生物炭对设施土壤有机碳矿化及激发效应的影响及机制

20220119

农、林、牧、渔业

本项目成果从生物炭制备条件和土壤性质的角度，阐述了生物炭对土壤本底有机碳激发效应及设施土壤固碳效果的影响机制。所采用的技术和方法主要包括：（1）通过13C固体核磁共振（13C NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，分析不同制备材料和制备温度所获得生物炭中的有机碳化学组分和表面官能团。通过生物炭所含有的烷基碳、氧烷基碳、芳香碳和羰基碳的含量以及表面官能团特征，评价其所含有机碳的化学稳定性。氧烷基碳主要代表新鲜植物多糖成份，是最易分解的有机碳组分；芳香碳主要来源于木质素或单宁，是稳定的有机碳难分解组分；芳香碳/氧烷基碳比值可用于反映生物炭的化学稳定性和抗分解能力。（2）生物炭施入土壤后，通过矿化培养试验和土壤有机碳组分分析，可获得土壤有机碳潜在可矿化量、土壤稳态碳、碳素有效率和碳库活度等参数，以此评价添加生物炭土壤中有机碳的潜在矿化能力和碳库稳定性。（3）通过同位素技术，利用生物炭和土壤在13C自然丰度上的差异，可区分在土壤有机碳矿化过程中，由生物炭矿化释放的CO2和土壤本底有机碳矿化释放的CO2，并计算出生物炭对土壤本底有机碳激发效应的强度。（4）通过土壤团聚体分级技术，可比较不同粒径土壤团聚体中的碳库稳定性，以及各级土壤团聚体中的激发效应强度，评价生物炭对土壤本底有机碳的激发效应在不同粒径土壤团聚体中的差异。以上所述的技术和方法均为目前相关研究工作中所使用的的成熟技术方法，目前科技成果已完成实验室试验探索阶段，下一步拟就该技术方法开展生物炭的田间固碳效果评价检验。

合作方具有生物炭材料制备工艺和生物炭田间土壤改良或固碳应用方面的需求，需要生物炭材料制备工艺改进、生物炭固碳性能提升、生物炭田间应用环境效应评价等方面的技术服务和技术支持。如：（1）改进生物炭生产工艺。生物炭生产新技术应用与成本控制、满足特定需求和性能要求的特种生物炭材料研发和生产、生物炭材料的改性等。（2）生物炭的田间应用。生物炭田间应用的土壤条件、生物炭田间应用的栽培技术与田间管理措施、生物炭的土壤理化性状改良应用技术、生物炭田间应用的环境效应评价等。（3）生物炭基质或生物炭肥料的研发与应用试验等。 合作方按实际需求提供相应研发经费和技术服务资金，需要开展田间实验和示范的项目由合作方提供实验场地或试验田，并配套田间基础设施和田间管理人员。需进行生物炭材料制备工艺改进或生物炭改性等方面的项目，需提供开展相关生产和改性所需的设备；开展生物炭特性改良的项目，需具有生物炭制备和改良以及测定相关指标参数（如：生物炭孔隙度、孔隙结构、比表面积、疏水性能、吸附性能、表面官能团、有机碳组分、元素组成、重金属含量等）所需的设备及仪器，或提供相应的检测费用。参与成果转化的相关人员最好具有一定的生物炭生产或应用经验，或进行相关的培训。

可国（境）内外转让

生物炭是生物有机材料在缺氧或低氧环境中经热裂解后的产物，含有大量的烷基和芳香结构，具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，施入土壤后会在一定程度上影响土壤的物理、化学和生物学性质。生物炭不仅可以吸附土壤中的重金属及有机污染物，改良退化土壤的理化性质，由于其自身含有大量的惰性碳元素，其施入田间被认为是增加土壤稳定碳库的有效途径，对于农业温室气体减排和农田固碳也有一定的贡献。同时，生物炭的制备材料主要来源于秸秆、枝条等农林业废弃物，是农林业废弃物的有效再利用途径之一，有助于解决当前严峻的农业环境污染与资源浪费问题。生物炭产品的开发和利用在土壤性状改良、促进作物增产、缓解农业面源污染、确保农业可持续发展方面巨有广阔的应用前景；在改善农业生态环境，推进土壤“碳负排放”，实现“碳中和”战略目标方面也有重要意义。 该项目探究了生物炭对设施土壤有机碳矿化及激发效应的影响机制，以及生物炭激发效应与土壤团聚特性的关系。其科技成果对于进一步改进生物炭制备工艺，明确生物炭田间固碳应用的土壤条件，提升生物炭产品的固碳能力，提高生物炭的田间固碳效果具有一定的应用价值。基于该成果的研究思路和研究方法，进行生物炭产品田间固碳应用的改良和推广，促进农林业废弃物有效合理利用，推进农业绿色可持续发展，服务“碳中和”国家战略目标，可收获较高的的经济和社会效益。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

科技成果来自于北京市自然科学基金项目“生物炭对设施土壤有机碳矿化及激发效应的影响及机制”（No. 8192007）。技术原理为利用生物炭和土壤在13C自然丰度上的差异，通过同位素技术定量分析施用生物炭对设施菜地土壤有机碳激发效应的影响。设施土壤中添加生物炭后，对土壤本底有机碳的激发效应与生物炭材料和土壤的性质有关，生物炭的碳稳定性和土壤的团聚特征均会影响激发效应的强度。本项目通过分析不同温度制备生物炭对设施土壤有机碳激发效应的影响，以及土壤有机碳矿化及激发效应在不同粒级土壤团聚体间的差异，结合活性有机碳组分和土壤酶活性的变化，探讨生物炭在土壤有机碳矿化过程中的作用机制及其与土壤团聚体组成的关系。该项目成果可为揭示设施种植条件下施用生物炭对土壤碳素周转的影响机制，以及为生物炭资源的合理利用和设施栽培节能减排提供依据。 本成果关键性指标为生物炭的碳稳定性和土壤团聚体分布特征，其中生物炭的碳稳定性与其制备材料和制备温度有关。随着热解温度的升高，生物炭化学稳定性增强。将300℃、450℃和600℃制备的生物炭添加到设施土壤中，添加600℃制备生物炭处理的土壤有机碳矿化速率和累积矿化量最低，能显著增加土壤中稳态有机碳含量，降低土壤碳素有效性和碳库活度，有利于土壤有机碳的固持。添加生物炭对整土和各级团聚体中有机碳整体呈负激发效应，随着生物炭制备温度的升高，生物炭本身C矿化释放量逐渐下降，而土壤C矿化释放量逐渐升高，负激发效应强度逐渐减弱。不同粒级土壤团聚体间，0.5~1 mm团聚体中有机碳矿化速率和潜在矿化能力均高于其它粒径团聚体；而小于0.25 mm的团聚体对整土的生物炭C矿化释放量、土壤C矿化释放量和负激发C量的贡献最大。本项目成果阐述了生物炭性质、土壤团聚体特征和土壤有机碳稳定性间的关系，该研究方法在生物炭的田间固碳应用及效果评价和设施土壤改良方面有一定的应用前景。