铁改性生物炭的稻田温室气体减排作用机理研究

【作者】 周文涛； 张雅兰； 龙攀； 徐莹； 王泓睿； 傅志强；

【机构】 湖南农业大学；

【摘要】 【研究背景】生物炭因其丰富的比表面积、优异的离子置换能力、丰富的有机碳含量和较高的热稳定性,在稻田中被广泛应用。由于人们对生物炭的应用对温室气体排放的影响存在不同看法。改性生物炭在减少稻田温室气体排放方面引起了人们的关注。高铁酸钠是一种具有强氧化性的六价铁盐,溶于水后能释放出大量的原子氧,并且会产生Fe（OH）₃胶体,其快速粘附到生物炭表面,所得的富铁生物炭表面显著增强了炭的带负电荷的表面积,这为偶极-偶极与温室气体的相互作用提供了更多的场所。然而,高铁酸钠改性生物炭对稻田温室气体减排效果及机理尚不清楚。【材料与方法】本研究采用了理论计算与田间试验验证相结合的方法。通过第一性原理计算进行物理化学吸附能力和差分密度分析,预测高铁酸钠改性生物炭的减排效果和机理。大田验证试验于湖南省长沙县进行,采用随机区组设置,3次重复,设6个处理,CK:不施高铁酸钠和生物炭;BC:施15 t·hm^-2生物炭;2%Fe:施0.3 t·hm^-2高铁酸钠。4%Fe:施0.6 t·hm^-2高铁酸钠。BC+2%Fe:施15 t·hm^-2生物炭和0.3 t·hm^-2高铁酸钠。BC+4%Fe:施15 t·hm^-2生物炭和0.6 t·hm^-2高铁酸钠。【结果与分析】利用第一原理计算,我们确定高铁酸钠改性生物炭（Fe@C）将限制甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的排放。田间试验证实,与CK相比,BC+4%Fe处理降低了CH₄排放量,产量分别提高了14.57%和17.45%。Fe@C增加水稻产量和土壤中活性有机碳含量,并减少甲烷排放和全球变暖潜能值。然而,单独使用高铁酸钠显著减少了N₂O的排放。相关分析表明,甲烷与产量、土壤碳库稳定指数呈显著负相关。N₂O与脲酶活性呈显著负相关,与土壤碳库管理指数呈显著正相关。因此,Fe@C提供了一种提高土壤不稳定有机碳的高产管理措施,其作用受高铁酸钠比例的控制。【结论】我们的工作提供了一种新的策略,通过理论计算和田间试验验证了理论计算指导稻田试验设计的有效性,直观地反映了高价铁改性生物炭的固碳减排效果。这为今后研究和开发稻田温室气体减排新材料提供了新的途径。更多还原