葵花秸秆水热炭对土壤有机碳及其矿化特征的影响

姚佳; 王雪韧; 张普河; 赵世翔

doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.039

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

葵花秸秆水热炭对土壤有机碳及其矿化特征的影响

碳效应研究

- 葵花秸秆水热炭对土壤有机碳及其矿化特征的影响
- Effects of hydrochar from sunflower straw on soil organic carbon and its mineralization characteristics
- 水土保持通报 2025年45卷第4期页码：286-293
- 作者机构：
  
  1.内蒙古农业大学资源与环境学院内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古;呼和浩特 010018
  2.农业生态安全与绿色发展自治区高等学校重点实验室，内蒙古呼和浩特 010018
- 作者简介：
  
  姚佳（1998—），女（汉族），云南省鲁甸县人，硕士研究生，研究方向为生物炭固碳。Email：y20010102j@163.com。
  赵世翔（1989—），男（汉族），河南省新乡县人，博士，副教授，硕士研究生导师，从事土壤碳氮循环研究。Email：zhaoshixiang1989@126.com。
- 基金信息：
  
  内蒙古自治区自然科学基金项目“基于生物质炭施用的盐碱地快速增碳培肥作用机制研究”(2024LHMS04010)
- DOI：10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.039
  中图分类号： S154
- CSTR：32312.14.stbctb.2025.04.039.
- 收稿：2025-02-19，
  
  修回：2025-05-20，
  
  纸质出版：2025-08-20
- 稿件说明：
移动端阅览
姚佳, 王雪韧, 张普河，等.葵花秸秆水热炭对土壤有机碳及其矿化特征的影响[J].水土保持通报,2025,45(4):286-293.

Yao Jia, Wang Xueren, Zhang Puhe, et al. Effects of hydrochar from sunflower straw on soil organic carbon and its mineralization characteristics [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(4):286-293.
姚佳, 王雪韧, 张普河，等.葵花秸秆水热炭对土壤有机碳及其矿化特征的影响[J].水土保持通报,2025,45(4):286-293. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.039. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.04.039..

Yao Jia, Wang Xueren, Zhang Puhe, et al. Effects of hydrochar from sunflower straw on soil organic carbon and its mineralization characteristics [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(4):286-293. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.039. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.04.039..

摘要

目的

探讨不同制备温度葵花秸秆水热炭添加对土壤有机碳（SOC）及其组分的影响，为葵花秸秆资源化利用和土壤固碳提供理论依据。

方法

以葵花秸秆为原料，分别在180 ℃和220 ℃制备水热炭（SB180，SB220）。通过室内培养试验，分析不同温度制备的水热炭及不同添加量输入对土壤有机碳及组分的差异化调控。

结果

①随着制备温度的升高，水热炭的碳含量、芳香度、比表面积以及孔体积增大。 ②随着制备温度和添加量的增加，土壤有机碳、矿物结合态有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）含量显著提高，2%SB220处理的S

OC，POC以及MAOC含量最高，分别较对照增加了75.34%，23.34%和105.75%。 ③土壤有机碳矿化速率、累积矿化量、潜在可矿化量（

）以及激发效应（

）随着制备温度的升高而降低，随添加量的增加而增加，2%SB220的累积矿化量、

以及

较1%SB220分别升高了50.88%，57.61%和79.51%。

结论

SB220显著提升了土壤有机碳、矿物结合态有机碳和颗粒有机碳含量，有较好的固碳潜力，但随着添加量增加，碳排放风险增加，建议添加1%的SB220，实现碳矿化损失与长效固存的平衡。

Abstract

Objective

The effects of different preparation temperatures for hydrochars from sunflower straw on soil organic carbon （SOC） and its components were investigated to provide a theoretical basis for sunflower straw resource utilization and soil carbon sequestration.

Methods

Hydrochars （SB180 and SB220） were prepared from sunflower straw at 180 ℃ and 220 ℃， respectively， and indoor incubation tests were conducted to analyze the differential regulation of SOC and its fractions by varying preparation temperatures and additive amounts of hydrochar input.

Results

① The carbon content， aromaticity， specific surface area， and pore volume of the hydrochars gradually increased with increasing preparation temperature. ② The contents of SOC， mineral-associated organic carbon （MAOC）， and particulate organic carbon （POC） significantly increased with increasing preparation temperature and addition amount. SOC， POC and MAOC reached their highest levels in the 2% SB220 treatment， increasing by 75.34%， 23.34% and 105.75%， respectively， compared with CK. ③ As the preparation temperature increased， the soil organic carbon mineralization rate， cumulative mineralization amount， potentially mineralizable carbon （

） and priming effect （

） decreased， whereas these values increased with higher addition amounts cumulative mineralization，

and

were elevated by 50.88%， 57.61%

and 79.51%， respectively， in 2%SB220 treatment compared to 1%SB220 .

Conclusion

SB220 can significantly enhance the contents of SOC， MAOC and POC， and exhibits strong carbon sequestration potential； however， the risk of carbon emissions increases with the increase of the addition amount. Therefore， it is recommended to add 1%SB220 to achieve a balance between mineralization loss and long-lasting sequestration.

关键词

Keywords

references

杨元合，石岳，孙文娟，等 . 中国及全球陆地生态系统碳源汇特征及其对碳中和的贡献［J］. 中国科学：生命科学， 2022 ， 52 （ 4 ）： 534 - 574 .

Yang Yuanhe ， Shi Yue ， Sun Wenjuan ， et al . Terrestrial carbon sinks in China and around the world and their contribution to carbon neutrality ［J］. Scientia Sinica （Vitae）， 2022 ， 52 （ 4 ）： 534 - 574 .

Wu Baojian ， Zhang Meng ， Zhai Zhen ， et al . Soil organic carbon， carbon fractions， and microbial community under various organic amendments ［J］. Scientific Reports ， 2024 ， 14 ： 25431 .

Bao Zhengrong ， Dai Wanning ， Li Han ， et al . Long-term biochar application improved aggregate K availability by affecting soil organic carbon content and composition ［J］. Land Degradation & Development ， 2024 ， 35 （ 17 ）： 5137 - 5148 .

王毅，张俊清，况帅，等 . 施用小麦秸秆或其生物炭对烟田土壤理化特性及有机碳组分的影响［J］. 植物营养与肥料学报， 2020 ， 26 （ 2 ）： 285 - 294 .

Wang Yi ， Zhang Junqing ， Kuang Shuai ， et al . Effects of wheat straw and its biochar application on soil physiochemical properties and organic carbon fractions in flue-cured tobacco field ［J］. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers ， 2020 ， 26 （ 2 ）： 285 - 294 .

王月玲，周凤，张帆，等 . 施用生物炭对土壤呼吸以及土壤有机碳组分的影响［J］. 环境科学研究， 2017 ， 30 （ 6 ）： 920 - 928 .

Wang Yueling ， Zhou Feng ， Zhang Fan ， et al . Influence of biochar on soil respiration and soil organic carbon fractions ［J］. Research of Environmental Sciences ， 2017 ， 30 （ 6 ）： 920 - 928 .

Giannetta B ， Plaza C ， Galluzzi G ， et al . Distribution of soil organic carbon between particulate and mineral-associated fractions as affected by biochar and its co-application with other amendments ［J］. Agriculture ， Ecosystems & Environment， 2024 ， 360 ： 108777 .

袁梦婷，李子川，孟俊，等 . 施用猪粪生物炭对酸性和石灰性水稻土颗粒态和矿物结合态有机碳含量及化学结构的影响［J］. 植物营养与肥料学报， 2024 ， 30 （ 3 ）： 441 - 456 .

Yuan Mengting ， Li Zichuan ， Meng Jun ， et al . Effects of swine manure biochar application on the content and chemical structure of particulate and mineral-associated organic carbon in acidic and calcareous paddy soils ［J］. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers ， 2024 ， 30 （ 3 ）： 441 - 456 .

吴萍萍，王静，李录久，等 . 化肥减施下有机物料对砂姜黑土有机碳组分和养分含量的影响［J］. 核农学报， 2022 ， 36 （ 11 ）： 2286 - 2294 .

Wu Pingping ， Wang Jing ， Li Lujiu ， et al . Effects of organic materials applications on soil organic carbon fractions and nutrient contents in lime concretion black soil under chemical fertilizer reduction ［J］. Journal of Nuclear Agricultural Sciences ， 2022 ， 36 （ 11 ）： 2286 - 2294 .

Kalu S ， Seppänen A ， Mganga K Z ， et al . Biochar reduced the mineralization of native and added soil organic carbon：Evidence of negative priming and enhanced microbial carbon use efficiency ［J］. Biochar ， 2024 ， 6 （ 1 ）： 7 .

姜灵伟，陈锐，崔建华，等 . 河套灌区农业废弃物资源量估算及综合利用分析［J］. 中国农业文摘（农业工程）， 2022 ， 34 （ 1 ）： 21 - 26 .

Jiang Lingwei ， Chen Rui ， Cui Jianhua ， et al . Estimation and comprehensive utilization analysis of agricultural waste resources in Hetao Irrigation District ［J］. Agricultural Science and Engineering in China ， 2022 ， 34 （ 1 ）： 21 - 26 .

孙克静，张海荣，唐景春 . 不同生物质原料水热生物炭特性的研究［J］. 农业环境科学学报， 2014 ， 33 （ 11 ）： 2260 - 2265 .

Sun Kejing ， Zhang Hairong ， Tang Jingchun . Properties of hydrochars from different sources of biomass feedstock ［J］. Journal of Agro-Environment Science ， 2014 ， 33 （ 11 ）： 2260 - 2265 .

Chen Yidi ， Lin Y C ， Ho S H ， et al . Highly efficient adsorption of dyes by biochar derived from pigments-extracted macroalgae pyrolyzed at different temperature ［J］. Bioresource Technology ， 2018 ， 259 ： 104 - 110 .

师泰龙 . 向日葵秸秆改性生物炭对Cu 2+ 及四溴联苯醚（BDE-47）的去除效果和机理［D］. 内蒙古呼和浩特：内蒙古农业大学， 2024 .

Shi Tailong . Effectiveness and mechanism of Cu 2+ and tetrabromodiphenyl ether（BDE-47）removal by sunflower straw-modified bioch ［D］. Hohhot， Inner Mongolia ： Inner Mongolia Agricultural University ， 2024 .

戴佩彬 . 制备条件对不同原料生物炭理化性质的影响［J］. 生物化工， 2021 ， 7 （ 6 ）： 129 - 131 .

Dai Peibin . Effect of preparation conditions on physicochemical properties of biochar from different raw materials ［J］. Biological Chemical Engineering ， 2021 ， 7 （ 6 ）： 129 - 131 .

赵晓钰，陈彦硕，李志刚，等 . 荒漠草原灌丛转变土壤有机碳矿化及其对降水梯度的响应［J］. 生态学报， 2024 ， 44 （ 15 ）： 6630 - 6641 .

Zhao Xiaoyu ， Chen Yanshuo ， Li Zhigang ， et al . Soil organic carbon mineralization and its response to precipitation gradients during anthropogenic shrub encroachment in desert steppe ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2024 ， 44 （ 15 ）： 6630 - 6641 .

陶玉兰，刘新颖，赵学超，等 . 不同外源碳输入对两种杉木林土壤有机碳分解激发效应的影响［J］. 生态学报， 2025 ， 45 （ 6 ）： 2698 - 2709 .

Tao Yulan ， Liu Xinying ， Zhao Xuechao ， et al . Effects of different exogenous carbon inputs on the soil organic carbon decomposition and priming effect in two Chinese fir forests ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2025 ， 45 （ 6 ）： 2698 - 2709 .

Lang Qianqian ， Zhang Bo ， Liu Zhengang ， et al . Properties of hydrochars derived from swine manure by CaO assisted hydrothermal carbonization ［J］. Journal of Environmental Management ， 2019 ， 233 ： 440 - 446 .

Moradi-Choghamarani F ， Moosavi A A ， Baghernejad M . Determining organo-chemical composition of sugarcane bagasse-derived biochar as a function of pyrolysis temperature using proximate and fourier transform infrared analyses ［J］. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry ， 2019 ， 138 （ 1 ）： 331 - 342 .

Chen Dengyu ， Yu Xinzhi ， Song Chao ， et al . Effect of pyrolysis temperature on the chemical oxidation stability of bamboo biochar ［J］. Bioresource Technology ， 2016 ， 218 ： 1303 - 1306 .

Das S K ， Ghosh G K ， Avasthe R K ， et al . Compositional heterogeneity of different biochar：Effect of pyrolysis temperature and feedstocks ［J］. Journal of Environmental Management ， 2021 ， 278 ： 111501 .

Zimmerman A R ， Gao Bin ， Ahn M Y . Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils ［J］. Soil Biology and Biochemistry ， 2011 ， 43 （ 6 ）： 1169 - 1179 .

Ji Licheng ， Yu Zhongpu ， Cao Qi ， et al . Effect of hydrothermal temperature on the optical properties of hydrochar-derived dissolved organic matter and their interactions with copper （Ⅱ）［J］. Biochar ， 2024 ， 6 （ 1 ）： 64 .

张睿博，汪金松，王全成，等 . 土壤颗粒态有机碳与矿物结合态有机碳对气候变暖响应的研究进展［J］. 地理科学进展， 2023 ， 42 （ 12 ）： 2471 - 2484 .

Zhang Ruibo ， Wang Jinsong ， Wang Quancheng ， et al . Responses of soil particulate and mineral-associated organic carbon to climate warming：A review ［J］. Progress in Geography ， 2023 ， 42 （ 12 ）： 2471 - 2484 .

Wang Xiao ， Li Zhen ， Cheng Yadong ， et al . Wheat straw hydrochar induced negative priming effect on carbon decomposition in a coastal soil ［J］. iMeta ， 2023 ， 2 （ 4 ）： e134 .

Keiluweit M ， Bougoure J J ， Nico P S ， et al . Mineral protection of soil carbon counteracted by root exudates ［J］. Nature Climate Change ， 2015 ， 5 （ 6 ）： 588 - 595 .

Liang Chao ， Schimel J P ， Jastrow J D . The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage ［J］. Nature Microbiology ， 2017 ， 2 ： 17105 .

杨阳，王宝荣，窦艳星，等 . 植物源和微生物源土壤有机碳转化与稳定研究进展［J］. 应用生态学报， 2024 ， 35 （ 1 ）： 111 - 123 .

Yang Yang ， Wang Baorong ， Dou Yanxing ， et al . Advances in the research of transformation and stabilization of soil organic carbon from plant and microbe ［J］. Chinese Journal of Applied Ecology ， 2024 ， 35 （ 1 ）： 111 - 123 .

周正虎，刘琳，侯磊 . 土壤有机碳的稳定和形成：机制和模型［J］. 北京林业大学学报， 2022 ， 44 （ 10 ）： 11 - 22 .

Zhou Zhenghu ， Liu Lin ， Hou Lei . Soil organic carbon stabilization and formation：Mechanism and model ［J］. Journal of Beijing Forestry University ， 2022 ， 44 （ 10 ）： 11 - 22 .

薛志婧，李霄云，焦磊，等 . 土壤矿质结合态有机碳形成及稳定机制的研究进展［J］. 水土保持学报， 2023 ， 37 （ 5 ）： 12 - 23 .

Xue Zhijing ， Li Xiaoyun ， Jiao Lei ， et al . Advance in the formation and stabilization mechanisms of soil mineral-associated organic carbon ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 37 （ 5 ）： 12 - 23 .

肖可青，李心男，邢稳，等 . 土壤“矿物碳泵（MnCP）” 介导有机碳的固存与稳定机制［J］. 土壤学报， 2025 ， 62 （ 3 ）： 595 - 609 .

Xiao Keqing ， Li Xinnan ， Xing Wen ， et al . Mechanisms of organic carbon sequestration and stabilization mediated by the soil “mineral carbon pump（MnCP） ” ［J］. Acta Pedologica Sinica ， 2025 ， 62 （ 3 ）： 595 - 609 .

Li Chuyi ， Zhong Fei ， Liang Xinru ， et al . Microwave–assisted hydrothermal conversion of crop straw：Enhancing the properties of liquid product and hydrochar by varying temperature and medium ［J］. Energy Conversion and Management ， 2023 ， 290 ： 117192 .

吕志伟，罗春红，李冬梅，等 . 热解温度对生物炭物理及化学吸附能力的影响［J］. 中国农学通报， 2024 ， 40 （ 32 ）： 68 - 76 .

Lv Zhiwei ， Luo Chunhong ， Li Dongmei ， et al . Effect of pyrolysis temperature on physical and chemical adsorption capacity of biochar ［J］. Chinese Agricultural Science Bulletin ， 2024 ， 40 （ 32 ）： 68 - 76 .

汪景宽，徐英德，丁凡，等 . 植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展［J］. 土壤学报， 2019 ， 56 （ 3 ）： 528 - 540 .

Wang Jingkuan ， Xu Yingde ， Ding Fan ， et al . Process of plant residue transforming into soil organic matter and mechanism of its stabilization：A review ［J］. Acta Pedologica Sinica ， 2019 ， 56 （ 3 ）： 528 - 540 .

Maestrini B ， Herrmann A M ， Nannipieri P ， et al . Ryegrass-derived pyrogenic organic matter changes organic carbon and nitrogen mineralization in a temperate forest soil ［J］. Soil Biology and Biochemistry ， 2014 ， 69 ： 291 - 301 .

苏兴雷，渠晨晨，康杰，等 . 微生物驱动土壤矿物结合态有机碳的形成［J］. 科学通报， 2024 ， 69 （ 22 ）： 3327 - 3338 .

Su Xinglei ， Qu Chenchen ， Kang Jie ， et al . Microorganisms drive the formation of mineral-associated organic carbon in soils ［J］. Chinese Science Bulletin ， 2024 ， 69 （ 22 ）： 3327 - 3338 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

土壤颗粒有机碳和矿质结合有机碳对气候变化响应的Meta分析

黄土高原淤地坝碳汇量精准测量与计算

祁连山中段青海云杉林土壤有机碳分布特征及影响因素

坡耕地黑土有机碳空间异质性及其格局

CO2浓度升高对三江平原湿地土壤碳氮含量的影响