不同原料、热解温度对生物质炭化学性质及结构组成的影响

[目的]本文旨在研究热解温度和原料对生物质炭化学性质及官能团的影响,为优化生物质炭的化学性能提供科学依据。[方法]以小麦、水稻和玉米秸秆为原料,在3种温度(350、450和550℃)下进行热解,分别得到小麦秸秆生物质炭(WB350、WB450和WB550)、水稻秸秆生物质炭(RB350、RB450和RB550)和玉米秸秆生物质炭(CB350、CB450和CB550)。分析这些生物质炭的pH值、灰分含量、阳离子交换量(CEC)、全碳和全氮含量,采用红外光谱法和13C核磁共振波谱法分析生物质炭化学结构。[结果]当温度从350℃升至550℃时,小麦、水稻和玉米秸秆炭的pH值和C/N值均显著提高,全氮含量均显著降低;水稻和玉米秸秆炭的灰分含量显著提高,而CEC显著降低。从不同原料来看,当温度为350和550℃时,水稻、玉米和小麦秸秆生物质炭的灰分含量依次递减。同一温度下,玉米秸秆炭的CEC显著高于小麦和水稻秸秆炭的CEC。同一温度下小麦、玉米和水稻秸秆炭的全碳含量依次递减;玉米、水稻和小麦秸秆炭的全氮含量依次递减;小麦、水稻和玉米秸秆生物质炭的C/N值依次递减。随着温度的升高,生物质炭中各种芳香族官能团含量增多,脂肪族官能团含量减少。温度为550℃时,水稻秸秆生物质炭的—CH2和SiO2的吸收振动强于玉米和小麦生物质炭,水稻、小麦和玉米秸秆炭的芳香性指数依次递减;当温度为350℃时,水稻、玉米和小麦秸秆炭的烷基指数依次递减。[结论]不同温度和原料制备的生物质炭中,550℃热解温度下的生物质炭具有较高的pH值,故推荐施用550℃热解的生物质炭来改良酸性土壤;玉米秸秆生物质炭的CEC较高,有利于提高土壤的肥力水平;而水稻秸秆生物质炭在350℃热解温度下含有较高的灰分含量和较多的脂肪族官能团,而在550℃热解温度下芳香性指数较大,其可能是同时增强土壤肥力和实现土壤固碳减排的潜在良好材料。

三种生物质热解醋液矿物质和有机质组成及其辣椒叶面喷施效应

为了解生物质热解醋液的无机与有机组成特点及其叶面喷施对蔬菜生长和品质的影响,探讨其组成及作物效应变化与不同原料和热解工艺的潜在联系。本研究选择苹果枝条、玉米秸秆和稻壳等三种农业废弃物炭化工程的热解醋液,分析其基本物质组成性质及可溶性有机质(DOM)含量,并采用提取-浓缩-GC-MS分析法研究供试醋液主要有机分子组成,继而以其为载体分别配制叶面液体肥料,进行辣椒田间试验。设置对照(清水,CK)、市售常规液体肥料(WSF)、稻壳醋液炭基液体肥料(RF)、玉米秸秆醋液炭基液体肥料(CF)和苹果枝条醋液炭基液体肥料(AF)5个喷施处理,采集成熟辣椒测定植株生长和品质指标。结果表明:三种热解醋液的DOM均以有机酸、酚类物质为主,同时含有少量酮类、醛类和酯类等物质。其中,苹果枝条醋液含有机酸量最大,稻壳醋液含酚类最多。不同液体肥料喷施处理均能促进辣椒生长和改善辣椒品质,其中AF处理效果最优,其次是CF、RF和WSF处理。与CK相比,不同液体肥喷施辣椒平均增产在35%以上,AF处理增产达62%;AF显著提高了辣椒坐果数、叶面积和SPAD值,增幅分别为54.73%、26.99%和19.67%;各处理下辣椒果长、果径均显著增加,AF处理下增幅均在25%以上。不同液体肥料喷施均显著增加了辣椒可溶性糖和辣椒素含量(平均增幅约20%),并提高了可溶性蛋白含量(增幅约5%);AF处理下辣椒可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C、辣椒素和干物质等品质指标提升幅度在6%~30%之间。研究表明,热解醋液液体肥对辣椒的增产提质效应与热解醋液中微量矿质元素有关,也与小分子有机酸和抗氧化酚类物质含量有关,其分子过程和分子机理仍需要进一步研究。

城市污泥农用对植物-土壤系统的影响

城市污泥的合理处置是目前资源与环境科学研究领域中的重要课题之一.城市污泥因富含大量的有机质和有效营养成分,对农业土壤肥力、土壤物理结构和农业生产均有一定的积极促进作用,使得污泥农用成为可能.但城市污泥中含有的重金属、有机污染物等有害物质尤其是重金属,成为污泥农用处置的瓶颈.为提高我国城市污泥的农业资源化利用效率和减少污染物造成的负面效应,本文就国内外施用城市污泥对植物-土壤互作系统的影响及过程进行了综述,为进一步提高污泥利用效率提供理论依据和科学指导.

草地退化对植物硅分布和植硅体碳汇的影响:以北方农牧交错带草地为例

草地生态系统中,硅(Si)不仅在植物生长过程中扮演着重要的角色,而且通过形成植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)的方式参与陆地生态系统碳循环。近几十年来,由于人为干扰等因素导致的草地退化引起了广泛的关注。本研究中,我们选取了我国北方农牧交错带中30个不同退化程度的样地,分析了8种常见植物(共71个样品)地上部分Si含量和分布特征,并估算了植硅体碳产生通量。结果发现,随着草地退化的加剧,糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)地上部分Si含量呈下降趋势,而羊草(Leymus chinensis)表现为先上升后下降的倒"V"型。不同退化程度样地植物地上部分Si平均含量分别为12.25±1.02 g/kg(轻度)、10.56±1.15 g/kg(中度)和8.06±0.93 g/kg(重度),而植硅体碳产生通量显著下降,分别为0.320±0.038 kg/(ha·a)、0.190±0.021 kg/(ha·a)和0.068±0.006 kg/(ha·a)(P<0.05)。研究表明,草地退化对不同种类植物的Si含量和产生通量的影响不同,这可能是由于植物的功能类型不同造成的。草地退化可以导致种群结构的变化和地上净初级生产力(ANPP)的降低,从而影响草地植物地上部分Si的分布和植硅体的固碳能力。当退化严重时,初步估算北方农牧交错带内草地植物地上部分植硅体固碳速率将下降5倍以上。

湖泊-流域系统硅循环及其对碳和养分循环的影响

硅是环境中最为常见的元素之一,在地壳中的丰度为28.8%,是多数植物生长的有益元素。在生态系统中,硅循环与碳和营养元素的循环密切相关。以往国内外对于硅循环的研究大多针对海洋和陆地生态系统,而湖泊-流域系统中硅的循环过程及其对碳和营养元素循环影响的研究尚且不多。本文结合国内外研究进展,综述硅在湖泊-流域系统的存在形态及分布,阐述硅在湖泊-流域系统中的基本循环过程,以及该循环过程对碳和养分循环的影响及其作用机制。在此基础上,提出了今后的研究工作应对湖泊硅素来源进行分析,并确定湖泊沉积物中植硅体与硅藻固碳量,同时完善湖泊氮、磷、硅含量及其生态化学计量关系,最后建立湖泊-流域系统硅-碳-养分耦合循环模型。本文有助于更好地了解湖泊-流域系统硅循环过程以及硅循环对碳、养分循环的影响机制,为缓解湖泊-流域水体富营养化现象和全球气候变化提供科学参考。

土坷垃与泥疙瘩:如何认识和表征土壤团聚体生物物理结构?

近些年来强制海退砂体作为三角洲—滨岸环境中重要的岩性圈闭储层而备受关注。选取南海北部珠江口盆地惠州地区,基于井震资料和层序地层学标准化原理在下韩江组至珠江组四段上部(T35~T50)地层内建立了高精度地层层序格架,划分出11期强制海退沉积并建立了惠州地区强制海退沉积的识别标志:①高位体系域与强制海退体系域之间存在泥质分隔带;②强制海退砂体在沉积倾向上存在不规则的厚度变化;③强制海退沉积内部存在高角度前积,并且具有顶超型特征;④存在底突变砂体,同时强制海退沉积的沉积相分析结果显示其属于浪控三角洲中的海滩脊沉积相。由于强制海退沉积具有较好的储层物性,同时容易与高位体系域、低位体系域和海侵体系域之间形成富泥带,有利于岩性圈闭的发育。结合11期强制海退沉积在平面上由北东向南西方向发散的马尾状特征以及已有油气发现的强制海退体系域砂体2(FSST2)和强制海退体系域砂体3(FSST3)沿走向上的厚度变化,认为在多期强制海退沉积的形成过程中存在着北东向南西方向流动的古沿岸流作用。此外强制海退体系域砂体2(FSST2)和强制海退体系域砂体3(FSST3)岩心上的沉积构造分析结果显示,北东区域相对于南西区域存在着较强的潮汐水动力的影响,这可能是因为2期强制海退体系域与古东沙隆起较为接近形成了中间较为狭窄的地形,进而在潮汐作用下形成了往复潮流,相对狭窄的北东区域受到往复潮流的影响较大,而相对开阔的南西区域仍以波浪作用为主,受到往复潮流的影响较小。在强制海退砂体内部主要形成楔状体内部突变尖灭型岩性圈闭和向海方向上倾的渐变尖灭型岩性圈闭2种模式,有利的储层物性以及富泥带的存在导致的砂体尖灭性使其成为了理想的岩性圈闭勘探目标。