生物质炭还田的土壤生产力和固碳减排效应影响及其机理

减缓、遏制大气温室气体浓度升高已成全球共识。将光合产物经高温无氧或低氧裂解成生物质炭可能是收集大气CO2，降低土壤CH4,N2O排放的有效途径。本项目将采用自主专利技术生产生物质炭，研究温度、材质和老化对生物质炭性质、结构和表面基团的影响。采用田间微域和13C稳定性同位素技术研究生物质炭在酸性红壤和碱性砂礓土中的分解和对土壤碳周转的影响；采用田间小区试验研究生物质炭在红壤、砂礓土对水稻、小麦产量和养分吸收的影响；研究对稻季CH4,N2O和麦季N2O排放的影响；研究生物质炭对土壤肥力参数pH、容重、阳离子交换量、水分养分含量等的影响；研究生物质炭中氮的生物有效性及对氮肥利用率的影响；解析生物质炭性质与其农学、环境效应关系，揭示生物质炭影响土壤生产力的可能机理；采用全生命周期法研究生物质炭还田的固碳减排效应，为生物质炭标准制定、生产和运用提供理论支持和技术支撑。

近年来，由巴西亚马逊流域考古发现的生物炭黑土（terra preta）的启示，一些研究者认为将生物炭（生物质在低氧条件下高温裂解的富含稳定性碳的产物）还田能藏碳于土，是减缓全球变化和提高土壤生产力的有效措施。生物炭施用涉及生物炭的生产、稳定性及连续还田的累积效应，阐明生物炭多年连续还田的土壤生产力变化和固碳减排效应对促进生物炭大面积应用具有重要意义。研究结果表明：.生物质炭性质受裂解温度和生物质种类的影响而表现出差异。生物炭产率随裂解温度的升高而降低。相同裂解温度下，小麦秸秆制炭产率高于玉米秸秆。生物炭全碳含量、pH、灰分含量和全磷含量等随制炭温度升高而升高，而全氮含量随温度升高而降低。.生物炭连续施用提高小麦产量，但对水稻产量没有显著影响。生物炭第一年和第二年施用后，无论是麦季施用、还是稻季施用，生物炭中低剂量施用(2.4t/ha-12t/ha)对小麦和水稻产量都没有显著影响，而稻季生物炭高剂量（48t/ha）一次施用，生物炭显著提高当季水稻产量，但对后季小麦和以后的水稻产量都没有显著影响。生物炭第三年施用后，中剂量生物炭（12t/ha）显著提高水稻产量，而对水稻产量没有显著影响。生物炭第四年施用后，无论是低剂量（2.4-6t/ha），还是中剂量(12t/ha)，生物炭都显著提高小麦产量，而对水稻产量没有显著影响。生物炭中氮的利用率2%。.生物炭施用的固碳减排效应。生物炭施用显著提高土壤碳库，与秸秆还田相比，显著降低CH4总排放量，但对N2O总排放量没有显著影响。生物炭的固碳减排效应主要取决于制炭能耗。为了保证生物炭固碳减排的有效性，生物炭生产的净能耗不能大于为3.4 MJ (kg 原料)-1。基于本研究中最低的生物炭生产能耗投入，以我国可利用的秸秆资源为生物炭原料，同时考虑土壤碳库累积以及稻田甲烷排放的减少，生物炭还田措施在我国的固碳量约为0.067 Pg CO2-Ce yr-1¬，相当于我国每年农业碳排放和人为碳排放总量的36.0%和3.3%。