云南大学大学生创新创业训练项目申请书.docx

窗体顶端云南大学生态与环境学院 大学生创新创业训练计划项目申请书   项目名称：改性生物炭添加对曲靖退化草地土壤温室气体排放的影响项目负责人：董梁凤项目负责人学号：20221340111负责人联系方式：13608745902负责人所在专业：生态学指导教师姓名：陈哲，刘睿申请日期：2024年5月13日生态与环境学院制 填 写 说 明   1、本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达严谨，简明扼要。 2、申请人可以是个人，也可以是创新团队，“项目编号”不填。 3、本申请书为A4纸双面打印，左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。 4、负责人所在学院认真审核，经初评和答辩，签署意见后，由学院统一将申请书（一式3份）报送教务处。   承诺书 我保证填报内容的真实性，不存在知识产权争议。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。             负责人（签名）： 成员（签名）： 年 月 日       一、基本情况 项目名称  改性生物炭添加对曲靖退化草地土壤温室气体排放的影响项目级别 国家级 省级 校级 R院级 项目类型 R创新训练项目 创业训练项目 创业实践项目 所属一级学科 理学所属二级学科 生物科学类项目开始时间 2024年5月项目结束时间 2025年5月负责人姓名 董梁凤所属学院  生态与环境学院所在年级 2022级负责人学号 20221340111所属专业 生态学联系电话 13608745902指导教师 陈哲刘睿职称 副研究员教授所在单位 生态与环境学院联系电话 1846804596013998343139项目组成员 姓名 学号 所属学院 所属专业 所在年级 联系电话 代婷20211340038生态与环境学院环境科学与工程2021级18633126137                                项目简介 生物炭在退化土壤生态系统修复中的研究已成为热点，近几年报道显示，与未改性生物炭相比，改性生物炭对土壤理化性质的影响有所不同，可能促进土壤碳氮转化。而土壤温室气体排放是土壤碳氮转化的关键环节之一，也是衡量生物炭对生态系统碳排放的主要途径，但以往的研究较少关注添加改性生物炭后对土壤温室气体（Greenhouse gases, GHG）排放的影响，这给改性生物炭的应用以及对土壤生态过程的定量评估带来了极大的不确定性。为此，本项目以云南曲靖典型退化草地土壤为研究对象，通过室内控制实验，研究不同处理强度的电磁脉冲改性生物炭(Electromagnetic pulse modified biochar，EBC)对退化草地土壤CO2、CH4和N2O的影响，并结合土壤理化性质变化，阐明EBC作用下土壤温室气体排放与土壤底物含量变化之间的耦合关系，为优化EBC在退化草地土壤的生态修复中的应用提供一定的数据支持和科学参考。实验模式为室内盆栽实验，实验用的土壤样品取自云南省草地动物科学研究院位于曲靖市马龙区的草地实验基地，草地为典型喀斯特石漠化区域，处于中度退化状态。盆栽实验用的植物与野外退化草地修复的植物保持一致，即多年生黑麦草和白花三叶草，也是野外样地未退化草地的优势牧草。实验共设置5个处理，分别为不加生物炭（CK）、加未改性生物炭（BC）、加电磁脉冲改性1 h的生物炭（EBC-1h）、加改性2 h的生物炭（EBC-2h）、加改性3 h的生物炭（EBC-3h），每个处理设置6个重复。在牧草生长期内，利用静态箱法定期采集土壤GHG即CO2、CH4、N2O，气相色谱测定三种温室气体浓度，并计算每次采集时每种温室气体的排放速率。实验初、末期将对土壤的理化性质即土壤pH、NO3、NH4+、NO2、溶解性有机碳(Dissolved organic carbon, DOC)和速效磷(Available phosphorus, AP)进行测定。最后，利用Excel、SPSS和Origin等软件进行数据处理、结果分析。本研究中，我们提出两点科学假设：（1）与未改性生物炭相比，添加EBC能减少退化草地土壤某一种或几种温室气体排放，全球增温潜势（Global warming potential, GWP）降低；（2）CO2和N2O排放量可能与可溶性有机碳含量和土壤无机氮含量的变化有关，而甲烷排放量短期内可能主要受到土壤无机氮的影响。二、立项依据 申请理由（1000字左右，包括自身/团队具备的知识、条件、特长、兴趣、前期准备、项目研究的国内外研究现状和发展动态等） 1. 国内外研究现状和发展动态2022年末全国草地结构（2023年中国自然资源公报）不同退化程度草地照片（彭云峰 等，2023）云南高原是南方草地重要分布区（方精云 等, 2018 ），喀斯特地貌分布广泛，不利于植被生长，大部分地区草牧业生产管理粗放，过度依赖天然草地，导致现有草地近半退化（皇甫江云 等, 2012），表现为植被覆盖度降低、土层变浅和土壤养分流失等。生物炭在草地生态系统修复方面的研究成为了热点 ，生物炭在退化草地生态系统修复有着不错的效果 (Murtaza G, 2023, Li et al., 2023)。例如，生物炭对高寒草甸生长和土壤健康具有积极作用，与对照组和单独施用生物炭相比，在研究的第二年和第三年，施用生物炭与氮、磷和钾肥料联合施用的新鲜和干生物量显著增加，土壤的pH值和碳含量显著提高。研究人员进一步通过改性方法来增加生物炭的修复性能，如增大生物炭的比表面积、稳定性和空隙率等，增加了土壤有机质的转化和团聚体形成从而提升土壤肥力。在土壤碳氮转化过程中，温室气体是主要的中间产物，如何采取有效措施减少生物炭添加导致的温室气体排放，已成为国内外研究的热点问题（王娟 等，2023）。生物炭的制备以及在土壤改良和污染修复方面的应用（刘强 等，2022）土壤N2O的产生过程（Diana Signor et al., 2013）生物炭是一种富含碳的生物质再生产物，作为一种高效的土壤改良剂，不仅能改善土壤理化结构，提高土壤持水能力，使土壤质量提升，还能减少温室气体的排放（翟必宇 等，2024；王璐，2023）。生物炭对土壤温室气体排放具有抑制作用，一次性施用大量生物炭对温室气体排放的抑制效果更佳，生物炭对土壤温室气体的影响不仅与生物炭类型和实验区土壤类型有关，更与生物炭施用剂量和施用频率有关（刘宏元 等，2023）。花生秸秆和椰壳生物炭配合施用能够显著抑制 N2O 排放，增加土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN），是一种海南瓜菜季后充分利用氮肥，减少氮素损失，减缓 N2O 排放的一种合理措施（胡天怡 等，2024）。CH4的氧化途径(Terry Logan, 2007)任何材料的广泛应用都需要经过多方面的测试，温室气体的不断积累会造成全球气候变暖，引发一系列生态及环境问题，不仅危害自然生态系统的平衡，也对人类健康与生存产生了不利影响，所以弄清楚电磁脉冲改性生物炭的大量应用会对退化草地土壤温室气体的排放产生怎样的影响是非常有必要的。生物炭的研究越来越多，其局限性也已暴露出来，如强度低、易碎、修复土壤后难以回收利用等，而对于生物炭进行改性的研究也成为了生物炭发展应用的一条出路。随着改性生物炭的发展，最终我们可以对生物炭表面的物理化学性质、活性官能团种类以及数量、吸附性能和催化能力进行有目的改变，得到我们想要的生物炭。 改性生物炭的制备流程（夏晓阳 等，2023）目前，生物炭常用的改性方法有：生物改性、物理改性、化学改性、矿物改性、官能团改性、无机纳米材料改性等生物改性法主要是通过将微生物附着在生物炭的表面来提高其吸附能力；物理改性的主要作用是扩大生物炭比表面积、孔隙结构，增加表面官能团种类和数量；化学改性法是目前最常用的方法，通常包括酸碱改性法、氧化改性法和还原改性法等，化学改性能增加生物炭表面的含氧官能团种类和数量，提高生物炭比表面积和孔隙度，其中酸碱改性能够对生物炭的pH产生显著影响；矿物改性法是使用金属或金属氧化物对生物炭进行矿物改性，使其可以提供更多吸附位点，从而增强其对重金属的吸附能力；官能团改性法是通过在生物炭表面增加已有官能团含量或引入外源官能团来增强其对重金属的吸附能力；在使用纳米材料对生物炭进行改性后，生物炭对重金属有更高的吸附量和吸附选择性（夏晓阳 等，2023；孙远 等，2024）。基于我们前期的研究发现，对照未改性生物炭，添加EBC促进了土壤无机氮的含量和土壤可利用磷的含量，而这些是影响土壤温室气体排放的关键底物，由此我们推测添加EBC可能会对CO2，CH4和N2O产生不同的影响。为此，本研究提出探讨添加EBC对退化草地三种温室气体排放的影响，以及调控GHG排放的关键因子。2. 前期准备试验的盆栽图已经做过预实验，以下是根据预实验获得的CO2、CH4、N2O排放数据通过Excel 2021和Origin 2022完成的统计分析（所指浓度为平均浓度）：由图表可以得出，EBC可以减少土壤CO2的排放，不同处理强度的EBC对CO2的排放有差异，其中，EBC-1 h整体效果最好。且与未改性BC相比，通过电磁脉冲改性后的生物炭的确存在优越性。由图表可得，EBC可以有效减少CH4的排放，而且有很好的效果，EBC-1 h效果最好，整体上可以稳定CH4的排放，效果优于未改性BC。由图表中可知，EBC可以减少N2O的排放，其中，EBC-3 h效果最好，而其他处理强度不明显。综上，可以初步得出EBC可以减少土壤GHG的排放的结论，不同处理强度的生物炭产生对不同GHG的影响有差异，但是添加EBC后GHG排放的稳定性提高了。3. 自身/团队对整个试验设计和过程已经明晰，且2024年寒假期间已经做过预实验，对实验技术和操作均已熟练掌握，能够较好的采集温室气体并使用气相色谱测定，同时通过学习Excel、SPSS和Origin等工具能够分析生物炭、温室气体以及土壤理化性质的变化。参考文献1方精云,耿晓庆,赵霞,等.我国草地面积有多大?J.科学通报,2018,63(17):1731-1739.2皇甫江云,毛凤显,卢欣石.中国西南地区的草地资源分析J.草业学报,2012,21(01):75-82.3彭云峰,常锦峰,赵霞,等.中国草地生态系统固碳能力及其提升途径J.中国科学基金,2023,37(04):587-602+1-3.DOI:10.16262/ki.1000-8217.20230904.001.4Xu, Y.; Yang, N.; Ge, X.; Zhou, B. Biochar Combined with Nitrogen Alters Rhizosphere Soil Nutrients and Microbial Communities, and Promotes Growth of Moso Bamboo Seedlings. Forests 2022, 13, 1043. https:/doi.org/10.3390/f130710435D.L. Jones, J. Rousk, G. Edwards-Jones, T.H. DeLuca, D.V. Murphy. Biochar-mediated changes in soil quality and plant growth in a three year field trial. Soil Biology and Biochemistry, Volume 45, 2012, Pages 113-124, ISSN 0038-0717. https:/doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.10.012.6Brown, R.W., Chadwick, D.R., Bott, T. et al. Biochar application to temperate grasslands: challenges and opportunities for delivering multiple ecosystem services. Biochar 5, 33 (2023). https:/doi.org/10.1007/s42773-023-00232-y7Muhammad Khalid Rafiq, Yanfu Bai, Rukhsanda Aziz, Muhammad Tariq Rafiq, Ondej Maek, Robert Thomas Bachmann, Stephen Joseph, Maqbool Shahbaz, Abdul Qayyum, Zhanhuan Shang, Mahmoud Danaee, Ruijun Long. Biochar amendment improves alpine meadows growth and soil health in Tibetan plateau over a three year period. Science of The Total Environment, Volume 717, 2020, 135296, ISSN 0048-9697. https:/doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135296. 8王娟,高晶波,何建平等.生物炭及生物硝化抑制剂添加对黄土区设施菜地土壤温室气体排放的影响J.中国土壤与肥料,2023,(08):50-58.9刘强,袁延飞,刘一帆,等.生物炭对盐渍化土壤改良的研究进展J.地球科学进展,2022,37(10):1005-1024.10翟必宇,王娟.生物炭缓解作物干旱胁迫及其机理研究综述J/OL.节水灌溉,1-152024-03-08.11白璐.春玉米田温室气体排放特性对减氮配施生物炭的响应D.内蒙古农业大学,2023.DOI:10.27229/ki.gnmnu.2023.000245.12刘宏元,周志花,赵光昕等.黄淮海平原农田土壤温室气体排放对长期施加生物炭的响应J.中国农业科技导报,2023,25(07):178-186.DOI:10.13304/j.nykjdb.2021.1081.13胡天怡,车佳玥,胡煜杰等.秸秆还田和添加生物炭对热带地区稻菜轮作体系中淹水后土壤温室气体排放的影响J/OL.环境科学,1-162024-03-12.https:/doi.org/10.13227/j.hjkx.202303071.14Signor, D., & Cerri, C. E. P. (2013). Nitrous oxide emissions in agricultural soils: a review. Pesquisa Agropecuária Tropical, 43(3), 322338. https:/doi.org/10.1590/S1983-4063201300030001415Logan T .Critical Reviews in Environmental Science and TechnologyJ.Journal of Environmental Science and Health, Part B. Pesticides,Food Contaminants and Agricultural Wastes,2007,42(3):342.16王丽,蔡景行,邵代兴等.改性生物炭对重金属污染修复研究进展及其机制分析J.中国土壤与肥料,2023,(06):232-238.17夏晓阳,王响玲,夏浩等.改性生物炭特征及其对盐碱化土壤改良的研究进展J.华中农业大学学报,2023,42(05):12-19.DOI:10.13300/ki.hnlkxb.2023.05.002.18孙远,陈敏,周育智等.改性生物炭对镉砷复合污染土壤的修复研究进展J.江苏农业科学,2024,52(02):1-11.DOI:10.15889/j.issn.1002-1302.2024.02.001.项目方案（1500字左右，包括项目研究的主要问题、拟解决的途径、人员分工、预期成果等，创业训练项目和创业实践项目还需包括商业策划、运行、实践等内容） 1.  关键科学问题（1）添加不同处理强度的电磁脉冲改性生物炭对云南典型退化草地土壤温室气体排放有什么影响？（2）添加电磁脉冲改性生物炭，通过改变了哪些土壤理化性质，进而影响了CO2、CH4和N2O的排放速率？2. 拟解决的途径（1）材料准备实验土壤取自云南省曲靖市马龙区马鸣乡云南省草地动物科学研究院所在的实验基地的土壤（103°21E，25°18N），土壤处于中度退化状态，采样深度为0-20 cm，随机多点取样，混合均匀后作为土壤样品土样过5 mm孔径筛，在筛土过程中自然去除石砾、有机残体（残留的作物根系）等非土壤物质，测定其pH，过筛后备用。实验所用植物为为野外样地未退化人工草地的优势牧草：多年生黑麦草和白花三叶草。标有不同处理和重复次数标签的盆栽（2）试验设计试验模式为室内盆栽培养，试验共设置五个处理组，分别为：不加生物炭（CK）、加未改性生物炭（BC）、加电磁脉冲改性1 h的生物炭（EBC-1h）、加电磁脉冲改性2 h的生物炭（EBC-2h）、加电磁脉冲改性3 h的生物炭（EBC-3h），每个处理设置6个重复，共设30盆。种植黑麦草和白三叶草，在进行试验前，先分别将两种种子放入培养皿中并置于25度恒温培养箱中培养三天，在此期间不断往培养皿中加入纯水使得种子保持湿润，提高种子发芽率。每个花盆加入300 g土壤与3 g生物炭混合后（CK只加300 g土壤），装入花盆中，播种时控制每盆的种子数目一样，将种子均匀的撒在土壤表面后，再覆土。定期浇水并测量温室气体通量，试验初、末期都将对土壤理化性质进行测定，便于比较分析。 静态箱（用于温室气体的采集）（3）测量土壤温室气体的排放定期采集温室气体，采样时间为早上9:0011:00，每一盆均于 0、10、20和30 min 分别采集气体 4 次，气体打入10 mL 真空采气管内，用气相色谱仪进行测定。并严格记录采样时间和环境温度。气体排放通量的计算式为：式中：F为气体排放通量，mg kg-1 h-1或g kg1 h1；V为培养瓶上部空间体积，L；dc/dt 为单位时间内培养瓶内气体的质量浓度变化率，mg kg1 h1或g kg1 h1；为气体在标态下的密度，g L1；T 为抽气过程中桶内平均温度，；W为土样干质量，kg。培养期间温室气体累积排放量通过线性内插法估算(黄坚雄 等, 2015)，计算见下式：式中：TF 为培养期间气体累积排放量，mg kg1或g kg1；Fi+1为第i+1次试验采集气体的平均排放通量，mg kg1 h1或g kg1；Fi为第i次采集气体的平均排放通量，mg kg1 h1；ti+1-ti为第i+1次采集气体与第i次采集气体的间隔时间，d。由于3种气体对温室效应的贡献效应不同，故用CO2、CH4、N2O 3种温室气体的CO2当量和来计算全球增温潜势。由前人研究可知单位质量 CH4、N2O 百年时间尺度全球增温潜势分别是CO2的25、298倍，计算见下式：全球增温潜势计算公式为：式中：GWP为全球增温潜势，mgkg-1；TF（CO2）为 CO2累积排放量，mgkg-1；TF（N2O）为N2O累积排放量，gkg-1；TF（CH4）为CH4累积排放量，gkg-1。（4）测量土壤理化性质测量的指标主要为土壤pH、NO3-N、NH4+-N、NO2-N、溶解性有机碳(DOC)和速效磷(AP)。相关测定方法如下表：土壤理化性质测定方法测试项目方法条件土壤pH电位法 土水比=1：2.5速效磷NaHCO3浸提-钼锑抗分光光度法0.5 mol/L、pH=8.5的NaHCO3溶液浸提，固液比=1：20铵态氮水杨酸钠法1 mol/L KCl溶液浸提，固液比=1：5硝态氮用铜锌-硫酸肼还原法1 mol/L KCl溶液浸提，固液比=1：5亚硝态氮重氮耦合法1 mol/L KCl溶液浸提，固液比=1：5可溶性有机碳TOC仪测定法1 mol/L KCl溶液浸提，固液比=1：5（5）统计分析使用Excel和SPSS对数据进行统计分析，使用Origin进行绘图。3. 技术路线4. 人员分工试验是合作完成的，项目成员几乎都是在一起共同完成各项工作，除了浇水或者人员有特殊情况不能到位，如果遇到需要分工的情况，具体分工会根据实际情况和每个人的优势决定。5. 预期成果获得科学合理的实验数据，撰写一篇学术论文。  简述特色与创新点 特色与创新点（1）将环境化学方面的电磁脉冲改性生物炭与草地土壤温室气体排放结合起来，为退化草地生态修复的评价提供理论参考。（2）不同于以往化学改性生物炭可能会带来二次污染问题，本研究采用的电磁脉冲改性玉米秸秆生物炭，这一物理改性方法，操作简单，成本低，最重要的是没有带入新的化学组分因而不会对环境造成二次污染的可能，只改变了生物炭本身的结构和性质，具有更好的应用前景。项目进度安排（包括详细的计划安排） 1.  材料准备和盆栽的培育工作除浇水外持续3个月，一天浇一次水土壤的采集与处理，测定实验土壤的基本理化性质。草种的采集与培养，生物炭及电磁脉冲改性生物炭制造。草种播种并定期浇水2. 气体采集与测定工作每周1次，持续3个月定期定时采集气体。并严格记录采样时间和环境温度。用气相色谱仪进行测定。3. 土壤理化性质的测定工作持续2个月处理盆栽中的土壤并测定土壤理化性质4. 数据处理与统计分析持续4个月对每次的数据进行记录和整理使用Excel和SPSS对数据进行统计分析，使用Origin进行绘图。三、经费预算 开支科目 预算经费（元） 主要用途 资料费300资料收集、录入、复印、翻译以及图书视频音像购置等数据采集费200数据跟踪采集、案例分析等会议费1000组织开展“专家研讨会”、“项目论证会”等活动设备费500涉及办公设备、实验设备、信息系统等燃料动力费500仪器设备等运行的水、电、气、燃料消耗费用等专家咨询费1000专家咨询费、稿费和评审费等人员费、劳务费1000支付给课题组成员、临时聘用的研究人员等的劳务费论文出版费1000论文出版总计5500四、指导教师推荐意见                 指导教师签名： 日期： 五、专家组评审意见                 专家组签名： 日期：     六、学院意见           负责人签名（单位公章）： 日期： 七、学校意见           主管部门盖章： 日期： 附：栏高不够可自行增加。 窗体底端16