生物炭调控盐渍土碳循环的机制与效应

本书以内蒙古自治区河套灌区盐渍化农田为研究对象，系统探讨生物炭对生态系统温室气体排放、碳足迹、碳循环、碳平衡及生态环境效应的调控机制，提出基于生物炭的盐渍化土壤固碳减排增效关键技术集成模式与水肥资源可持续管理策略。通过连续多年的盆栽控制试验、田间小区试验、微生物组学分析及数学模型模拟方法，揭示不同土地利用类型土壤温室气体（CO？、CH？和N？O）的时空分布格局、规律及其驱动因子，明晰水肥炭作用下主要作物生育期与非生育期（冻融期）农田水盐运移、直接/间接碳排放的响应差异及其耦联机制，阐明盐渍化土壤有机碳及其活性组分的空间异质性与微生物调控机理。基于区域试验与理论分析，构建以生物炭为核心的盐渍化农田“改土-减排-固碳-提效”改良技术体系，涵盖农田生物炭施用技术、温室气体监测与分析技术、作物减排增碳高产栽培技术及成本-效益评估等，为河套灌区及类似盐渍化区域低碳农业实践与土壤生态修复提供科学依据和技术支撑。

本书可供从事农田水利、农业水土工程、生态学、农业资源与环境领域的研究人员、高校教师、技术人员和管理人员参考阅读。

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 2

1.2 生物炭介导的盐渍土温室气体排放的研究进展 3

1.2.1 CO？排放 3

1.2.2 CH？和N？O排放 4

1.2.3 综合增温潜势和碳平衡 5

1.3 本书主要内容 5

参考文献 6

第2章 不同土地利用类型温室气体时空分布格局 9

2.1 试验设计、观测内容与方法 10

2.1.1 研究区耕作制度 10

2.1.2 试验设计 11

2.1.3 样品采集与测定方法 11

2.1.4 数据处理与分析方法 13

2.2 不同土地利用类型分布状况 13

2.3 不同土地利用类型土壤理化性质变化特征 14

2.3.1 土壤基础理化性质 14

2.3.2 土壤养分含量 15

2.3.3 土壤有机碳库指数 17

2.3.4 相关性分析 18

2.3.5 耕地土壤含水率变化 18

2.3.6 耕地土壤理化性质及土壤养分 19

2.3.7 耕地土壤有机碳组分变化 19

2.4 不同土地利用类型温室气体排放时空变化 20

2.4.1 CO？排放通量 20

2.4.2 CH？排放通量 22

2.4.3 N？O排放通量 23

2.4.4 温室气体累计排放量 25

2.4.5 温室气体排放通量空间分布特征 26

2.5 温室气体排放通量与环境因子的响应关系 28

2.6 讨论 30

2.7 本章小结 31

参考文献 32

第3章 生物炭-微藻肥复配对温室气体排放和微生物的影响 33

3.1 试验设计、观测内容与方法 34

3.1.1 试验设计 34

3.1.2 土壤和植物样品采集与测定 35

3.1.3 气体样品采集与测定 36

3.1.4 碳足迹计算 36

3.1.5 宏基因组测序和生物信息学分析 37

3.1.6 生态系统多功能性评估 37

3.1.7 数据处理与分析方法 38

3.2 葵花生长和有机碳储量变化特征 38

3.2.1 葵花产量 38

3.2.2 生物炭和微藻肥对葵花干物质积累量的影响 40

3.2.3 土壤有机碳储量 40

3.3 农田土壤质量 43

3.3.1 土壤物理特性 43

3.3.2 土壤氮库变化 44

3.3.3 土壤磷素和钾素变化 45

3.3.4 土壤质量指数变化 46

3.4 生物炭与微藻肥对温室气体排放的影响 48

3.4.1 温室气体排放 48

3.4.2 全球增温潜势和温室气体排放强度 50

3.4.3 农田生态系统碳足迹 51

3.4.4 土壤生态系统多功能性 51

3.5 生物炭与微藻肥对微生物多样性及群落结构的影响 52

3.5.1 微生物多样性 52

3.5.2 优势种群群落组成 53

3.5.3 生物多样性与多功能性的相关关系 54

3.5.4 驱动生态系统多功能性的关键因素 54

3.6 讨论 56

3.7 本章小结 57

参考文献 58

第4章 水炭耦合对玉米农田温室气体排放的响应 61

4.1 试验设计、观测内容与方法 62

4.1.1 试验设计 62

4.1.2 生物炭施用方案 63

4.1.3 测定项目 64

4.1.4 数据分析 67

4.2 温室气体排放与全球增温潜势 67

4.2.1 温室气体排放 67

4.2.2 气体累计排放量、玉米产量和全球增温潜势 69

4.3 农田生态系统碳足迹 70

4.4 农田净生态系统碳收支与肥力指数 72

4.5 农田土壤固碳潜力 75

4.6 讨论 76

4.7 本章小结 77

参考文献 77

第5章 水肥炭模式与高粱农田碳平衡及生态效应 81

5.1 试验设计、观测内容与方法 82

5.1.1 试验设计 82

5.1.2 田间施用方案 82

5.1.3 测定项目 83

5.2 灌溉方式与生物炭耦合对温室气体排放的影响 84

5.2.1 CH？排放通量 84

5.2.2 CO？排放通量 85

5.2.3 N？O排放通量 86

5.3 生物炭对高粱农田系统净固碳与生态效益的影响 87

5.3.1 高粱农田系统净固碳 87

5.3.2 经济和环境效益 88

5.4 有机肥和氮肥配施对温室气体排放与碳足迹的影响 89

5.4.1 CO？排放通量 89

5.4.2 CH？排放通量 91

5.4.3 N？O排放通量 92

5.4.4 碳足迹 92

5.5 氮肥和有机肥配施对农田碳平衡与生态效益的影响 95

5.6 讨论 95

5.7 本章小结 99

参考文献 99

第6章 生物炭等改良措施对土壤及番茄性状影响 103

6.1 试验设计、观测内容与方法 104

6.1.1 试验设计 104

6.1.2 试验测定项目与方法 104

6.2 不同改良措施对土壤理化性质的影响研究 106

6.2.1 土壤含水率 106

6.2.2 土壤pH 107

6.2.3 土壤养分 108

6.2.4 土壤盐分变化 113

6.3 不同改良措施对土壤微生物数量的影响 117

6.3.1 土壤细菌数量变化 117

6.3.2 土壤放线菌数量变化 118

6.3.3 土壤真菌数量变化 119

6.4 土壤微生物群落的相关性分析 120

6.4.1 主成分分析 120

6.4.2 冗余分析 121

6.5 不同改良措施对盐碱地作物生长的影响研究 123

6.5.1 番茄株高和茎粗 123

6.5.2 番茄生物量 125

6.5.3 番茄产量 126

6.5.4 相关性分析 126

6.5.5 番茄品质 127

6.6 讨论 129

6.7 本章小结 130

参考文献 131

第7章 生物炭对葵花农田周年碳循环的调控机理 133

7.1 试验方案 134

7.1.1 试验设计 134

7.1.2 观测内容与方法 135

7.1.3 数据处理与分析方法 136

7.2 生物炭对冻融期盐碱化土壤理化性质的影响 136

7.2.1 土壤温度 136

7.2.2 土壤pH 137

7.2.3 土壤电导率 137

7.2.4 土壤养分 139

7.2.5 土壤冻融指数 140

7.3 生物炭对冻融期盐碱化土壤碳氮影响 141

7.3.1 土壤有机碳含量和有机碳密度 141

7.3.2 土壤无机氮 143

7.3.3 土壤碳库管理指数 144

7.4 生物炭对冻融期农田温室气体排放的影响 145

7.4.1 土壤碳通量日变化规律 145

7.4.2 土壤周年CO？排放通量 146

7.4.3 土壤周年CH？排放通量 147

7.4.4 土壤周年N？O排放通量 149

7.4.5 土壤周年温室气体全球增温潜势及葵花产量 150

7.5 讨论 151

7.6 本章小结 152

参考文献 152

第8章 盐渍化农田生物炭-土壤微环境互作机制 155

8.1 试验设计、观测内容与方法 156

8.1.1 试验设计 156

8.1.2 观测指标 157

8.2 土壤物理化学特征差异 161

8.2.1 土壤水碳养变化 161

8.2.2 土壤团聚体分布 162

8.2.3 土壤团聚体稳定性 163

8.2.4 土壤容重变化特征 164

8.3 土壤生物学性质响应 165

8.3.1 土壤酶活性变化规律 165

8.3.2 土壤MBC和ATP含量变化规律 166

8.3.3 土壤参数相互关系 166

8.4 土壤细菌和真菌群落特征 167

8.4.1 土壤细菌和真菌群落结构与功能解析 167

8.4.2 细菌和真菌网络复杂性和稳定性 171

8.4.3 核心微生物变化对作物生长的影响 172

8.5 讨论 173

8.6 本章小结 174

参考文献 175

第9章 生物炭农田固碳减排增效技术集成与应用 177

9.1 盐碱地生物炭施用技术 178

9.1.1 盐碱土类型程度划分 178

9.1.2 生物炭施用时间与方法 178

9.1.3 生物炭施用量 178

9.1.4 水肥管理 179

9.2 盐碱地土壤温室气体排放监测与核算技术 179

9.2.1 监测技术 179

9.2.2 分析方法 180

9.3 盐碱地玉米施用生物炭节水减肥技术 180

9.3.1 生物炭施用 180

9.3.2 节水灌溉 180

9.3.3 减量施肥 181

9.4 滴灌配施生物炭促进作物水氮利用效率提升 181

9.4.1 试验方案 181

9.4.2 土壤含水率变化规律 183

9.4.3 土壤肥力指标响应特征 183

9.4.4 玉米生长性状和水氮利用效率变化 185

9.5 讨论 187

9.6 本章小结 188

参考文献 188

附录 生物炭节水固碳减排增效关键技术集成与示范应用 190