杉木生物质炭特性及其对土壤碳稳定性影响的研究
随着全球气候变暖的持续加剧，碳减排已成为全球科学家和各国政府共同关注的热点，由于生物质炭具有高度的富碳性和良好的稳定性，将生物质炭与还林相结合，是一种有效的碳捕捉和储存技术。但有研究发现，生物质炭的添加可能会促进土壤中碳的释放，从而降低生物质炭的固碳效应。因此，开展生物质炭进入土壤后对于土壤有机碳库稳定性的影响是评估生物质炭固碳潜力的关键。由于生物质炭和土壤性质的强烈异质性导致了不同性质生物质炭进入土壤后对土壤碳稳定性的影响存在差异，加上外界环境的差异和人为活动的干扰，使得揭示生物质炭对土壤碳稳定性的影响机制更加困难，目前对于生物质炭与土壤有机碳的内在稳定机制之间的关系仍不清楚，成为当前生物质炭应用过程中急需解决的重大课题。 杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方重要的速生用材树种，在杉木采伐和生产利用过程中会产生大量林业废弃物，在理论上，通过高温热解技术将杉木废弃物炭化还林，可以增加土壤碳库，有效缓解由于人类对木材的利用而导致人工林碳流失，最大程度地增加人工林的固碳能力。但目前国内外针对杉木生物质炭理化特性的研究报道极少，特别是杉木生物质炭添加对杉木林土壤有机碳库稳定性的研究更少，有关杉木生物质炭进入土壤后对土壤碳稳定性影响机制之间的关系还不清楚。 有鉴于此，本研究以杉木采伐剩余物制备的生物质炭为研究对象，借助元素测定、傅里叶红外光谱、扫描电镜、Boehm滴定，磷脂脂肪酸等方法，分析杉木不同器官在不同热解条件下形成的生物质炭理化特征，通过建立数学模型，预测评价杉木生物质炭的稳定性和固碳潜力，探讨杉木生物质炭自身的稳定性机制；在此基础上，以福建农林大学莘口教学林场杉木人工林土壤为研究对象，分别从不同性质杉木生物质炭添加对土壤有机碳的矿化和土壤团聚体形成两个方面入手，通过测定杉木生物炭添加后土壤CO2矿化、各碳氮组分以及微生物群落结构和酶活性来揭示生物质炭作为一种特殊的外源碳物质在进入土壤后对土壤有机碳矿化的影响、触发因子以及内在关联机制；探讨不同杉木生物质炭对不同性质DOC的吸附机制，研究不同性质杉木生物质炭添加对不同质地土壤团聚体的稳定性及团聚体中碳的储存与土壤微生物群落之间的关系，探讨杉木生物质炭对土壤团聚体外源有机碳的物理保护作用机制，为我国杉木废弃物还林和林业固碳减排提供科学依据。主要研究结果如下： （1）生物质炭的理化性质和结构特征与其原料来源和热解温度密切相关。杉木不同器官生产的生物质炭的部分理化性质随热解温度的增加表现出相似的变化趋势。随着热解温度的升高（300℃-700℃时），生物质炭产率逐渐下降，pH提高，灰分含量增加，挥发分含量减少，固定碳含量增加，纤维素和半纤维素含量降低。生物质炭的C含量升高，而H含量和O含量降低；且H/C、O/C等原子比、表面含氧官能团数量和生物质炭的DOC含量降低，极性减弱，芳香性和稳定性增强。同一热解条件下杉木不同器官生物炭理化性质之间存在一定差异。由于树皮含有较低的纤维素和半纤维素，在300℃、500℃和700℃条件下生物质炭的产率最高，而树干的产率则最低。由于树枝有较高的木质素含量，杉木树枝生物质炭有更高的C含量和C产率。杉木树叶生物质炭有更高的DOC含量、离子养分含量、阳离子交换量和pH值，因此，杉木生物质炭进入土壤中后有利于改善土壤肥力、缓解土壤酸化。而木质类生物炭则具有较低的碳酸盐含量、较强的芳香性以及更大的比表面积，在碳的封存应用上具有重要意义。 （2）以杉木不同器官生产的生物质炭为原料，利用碱液吸收法测定生物炭在生物培养和非生物培养条件下CO2释放速率，并通过数学模型对生物质炭的半衰期进行预测。结果表明：在300～700℃范围内，随着热解温度的升高，生物质炭的累计矿化量和碳损失降低，稳定性增加。杉木生物质炭在降解初期主要以非生物氧化过程为主，随着热解温度的升高，生物质炭生物降解与非生物降解之间累积矿化量差异逐渐降低。利用一级动力学模型和双指数动力学模型对生物质炭的累积矿化量拟合结果表明：同一热解条件下，树干生物质炭的半衰期最高，其次为树枝生物质炭，而树叶生物质炭则最低。且半衰期随着热解温度的升高而降低。生物质炭的累计矿化量与生物质炭的比表面积、生物质炭C元素、固定碳含量和稳定性碳含量呈极显著负相关性，而与DOC含量、H%、H/C、O/C、(O+N)/C、挥发分、纤维素+半纤维素含量、酸性官能团呈极显著正相关性。培养结束后，无论是生物培养或是非生物培养，生物质炭的总酸性官能团均有不同程度的增加。 （3）为探讨杉木生物炭作为一种特殊的外源碳物质，在添加到土壤后对人工林土壤矿化影响和内在机制，通过90d的室内培养试验，来监测具有较高C产率和稳定性的杉木树枝生物质炭进入杉木人工林土壤后对土壤碳矿化、碳组分变化及微生物群落结构的影响。结果表明：生物质炭单独进入土壤后通过吸附效应迅速降低了土壤中DOC含量，最终迫使微生物群落结构的发生变化从而降低了土壤有机碳的矿化，增加了微生物对碳的利用效率。当土壤中存在凋落物时，微生物优先利用凋落物作为碳源，生物质炭的添加降低了土壤有机碳+凋落物的累计矿化量，但生物质炭的添加促进了凋落物的降解，降低了SOC的矿化。可见，无论土壤中是否存在凋落物，添加生物质炭到土壤中均降低了SOC的累计矿化量和碳损失，增加了土壤SOC含量及其稳定性，在这一过程中，生物炭对DOC的吸附对于降低土壤有机碳矿化和增加土壤碳稳定性有重要影响。这一影响主要发生在热解温度高于500℃的生物质炭处理中。杉木生物质炭对DOC的吸附具有明显的选择性，即生物质炭更容易吸附DOC溶液中的易被微生物利用的脂肪类小分子物质，从而导致剩余DOC溶液中相对稳定的芳香性物质比例增加，分子重量增大，进一步增加了DOC的稳定性，这一选择吸附性可能与生物质炭的比表面积微孔排斥效应密切相关。 （4）为揭示杉木生物质炭添加对杉木人工林土壤团聚体稳定性及有机碳的分布的影响，以两种不同质地（粉砂岩粘质土壤和花岗岩砂质土壤）的杉木人工林土壤为材料，构建了为期180d的分别添加有300℃、500℃和700℃的树叶和树干生物质炭处理的室内培养试验。结果表明：添加生物质炭显著提高了粉砂岩粘质壤土的水稳性团聚体结构和团聚体稳定性，但对花岗岩砂质壤土则无显著影响。其中，树叶生物质炭相较于树干更能刺激土壤团聚体的形成，且低温生物质炭更能刺激土壤团聚体的稳定性。尽管如此，生物质炭添加到两种不同质地的土壤后，均促使更多的碳存在于大团聚体和中团聚体中。两种不同土壤中，生物质炭添加改变了土壤微生物群落结构，影响了土壤pH、电导率和有机碳组成等土壤特征。生物质炭对这些因子的影响可能会同时通过多种复杂的过程最终影响到土壤微生物群落结构和土壤团聚形成，或者生物质炭影响了土壤微生物群落结构进而对土壤团聚体稳定性产生影响。 利用杉木生物质炭进行土壤固碳改良时，生物质炭自身稳定性的提高有利于土壤碳的稳定性。生物质炭对DOC的吸附在避免DOC被微生物利用的情况下迫使微生物群落结构发生改变以提高碳的利用效率，降低CO2释放。生物质炭对DOC的选择吸附性也进一步提高了SOC的稳定性，但这种效应可能更容易在稳定性更好且比表面积更大的高温生物质炭处理中发生。树叶生物质炭相较于树干更能刺激土壤团聚体的形成，增加土壤团聚体的稳定性。可见，由于生物质炭的性质不同导致其在进入土壤后对土壤碳稳定性影响的主导机制存在差异。
人工林;土壤碳库;稳定性;杉木;生物质炭
福建农林大学
博士
林学
马祥庆
2018
中文
S718.554.2
145
2018-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）