近 3 年腐植酸类物质储碳、控碳、固碳的应用实践

近 3 年腐植酸类物质储碳、控碳、固碳的应用实践

腐植酸在碳循环中扮演着重要角色，深化腐植酸与碳中和、土肥和谐的关系，实现农业“双碳目标”至关重要。现将近 3 年（2021—2023 年）腐植酸类物质在储碳、控碳、固碳研究领域的 5 篇文献（其中第 1 ～ 4 篇为硕博论文）整理分享如下。

（1）内蒙古大学张海笛以天然有机矿物资源木本泥炭（WP）为前驱体，通过碳化、KOH 活化及巯基改性等不同处理方法制备了一系列吸附材料，并对吸附材料吸附 CO2 性能进行了考察。此外， 还对实验室合成的木本泥炭等效模型进行了理论分析。研究结果表明：①经过 750 ℃碳化得到的样品（WP750）在 1 bar 和 273 K 的条件下具有最高的 CO2 吸附容量（56 cm3 /g），对 CO2/N2 的选择性达 34，并且显示出良好的五次吸附循环稳定性。这归因于 WP750 的大比表面积和良好织构性质。②KOH 为 WP 三倍时制备的碳材料（WPA3）在 1 bar 和 273 K 的条件下具有最高的 CO2 吸附容量（133 cm3 /g）、较低的吸附热以及高循环稳定性。这归因于 WPA3 较其他材料具有最高的比表面积2117 m2 /g，最高的微孔比表面积 1795 m2 /g，最大总孔容1.17 cm3 /g以及最大的微孔孔容0.73 cm3 /g。③利用实验室合成的两个腐植酸模型进行理化性质分析和 CO2 吸附性能评价。M2 和 WP 对 CO2 的吸附量均为 16 cm3 /g（1 bar，273 K）。对比碳化前后的数据表明：M1-750 在低表面积、低孔容和高 N 含量的情况下具有优异的 CO2 吸附效果；M2-750 在相对高含 N 量、高比表面和高孔容的情况获得了最为优异的吸附效果。这说明了织构性质和 N 含量共同影响材料对 CO2 的吸附性能。[ 来源：内蒙古大学硕士学位论文，2023]

（2）东北农业大学汤春宇考察了人工腐殖质和生物炭单一或混施 3 种方式下土壤碳含量变化规律，并以生物炭为对照，评估人工腐殖质对于提高土壤碳固存的潜力。研究结果表明：在实验 45 天后（即冻结期），3 种人工炭基材料施加方式均会造成土壤有机质的损失，最大分别达到 0.31%、0.32% 和 0.94%。而在培育 180 天后（气温升高），施加生物炭实验组中有机质仍处于持续损失状态， 且相较于 135 天土壤有机质含量下降了 0.14%，而施加有液态人工腐殖质实验组中有机质含量则几乎保持稳定状态。紫外光谱和荧光光谱结果表明，在土壤中施加液态人工腐殖质后土壤有机质逐渐趋向于具有更强的腐殖化程度和更高的稳定性，使得土壤有机质以及生物炭均能在变暖气候下抵抗微生物的降解作用，从而缓解土壤碳的排放。在上述研究基础上，继续进行室内模拟冻融实验，进一步考察液态人工腐殖质的施用剂量对于土壤碳固持及稳定性的影响机制。结果表明：在冻融条件下施加 300 mL/kg 液态人工腐殖质相较于 100 mL/kg液态人工腐殖质能有效提升土壤碳含量，且在经过 10 次冻融循环后，土壤碳含量净增量最高可达4000 mg/kg。紫外光谱、荧光光谱和 13C- 固体核磁共振技术结果表明，施加液态人工腐殖质能在冻融循环过程中使得土壤中溶解性有机质及腐殖质碳具有更高的稳定性。最后，通过“酸提碱溶”方式得到了液体人工腐植酸和液体人工黄腐酸，并观察其施加于不同有机质含量土壤后碳含量变化规律。研究结果表明，液体人工腐植酸对于土壤碳的提升效果优于液体人工黄腐酸。荧光光谱结果表明，液体人工腐植酸的添加能促进土壤溶解性有机碳转化为芳香性碳，且相较于液体人工黄腐酸，更能增强土壤溶解性有机质的腐殖化程度以及碳的稳定性。高通量测序结果表明，液体人工腐植酸能显著促进具有多种固碳作用的Rubrivivax gelatinosus的生长， 从而促进土壤碳固持。综上，施用人工腐殖质能在不同气候条件下增强黑土区农田土壤碳固持能力，进一步提升土壤肥力，因此本研究能为提高黑土肥力、减少土壤碳排放提供理论依据和数据支撑。[ 来源：东北农业大学博士学位论文，2022]

（3）华东师范大学何唐荣调查了典型蓝碳生态系统——中国河口红树林和盐沼湿地沉积物中铁氧化物对有机碳的保存作用，并结合室内模拟实验，研究了水铁矿与红树林和盐沼腐植酸吸附和共沉淀的作用过程。主要结论如下：在水铁矿与红树林和盐沼腐植酸的吸附模拟实验中，荧光类物质的吸附亲和顺序为陆源类腐植酸 > 海源类腐植酸 > 类蛋白。二维红外相关分析显示在吸附过程中，红树林腐植酸有机官能团的亲和顺序为多糖中的 C-O 伸缩振动 > 芳香族 C-H 面外弯曲振动＞ 芳香族 C-H 振动＞烷基 C-H 弯曲振动；盐沼腐植酸有机官能团的亲和顺序为 COO- 对称伸缩振动＞ 复杂碳水化合物 -C-O-C 振动＞多糖 C-O-C/C-C 伸缩振动＞脂肪族 C-H 弯曲振动＞芳香族 C=C 振动。在水铁矿与红树林和盐沼腐植酸的共沉淀模拟实验中，红树林腐植酸有机官能团的亲和顺序为脂肪族的 C-H 弯曲振动＞脂肪族 C-OH 伸缩振动＞复杂碳水化合物 -C-O-C 振动＞酯和羧基 C=O 振动＞芳香族 C-H 振动＞芳香族 C-H 弯曲振动＞ COO- 对称伸缩振动；盐沼腐植酸有机官能团的亲和顺序为多糖 C-O-C 振动＞多糖 C-O 振动＞脂肪族 C-H 弯曲振动＞芳香族 C-H 弯曲振动＞羧酸 C=O伸缩振动。模拟实验中，水铁矿通过吸附作用优先结合盐沼和红树林中的类腐殖质荧光物质，通过共沉淀作用优先结合盐沼和红树林中的类蛋白荧光物质。盐沼腐植酸中的多糖和芳香碳被优先吸附，而红树林腐植酸中的羧酸碳和多糖被优先吸附。盐沼腐植酸中的多糖比脂肪碳先沉淀下来，而红树林腐植酸中的脂肪碳比多糖先沉淀。腐植酸的来源对水铁矿与腐植酸的相互作用的过程具有重要的影响。铁氧化物在蓝碳生态系统的碳埋藏方面发挥着重要的作用。河口湿地是陆海作用的关键地带，铁氧化物对不同组分的碳的选择性保存，也将带来不同的环境效应。保护蓝碳生态系统，维持其对碳的有效埋藏，对于环境气候变化有十分重要的意义。[ 来源：华东师范大学硕士学位论文，2021]

（4）内蒙古农业大学孙蕾探究了喷施蔗糖（SUC）、水溶性腐植酸（HA）、水溶性氨基酸（AA）3 种有机碳肥在不同光照条件下对小麦、青梗菜碳含量、碳贡献率、光合特性、能量转换过程、生长过程及产量和品质的影响。主要研究结果如下：①2 种作物相比，有机碳肥对小麦作用效果更显著，3 种有机碳肥相比，全光照下喷施 HA、AA作用效果更明显，弱光照和无光照下喷施 HA 作用效果更明显。喷施有机碳肥可以弥补植物碳缺乏。②有机碳肥施用直接提供的碳数量可高于促进光合作用而增加的固碳量，弱光照下这种作用效果更明显，其中有机碳肥对小麦碳增加的贡献率最高可达 83.18%，青梗菜最高可达 88.21%。喷施有机碳肥可以提供碳源并促进光合固碳。③叶面施用有机碳肥改变了小麦、青梗菜体内的能量转换过程，无光照下，喷施有机碳肥不仅能够提高能量代谢产物的含量，还能提高能量代谢酶活性，并通过延缓酶活下降来稳定作物生长。④叶面施用有机碳肥可以提高作物光合特性及光合关键酶活性，增强了小麦、青梗菜对光能吸收利用能力，促进光合产物的积累，从而影响光合碳代谢途径。叶面有机碳肥对于小麦 SPAD 值效果更明显，随着喷施作用延长，作用效果越来越显著。综上所述：通过叶面施用有机碳肥可显著提高作物体内碳量，碳贡献率，实现为作物补碳的目的；有机碳肥可以提高作物光合特性，促进作物功能叶片光合固碳能力，增强有机物质积累转换；有机碳肥可以改变作物能量转换过程，达到补碳助能的效果。[ 来源：内蒙古农业大学硕士学位论文，2021]

（5）广西科学院龙思宇等通过分析现有各种碳中和的技术路线，针对现有方法的局限性，研究了一种有碳中和功能的水热炭复合肥技术路线，以农作物秸秆等农林废弃物为原料，采用水热法把生物质转化为富含腐植酸的水热炭，将其作为底物与氮、磷、钾等肥料成分复合，生产长效、缓释的水热炭复合肥。腐植酸作为水热炭复合肥的底物，更易于与碱性的氨、尿素及钾肥复合，生产长效、缓释的复合肥。该方法的优越性包括：能源消耗少及生产成本低；原料来源广及可操作性强；固碳效率高及成果见效快；固碳、环保、生态、农业多方兼顾。将该肥料施用于农田，可提高土壤肥力，改善土壤的团粒结构。水热炭复合肥是一种有商业价值的负碳产品，可大规模生产，以提升土壤碳汇，储碳于田，促进碳中和目标达成，同时具有高产、环保和生态等多方面的效益，推进生态、有机和可持续农业的发展。[ 来源：《广西科学院学报》，2022，38（4）：364 ～ 370]

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（中腐协《腐植酸》编辑部  供稿）