论文部分内容阅读
针对我国当前温室气体排放量大、固“C”减排压力任务重以及农业生物质废弃物的处理与处置不合理等问题,论文采用生物质热解碳化技术将我国主要农作物秸秆生物质热解转化为生物质炭并对固“C”潜力进行估算;通过添加矿物干预生物质热解行为以达到提高生物质炭固“C”能力的目的,并借助现代仪器分析手段揭示其影响机理;研究生物质炭输入土壤后对土壤温室气体排放特征影响,并对其影响机理进行探讨。主要研究结果如下:（1）研究了我国4大类主要粮食作物秸秆（稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆和大豆秸秆）在2种温度下（350℃和500℃）制备生物质炭的基本性质及固“C”能力的差异。500℃制备的生物质炭平均产率约30%比350℃制备生物质炭的产率低;500℃和350℃制备的生物质炭的平均含碳量分别为63.2%和58.3%。500℃和350℃制备生物质炭的“C”保留量平均值分别为47.7%和60%。500℃和350℃制备生物质炭的重铬酸钾氧化损失量平均值为15%和40%,可见,高温制备的生物质炭更加稳定。基于生命周期评价法（LCA）对我国上述4大类主要作物秸秆转化生物质炭的生产及输入土壤过程中缓解温室效应潜力进行评估,结果显示其温室效应净潜力为5.62×108 t CO2e·y-1,相当于我国6.13%的碳排放量,可见,生物质炭固“C”潜力巨大。（2）为了提高生物质炭的固“C”能力,开展了添加矿物质对生物质炭形成过程中“C”保留量及稳定性影响的研究。与不添加矿物质制备生物质炭相比,添加高岭土和碳酸钙制备的生物质炭的“C”保留量变化较小,但添加磷酸二氢钙制备生物质炭的“C”保留量却提高了29%。尽管与不添加矿物质制备生物质炭相比,添加高岭土制备的生物质炭被过氧化氢氧化损失“C”的量略微增加,但添加碳酸钙和磷酸二氢钙制备的生物质炭被过氧化氢氧化损失“C”的量则分别降低了18.6%和58.5%;3种矿物改性后的生物质炭都降低了其重铬酸钾氧化损失“C”的量,降幅在0.3%至38.8%之间。此外,3种矿物改性后的生物质炭还降低了其微生物矿化损失“C”的量,其中,好氧条件下矿化损失“C”量的降幅在22.2%至88.7%之间,厌氧条件下矿化损失“C”量的降幅在5%至61%之间。生物质炭的FTIR和NMR分析表明,矿物质是通过改变生物质炭“C”组分的分布,提高其芳香化碳组分的比例,增强其抗化学氧化和微生物氧化的能力。可见,通过添加矿物质对生物质原材料进行前处理,达到了对生物质炭进行以固“C”为目的的改性设计效果。（3）研究了模拟水旱轮作条件下,500℃制备的稻草秸秆生物质炭对红壤温室气体排放特征的影响,发现生物质炭能够促进CH4和CO2的排放量且随着生物质炭的添加量的增加而增加,旱作条件下其排放量要大于淹水条件下的排放量。当土壤中添加200 mg N?kg-1和5%生物质炭时,CH4在旱作条件下和淹水条件下的排放量分别为205μg C?kg-1和7.25μg C?kg-1;和对照相比,CO2在旱作和淹水条件下的排放量分别增加了76.7%和42.8%。然而,生物质炭能够明显抑制土壤N2O的排放,并且随着生物质炭的添加量增加而增加。当土壤中添加200 mg N?kg-1且添加5%生物质炭时,N2O排放量在旱作和淹水条件下分别减少了95.0%和92.7%。综上,虽然添加5%生物质炭促进土壤CH4和CO2排放,但和生物质炭本身固定“C”的量相比可以忽略;此外,5%生物质炭抑制土壤N2O排放效果最好。（4）比较研究了2种秸秆管理方式（稻草秸秆还田和稻草秸秆生物质炭还田）对我国5种典型土壤（红壤、黄绵土、黑土、稻田土及潮土）中温室气体排放特征及固碳效率的影响。与对照相比,添加5%的500℃条件下制备的稻草秸秆生物质炭减少了5种土壤中4%-40%的CO2排放量和62%-98%的N2O排放量,却增加了近2倍的CH4排放量。和稻草秸秆生物质炭还田结果相反,稻草秸秆直接还田减少土壤22%-69%的CH4排放量,但却增加了4-34倍CO2排放量。此外,稻草秸秆还田减少了红壤和黑土超过80%的N2O排放量,却增加了黄绵土、水稻土和潮土近14倍的N2O排放量。当3种温室气体全部标准化为CO2,不同处理之间全球增温潜势（GWP）最大为秸秆,其次为350℃下制备的稻草生物质炭,相反,在500℃下制备的稻草生物质炭减少了土壤温室气体排放、促进了土壤的碳固定。可见,稻草秸秆转化生物质炭后还田是一种有效并且能够减缓气候变暖的固体废弃物管理新方式。（5）研究了稻草秸秆生物质炭和牛粪生物质炭对红壤和稻田土壤硝化作用、反硝化作用及N2O排放的影响。生物质炭对土壤硝化作用及N2O排放的影响取决于土壤类型和生物质炭类型;但2种生物质炭对2种土壤的反硝化作用及N2O排放量之间变化趋势一致,即生物质炭促进了土壤的反硝化作用却都降低了N2O的排放。稻草秸秆生物质炭和牛粪生物质炭添加红壤14 d后,其反硝化速率分别提高了116%和105%,而N2O的排放量则分别降低了65.0%和99.1%;但其促进稻田土壤反硝化速率效果不明显并且对N2O排放影响也无明显差异,排放量均在0.2μg N?kg-1?d-1左右。可见,生物质炭并不是通过抑制土壤反硝化作用来抑制N2O的排放。