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全球变暖是当前人类共同面临的严峻挑战，生物炭在土壤固碳减排方面具有突出优势，那么何种生物炭更适于固碳增汇、何种生物炭更适于土壤改良？何种生物炭在土壤固碳减排方面具有更好的应用潜力？生物炭对土壤改良和作物增产的作用机制及机理是什么？联盟单位浙江省生物炭工程技术研究中心就这些问题进行了系列探索研究，并取得了一系列研究进展…… 01当前农作物秸秆的处理处置仍然缺乏有效手段与技术，如何高效、生态、有效处理并资源化利用成为迫切需要解决的问题，已经成为农民和政府的心头大患，焚烧和堆置都会导致环境污染，而传统的秸秆还田方式容易对下茬作物造成不良影响。开发利用农作物秸秆资源，对于提高农业综合效益、保护生态环境、实现美丽乡村建设具有重要的战略意义。另一方面，随着近年来生猪养殖规模的增大，种植业畜禽粪便污染治理形势日益严峻，与规模发展持续生态养殖的矛盾日益突出，猪粪等为主的畜禽粪便处理处置问题成为制约生态养殖的瓶颈。 浙江省生物炭工程技术研究中心一直致力于农林废弃生物质的炭化技术研究与应用。该团队以水稻秸秆和猪粪作为原料，探索两种典型炭化工艺（干热裂解和水热炭化）类型以及不同温度条件对生物炭碳素稳定性、表面官能团和矿物组分等的影响及其变化规律，明确了不同种类生物炭的功能特性及应用潜力。研究证实：稻秆炭更适于固碳增汇，而稻秆炭和猪粪炭都可用作土壤改良。该研究结果为制备性质差异化功能生物炭研发及其应用提供了理论依据与技术支撑，也为解决水稻秸秆等农业废弃生物质和猪粪等畜禽养殖废弃物的处理处置难题提供了新思路（该研究成果已在《Bioresource Technology》期刊发表，论文第一作者刘玉学副研究员，通讯作者杨生茂研究员，一区Top，5年IF=5.978。
图1 水稻秸秆和猪粪经不同炭化工艺及温度条件制备生物炭
图2 不同生物炭的元素分析和灰分含量 02作为陆地生态系统最大的有机碳库，土壤碳库及其储量变化在全球碳循环过程中发挥着极其重要的作用。在积极应对全球气候变化的过程中，通过土壤固碳以减少温室气体的排放是主要手段之一。 我国农田土壤有机碳（SOC）密度低，具有较大的固碳减排空间。作为一种孔隙结构发达、碳含量高且稳定性强的新型功能材料，生物炭在土壤固碳减排方面具有突出优势，并对土壤有机碳周转产生重要影响，相关研究一直受到国内外广泛关注。 该团队通过室内培养试验检测不同添加量（1%、2%和5%）的三种生物炭（稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭）对土壤CO2排放的影响，探索生物炭对土壤有机碳矿化的影响及其变化规律。研究发现，生物炭对土壤本底有机碳的降解具有负激发效应，即生物炭可抑制有机碳的分解，且该抑制效应的强弱与生物炭的制备原料和添加量直接相关。5%竹炭和5%稻壳炭的负激发效应（抑制率分别为88.8%和85.4%）显著大于5%山核桃壳炭（72.3%），表明竹炭和稻壳炭在土壤固碳减排方面具有更好的应用潜力。这主要是由于竹炭和稻壳炭具有更为发达的孔隙结构和较大的比表面积，因而其对SOC产生的封闭作用和吸附保护作用相对较强。 该研究结论对于有机碳含量低的瘠薄土壤的地力提升具有非常重要的现实意义（该研究成果已在《Land Degradation & Development》期刊作为封面文章发表，第一作者刘玉学副研究员，通讯作者杨生茂研究员，一区Top，IF=7.270。文章链接：https://doi.org/10.1002/ldr.3147）。
图3 生物炭通过自身孔隙结构对土壤有机碳的封闭作用和吸附保护作用
图4 生物炭对土壤有机碳的激发效应（RH：稻壳炭，PS：山核桃壳炭，BB：竹炭） 03土壤有机碳是影响土壤肥力和作物产量的最关键因子。生物炭在提升土壤有机碳的同时，对存在障碍因子的土壤改良和作物增产也起到基础性的作用。为了指导农业生产实践，该团队通过多年的田间试验开展了生物炭在障碍农田应用效果及其农学效应研究，证实了添加水稻秸秆生物炭对土壤质量提升和作物（例如：水稻、油菜、小青菜等）增产的积极作用，并从两个角度揭示了生物炭在冷浸田上应用及增产的作用机理。一是生物炭通过自身热力学和持水特性调节土壤温度，降低5 cm土层温度昼夜变化的幅度，克服低温的影响，促进作物生长（该研究成果已在《Soil & Tillage Research》期刊发表，第一作者刘玉学副研究员，通讯作者杨生茂研究员，一区Top，5年IF=3.968。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.still.2018.04.008）。 二是生物炭将自身携带的有效养分（如P、K等）带入土壤，并通过其独特发达的孔隙结构吸附固持土壤养分，减少养分流失，提高肥料利用率，从而提升土壤肥力（该研究成果已在《Field Crops Research》期刊发表，第一作者刘玉学副研究员，通讯作者杨生茂研究员，一区Top，5年IF=3.967。）。该研究对于生物炭在改良土壤和促生增产方面的应用提供了科学依据和理论支撑。
图5 生物炭在不同时期对冷浸田5 cm土层土壤温度的影响
图6 生物炭对冷浸田土壤质量和水稻产量的影响-田间试验照片 （编辑：Wendy） |
