稻田土壤水稻秸秆生物质炭稳定性研究

生物质炭具有高度的化学和生物稳定性,能在环境中存在几百甚至几千年,并对土壤改良起到积极作用。因此,生物质炭化还田有望成为一种极具应用前景的固碳减排技术。本研究以水稻秸秆生物质炭为试材,通过应用稳定碳同位素标记与分析技术,研究了实验室模拟条件下水稻秸秆生物质炭在淹水稻田土壤中的矿化特性及其入土初期的稳定性,并通过元素分析、扫描电镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FTIR)等表征技术,初步探索了淹水稻田土壤中秸秆生物质炭的稳定机理。研究结果可为我国基于秸秆生物质炭化还田的农田生态系统碳固持与储存新技术开发提供基础理论依据。主要研究结果如下： 1、以13C标记水稻秸秆炭为研究对象,研究温室条件下水稻秸秆生物质炭在淹水稻田土壤中的矿化特性及水稻栽培对其降解的影响。结果发现,秸秆生物质炭输入淹水稻田土壤后以极低的速率矿化,在预培养第12天炭的矿化速率为5.9×10-5%d-1；而在水稻种植条件下,水稻和微生物可以通过一定途径利用微量秸秆生物质炭,利用率分别为0.047%和0.0016%。实验结果表明水稻秸秆生物质炭在稻田土壤中生物和非生物降解速率低,具有较高的稳定性。 2、针对稻田土壤水稻秸秆生物质炭矿化特性,应用元素分析、扫描电镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FTIR)等化学表征手段初步探讨了稻田土壤秸秆生物质炭的稳定机理。结果表明,秸秆生物质炭主要组成元素为碳,含量高于60%；秸秆生物质炭在1000℃内热稳定性较高,失重率小于26%,表明秸秆生物质炭中的碳元素具有良好的热稳定性。水稻秸秆生物质炭中的碳主要以不饱和烷烃类(烯烃中的C-H)、脂肪族类(脂肪醚键C-O-C)和芳香化官能团(C=C, C-H)形式存在,培养209天未发现生物和非生物氧化作用对秸秆生物质炭官能团组成和结构具有显著性的影响,表明水稻秸秆生物质炭在淹水稻田中具有良好的化学稳定性。但颗粒态秸秆生物质炭的表面氧化作用相对比较明显,水稻种植可以显著促进秸秆生物质炭表面的氧化反应。此外,土壤矿物质Si、Ca等在秸秆生物质炭表面的附着可能对秸秆生物质炭起到保护作用,从而增强了其在淹水稻田中的稳定性。