外源生物炭在黑土不同粒径团聚体中的分布、转移及其影响

Organic matter content of mollisol has been decreasing continually and soil aggregate structure has been destroyed, which seriously threats food production in Northeast and agricultural sustainable development. Crop straw or other organic material amendment is considered as an effective solution. Derived from pyrolysis of straw at high temperature and low oxygen content, biochar is believed to have huge potential on soil fertility improvement and carbon sequestration. However, it is not clear for the distribution, transformation and effect of the added biochar in soil aggregates. Our project will add 13C labeled biochar to mollisol (straw addition as control) in an incubation and a micro-plot experiment using stable isotope trace technology and aggregate fractionation method, to investigate the following items: (1) to evaluate the effect of biochar addition on soil aggregate amount, composition, and stability, by measuring weight of different size aggregates and calculating the value of mean weight diameter; (2) to reveal the distribution of the added biochar in different size aggregates, by analyzing organic carbon content and differentiating its sources by 13C trace technology; (3) to explore the transformation of the added biochar among different aggregates, by comparing biochar’s distribution at different stages; (4) to compare biochar’s process and effect in mollisol aggregates with straw. These results will provide scientific basement for assessment of influence of biochar amendment on mollisol structure and fertility.

黑土中有机质含量降低和团粒结构破坏，给东北地区粮食高产的可持续性带来了严重威胁，秸秆还田或施用其它有机物料是破解这一难题的有效途径。来源于秸秆高温厌氧炭化的生物炭，在提升黑土有机质方面极具潜力，但施入后在黑土团聚体中的分布、转移及作用过程尚不明晰。本项目拟结合田间微区试验和室内培养，通过向黑土中添加13C标记的生物炭（以添加秸秆作为对照），采用稳定同位素示踪技术和团聚体分级方法，开展以下研究：（1）通过测定不同粒径团聚体的重量和计算平均重量直径，探究添加生物炭对黑土团聚体数量、组成和稳定性的影响；（2）通过测定团聚体中碳含量和利用13C示踪区分其来源，揭示生物炭在黑土不同粒径团聚体中的分布规律；（3）将不同时期的分布规律进行比较，探究生物炭在不同团聚体之间的转移规律；（4）比较生物炭和秸秆碳在黑土团聚体中的分布、转移及其影响的差异。研究结果将为评价施用生物炭对黑土结构和肥力的影响提供依据。

秸秆炭化还田是解决农作物秸秆过剩问题（焚烧）的出路之一。因此，探索玉米秸秆制备的生物炭施用对土壤有机质和土壤结构的影响，比如，添加生物炭会如何影响黑土团聚体的数量、组成和稳定性；生物炭在土壤团聚体中的分布和转移规律如何？等问题，无疑在农业生产和环境保护上均具有很大的潜力。. 本项目选择长期施肥定位试验，采集高肥力（长期施用有机肥）和低肥力（不施肥）土壤，添加13C标记的生物炭（由13C标记秸秆制备而成），设置两个添加比列（C添加量相当于秸秆全量和双倍还田），以添加标记秸秆（等C量）作为对照，开展室内培养试验，得到以下结果：1）与生物炭相比，秸秆处理条件下，大团聚体（>250 μm）数量较多，而粘粉粒（<53 μm）数量较少。这说明，秸秆比生物炭更能促进粘粉粒胶结变成大团聚体；2）在培养前期，添加秸秆会增加土壤团聚体稳定性，培养后期，团聚体稳定性会又会下降；添加生物炭对团聚体稳定性基本无影响。这预示着，添加秸秆对土壤结构具有改善作用，但这种改善作用具有一定的时效性（100~200天），而添加生物炭几乎不影响土壤结构。3）秸秆来源的碳和氮进入到各级团聚体中的数量都大于生物炭。相反，生物炭来源的碳氮进入到微生物生物量和可溶性有机质数量却远高于秸秆。以上研究结果可为秸秆或其炭化还田对土壤结构和肥力的改善提供科学指导。