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亞熱帶稻田施用生物質炭減排甲烷機制研究取得進展

2019-05-27 亞熱帶農業生態研究所
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  稻田是重要的溫室氣體排放源,其中甲烷(CH4)排放對稻田總溫室效應貢獻在75%以上。稻田排放的CH4占到全球CH4排放的12%,減少稻田CH4排放對減緩全球溫室氣體排放具有重要意義。生物質炭是有機材料在少氧或無氧條件下裂解產生的一類含碳量高、疏松多孔的物質。生物質炭在農田上的施用具有增加土壤碳固持、減少溫室氣體排放、提高土壤肥力和增加作物產量的效果。中國科學院亞熱帶農業生態研究所土壤生態與環境課題組基于前期研究發現,雙季稻田一次性施用生物質炭,能夠顯著增加稻田碳儲量,且在四年內持續降低稻田CH4累積排放達20-51%,并小幅增加水稻產量。然而有關生物質炭降低CH4排放的物理化學及生物學機制卻不清楚。

  為闡明生物質炭降低CH4的物理化學機制,課題組研究人員通過構建基于生物地球化學過程的CH4排放生物物理模型???,并將之與水氮管理模型(WNMM)相結合,較好地模擬了施用生物質炭下稻田CH4排放及環境因子動態。模擬研究結果表明,生物質炭施用改善了土壤通氣性,提高了土壤氧化還原電位,從而降低了甲烷排放。

  針對生物質炭降低CH4排放的微生物學機制是否會隨生物質炭的老化而出現改變這一科學問題,課題組研究人員連續監測了生物質炭施用后4年土壤產甲烷菌和甲烷菌豐度的變化。研究發現,與不施生物質炭的對照處理相比,生物質炭施用第一年,由于生物質炭本身的無機氮和可溶性有機碳的輸入,土壤產甲烷菌和甲烷氧化菌豐度均顯著增加,但產甲烷菌/甲烷氧化菌豐度比值下降;生物質炭施用后的第2-4年,生物質炭處理額外增加的無機氮和可溶性有機碳已耗竭,土壤產甲烷菌豐度顯著下降,甲烷氧化菌豐度變化不顯著,而產甲烷菌/甲烷氧化菌豐度比值仍下降。產甲烷菌和甲烷氧化菌的群落結構也隨生物質炭施用出現了顯著變化。該研究表明生物質炭的老化顯著改變土壤產甲烷菌和甲烷氧化菌的豐度及其群落組成,長期試驗表明生物質炭施用減排稻田CH4的微生物機制主要是因為生物質炭施用后甲烷氧化菌相較于產甲烷菌其活性未受到抑制,從而使得產甲烷菌/甲烷氧化菌豐度比值下降。這些研究成果的取得,為稻田施用生物質炭來進行固碳減排提供了科學依據。

  研究成果發表于Soil Biology & Biochemistry、Agriculture Ecosystems & Environment Environmental Pollution。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會資助。

  論文鏈接:1 2 3 

 

圖1 施用生物質炭稻田CH4累積排放

 

圖2 模型模擬的秸稈和生物質炭還田稻田CH4排放

 

圖3 施用生物質炭后四年內產甲烷菌、甲烷氧化菌豐度及其比值的動態變化

打印 責任編輯:葉瑞優

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