不同类型黒碳在土壤中的反应性及其驱动因子

黒碳（Black Carbon）是一种富含碳的有机连续体，碳含量高达70%-80%，主要形成于生物质材料或化石燃料的不完全燃烧。80%的黒碳最终会归于土壤或沉积物，并在土壤总有机碳中占较大比例，是其中最稳定的有机碳组分。因此，黒碳作为一个大而稳定的土壤有机碳库，其增加土壤碳储存、部分抵消由人类活动导致的CO2排放之功能受到特别关注，由此展开的相关研究活动具有特别的意义。本项目通过黒碳制备、土样采集、室内模拟培养、稳定同位素示踪、常规分析、精密仪器测试等试验方法手段，借黒碳参考样品的引入，研究不同类型黒碳的理化性状及其表面反应特征，探求不同类型黒碳对土壤生物与非生物因子的响应性变化，揭示其氧化分解机制，明确黒碳与土壤非黒碳有机质组分之间的相互作用关系。项目的创新点：通过不同黒碳与不同土壤环境因子间的相互响应变化，理解不同黒碳在土壤中的稳定性；以同位素示踪结果证实黒碳在减缓土壤碳循环中的作用。

黑碳或生物炭是指由动植物残体在完全或部分缺氧条件下经裂解炭化产生的一类高度芳香化的、抗分解能力极强的固态物质。生物炭碳含量高并表现出一定的化学惰性，应用于土壤后对土壤碳储量的影响成为近年来的研究热点。生物炭具有固定大气CO2、减少温室气体排放的潜力广受关注。但是也有研究表明，生物炭通过增强土壤微生物活性而促进土壤本体有机质的分解，使得其中的碳以CO2的形式排放到大气中。不同的研究结果说明了生物炭——土壤系统的复杂性与不确定性。土壤类型不同、气候条件的差异以及不同的生物炭制备条件等等因素都会影响生物炭在土壤中的反应性。对某一土壤类型而言，输入相对合适的生物炭，延长其在土壤中的平均留存时间，是发挥生物炭碳汇功能及其土壤调理剂作用的关键。.采用限氧控温炭化法进行生物炭的制备，同时通过生物炭与土壤混合培养试验，借助常规分析、精密仪器测试等试验方法和手段，在了解不同生物炭表面特性及其元素组成的基础上，研究了生物炭输入对土壤理化性状、土壤重金属元素镉有效性变化、土壤有机碳组分、土壤微生物活性等的影响，考察了土壤—生物炭系统CO2的释放规律，并结合稳定同位素技术，基于C4植物及C3土壤δ13C值的差异，辨析CO2释放的来源。.研究表明生物炭基本性状随制备条件和生物质原材料的不同而不同，裂解温度是影响其表面特性的最主要因素。分析优化了生物炭的制备条件，即在生物炭裂解过程中，当将升温速率设定为5℃/min时，保留时间为2h、裂解温度为400℃的条件下，可得到综合性能相对优异的生物炭制品。研究还揭示了不同生物炭在土壤中稳定性的差异与其表面活性基团的种类及数量有关，同时，碳、氢、氧等元素组成比例亦影响生物炭在土壤中的稳定性。生物炭与土壤混合培养结果显示，生物炭输入可提高土壤pH值，也可显著增加土壤有机碳、易氧化态碳、微生物生物量碳的含量、以及土壤阳离子交换量，同时显著减少土壤CO2量的排放。借助稳定同位素技术，明确了培养初期由起始激发效应引起的土壤CO2排放量的约50%是由生物炭中的易氧化态碳引起。同时也证实了生物炭水洗步骤有利于生物炭—土壤系统内碳的保存。研究还表明，生物炭输入增强了土壤对Cd 的固持作用，降低了土壤介质中有效态Cd 的含量。.本研究的创新性主要体现在基于C4植物秸秆生物炭与C3土壤的混合培养试验，揭示了生物炭添加后微生物吸收利用的碳组分来源以及生物炭添加是否对土壤本体