LI-COR应用案例 | 生物炭-粪便改变了灰泥的土壤碳矿化

生物炭被认为是在温带草原生态区域进行碳封存的一种前景途径。它是通过在有限氧气条件下，在低于700°C的温度下对有机物进行热分解而产生的一种热解碳。通过向土壤添加生物炭，即难降解的碳，已经证明可以通过改变土壤的生化特性来减缓农业温室气体排放，例如增加阳离子交换容量和减少微生物活动。相对于更易降解的改良剂（如粪便和堆肥），生物炭稳定了土壤有机物，因此产生了更高的土壤碳效益。将生物炭应用于耕地还经常与改善土壤质量和作物产量相关联；生物炭通常会提高土壤pH值，并增加植物吸收的养分可利用性。

近期的研究发现，将生物炭用于动物饲料中可以降低反刍动物产生的甲烷（CH₄）排放，从而扩大了其在现代农业中的应用前景。类似地，生物炭-粪便混合物也可以稳定粪便有机物，在施用到耕地后产生的氨（NH₃）、氧化亚氮（N₂O）和甲烷（CH₄）排放量更少。Romero等人（2021年）证明，生物炭增加了粪便有机物的难降解性和整体碳封存潜力，但其对粪便有机物矿化的影响大多是未知的。

在草原土壤中，热解碳可以占总土壤碳的20%至65%。然而，在加拿大中部的耕地上，农业活动通过压制野火移除了热解碳，从而改变了其在表层土壤中的循环。通过添加生物炭等手段恢复热解碳水平可能会增加作物产量，特别是在灰泥中，这种土壤由于其固有的低pH和养分供应不足而经常难以耕种。本研究的目标是在64天的室内培养期内确定粪便改良剂对土壤碳和氮矿化的影响。由于热解碳的难降解性质，研究者们假设一旦生物炭被圈养牛类排泄出来，它将保留一些性质，从而限制微生物活动及其相关的土壤碳和氮矿化。

本研究进行了为期64天的培养实验，以量化粪便（RM）、生物炭-粪便（BM）、原生生物炭（BC）、RM + BC和BM + BC改良剂对土壤碳（C）和氮（N）矿化的短期影响。结果显示，粪便增加了CO₂-C排放速率，RM + BC观察到了高的累积CO₂-C排放量。BM处理可以停止土壤C的矿化，表明粪便-C的稳定化。相比之下，RM和BM均不影响土壤N的矿化。因此，长期来看，施用BM可能有利于通过降低CO₂排放量来促进土壤碳的封存。

土壤采集后，被放置在室温下进行空气干燥，并通过2mm筛除去植物残体。然后，样品被均质化处理，并在室温（22°C）下储存30天。随后，样品在25°C下被放入培养箱中进行培养。两组相同的200g（干重）空气干燥土壤被称重并放入500ml的玻璃瓶中。一组保持不动用于二氧化碳（CO₂）气体浓度测量。第二组也保持不动，但在采样间隔会取出少量样品用于无机氮分析。两组都在60% 持水力WHC下预培养7d，预培养后立即施加粪便/生物炭改良剂于土样中。土壤瓶每周取下盖子10min，以确保培养期间充足的通气。样品在此期间被称重并添加水以保持60% WHC条件。CO₂-C通量和无机N、硝酸盐（NO₃-N）和铵态氮（NH₄-N）浓度每3d测量一次（首周），接下来2周每周1次，然后每2周测量1次，持续测量64天。使用LI-COR LI-8150多通道土壤温室气体通量测量系统（LI-COR, Lincoln, NE, USA）进行瓶式测量，以量化CO₂-C通量。