bc1.410.05c0.0240.0010bcHK370.0418.31cd1.360.07cd0.0230.0013cdZB364.2719.52cd1.310.08cde0.0220.0012cdDK341.6614.82d1.290.05cde0.0220.0010cdXK350.196.59d1.240.02de0.0210.0006dLJ336.2722.62d1.220.08de0.0200.0013dYJ335.8
24、316.76d1.180.08e0.0200.0015dYX262.8515.27e0.980.06f0.0160.0010eCK254.2126.42e0.950.09f0.0160.0014e2.3 生物炭对土壤有机碳激发效应的影响由图3a可知,在生物炭处理条件下,土壤有机碳激发效应速率随时间推移呈现的变化趋势基本一致,在培养的前15d内土壤有机碳激发效应速率均迅速降低,15d后土壤有机碳激发效应速率逐渐趋于稳定。在培养期内,MB处理的生物炭激发效应速率最快,平均激发效应速率为0.0320mg/(gd),显著高于其他处理;YX处理的生物炭激发效应速率最慢,平均激发效应速率为0.0004mg
25、/(gd)。由图3b可知,生物炭累计激发效应速率随着培养时间的延长而逐渐增加,表现为先急后缓最后趋于稳定,培养的前15d内生物炭累计激发效应增长速率逐渐降低,后15d增长速率基本保持稳定。其中,15d后MB处理的生物炭累计激发效应增长速度基本保持不变,以0.0178mg/(gd)的速度增加,显著高于其他处理,而15d后YX处理的生物炭累计激发效应增长速度最低,为0.0001mg/(gd)。生物炭投入的前15d,极大地提高了土壤有机碳的矿化速率,生物炭前15d的激发效应速率明显高于15d后的,且生物炭对土壤有机碳的激发效应在施入土壤的第15天后基本稳定,以MB处理土壤有机碳的正激发效应最强,以Y
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