生物炭多孔结构的产甲烷过程微生物固着机制研究

Although the application of biochar could be one of the promising approaches for reducing methane emission in paddy soil, the insight into the effects of biochar on methane emission in paddy soils still controversial. Our previous studies showed that the application of easily degradable substances-removed biochar could still significantly inhibit the methane emission in paddy soil. This intersting phenomenon indicated that biochar might affect the methane emission through the influence of its stable porous structure on colonization and activity of methane producing/oxidation microbes rather than the easily degradable substrances derived from biochar. Further reseach must be cosidered for direct experimental evidence digging and the corresponding mechanism interpretation. Hence, this project intends to find out the effect of different biomass materials (arbor, shrub and herb biomass) and the different carbonization conditions on the porous structure formation and distribution. Further, different pore fractal characteristics of biochars will be prepared for microbe immobilization experiment. Three main mechanisms of microbe immobilizations such as surface adsorption, covalent bonding to carrier, and entrapment in macroporosity will be taken into consideration to explain the relationship between biochar pore fractal structures and colonization of microbes. Finally, a mathmatic modle for assessing the effects of biochar porosity on methane emission in paddy soil will be built up. The aim of this project is to provide certain theory basis for controlling methane emissions from rice paddy soil ecosystem using biochar as a soil conditioner.

生物质炭化还田可能成为应对稻田甲烷排放的重要途径，而生物炭还田对稻田甲烷排放的影响仍存在争议。申请人前期的研究证明生物炭去除其易降解活性物质后，仍可对淹水水稻土的甲烷排放具有显著的抑制作用，推测生物炭可通过自身稳定多孔结构改变产甲烷微生物的生长附着环境进而影响甲烷排放。然而现有的研究缺乏更直接实验证据和相应的机理研究。因此，本项目拟开展不同生物质材料（乔木、灌木和草本植物生物质）和不同炭化条件对生物炭多孔结构形成的影响研究，制备不同来源不同孔径特征的生物炭材料，明确不同孔径结构生物炭对产甲烷及甲烷氧化微生物特异性诱导吸附、共价结合和微生物捕获效应机制，最终通过模型拟合初步阐明生物炭人为输入对稻田甲烷过程的影响机制，从而为生物炭控制稻田土壤生态系统甲烷排放提供理论依据。

本研究选取了竹片、山核桃壳、水稻秸秆、油菜秸秆在300°C、400°C、500°C、600°C、700°C下分别炭化30min、90min、3h、6h制备生物炭，并对各生物炭基本的理化性质如pH、EC、元素组成、官能团组成、大孔结构等进行了较为系统的分析测定，探明不同种类生物炭在不同的条件下的性质变化趋势及其优化条件，并筛选了不同孔隙结构生物炭材料，研究不同性质和孔隙结构的生物炭对土壤甲烷排放的影响。获得的主要结论如下：.（1）通过分析四种生物质材料在不同制备条件的生物炭的性质变化，可知不同生物炭的酸碱性变幅较大，pH值在4.83-9.62之间。水稻及油菜秸秆生物炭同时拥有较高的EC值，而竹片生物炭及山核桃壳生物炭的EC值显著低于秸秆炭。.（2）不同来源生物炭的产率有较大差异，其中水稻及油菜秸秆具有较高的产率，而对于灰分含量较低的竹片和山核桃壳来讲，木质素含量越高，产率越大。生物炭的C、H、O、N等元素含量与原料中元素含量呈正相关关系，且随着炭化温度的升高，碳含量增大，氧含量减小，生物炭的芳香性增强，极性减弱，结构越稳定。生物炭的红外光谱图显示随着炭化温度的升高，生物炭的大多数官能团的吸收峰开始减弱，其中水稻秸秆炭由于较高的Si含量而明显区别于另外三种材料的生物炭。.（3）炭化时间对生物炭性质的影响主要在低温条件。产率及元素组成上，在低温段（300°C~400°C），炭化时间的延长会降低生物炭产率，但在高温条件下（500°C~700°C），炭化时间的延长对产率的影响不大。另外，炭化时间的延长会增大生物炭pH和EC值，对于竹片生物炭及山核桃壳炭表现尤为明显。.（4）将经过水洗处理的生物炭添加到稻田土壤中进行室内培养试验发现，300°C、500°C、700°C下炭化3 h制备的竹片及水稻秸秆炭均能抑制土壤中甲烷的排放，且500°C下制备的竹片生物炭的抑制效果最好，甲烷排放量降低90％。水稻秸秆炭化还田对稻田土壤甲烷排放也具有明显的减排效应（平均降低甲烷排放量59％），且在较低的温度下（300°C）制备的生物炭减排效果优于高温制备的水稻秸秆炭。