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        中國科學院南京土壤研究所常熟農業生態實驗站物質循環與調控團隊在秸稈炭化還田研究方面取得進展

        2020-12-09 分享到:

        受啟于亞馬遜流域“Terra Preta”探究,科學家提出發展生物質炭技術以應對氣候變化、土壤改良、資源利用和環境管理。我國秸稈資源豐富,但利用率不高,將秸稈轉化為生物質炭還田作為潛在的多贏策略備受關注。

        基于此,中國科學院南京土壤研究所常熟農業生態實驗站物質循環與調控團隊開展了長期綜合研究,在秸稈炭化技術,紅壤、潮土等旱地土和酸堿性水稻土施用秸稈生物質炭的增匯減排和土壤改良作用、對氮素遷移轉化影響、環境經濟效益等方面取得一些認識,可為秸稈炭化還田研究及應用提供參考。

        (1)提出以沼氣為穩定熱源熱解秸稈制備生物質炭的理念和方法(附1),設計了隧道窯秸稈炭化系統(附2~3),可實現秸稈生物質炭專門批量生產,將利用秸稈+農業/養殖廢棄物生產沼氣與秸稈炭化還田有效銜接,增加秸稈利用鏈條。通過與木質源生物質炭比較發現,秸稈生物質炭具有較高的灰分和吸附固持能力及碳穩定性(附4)。

        (2)通過土壤培養、土柱模擬淋溶試驗發現秸稈生物質炭:①促進酸性土壤外源氨硝化,增加氨氧化菌數量,改變其群落結構和優勢種群逐漸與堿性土壤趨同。土壤初始pH及NH4+, TN 和C/N比是驅動群落組成變化的主因(附5~7)。銨態或酰胺態氮肥持續施用下,生物質炭促進硝化的致酸作用對其土壤酸度改良效果長期影響須予以關注。②減少氮淋溶,但土壤固持氮量增加不是其減少氮淋溶的唯一原因,生物質炭短期大量添加也有增加氮素氣態損失風險(附8)。③減少硝化、反硝化過程N2O排放,提高土壤氮吸附固持,好氣下加速NH4+硝化避免NO2-累積,和厭氧下促進N2O還原酶nosZ活性(附9~10)。④短期添加和長期施用對土壤反硝化影響不同。短期添加促進硝態氮還原,增加反硝化N2產生,長期處理則降低硝態氮還原及反硝化N2量。短期添加通過快速提高土壤DOC、有效元素含量和pH值等改善土壤環境和提高微生物菌群的硝化、反硝化性能。長期處理土壤硝態氮還原能力降低則與隨生物質炭老化,土壤DOC和氮有效性下降有關(附10)。長期處理也改善淹水稻田土壤剖面通氣狀況,減少深層反硝化及其主要氣態產物exN2隨水流失風險(附11)。因此,基于一次性、大劑量生物質炭添加方式研究氮轉化響應可能導致認識偏差,應加強生物質炭長期施用效應研究。

        (3)建立盆栽、土柱和田間秸稈炭化還田試驗,連續多年觀測水旱、旱旱及不同作物輪作下作物生長、土壤性質、土壤碳庫、溫室氣體排放和氮素利用及損失的影響,發現長期施用生物質炭:①對作物生長促進作用:紅壤>酸性水稻土>潮土>堿性水稻土。紅壤上主要通過消減酸度,增加團聚體穩定性和水分/養分有效性來提高土壤肥力和養分吸收(附件12~13)。潮土中更依賴于其帶入灰分使有效磷、鉀等含量提高以及持水性的增加(附件14~16)。酸堿性水稻土作物生長效應則與pH值有關(附17~19);②增加紅壤和潮土氨揮發,主要是酸性土壤pH提高與土壤容重降低和通氣性增加所致(附8、附16);對水稻土影響則與水旱作物季有關,稻季淹水利于NH3/NH4+吸附,但隨累積用量增加和通透性持續改善,又增加氨揮發(附18);③迅速提升土壤穩定性碳庫,N2O減排旱地高于水稻土,固碳和甲烷減排則以水稻土較好(附19)。53~500 um細顆粒有機碳組分增加,及無定形鐵含量增加促進的土壤有機-礦物化學保護作用是水稻土固碳效應較好的重要原因(附20;附件22)。上述結果明確了秸稈炭化還田固碳減排和土壤改良的潛在作用及土壤差異;秸稈炭化還田因明顯擾動土壤性質進而影響氮素遷移轉化,應關注其對肥料氮利用與損失及氮盈虧的長期影響。

        (4)通過碳足跡、生態系統凈環境經濟效益(NEEB)方法,分析了長期秸稈炭化還田的農學、環境和經濟效益(附19、21),發現:①秸稈炭化還田顯著降低農田凈綜合溫室效應和增加碳匯,但目前較低的CO2交易價格決定了其凈固碳效益遠低于生物質炭成本投入而導致NEEB降低;②生物質炭投入成本和作物增收是決定NEEB的重要因素。生物質炭在酸性紅壤增產明顯,可維持和提高NEEB;石灰性潮土及水稻土上,其增產增收作用較小,難以平衡生物質炭投入成本。本研究試驗條件下,秸稈炭化還田用量為每季7~8 ton/ha,且紅壤、潮土和水稻土施用生物質炭成本須分別低于1.8元/kg、0.2元/kg和0.9元/kg時才可保證NEEB不降低。因此,優化秸稈炭化工藝及還田方法,顯著降低成本也是探討秸稈炭化還田技術推廣應用的必要前提。

        事實上,未來秸稈炭化還田能否作為農田固碳減排和土壤改良及秸稈資源化利用的關鍵技術所面臨的問題并不僅在于其效應及機理研究本身,須從農田生態系統生產、經濟、生態等可持續性方面進行綜合權衡。應加強長期秸稈炭化還田對氮循環、土壤生產力及其穩定性影響等方面研究,有助于多角度科學論證主要農區秸稈炭化還田可行性。

        上述研究得到國家自然科學基金(41001147、41271312、41771338)、中科院青促會以及土壤與農業可持續發展國家重點實驗室資助。

         

        附件1:Large-scale biochar production from crop residue: a new idea and the biogas-energy pyrolysis system, BioResources, 2013

        附件2:秸稈炭化裝置及秸稈炭化的方法2012.7.31, 中國, ZL 2012 1 0267771. 8

        附件3: 秸稈炭化裝置2012.7.31 中國, ZL201220374239.1

        附件4:Comparisons of Biochar Properties from Wood Material and Crop Residues at Different Temperatures and Residence Times, Energy & Fuels, 2013

        附件5:Nitrification, acidification, and nitrogen leaching from subtropical cropland soils as affected by rice straw-based biochar: laboratory incubation and column leaching studies, Journal of Soils and Sediments, 2014

        附件6:Comparison of straw-biochar-mediated changes in nitrification and ammonia oxidizers in agricultural oxisols and cambosols: Biology and Fertility of Soils, 2016

        附件7:Population and community structure shifts of ammonia oxidizers after four-year successive biochar application to agricultural acidic and alkaline soils, Science of The Total Environment, 2018

        附件8:Effects of the addition of rice-straw-based biochar on leaching and retention of fertilizer N in highly fertilized cropland soils, Soil Science and Plant Nutrition, 2013

        附件9:The effects of rice-straw biochar addition on nitrification activity and nitrous oxide emissions in two Oxisols, Soil and Tillage Research, 2016

        附件10:Variable responses of nitrification and denitrification in a paddy soil to long-term biochar amendment and short-term biochar addition. Chemosphere, 2019

        附件11:秸稈生物質炭對稻田土壤剖面N2O和N2濃度的影響,土壤學報,2020

        附件12:Effects of crop-straw biochar on crop growth and soil fertility over a wheat-millet rotation in soils of China, Soil Use and Management, 2014

        附件13:Successive biochar amendment improves soil productivity and aggregate microstructure of a red soil in a five-year wheat-millet rotation pot trial. Geoderma, 2020

        附件14:秸稈生物炭對潮土作物產量和土壤性狀的影響, 土壤學報, 2015

        附件15:潮土長期施用生物炭提高小麥產量及氮素利用率. 農業工程學報, 2018

        附件16:長期秸稈黑炭施加對石灰性潮土肥力、固碳及氨揮發的影響, 應用生態學報, 2018

        附件17:秸稈源黑炭還田對水稻土生產力和固碳的影響, 環境科學研究, 2013

        附件18:Successive straw biochar application as a strategy to sequester carbon and improve fertility: A pot experiment with two rice/wheat rotations in paddy soil, Plant Soil, 2014

        附件19:Assessing the viability of soil successive straw biochar amendment based on a five-year column trial with six different soils: Views from crop production, carbon sequestration and net ecosystem economic benefits. Journal of Environmental Management, 2019

        附件20:Structural and microbial evidence for different soil carbon sequestration after four-year successive biochar application in two different paddy soils,Chemosphere, 2020

        附件21:Successive straw biochar amendments reduce nitrous oxide emissions but do not improve the net ecosystem economic benefit in an alkaline sandy loam under a wheat-maize cropping system. Land Degradation & Development, 2019

        附件22:Accumulation of organic compounds in paddy soils after biochar application is controlled by iron hydroxides. Science of the Total Environment, 2020

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