竹质生物炭对森林土壤碳汇及其微生态环境的影响

生物炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下热解产生的一类高度芳香化难熔性物质，由于其特殊的理化性状及其在全球碳生物地球化学循环中的重要作用，近年来已成为各国学者研究的热点。但至今国内外对生物质炭人为输入土壤环境的行为和效应的研究尚处于起步阶段，尤其是对作为全球温室气体最大的排放源之一森林土壤系统的研究鲜有报道。为揭示生物质炭对森林土壤系统的影响和作用，本研究采用我国资源十分丰富的竹质生物炭为试材，通过田间应用试验和实验室模拟，应用比重-粒径分离技术、环境微生物分子生态学技术及多种分析手段，探索竹质生物炭输入对森林土壤C矿化过程的作用以及对森林土壤碳氮循环主要功能微生物群落多样性的影响，揭示入土初期竹质生物质炭形貌、化学结构、表面化学等特性的变化规律，从而阐明竹质生物质炭人为输入对森林土壤对碳循环、微生物群落的特征，为合理地开发利用我国的森林资源、提高森林土壤的多种功能提供一条新的途径。

生物炭是生物质在低氧或绝氧的环境条件下通过高温热解形成的一类高度芳香化难熔性固态物。由于其含碳量较高，且性质稳定不易分解，输入土壤后可增加碳汇、改善结构、提高有效养分利用率等多种功能，因此，生物炭产品的研究和应用是当前国际上土壤环境研究的热点课题之一。本项目采用生物炭生产、实验室模拟及田间应用相结合的方法，对生物炭的特性与生产工艺的关系、生物炭应用于土壤后自身的形态、化学结构变化及生物炭带来的土壤微生物结构、土壤环境条件变化开展较为系统的研究，取得了以下具有创新意义的成果：.（1）研究表明，采用低温裂解工艺生产工艺（温度在300-550゜C）生产的竹质生物炭，可以有效减少生物炭生产过程中氮的损失，减少温室气体的排放。低温工艺生产的竹质生物炭的以微孔为主，pH在7.5左右，其理化性状都能满足土壤生态修复的要求。.（2）采用SEM-EDS、FTIR和XRD技术对生物炭的组成、结构等研究显示：竹质生物炭施入土壤4年后，其C、K、Cl、Na的含量有所下降，而O、P、Mg、Si、Fe、Al的含量有所增加，O/C增加约7%；研究得到了低温裂解工艺生产的生物炭结构以不定形的微晶石墨结构为主，田间应用证实了生物炭在土壤环境中主要框架结构呈现相对稳定性。加入土壤后生物炭表面出现一定程度的氧化，如出现含氧基团-C=0，-C00H，这些变化有利于土壤肥料的维持。.（3）采用PCR-DGGE技术分析比较土壤微生物丰富度得到，施加生物炭的土壤微生物丰富度较高，细菌物种较多；用DGGE谱图的细菌群落的条带信息与土壤理化性质相关分析得到，细菌群落的结构变化与各土壤养分含量化学性质的相关性大小顺序依次为速效钾＞有效磷＞全氮＞pH。.（4）添加生物炭可使土壤全氮、CEC、有效磷和速效钾显著增加，土壤碳库和土壤固碳量随着生物炭添加量的提高而增加。生物炭施入土壤后，不仅对土壤养分起到保持作用，而且对土壤固碳增汇作用也很大，但具体添加量需结合农学效应、立地条件和固碳率等因素综合确定。.（5）通过雷竹、山核桃林的生物炭应用试验得到，与传统的复合肥相比，生物炭肥在提高产品产量和品质等方面都具有明显的作用。结果表明，与传统复合肥料比较，科学使用生物炭既可增加产量，又可提高竹笋和山核桃仁的氨基酸含量。利用生物炭独特的物理、化学性质来改变化肥在土壤中的释放环境，提高肥料的利用率将是生物炭利用的一个重要方向。