稻田土壤生物质炭生物与非生物氧化特性及其机理研究

Global warming has become one of the most serious and complex environmental development and challenges in the world. Using pyrolysis in combination with a land application of straw biochar could actually draw CO2 from the atmosphere, thereby playing an important role in reducing global warming effects. As one of the main countries for rice production, there are large amounts of straw biomass generated in China every year. However, whether straw pyrolysis combined with biochar application could provides a novel method for Carbon Capture and Sequestration (CCS) depends on biochar stability in paddy soil. So far, there are no direct experimental evidence and theoretical study on it. By using stable isotope labeling approach, laboratory experiment of rice straw derived-biochar will be conducted to study biotic and abiotic oxidation of biochar in flooded paddy soil. In combination of FTIR、XPS、NMR and NEXAFS analysis technologies, changes of biochar morphology, chemical structure, chemical composition and surface chemistry will be investigated in order to clarify the mechanism of biotic and abiotic oxidation and its atability in paddy soil. These results will provide strong theoretical evidence for exploring a new method of CCS in China.

气候变暖已成为全球最严重和复杂的环境与发展挑战。秸秆生物质炭化还田具有锁定和降低大气CO2浓度的功能，有望在人类应对全球气候变化方面发挥巨大作用。我国是水稻生产大国，秸秆废弃物产量巨大。水稻秸秆生物质炭化还田能否成为我国碳捕捉与储存的一条新技术途径直接取决于秸秆生物质炭在淹水稻田土壤生态系统中的稳定性。然而至今缺乏直接的实验证据和相应的理论研究。本项目拟以水稻秸秆制备的生物质炭为试材，通过实验室模拟试验，应用13C稳定态同位素标记技术，分析比较淹水条件下稻田土壤生物质炭生物与非生物氧化特性；通过借助FTIR、XPS、NMR、NEXAFS等微结构分析技术，揭示稻田土壤中生物质炭形貌、化学结构、化学组成、表面化学等特性的变化规律；从而阐明淹水土壤生物质炭生物与非生物氧化特性及其机理，揭示秸秆生物质炭在稻田土壤生态系统中的稳定性，为我国碳捕捉与储存新技术途径的研发提供理论依据。

为应对逐渐加剧的全球气候变暖，碳捕捉与储存技术的研发迫在眉睫。生物质炭化还田技术能将碳长久地封存在土壤中被认为是一种有效的固碳减排途径，而这种技术的核心是生物质炭在土壤生态系统中的稳定性。.本项目以水稻秸秆为对象，研究炭化条件对秸秆生物质炭理化特性的影响，结果表明, 与炭化时间相比，炭化温度对生物质炭的理化性质有显著性影响；500°C制备的水稻秸秆生物质炭即具有高度的芳香化结构，又有较高的pH值，同时富含可利用态磷、钾等养分元素，是固碳减排与土壤改良的理想材料。借助13C稳定态同位素脉冲标记技术，发现生物与非生物氧化对秸秆生物质炭的降解都起着重要作用；低温秸秆生物质炭（350°C）的生物氧化作用更明显，而高温秸秆生物质炭（500°C）生物与非生物氧化的贡献率相当。进一步的采用元素分析、傅里叶变换红外光谱等化学表征手段，发现生物和非生物氧化并未明显改变低温和高温两种秸秆生物质炭的元素组成；生物和非生物氧化都可以降解低温秸秆炭中脂肪族C-H和部分芳香化组分，使低温秸秆生物质炭的热稳定性随培养时间而增强，但生物作用可促进高温秸秆生物质炭的表面氧化。运用双指数模型对秸秆生物质炭在390天培养过程中的矿化作用进行拟合，发现秸秆生物质炭不稳定碳组分在不同类型土壤中的MRT为18-37d，而稳定碳组分的MRT为617-2829年，稳定碳组分的MRT与土壤本底有机碳含量成显著负相关关系。课题相关的研究成果在“Environmental Science & Technology”、“Scientific Reports”和应用生态学报等国内外知名学术杂志发表研究论文12篇，投稿SCI论文1篇；出版中文专著《生物质炭土壤环境效应》1部，参编英文专著2部，申报国家发明专利1项。圆满完成了项目设置的各项考核指标。研究结果可为我国稻田土壤生物质炭固碳减排技术研发与应用提供理论依据。