生物质炭表面有机无机“覆盖层”化学组分特征及其生物活性意义研究

Pyrolysis of Crop residues for soil amendment has been recommend as one of the ten key models for straw resources recycling in China. However, the mechanisms of biochar for plant growth promoting still remains obscure. The soluble fractions of biochar may be one of the key factors that directly affect plant growth. This project will focus on the bioactivity of organic-inorganic coating on biochar surface. The influence of feedstock and pyrolysis conditions on the chemical compositions of soluble fractions on biochar surface will be characterized from micro tomography techniques to molecular composition. The seed germination and pot experiment will be conducted to analyze the quantitative association of soluble organic-inorganic coating with its bioactivity to further discuss the mechanisms of biochar on plant growth. A field experiment will be conducted with a rice paddy filed experiment with soil amendment respectively of maize straw biochar and biochar extract to explore the changes of bioactivity ability of soluble coating with its release and decomposition patterns. By doing so, we aim to understand the short and long term relationship between biostimulation effect of organic and inorganic coating and the agronomy benefits of biochar. This study will contribute to show how organic-inorganic coating helps biochar to improve soil quality and plant healthy and to provide information for sustainable agriculture management and soil improvement.

秸秆热裂解炭化还田改土已被我国农业部列为秸秆资源利用的十大关键模式之一。已有研究表明生物质炭可促进作物生长，但其作用机制尚不明确。生物质炭表面可溶性组分可能是生物质炭直接影响土壤质量和作物生长的关键因素之一。本项目从生物质炭表面可溶性有机无机覆盖层出发，采用微形貌分析法和液相色谱质谱法研究不同生物质原料（水稻秸秆、玉米秸秆和猪粪），热裂解条件（温度、时间）对生物质炭表面可溶性组分化学结构与分子组成的影响。进一步采用种子萌发试验与盆栽试验研究不同生物质炭表面有机无机组分与其生物活性的定量关系，并探讨其潜在作用机制。最后，采用玉米秸秆生物质炭加入水稻土的田间试验，结合有机碳同位素方法研究生物质炭可溶性有机组分的分解、释放规律，探讨生物质炭表面有机无机覆盖层的生物活性与生物质炭短期和长期农学效应的关联，揭示生物质炭改良土壤、改进生物健康的微观机理，为可持续农业管理和土壤质量提升提供科学依据。

生物质热解炭化过程中，有机挥发分物质从固相逸出，冷凝后重新吸附于生物质炭，成为其中的可溶性有机物。生物质炭可溶性有机物化学组成复杂，主要含小分子有机物与芳香类化合物且含有丰富的官能团，具有较高的化学反应活性和生物活性，可显著地改变土壤中养分元素和污染物的形态与有效性，影响土壤微生物组成与丰度，调控作物的生长与健康。依生物质原料和热解条件的差异，生物质炭可溶性有机物的化学结构与生物活性功能也不尽相同。随着热裂解温度的升高，生物质炭热水浸提液中的可溶性碳的含量显著降低，浸提液中氮、钙、镁的含量均随着炭化温度的升高而降低。本项目研究发现低温制备的生物质炭浸提液显著促进小白菜的生长。转录组分析结果表明添加生物质炭可溶性组分对小白菜叶片中与细胞壁的形成、稳定以及逆境响应基因的调控作用最为明显。生物质炭可溶性有机物的生物活性意义主要表现为对生物的刺激作用，但部分生物质炭可溶性有机物可能具有一定的潜在毒性风险。进一步研究发现，生物质热解过程中产生的挥发分可冷凝物质类似于生物质炭表面可溶性组分的高度浓缩。研究发现秸秆生物质热解液体产物具有较强的抑菌性，可显著抑制引发小麦赤霉病的禾谷镰刀菌生长和毒素产生，其半最大效应浓度（EC50）为3.1ppm。将秸秆热解液体产物与生物质炭可溶性有机物结合可生产具有生物刺激作用的商品液体肥料，其对不同作物的促生和提质效果优于普通商品液体肥，可实现生物质热解产物和炭的分质与分值利用。本项目通过对生物质炭可溶性组分的生物活性或抑菌物质的组分与形成机制研究，为深刻了解生物质炭的农业与环境效应提供了新的认识，未来将有利于生物质炭产品的优化和炭基液体肥料的研制与应用，也可以避免生物质炭应用的潜在环境风险。