生物質(zhì)炭固碳作用及其對土壤溫室氣體排放特征的影響.pdf

1、針對我國當(dāng)前溫室氣體排放量大、固“C”減排壓力任務(wù)重以及農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物的處理與處置不合理等問題，論文采用生物質(zhì)熱解碳化技術(shù)將我國主要農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭并對固“C”潛力進(jìn)行估算；通過添加礦物干預(yù)生物質(zhì)熱解行為以達(dá)到提高生物質(zhì)炭固“C”能力的目的，并借助現(xiàn)代儀器分析手段揭示其影響機(jī)理；研究生物質(zhì)炭輸入土壤后對土壤溫室氣體排放特征影響，并對其影響機(jī)理進(jìn)行探討。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）研究了我國4大類主要糧食作物秸

2、稈（稻草秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈和大豆秸稈）在2種溫度下（350℃和500℃）制備生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)及固“C”能力的差異。500℃制備的生物質(zhì)炭平均產(chǎn)率約30％比350℃制備生物質(zhì)炭的產(chǎn)率低；500℃和350℃制備的生物質(zhì)炭的平均含碳量分別為63.2%和58.3%。500℃和350℃制備生物質(zhì)炭的“C”保留量平均值分別為47.7%和60%。500℃和350℃制備生物質(zhì)炭的重鉻酸鉀氧化損失量平均值為15%和40%，可見，高溫制備的生物質(zhì)炭

3、更加穩(wěn)定?；谏芷谠u價法（LCA）對我國上述4大類主要作物秸稈轉(zhuǎn)化生物質(zhì)炭的生產(chǎn)及輸入土壤過程中緩解溫室效應(yīng)潛力進(jìn)行評估，結(jié)果顯示其溫室效應(yīng)凈潛力為5.62×108 t CO2e·y-1，相當(dāng)于我國6.13%的碳排放量，可見，生物質(zhì)炭固“C”潛力巨大。
　　（2）為了提高生物質(zhì)炭的固“C”能力，開展了添加礦物質(zhì)對生物質(zhì)炭形成過程中“C”保留量及穩(wěn)定性影響的研究。與不添加礦物質(zhì)制備生物質(zhì)炭相比，添加高嶺土和碳酸鈣制備的生物質(zhì)炭的

4、“C”保留量變化較小，但添加磷酸二氫鈣制備生物質(zhì)炭的“C”保留量卻提高了29%。盡管與不添加礦物質(zhì)制備生物質(zhì)炭相比，添加高嶺土制備的生物質(zhì)炭被過氧化氫氧化損失“C”的量略微增加，但添加碳酸鈣和磷酸二氫鈣制備的生物質(zhì)炭被過氧化氫氧化損失“C”的量則分別降低了18.6%和58.5%；3種礦物改性后的生物質(zhì)炭都降低了其重鉻酸鉀氧化損失“C”的量，降幅在0.3%至38.8%之間。此外，3種礦物改性后的生物質(zhì)炭還降低了其微生物礦化損失“C”的量，

5、其中，好氧條件下礦化損失“C”量的降幅在22.2%至88.7%之間，厭氧條件下礦化損失“C”量的降幅在5%至61%之間。生物質(zhì)炭的FTIR和NMR分析表明，礦物質(zhì)是通過改變生物質(zhì)炭“C”組分的分布，提高其芳香化碳組分的比例，增強(qiáng)其抗化學(xué)氧化和微生物氧化的能力?？梢?，通過添加礦物質(zhì)對生物質(zhì)原材料進(jìn)行前處理，達(dá)到了對生物質(zhì)炭進(jìn)行以固“C”為目的的改性設(shè)計(jì)效果。
　?。?）研究了模擬水旱輪作條件下，500℃制備的稻草秸稈生物質(zhì)炭對紅壤溫

6、室氣體排放特征的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)CH4和CO2的排放量且隨著生物質(zhì)炭的添加量的增加而增加，旱作條件下其排放量要大于淹水條件下的排放量。當(dāng)土壤中添加200 mg N?kg-1和5%生物質(zhì)炭時，CH4在旱作條件下和淹水條件下的排放量分別為205μg C?kg-1和7.25μg C?kg-1；和對照相比，CO2在旱作和淹水條件下的排放量分別增加了76.7%和42.8%。然而，生物質(zhì)炭能夠明顯抑制土壤 N2O的排放，并且隨著生物質(zhì)炭的

7、添加量增加而增加。當(dāng)土壤中添加200 mg N?kg-1且添加5%生物質(zhì)炭時，N2O排放量在旱作和淹水條件下分別減少了95.0%和92.7%。綜上，雖然添加5%生物質(zhì)炭促進(jìn)土壤CH4和CO2排放，但和生物質(zhì)炭本身固定“C”的量相比可以忽略；此外，5%生物質(zhì)炭抑制土壤N2O排放效果最好。
　?。?）比較研究了2種秸稈管理方式（稻草秸稈還田和稻草秸稈生物質(zhì)炭還田）對我國5種典型土壤（紅壤、黃綿土、黑土、稻田土及潮土）中溫室氣體排放特征

8、及固碳效率的影響。與對照相比，添加5%的500℃條件下制備的稻草秸稈生物質(zhì)炭減少了5種土壤中4%-40%的CO2排放量和62%-98%的N2O排放量，卻增加了近2倍的CH4排放量。和稻草秸稈生物質(zhì)炭還田結(jié)果相反，稻草秸稈直接還田減少土壤22%-69%的CH4排放量，但卻增加了4-34倍CO2排放量。此外，稻草秸稈還田減少了紅壤和黑土超過80%的N2O排放量，卻增加了黃綿土、水稻土和潮土近14倍的N2O排放量。當(dāng)3種溫室氣體全部標(biāo)準(zhǔn)化為C

9、O2，不同處理之間全球增溫潛勢（GWP）最大為秸稈，其次為350℃下制備的稻草生物質(zhì)炭，相反，在500℃下制備的稻草生物質(zhì)炭減少了土壤溫室氣體排放、促進(jìn)了土壤的碳固定。可見，稻草秸稈轉(zhuǎn)化生物質(zhì)炭后還田是一種有效并且能夠減緩氣候變暖的固體廢棄物管理新方式。
　?。?）研究了稻草秸稈生物質(zhì)炭和牛糞生物質(zhì)炭對紅壤和稻田土壤硝化作用、反硝化作用及N2O排放的影響。生物質(zhì)炭對土壤硝化作用及N2O排放的影響取決于土壤類型和生物質(zhì)炭類型；但2種

10、生物質(zhì)炭對2種土壤的反硝化作用及N2O排放量之間變化趨勢一致，即生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤的反硝化作用卻都降低了N2O的排放。稻草秸稈生物質(zhì)炭和牛糞生物質(zhì)炭添加紅壤14 d后，其反硝化速率分別提高了116%和105%，而N2O的排放量則分別降低了65.0%和99.1%；但其促進(jìn)稻田土壤反硝化速率效果不明顯并且對N2O排放影響也無明顯差異，排放量均在0.2μgN?kg-1?d-1左右?？梢?，生物質(zhì)炭并不是通過抑制土壤反硝化作用來抑制N2O的排放。