气候变化背景下生物炭对农田土壤环境过程影响的研究

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1、学校代码：10255学号：1109159博士学位论文DonghuaUniversityDoctoralDissertation气候变化背景下生物炭对农田土壤环境过程影响的研究ImpactofBiocharonAgriculturalSoilEnvironmentalProcessesintheContextofClimateChange学科专业：环境科学与工程作者姓名：王道源指导老师：王浩院士，KateM.Scow教授答辩日期：2015年9月17日东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德

2、，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日ii气候变化背景下生物炭对农田土壤环境过程影响的研究摘要生物炭（biochar）是一类由生物质经过缺氧或无氧热解过程制成的富碳材料。将生物炭添加到土壤中被认为是一种低成本、低风险的土壤碳封存方法，以应对全球气候变

3、化。全球气候变化会导致极值天气过程，如长时间干旱和频繁的旱涝交替。本文围绕在气候变化背景下生物炭作为长期的土壤碳封存方法，对农田土壤的水分、农用化学品、土壤有机质、土壤微生物和土壤水稳定性团聚体等的影响开展了一些实验研究，并试图分析生物炭所产生的效应与生物炭本身理化性质、土壤特征、土壤微生物和环境气候条件等之间的相互关联和影响。本文运用压力膜法对不同种类、剂量和粒径的生物炭对两种典型农田土壤的持水能力开展了研究。结果表明，高比表面积的生物炭对砂质土壤的持水能力有显著的提高作用，较大粒径的生物炭（1-2

4、mm）对土壤持水能力的影响大于小颗粒的生物炭。生物炭对于粘土含量较高的土壤的持水能力没有显著影响。高比表面积生物炭对于土壤永久萎蔫点没有显著影响，因此有利于提高土壤植物可利用水。低比表面积的生物炭对土壤持水能力没有显著影响。为了更好地了解生物炭-土壤体系在干燥过程中的水分分布，运用中子成像法研究了砂土-生物炭混合样在自然风干过程中生物炭内部、表面和周边材料的含水率变化情况。结果表明，生物炭在浸润后含水率高于砂土，在混合样品风干过程中，生物炭能够持续向周边材料释放水分。总体上来看，添加生物炭的砂土中水分

5、分布情况为：生物炭内部>生物炭表面>生物炭周边材料。本文选择考察了具有典型表面物理化学特性的5种生物炭以及农田土壤对于3种有代表性的苯脲基除草剂（利谷隆，敌草隆，灭草隆）的吸附作用，考察了生物炭添加对其归趋的影响。大部分吸附等温线能够较好地用Freundlich模型进行描述（R2=0.93-0.97）。吸附参数KF值在不同除草剂间有较大差异（6.94-1306.95mgkg-1），其大小变化为：利谷隆>敌草隆>灭草隆；不同生物炭和土壤之间也有所差异，其大小变化如下：核桃壳生物炭>木质生物炭>火鸡凋落物

6、生物炭>强化生物炭>猪粪生物炭>Yolo粉质壤土。结果表明，生物炭对农用化学品的归趋可能会同时有正面（减少淋溶损失）和负面（降低除草剂的有效性）的影响。在探讨生物炭土壤添加所产生的效应时，应当综合考虑生物炭的表面特性（如碳/氢元素比例和比表面积等）、土壤特征、目标化学品和气候环境iv因子等，从而更好地进行农用化学品的农田管理，从而达到农业效益和环境效益双赢的目标。为了研究生物炭、生物固体（biosolid）在不同水文过程背景下生物炭和生物固体对土壤水可提取有机物的影响，本文运用美国加利福尼亚大学戴维斯

7、分校RussellRanch长期实验站的Yolo粉质壤土，用实验室模拟的方法构建了湿润、干燥和干湿交替的水分条件下，具有0，0.5%，1%（质量百分比，下同）核桃壳生物炭处理和/或0，0.5%，1%生物固体添加处理的为期52周的培育实验。结果表明，生物炭和生物固体都能显著提高土壤水可提取有机物的含量。干燥和干湿交替的土壤水分过程也会增加土壤水可提取有机物。运用碳稳定同位素方法和特定波长紫外吸收法进一步研究了水可提取有机物的来源。结果表明，单位质量核桃壳生物炭比土壤释放更多的水可提取有机碳。在极值水分过

8、程下，生物炭添加处理中检测到更高的水可提取有机碳，核桃壳生物炭可能增加源于土壤有机物的水可提取有机物（52.9-87.9%）。这一影响对土壤生态系统同时具有正面和负面的影响。增加的水可提取有机物有益于土壤微生物群落，然而也增加了土壤有机质流失的风险。在生物炭的田间的实际应用中，生物炭的理化特性和土壤的多样性以及环境气候条件的不确定性都意味着生物炭作为长期的土壤碳封存方法，其对于土壤有机质动力学的影响有待进一步的研究。为了研究在气候变化背景下在不同水文过程