首页 > 分享 > 生物炭在缓解互花米草化感胁迫和调控盐沼土壤碳汇中的应用

生物炭在缓解互花米草化感胁迫和调控盐沼土壤碳汇中的应用

花匠小妙招
2025-05-08 21:20

1.本发明属于生物质资源化利用技术领域，具体涉及生物炭在缓解互花米草化感胁迫和调控盐沼土壤碳汇中的应用。

背景技术：

2.盐沼湿地具有很高的固碳能力，同时土壤能够捕获和储存大量的碳，其土壤碳埋藏速率为(218
±
24)g
·
m-2
·
a-1
，比森林生态系统高40倍左右。据估算，我国蓝碳生态系统的碳年埋藏量为0.349～0.835tg，其中盐沼湿地约占80％，远高于红树林和海草床，是我国蓝碳碳汇的主要贡献者。互花米草原产于美国大西洋沿岸，隶属禾本科米草属，属多年生根茎型草本植物，20世纪80年代被引入我国，由于抗逆性和繁殖能力强，在我国沿海地区大肆蔓延，不断侵占本土植物的生存空间，影响了滩涂养殖，导致水质下降，诱发赤潮，破坏近海生物栖息环境，严重影响盐沼生态功能，造成盐沼大面积退化等。因此如何恢复退化的盐沼湿地及其碳汇功能是当前的迫切需要，这对增强盐沼湿地生态价值和生态功能，缓解气候变化具有重要意义。
3.生物炭是生物有机质在厌氧或无氧条件下经热解制备而成的富碳材料，具有比表面积大、孔隙发达、稳定性强等特点。生物炭在土壤改良、农业生产、污染治理、固碳减排等方面都有广泛应用，如公开号为cn104016512a的中国专利文献公开了一种利用互花米草基生物炭处理含铜废水的方法，该方法在二氧化碳气氛下制备互花米草基生物炭，利用二氧化碳的气化作用，提升互花米草基生物炭的空隙结构和比表面积，抑制生物炭内部无机碳酸盐的分解，从而提高互花米草基生物炭对金属铜的吸附容量；公开号为cn106717229a的中国专利文献公开了一种利用农作物秸秆、修剪掉的树枝、动物粪便有机生物质炭化后制得的生物炭提高竹林固碳增汇能力的方法，该方法针对性地设计生物炭施用方法和配套管理措施，用以改良和培肥竹林林地土壤及提高土壤生产力，起到了增汇减排的作用；此外，现有技术报道，应用于土壤的生物炭可以改变土壤物理化学性质，如导电性、ph值、养分循环、阳离子交换容量等。
4.考虑到生物炭在土壤功能修复方面表现出的巨大潜力，可以将生物炭应用于盐沼的生态修复中。

技术实现要素：

5.本发明提供了生物炭在缓解互花米草化感胁迫和调控盐沼土壤碳汇中的应用，生物炭的原料来源广泛，制备方法简单，不仅可以减缓互花米草化感物质对其他盐沼植物生长的抑制作用，提高盐沼植物的多样性，还可以提高盐沼土壤的固碳能力，降低盐沼土壤的温室气体排放量，实现生物质资源的可持续利用。
6.具体采用的技术方案如下：
7.本发明提供了生物炭在缓解互花米草化感胁迫和调控盐沼土壤碳汇中的应用。
8.化感物质是植物分泌的次生代谢物质，如黄酮类化感物质等，植物通常会通过茎、叶、根向空气或土壤中释放化感物质，影响周围植物的生长，互花米草具有较强的化感作用，发明人在研究过程中发现了生物炭能够缓解互花米草化感胁迫，也即减缓互花米草化感物质对其他盐沼植物生长的抑制作用，促进其他盐沼植物生长；此外，生物炭还能够提高盐沼土壤固碳增汇效果，且作用时间长。
9.优选的，所述生物炭为互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭。互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭兼具缓解互花米草化感胁迫和提高盐沼土壤固碳增汇的作用，且其对盐沼土壤的固碳增汇效果明显高于浒苔基生物炭等。
10.所述互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭的制备方法为：取互花米草或玉米秸秆，洗净，烘干后研磨过筛，再于厌氧条件下热解，制备得到互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭。
11.优选的，所述热解温度为400～700℃，时间为1～2h；上述热解参数能够保证生物炭的产率，温度过高导致灰分过多，产率降低。
12.热解的气氛以及条件不同，会导致生物炭的碳含量、灰分含量、比表面积等，本发明在厌氧条件，400～700℃的热解温度下制得的互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭组分稳定，非常适用于盐沼生态功能修复。
13.进一步优选的，热解温度为600℃。
14.优选的，互花米草或玉米秸秆在洗净，烘干，研磨后过50～80目筛网。
15.进一步优选的，烘干温度为40℃，时间为48h～96h。
16.优选的，所述应用方式为：将互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭加入到盐沼土壤中，施加量为0.1～5g/100g。
17.考虑到互花米草中含有一定的盐分，添加过量将会影响其他盐沼的生长，互花米草基生物炭的施加量优选为0.1～3g/100g。
18.玉米秸秆溶解有机质含量较高，能为土壤提供养分，玉米秸秆基生物炭的施加量优选为3～5g/100g。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.(1)本发明利用易于获得的玉米秸秆或外来入侵物种互花米草制备生物炭，利用制得的生物炭来修复盐沼湿地，不仅可以减缓互花米草化感物质对其他盐沼植物生长的抑制作用，提高盐沼植物的多样性，还可以提高盐沼土壤固碳增汇效果，显著增加盐沼土壤tc和toc含量，降低盐沼土壤温室气体累积排放量；同时实现了生物质资源的高效利用；在生物质资源可持续利用、增强盐沼湿地生态价值和生态功能，缓解气候变化方面具有重要意义。
21.(2)本发明通过对互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭进行老化实验，得到老化百年的生物炭，证明了互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭在提高盐沼土壤固碳增汇方面具有稳定长期的作用效果。
附图说明
22.图1为实施例1和实施例2中各处理组的总碳tc和总有机碳toc含量测试结果图，其中，a为总碳tc，b为总有机碳toc，a、b和c表示5％水平上具备显著性差异。
23.图2为实施例1和实施例2中各处理组的温室气体累积排放量和全球增温潜势测试结果图，其中，a为co2累积排放量，b为ch4累积排放量，c为n2o累积排放量，d为全球增温潜势。
具体实施方式
24.下面结合实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
25.(1)采集互花米草和玉米秸秆，洗净后在40℃条件下烘干72h；将烘干的生物质研磨粉碎，过50～80目筛网，利用马弗炉在600℃条件下热解分别制备成互花米草基生物炭和玉米秸秆基生物炭；
26.(2)将制得的互花米草基生物炭和玉米秸秆基生物炭通过5％双氧水氧化，分别得到老化百年的互花米草基生物炭和玉米秸秆基生物炭，将制备好的生物炭过50～80目筛网备用；
27.(3)采集杭州湾盐沼湿地0～20cm土壤，过1～2mm筛网，40℃条件下烘干，在黑暗环境中恒温(25℃)预培养1周；土壤、互花米草基生物炭、玉米秸秆基生物炭以及老化后的互花米草基生物炭和玉米秸秆基生物炭的理化性质如表1所示。
28.表1各种生物炭、土壤的理化性质
[0029][0030]
实施例1
[0031]
取装有150g盐沼土壤(干重，通常盐沼土壤孔隙水体积占土壤27％-30％)的玻璃瓶若干，将3％(w/w，即3g/100g)互花米草基生物炭和老化互花米草基生物炭分别加入其中，共设置3个处理组：(1)ck：对照组，不添加任何生物炭；(2)sbc：添加互花米草基生物炭；(3)osbc：添加老化互花米草基生物炭；每个处理组设置7个平行，其中3个平行用来采集土壤，测定土壤碳组分含量，4个平行用来收集气体，测定温室气体排放量。在人工气候培养箱进行培养，实验过程保持温度25℃，光照强度为4800lux(光照时长为12h)，盐沼土壤含水量
保持27％(最大持水量的70％)，每2天补充一次水分。
[0032]
在培养期的第1、7、15、30、60天采集土壤样品，利用元素分析仪测定总碳(tc)和总有机碳(toc)含量。在培养期的第1、3、5、7、10、15、20、30、60天的密封前和密封玻璃瓶24h后各采集气体1次，利用气相色谱测定co2、ch4和n2o浓度，计算co2、ch4和n2o累积排放量和全球增温潜势(gwp)，计算公式如式(1)～(3)(请补充计算公式)。实验周期为60天。
[0033][0034]
式(1)中，f为气体排放速率，单位为mg
·
g-1
·
h-1
或μg
·
g-1
·
h-1
；ρ为标准状态下的气体密度，单位为g
·
l-1
；是单位时间内气体浓度变化率，单位为ppm
·
h-1
；t为玻璃瓶内的温度，单位为℃；v为玻璃瓶上部气体体积，单位为l；m为土壤干重，单位为kg。
[0035][0036]
式(2)中，s为培养期间气体累积排放量，单位为mg
·
g-1
；f
i+1
为本次实验采集气体的排放量，单位为mg
·
g-1
·
h-1
；fi为上一次采集气体的平均排放通量，单位为mg
·
g-1
·
h-1
；t
i+1
‑‑
ti为本次采集气体与上次采集气体的间隔天数，单位为d。
[0037]
gwp＝s(co2)+265
×
s(n2o)+28
×
s(ch4)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0038]
式(3)中，gwp为全球增温潜势，单位为mg
·
g-1
；s(co2)为co2累积排放通量，单位为mg
·
g-1
；s(n2o)为n2o累积排放通量，单位为mg
·
g-1
；s(ch4)为ch4累积排放通量，单位为mg
·
g-1
。
[0039]
实验结果表明，施用互花米草基生物炭和老化互花米草基生物炭显著增长了盐沼土壤tc和toc含量(图1中的a和b)。与对照组相比，sbc和osbc处理组的tc含量分别增长了157.2％、150.1％。sbc和osbc处理组的toc含量相比于对照组增长了516.8％、519.6％；且施用互花米草基生物炭和老化互花米草基生物炭降低了盐沼土壤温室气体累积排放量(图2中的a、b和c)，与对照组相比，sbc和osbc处理组的gwp分别降低了110.4％、4.9％(图2中的d)。
[0040]
实施例2
[0041]
实施例2与实施例1的区别仅在于，将玉米秸秆基生物炭和老化玉米秸秆基生物炭加入至盐沼土壤中，其余处理参数和过程均相同。
[0042]
实验结果表明，施用玉米秸秆基生物炭和老化玉米秸秆基生物炭显著增长了盐沼土壤tc和toc含量(图1中的a和b)。与对照组相比，cbc和ocbc处理组的tc含量分别增长了180.9％、171.4％。cbc和ocbc处理组的toc含量相比于对照组增长了573.1％、591.0％。施用玉米秸秆基生物炭和老化玉米秸秆基生物炭降低了盐沼土壤温室气体累积排放量(图2中的a、b和c)，与对照组相比，cbc和ocbc处理组的gwp分别降低了94.3％、93.9％(图2中的d)。
[0043]
实施例3
[0044]
将烘干后的互花米草剪成1～2cm的小段，研磨成粉末，过50～80目筛网，加入放有蒸馏水的密闭容器，40℃条件下水浴加热24h，配置得到40g/l浸提液，利用0.45μm滤膜将浸提液过滤两次备用；该互花米草浸提液中含有丰富的互花米草化感物质。
[0045]
选取大小均匀的碱蓬种子经0.5％高锰酸钾消毒后，晾干备用，每个培养基摆放30粒碱蓬种子。将3％、0.3％(w/v，g/ml)的互花米草基生物炭与玉米秸秆基生物炭分别与互花米草浸提液混合，在25℃、300r/min条件下震荡2h，利用0.45μm滤膜将混合液过滤两次。设置5个处理组：(1)ck：加互花米草浸提液；(2)sbc3％：加互花米草浸提液和3％互花米草基生物炭；(3)sbc0.3％：加互花米草浸提液和0.3％互花米草基生物炭；(4)cbc3％：加互花米草浸提液和3％玉米秸秆基生物炭；(5)cbc0.3％：加互花米草浸提液和0.3％玉米秸秆基生物炭。每个处理组加入20ml培养液，设置3个重复，培养过程温度保持25℃，光照强度为4800lux，设置12h光照，12h黑暗。每24h记录发芽数，以连续5天不再有新种子发芽作为实验结束的标记。
[0046]
实验结果表明，与对照组相比，sbc3％、sbc0.3％、cbc3％、cbc0.3％处理组的萌芽率分别提高了7.2％、32.2％、57.2％、17.9％，证明互花米草基生物炭或玉米秸秆基生物炭在缓解互花米草化感胁迫方面具有优异的效果。
[0047]
以上所述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。