自然和人为添加生物质炭对土壤腐殖质碳和黑碳的影响

发布时间：2017-07-27 15:09

  本文关键词：自然和人为添加生物质炭对土壤腐殖质碳和黑碳的影响

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【摘要】：生物质炭是土壤有机碳稳定性碳库的组成部分。自然土壤中黑碳的最重要来源是森林和草原大火或火耕。近年来,向土壤中添加生物质炭已成为人类应对全球气候变化的一条重要途径。黑碳不仅可以增加土壤碳量、改善土壤性质、促进土壤团聚体的形成、增加土壤养分、促进植物生长、增加产量和刺激微生物活动,而且在全球碳循环、温室气体排放和环境污染修复中发挥重要作用。目前关于生物质炭添加后对土壤系统中腐殖质碳和土壤黑碳的影响还甚少,特别是将自然和人为添加2种条件进行对比研究的基本没有。因此,本论文以土壤黑碳和土壤腐殖质碳为研究对象,应用热化学氧化法、元素组成分析、红外光谱、差热和热重分析、核磁共振波谱、同位素比值质谱等技术手段,较为系统的研究了自然(森林火灾)和人为添加生物质炭(培养试验、盆栽试验、埋置试验和大田试验)2种条件下,生物质炭的添加对土壤黑碳和土壤腐殖质碳数量和结构特征的影响以及添加的生物质炭在土壤有机碳和炓碳中的分配规律,获得了有关玉米秸秆生物质炭添加对土壤腐殖质碳和土壤黑碳影响的基础资料。主要研究结果如下:(1)玉米秸秆生物质炭与土壤黑碳之间存在较明显的差异,具有C元素含量高,缩合度大的特点。玉米秸秆生物质炭C元素含量为797.0g·kg-1,而土壤黑碳C元素含量在350.0~716.5g·kg-1;与土壤黑碳相比,玉米秸秆生物质炭的脂族链烃和羧基含量较少,而芳香碳含量较高,缩合度较大。(2)添加生物质炭对土壤基本性质和作物产量均有一定的影响。自然条件下,生物质炭添加对土壤pH值影响不大,但土壤有机质含量呈下降趋势,这主要是森林火灾(重度火烧)直接消耗土壤有机碳,严重损坏了森林生态系统的植被和微生物群落,破坏了土壤C循环系统;人为条件下,生物质炭添加可显著提高土壤pH值和有机质含量。此外,按照48t·ha-1的用量添加玉米秸秆生物质炭,对水稻增产没有促进作用,对小麦增产有一定的作用,但效果不明显。(3)土壤添加生物质炭后,对土壤腐殖质组分含量和胡敏酸(HA)缩合度有一定的影响。自然条件下,促使土壤腐殖质组分有机碳含量和PQ值降低;人为条件下,促进土壤腐殖质组分有机碳含量和PQ值提高。此外,添加生物质炭后,土壤HA的C元素含量增加,缩合度增加,土壤HA的脂族链烃和羧基含量较少,而芳香碳含量较高。(4)土壤添加生物质炭后,土壤黑碳含量和缩合度增加。与CK(未添加生物质炭)相比,土壤黑碳含量随时间和施用量的增加而增加,大田试验中土壤炓碳含量由3.54g·kg-1增加到14.71 g·kg-1,增加幅度最大;通过对土壤炓碳结构特征的研究发现:与CK相比,土壤炓碳的C元素含量和缩合度增加,脂族链烃和羧基含量减少,芳香碳含量增加,疏水性增加,分子结构变复杂,稳定增强。(5)添加生物质炭后,土壤有机碳和土壤炓碳δ13C值增加;随时间和施用量的增加,来源C4植物土壤有机碳和炓碳的含量和更新比例增加,来源C3植物有机碳和炓碳的含量不减少,而更新比例δ13C却降低;土壤有机碳周转比土壤炓碳周转慢,来源C3植物土壤有机碳和炓碳的年周转速率分别为0.1221%和0.2775%。
【关键词】：森林火灾 玉米秸秆生物质炭 腐殖质碳 土壤黑碳 转化
【学位授予单位】：吉林农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S714
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 前言13-24
• 1.1 研究背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-22
• 1.2.1 土壤黑碳研究现状及发展动态14-19
• 1.2.2 腐殖质碳的研究19
• 1.2.3 土壤黑碳与腐殖质碳转化关系的研究19-20
• 1.2.4 稳定同位素方法在土壤有机质研究中的应用20-22
• 1.3 研究内容和创新点22-24
• 1.3.1 研究内容22-23
• 1.3.2 创新点23-24
• 第二章 土壤黑碳的提取方法24-33
• 2.1 材料与方法25-30
• 2.1.1 供试土壤25-27
• 2.1.2 试验设计27-29
• 2.1.3 土壤样品测试与分析方法29
• 2.1.4 数据处理29-30
• 2.2 结果与分析30-31
• 2.2.1 酸处理时间对土壤黑碳中间产物含量的影响30-31
• 2.2.2 化学氧化药品数量和试验温度对土壤黑碳含量的影响31
• 2.3 讨论31-32
• 2.3.1 酸处理对土壤BC含量的影响31-32
• 2.3.2 化学氧化处理对土壤BC含量的影响32
• 2.4 小结32-33
• 第三章 玉米秸秆生物质炭与土壤黑碳结构性质的比较33-42
• 3.1 材料与方法34-37
• 3.1.1 供试土壤和生物质炭34-36
• 3.1.2 样品测试与分析方法36-37
• 3.1.3 数据处理37
• 3.2 结果与分析37-40
• 3.2.1 元素组成比较37-38
• 3.2.2 红外光谱比较38
• 3.2.3 核磁共振波谱比较38-40
• 3.2.4 同位素比值（δ~(13)C值、δ~(15)N值）比较40
• 3.3 讨论40-41
• 3.3.1 生物质炭和土壤黑碳的结构特征差异40-41
• 3.3.2 生物质炭和土壤黑碳的 δ~(13)C值差异41
• 3.4 小结41-42
• 第四章 添加生物质炭对土壤性质和作物产量的影响42-56
• 4.1 材料与方法42-45
• 4.1.1 供试土壤和生物质炭42-43
• 4.1.2 试验设计43-44
• 4.1.3 土壤样品测试与分析方法44
• 4.1.4 数据处理44-45
• 4.2 结果与分析45-53
• 4.2.1 自然添加生物质炭对土壤理化性质的影响45-46
• 4.2.2 人为添加生物质炭对土壤理化性质的影响46-52
• 4.2.3 人为添加生物质炭对作物产量的影响52-53
• 4.3 讨论53-55
• 4.3.1 自然添加生物质炭对土壤性质的影响53-54
• 4.3.2 人为添加生物质炭对土壤性质和作物产量的影响54-55
• 4.4 小结55-56
• 第五章 添加生物质炭对土壤腐殖质碳组分和胡敏酸结构特征的影响56-70
• 5.1 材料与方法57-58
• 5.1.1 供试土壤和生物质炭57
• 5.1.2 试验设计57
• 5.1.3 土壤样品测试与分析方法57
• 5.1.4 数据处理57-58
• 5.2 结果与分析58-67
• 5.2.1 生物质炭对土壤腐殖质碳组分的影响58-61
• 5.2.2 生物质炭对土壤胡敏酸结构特征的影响61-67
• 5.3 讨论67-69
• 5.3.1 对土壤腐殖质碳组成的影响67-68
• 5.3.2 对土壤胡敏酸结构特征的影响68-69
• 5.4 小结69-70
• 第六章 添加生物质炭对土壤黑碳含量的影响70-85
• 6.1 材料与方法70-71
• 6.1.1 供试土壤和生物质炭70-71
• 6.1.2 试验设计71
• 6.1.3 土壤样品测试与分析方法71
• 6.1.4 数据处理71
• 6.2 结果与分析71-83
• 6.2.1 自然添加生物质炭对土壤黑碳含量的影响71-73
• 6.2.2 人为添加生物质炭对土壤黑碳含量的影响73-83
• 6.3 讨论83-84
• 6.3.1 森林火灾对土壤黑碳数量的影响83-84
• 6.3.2 人为添加生物质炭对土壤黑碳数量的影响84
• 6.4 小结84-85
• 第七章 添加生物质炭对土壤黑碳结构特征的影响85-108
• 7.1 材料与方法86
• 7.1.1 供试土壤和生物质炭86
• 7.1.2 试验设计86
• 7.1.3 土壤样品测试与分析方法86
• 7.1.4 数据处理86
• 7.2 结果与分析86-106
• 7.2.1 自然添加生物质炭对土壤黑碳结构特征的影响86-91
• 7.2.2 人为添加生物质炭对土壤黑碳结构特征的影响91-106
• 7.3 讨论106-107
• 7.3.1 森林火灾对土壤黑碳结构特征的影响106
• 7.3.2 人为添加生物质炭对土壤黑碳结构特征的影响106-107
• 7.4 小结107-108
• 第八章 用 δ~(13)C方法研究生物质炭在土壤有机碳和土壤黑碳中的分配规律108-120
• 8.1 材料与方法108-110
• 8.1.1 供试土壤和生物质炭108-109
• 8.1.2 试验设计109
• 8.1.3 土壤样品测试与分析方法109-110
• 8.1.4 数据处理110
• 8.2 结果与分析110-118
• 8.2.1 土壤有机碳和土壤黑碳的 δ13C值110-112
• 8.2.2 土壤有机碳和土壤黑碳的来源112-117
• 8.2.3 土壤有机碳和土壤黑碳的周转117-118
• 8.3 讨论118-119
• 8.3.1 土壤有机碳和土壤黑碳的同位素分异118
• 8.3.2 土壤有机碳和土壤黑碳的更新比例118-119
• 8.3.3 土壤有机碳和土壤黑碳周转时间119
• 8.4 小结119-120
• 第九章 添加生物质炭对土壤和土壤黑碳 δ~(15)N的影响120-125
• 9.1 材料与方法120-121
• 9.1.1 供试土壤和生物质炭120
• 9.1.2 试验设计120
• 9.1.3 土壤样品测试与分析方法120-121
• 9.1.4 数据处理121
• 9.2 结果与分析121-123
• 9.2.1 不同条件下 δ~(15)N值的变化121-122
• 9.2.2 δ~(15)N值相关性分析122-123
• 9.3 讨论123-124
• 9.4 小结124-125
• 第十章 结论和展望125-126
• 10.1 结论125
• 10.2 展望125-126
• 参考文献126-137
• 作者简介137-138
• 致谢138

【共引文献】

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1 刘学炎;肖化云;刘丛强;李友谊;;碳氮稳定同位素指示苔藓生境特征以及树冠对大气氮沉降的吸收[J];地球化学;2007年03期

2 杨放;李心清;王兵;程建中;;生物炭在农业增产和污染治理中的应用[J];地球与环境;2012年01期

3 郑云普;赵建成;张丙昌;徐明;梁红柱;李敏;;不同理化因子对荒漠生物结皮中三种蓝藻生长的影响[J];干旱地区农业研究;2010年01期

4 吴鹏豹;解钰;漆智平;吴蔚东;;生物炭对花岗岩砖红壤团聚体稳定性及其总碳分布特征的影响[J];草地学报;2012年04期

5 徐杰;敖艳青;张t熛，

本文编号：582015