生物碳对土壤碳汇和土壤温室气体减排的机理研究

面对全球气候变化潜在的灾难性影响，如何控制大气中的温室气体水平已变成刻不容缓的研究课题。将生物碳应用于土壤中是一种将大气中温室气体汇聚于土壤中、使土地可持续利用、环境可持续发展的极有价值的崭新方法，即创立起真正的绿色"生物碳革命"。 该项目将深入研究在生物碳作用下，土壤的物理、化学和生物特性和过程的变化与相互作用，及其对土壤中产甲烷和甲烷氧化过程，硝化和反硝化过程的影响等关键问题。通过研究，我们将建立起不同生物碳对土壤物理、化学和生物特性的影响关系，建立起模拟生物碳施加条件下，土壤的物理、化学和生物过程的耦合模型，认识生物碳对农业生态系统温室气体减排和土壤固碳的机理，从而提出最佳农业管理措施，通过利用生物碳提高土壤固碳能力、减少农业温室气体排放的综合生态环境效应。

本项目针对生物碳对土壤碳汇和土壤温室气体减排的机理，开展了实验研究与理论探索，主要创新点和研究成果表现在以下几个方面：1）不同类型生物碳添加对土壤物理性质和水力性质的影响：不同生物碳（不同制备材料和温度）添加在早期均促进大团聚体的形成，降低土壤容重，增加土壤中有机质含量，且刺激土壤中微生物的生长，改变土壤水分特征曲线。2）生物碳对土壤碳矿化及土壤碳汇的影响：不同生物碳的添加在早期都促进了土壤碳矿化，不同的生物碳添加对土壤中的理化性质和碳矿化速率产生不同影响，尽管生物碳短期内促进了碳矿化，但生物碳中的碳以更稳定的形式存在于土壤中，具有巨大的碳汇能力。3）生物碳对与土壤碳矿化相关的酶活性的影响：生物碳的添加在早期促进了大多数所测量酶的酶活，土壤碳矿化速率与土壤脱氢酶及β-葡萄糖苷酶呈线性关系，这种酶促反应主要为短期效应，而从长期来看，生物碳的固碳潜能远大于它对碳矿化的促进。4）生物碳与土壤中易/难降解有机质之间的激发效应：生物碳的添加极大地促进了葡萄糖的矿化，而对腐殖质的矿化并无显著影响，生物碳对有机质激发效应的正负及程度随着生物碳的类型而呈现较大的不同，有机质对生物碳的激发效应也呈现不同的规律。5）生物碳对土壤N2O排放通量的影响: 300℃生物碳的反硝化作用最强，显著促进了土壤N2O的释放，而700℃的生物碳处理却显著抑制了土壤反硝化作用，对土壤N2O抑制程度高达80%。6）生物碳的理化特性对土壤N2O排放通量的影响：添加碳骨架处理能显著提高了土壤pH，添加300℃和500℃的碳骨架和浸提液的处理增强土壤反硝化作用强度，700℃的碳骨架抑制反硝化作用。300℃的碳骨架十分显著的刺激了土壤N2O的排放，500℃和700℃的碳骨架和浸提液处理对土壤N2O的排放起到了抑制作用。7）生物碳添加对土壤生物和非生物源N2O 释放影响：生物碳可以刺激中性农业土壤真菌生长和N2O排放、增加硝氮和铁的化学反应，产生的N2O可以被交换阴离子铁所催化还原。生物碳对N2O排放的影响是通过真菌胞外酶参与增强矿化和硝氮和生物碳表面亚铁反应所产生的。8）不同生物碳施加梯度对生物碳稳定性及土壤群落影响：生物碳施加会显著改变土壤微生物群落。较低梯度可以提高土壤微生物量，但并不改变土壤微生物群落，而较高梯度则会改变土壤微生物群落。