生物炭和生物炭基氮肥的理化特征及其作物肥效评价

【目的】研究生物炭和生物炭基氮肥的理化性质及其作物肥效。【方法】以竹炭、木炭、硝酸铵为原材料,分别制备了竹炭基氮肥和木炭基氮肥,采用元素分析、灰分测定、环境扫描电镜、等离子光谱仪、pH计和红外光谱,对2种生物炭及生物炭基氮肥的部分理化性质、形貌结构进行分析。以小麦和糜子为供试作物,通过盆栽试验,在壤土和砂土上,研究生物炭和生物炭基氮肥对作物生长、产量以及氮肥利用率的影响。【结果】竹炭和木炭2种生物炭的含碳量高达60%以上。竹炭灰分含量高于木炭,而负载硝酸铵量低于木炭,分别约为8%和18%。竹炭基氮肥和木炭基氮肥分别呈蜂窝状和管状结构,基本保持了竹炭和木炭的微观形态。在制备生物炭基氮肥的吸附过程中,竹炭、木炭与硝酸铵以物理吸附相结合,吸附过程中未发生化学反应。竹炭、木炭均呈碱性,吸附氮肥后pH值显著降低。在壤土和砂土上,施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥可显著促进小麦、糜子的生长和增产,并能提高氮肥利用率,延长肥料养分在土壤中的存留期,减少养分淋失。【结论】将生物炭作为肥料载体制备的生物炭基肥料,不仅可以促进作物生长和增产,还有利于生物炭农用效益的提升。

牛粪源和木源生物炭对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附机理研究

在700℃热解条件下制得牛粪源生物炭(DMBC)和木源生物炭(WC)。研究了二者对水体中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附去除能力,分析了相关污染物去除机理。结果表明:DMBC的比表面积和碳元素含量均远小于WC,但去除效率却远高于后者。FTIR光谱分析和XRD分析表明,DMBC中含有大量矿物组分(如磷等),易与重金属离子生成沉淀。因此在吸附去除过程中发挥主导作用的是沉淀机制。Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在DMBC上的竞争吸附和单组分吸附结果类似,验证了该结论的正确性。而Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在WC上的单组分和双组分吸附结果相差较大,这说明重金属离子在WC上的吸附是以表面吸附为主。以上研究证实,牛粪源生物炭比木源生物炭更适合用于水体中各类重金属污染的去除。

小麦秸秆生物炭对高氯代苯的吸附过程与机制研究

以小麦秸秆为原料,分别在三种温度(400℃、500℃、600℃)下制备小麦秸秆生物炭,并标记为WSB400、WSB500、WSB600。分析了秸秆炭的元素组成,表征了其结构和表面特征,研究了秸秆炭对五氯苯和六氯苯的吸附动力学和吸附等温线。结果表明,升温热解使得小麦秸秆有机组分炭化、极性官能团消除,炭化程度增强;三种秸秆炭均可快速高效地吸附高氯代苯,且对六氯苯的吸附要快于五氯苯,假二级动力学方程能更好地拟合秸秆炭对氯苯的吸附动力学过程;不同秸秆炭对氯苯的饱和吸附量大小顺序为WSB400>WSB500>WSB600;对吸附等温线进行分析可得,随着秸秆炭制备温度的升高,其对氯苯的吸附等温曲线由线性变为非线性,吸附机理则由以分配作用为主过渡到分配作用与表面吸附共同作用。

添加生物炭对华南早稻田CH_4和N_2O排放的影响

通过田间试验,采用静态箱-气象色谱法研究生物炭添加对华南早稻田甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放的影响。试验设对照(CK),BC1、BC2、BC3(土壤中分别混入5、10、20t·hm-2生物炭)、RS(稻草直接还田)和RI(稻草加腐熟剂还田)6个处理。结果表明,与CK、RS和RI相比,生物炭处理能降低稻田CH4和N2O排放量及排放强度,综合排放强度最低的为BC3处理,值为0.98kgCO2-eq·kg-1。在本实验的处理范围内,生物炭添加量越高,CH4平均排放通量及其季节排放总量越低,最低值分别为22.11mg·m-2·h-1和93.21kg·hm-2;N2O排放通量和季节排放总量则随生物炭添加量的增加呈上升趋势,最高值分别为285.65μg·m-2·h-1和1.07kg·hm-2,但依然小于对照处理(368.13μg·m-2·h-1和1.13kg·hm-2)。此外,试验发现高用量的生物炭(即BC3)处理水稻产量最高,值为7152.58kg·hm-2。综合分析各处理,BC3对减缓温室效应和稳定水稻生产贡献最大。

秸秆生物炭对玉米农田温室气体排放的影响

通过大田试验,采用静态暗箱-气象色谱法研究玉米农田不施生物炭(C0),施生物炭分别为15 t/hm2(C15)、30 t/hm2(C30)和45 t/hm2(C45)后温室气体(CO_2、CH_4和N_2O)的排放特征,并估算CH_4和N_2O的综合增温潜势(GWP)及排放强度(GHGI)。结果表明:添加生物炭显著降低CO_2和N_2O的季节累积排放总量,与C0处理相比,CO_2最大降幅为24.6%(C15),N_2O最大降幅为110.35%(C45),且其随着生物炭施用量的增加而降低;CH_4的季节累积排放总量由小到大依次为:C15、C30、C0、C45,其中,C15处理较C0处理降低幅度最大为259.62%,添加生物炭同时也降低CH_4和N_2O的综合增温潜势(GWP)及排放强度(GHGI),处理C15、C30和C45的GWP值较对照C0分别降低88.2%、123.2%和109.9%,GHGI分别降低88.86%、121.60%和100.03%。施用适量的生物炭可以有效增加玉米产量,处理C15、C30和C45的增幅分别为6.28%、7.27%和1.69%。处理C30显著降低CH_4和N_2O的综合增温潜势及其排放强度,并且产量的增幅最大。因此,在当前玉米农田管理措施下,生物炭施用量为30 t/hm2时可实现玉米增产和固碳减排的目标。

生物质炭对土壤硝态氮淋洗的影响

在过去10年中,施用生物质炭降低氮素淋洗正逐渐成为研究热点。为全面总结分析生物质炭在降低农田土壤硝态氮淋洗方面的影响,本文收集了2010—2016年在中国知网和Web of science上发表的相关中英文文献41篇,采用加权平均法对数据进行处理。结果表明:在农业生产过程中,86%的研究数据表明施入生物质炭可降低土壤硝态氮淋洗,且降低比例随生物质炭施入量的增加而升高。同时,98.2%的研究数据显示生物质炭的施入可以减少土壤水分淋溶体积,平均降幅达10.0%。生物质炭的施用效果以在中性土壤(p H=6.48)为最佳,硝态氮的淋失减少量达30.7%。研究表明,生物质炭可以降低土壤硝态氮的淋洗,平均降幅达24.6%,其淋洗效果主要与生物质炭施用量及原材料有关,此外土壤类型、土壤酸碱度等也是相关影响因素。但是目前关于生物质炭对硝态氮淋洗的研究主要集中在室内土柱模拟,未来仍需长期的田间定位试验来进一步验证其作用效果。

生物炭及炭基硝酸铵肥料对土壤酶活性的影响

【目的】研究2种生物炭(竹炭、木炭)及生物炭基硝酸铵肥料对土壤主要酶活性的影响,为土壤培肥以及合理施用生物炭提供理论依据。【方法】采用糜子、冬小麦连续种植盆栽试验,在砂土和壤土土壤上各设置6种施肥处理,分别为不施氮肥对照(CK)及施用硝酸铵(AN)、竹炭(BC)、木炭(WC)、竹炭基氮肥(BAN)、木炭基氮肥(CAN),测定糜子、小麦收获后2种土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶和脲酶活性的变化。【结果】在砂土土壤中2季作物收获后,各处理蔗糖酶活性从高到低为CAN>BAN>AN>WC>BC>CK,且CAN、BAN与其他处理差异显著;糜子收获后,土壤碱性磷酸酶活性以CAN处理最高,且与其他各处理均具有显著差异,而小麦收获后,除CAN处理外,其他各处理碱性磷酸酶活性较糜子季均有大幅度增加。在壤土土壤中,收获2季作物后,各处理土壤蔗糖酶活性由高到低依次为BAN>AN>CAN>WC>BC>CK;第1季糜子收获后,碱性磷酸酶活性CAN处理最强,BC处理最低;小麦收获后,AN处理的碱性磷酸酶活性最强,BC处理最低。不论是在糜子季还是小麦季,过氧化氢酶活性在2种土壤中表现基本相同,均以CAN处理最强,BC处理最弱。在2种土壤中,糜子收获后,各处理脲酶活性从高到低依次为BAN>CAN>AN>CK>BC>WC;在小麦收获后,各处理脲酶活性从高到低依次为CAN>AN>BAN>BC>CK>WC。【结论】与CK相比,施用BAN和CAN仅对土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶活性有显著影响,而施用BC、WC对土壤酶活性的影响较小;除砂土中碱性磷酸酶活性外,2种土壤中各施肥处理在糜子季的酶活性均较小麦季高。

施用生物炭对烟叶石油醚提取物及致香物质的影响

在许昌设置田间小区试验,研究了不同生物炭用量对烟叶石油醚提取物及致香物质的影响。结果表明:施用生物炭可以提高烟叶中叶绿素含量。在烟株生长中后期,叶绿素含量差异显著,施用生物炭量最多的处理(1500 kg/hm2)叶绿素含量最高。在移栽90 d时,随着生物炭用量的增加,叶绿素含量呈现递增的趋势;当施用750 kg/hm2生物炭时,相比于常规施肥,石油醚提取物含量增加了12%,中性致香物质总量最高,施用1125 kg/hm2的处理次之。施用生物炭用量750～1125 kg/hm2时,可以延长烟叶的成熟期,烟叶内在物质转化充分,利于烟叶品质的形成。

生物炭基肥和调亏灌溉互作对花生根冠比及水分利用效率的影响

为了明确生物炭基肥与调亏灌溉两者组合在花生生产中的应用潜力,通过盆栽试验,研究了生物炭基肥不同用量(0,750,1500,2250 kg·hm^(-2))和不同调亏灌溉程度(重度调亏,45%~50%田间持水量;适度调亏,55%~60%田间持水量;不亏水,70%田间持水量)及两者间的交互作用对花生根冠比和水分利用效率的影响。结果表明:生物炭基肥和调亏灌溉的主效应及两者间的交互作用对根冠比的影响显著;在忽略调亏灌溉条件下,花生的根冠比随着生物炭基肥用量的增加而显著增加,在B0(0kg·hm^(-2))水平下,花生根冠比达到最大为0.0652,最小根冠比B3(2250kg·hm^(-2))较B0降低32.36%;花生产量呈现单峰曲线变化趋势,B2(1500kg·hm^(-2))处理时花生产量达到最大,较最低产B0(0kg·hm^(-2)),产量提高21.11%。生物炭基肥和调亏灌溉两者间的交互作用对水分利用效率的影响显著,B2W1(生物炭基肥,1500kg·hm^(-2);重度调亏,45%~50%田间持水量)处理花生的水分利用效率最大,较最低处理B0W1(生物炭基肥,0kg·hm^(-2);重度调亏,45%~50%田间持水量)提高28.30%。花生的根冠比与水分利用效率呈负相关,根冠比大导致地上部分生物量相对较少,进而影响作物产量的形成,最终水分利用效率降低。因此,综合考虑产量和水分利用效率,B_2W_1(生物炭基肥,1500kg·hm^(-2);重度调亏,45%~50%田间持水量)处理为最优处理,花生产量为96.28g·盆^(-1),此时的水分利用效率为2.04kg·m^(-3)。

生物质炭降解过程中易氧化部分的定量方法

研究将土壤有机质测定方法(KMnO4和K2Cr2O7氧化法)运用到生物质炭上,探讨了生物质炭(Biochar,BC)降解过程中易氧化部分的定量方法.研究结果显示,生物质炭抗氧化性存在不均一性,既可能是生物质炭制备过程产生的热解小分子物质,也可能是生物质炭降解产生的易氧化部分;进一步选定重铬酸钾作为氧化剂,确定氧化条件,氧化降解前后生物质炭,得出生物质炭降解确实产生易氧化部分.本文研究建立的生物质炭易氧化部分定量法可以作为生物质炭的降解程度的定量指标,为土壤中有机碳循环提供重要研究方法.值得强调的是该定量法应用到不同种类的生物质炭上须对氧化条件做出相应讨论.

生物质炭对黄花鸢尾湿地浮游植物群落的影响

考察野外腐化的黄花鸢尾生物质炭在黄花鸢尾模拟湿地系统中维持浮游植物群落稳定性的作用.实验结果表明:当湿地基质中生物质炭施加质量比为5g/kg时,生物质炭可通过吸附-解析作用维持模拟湿地系统水相中酮类物质质量浓度的稳定;该稳定作用可使浮游植物群落处于相对稳定的化感物质胁迫强度下,进而使群落小演替能正常进行.

蔗渣生物质炭对蔗田土壤理化性质的影响

本文主要采用蔗渣为生物质原料,经过热解处理制备蔗渣生物质炭,并施用到蔗田土壤中,在实验室条件下分别培养30天和60天,研究其对蔗田土壤理化性质的影响。研究结果表明:蔗渣生物质炭施用于蔗田土壤30天、60天后,蔗田土壤含水率、p H、阳离子交换量、有机质、全氮、全磷和速效磷含量与空白对照组CK相比均有不同程度增加,其中5%施用量的生物质炭处理对土壤有机质、全氮、全磷和速效磷含量有显著影响。

生物炭对盐渍化农田土壤的改良效果研究进展

土壤盐渍化已成为阻碍农田生态环境可持续发展的主要制约因子,且盐碱地综合治理契合保护农业生态平衡的方针政策。生物炭作为农林资源的再生产物,因其具有保水保肥、大比表面积、强吸附性等特性,在土壤改良与固碳减排等方面均具有较好的效果,实现资源化利用的同时,可以降低环境及地下水面源污染的风险,备受国内外科学领域的关注。文章综合近年来国内外对生物炭在农业领域及土壤改良方面的研究进展,总结生物炭及其复配物在农业领域及对土壤改良方面的成果,对未来生物炭及其复配物在盐碱地治理方面的应用进行探讨,且对生物炭在农业方面的应用提出不足与展望。

不同原料生物炭理化性质的对比分析

为研究不同原料生物炭理化性质的差异,以苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭和褐煤生物炭6种生物炭为测试材料,利用傅里叶红外光谱仪和Boehm滴定法对生物炭表面官能团进行定性和定量分析,用电子扫描显微镜观察生物炭表面形貌,并测定生物炭的pH值、有机碳含量和阳离子交换量等基本理化性质。结果表明,除污泥生物炭呈弱酸性外(pH=6.76),其他生物炭均呈碱性(pH=8.49~9.96)。苜蓿秸秆生物炭有机碳含量最高(588.43 g·kg^(-1)),污泥生物炭最低(168.17 g·kg^(-1))。阳离子交换量大小排序为,苜蓿秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭>葡萄藤生物炭>小麦秸秆生物炭>污泥生物炭>褐煤生物炭。FTIR图谱表征显示,生物炭表面存在芳香烃类和含氧基团,生物炭的结构以芳环骨架为主。苜蓿生物炭表面官能团总数最多,污泥生物炭最少。扫描电镜(SEM)结果表明,苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭表面有明显孔隙结构,褐煤生物炭和污泥生物炭表面并无明显的孔隙结构。综上,苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭适用农田土壤改良与培肥,褐煤生物炭和污泥生物炭可尝试用于污染土壤的修复,同时污泥生物炭可用于盐碱土的改良。

秸秆炭和沸石对土壤吸附Cd(Ⅱ)的影响

为了比较2种类型改良剂对土壤中Cd（Ⅱ）的修复作用，向土壤中添加0．5％和2％的秸秆炭和沸石，培养60d后分析土壤性质的变化，并用一次平衡法研究秸秆炭和沸石对土壤吸附Cd（Ⅱ）的影响。结果表明，添加秸秆炭和沸石均能提高土壤CEC，秸秆炭还可以显著提高土壤pH，0．5％和2％添加量使土壤pH提高0．37和0．66，添加沸石对于土壤pH没有明显提高。等温吸附实验结果表明，添加秸秆炭和沸石均可以增加土壤对Cd（Ⅱ）的吸附量，并且随着添加量的增加而增加，当Cd（Ⅱ）初始浓度为150mg／L时，Cd（Ⅱ）的吸附量提高8．5％～32．5％。随着体系pH的升高，土壤对Cd（Ⅱ）的吸附量增加，在pH较高的体系下，秸秆炭对土壤吸附能力的促进作用更大。解吸实验表明，添加秸秆炭和沸石后土壤Cd（Ⅱ）的解吸量高于对照，说明秸秆炭和沸石提高了土壤对Cd（Ⅱ）的静电吸附量。Freundlich方程更适合拟合添加秸秆炭和沸石后土壤对Cd（Ⅱ）的吸附等温线，R^2值均在0．96以上。从该方程表征吸附容量的参数K，可以看出，秸秆炭促进Cd（Ⅱ）的吸附效果优于沸石，2％添加量的促进效果要优于0．5％添加量。因此，对于辽宁地区的草甸土，秸秆炭对土壤中Cd（Ⅱ）具有更好的修复作用。

肉骨生物炭对重金属Pb^(2+)的吸附特性

为研究以病死猪以炭化焚烧法制备的肉骨生物炭对水溶液中Pb^(2+)的吸附特性,分析了吸附时间、吸附剂用量、Pb^(2+)的初始含量等因素对吸附效果的影响。结果表明,对于50 mL质量浓度400 mg/L的Pb^(2+)溶液,当溶液初始pH为5.5、肉骨生物炭投加量为200 mg、吸附时间为240 min时,肉骨生物炭对Pb^(2+)的吸附效果达到最佳,吸附量为99.37 mg/g,Pb^(2+)去除率达到99%以上。肉骨生物炭对Pb^(2+)的动力吸附过程可以由准2级动力学模型很好地拟合;Langmuir方程描述的单分子层吸附模型能更好地拟合其等温吸附过程,饱和吸附量为106.4 mg/g。相比于玉米秸秆生物炭,肉骨生物炭对Pb^(2+)有更大的吸附容量和更快的吸附速率,是性能较好的Pb^(2+)吸附材料。

生物质炭对植物表型及其相关基因表达影响的研究进展

【目的】生物质炭研究是近十年农业可持续发展研究的重要前沿领域。作为一种良好的土壤改良剂,生物质炭不仅能改善土壤肥力,而且能够通过改变土壤与植物的相互作用关系影响植物生长发育,最终影响作物的生产力。因此,以植物表型及其相关基因表达为视角的生物质炭研究有助于深入了解生物质炭对土壤和植物效应的作用机理,进一步充实生物质炭的农业应用的理论基础。【主要进展】本文回顾了近年来国内外关于生物质炭对植物生长影响的研究,从作物生产力、作物根系生长、作物病虫害和作物基因表达四个方面论述了生物质炭对植物表型和相关基因表达的影响;分析了生物质炭对植物表型及其相关基因表达的可能机理,探讨了生物质炭对植物表型及其相关基因表达研究的不足,提出了未来研究的发展方向。【问题与展望】未来生物质炭对植物表型和相关基因表达的研究应注重其系统性和全面性,例如建立规范化的生物质炭试验技术,特别是生物质炭相关标准和数据库的建立,同时应加强生物质炭对转基因作物的影响等方面的研究。

鸡粪生物炭对土壤铜和锌形态及植物吸收的影响

300℃制备的鸡粪生物炭既可以固定碳和重金属,又可以克服鸡粪不当处理所产生的环境问题,但由于鸡粪中Cu和Zn的含量较高,因此使用时可能存在重金属污染风险。本文研究了温室大棚中土壤培养和小白菜盆栽下施用鸡粪生物炭对土壤Cu和Zn形态以及植物吸收的影响。结果表明施用鸡粪生物炭可以明显增加土壤pH,减少土壤有效态Cu含量,小白菜盆栽条件下鸡粪生物炭对有效态Cu抑制程度小于土壤培养。空白土壤中施入鸡粪生物炭后有效态锌的含量增加了6.19 mg·kg^(-1),使用鹿粪则可以减少鸡粪生物炭对土壤有效态Zn含量的影响。随着土壤培养时间的延长,施用鸡粪生物炭可降低酸溶态与可还原态Cu的比例,增加残渣态Cu比例,提高施加鸡粪生物炭处理中可氧化态与残渣态Zn比例。高温高湿环境下施用2%鸡粪生物炭能够促进小白菜的生长,增加小白菜干重,减少小白菜根部重金属Cu和Zn含量,降低Cu和Zn的根富集系数,二次盆栽后添加鸡粪生物炭还能够降低小白菜茎叶部Cu和Zn的含量。以上结果说明,鸡粪生物炭施入土壤后可引起短时间的污染风险,且Zn的污染风险大于Cu,但随着时间的延长,鸡粪生物炭既可促进小白菜的生长,减少Zn的释放,又能固定Cu和Zn,从而减少植物对Cu和Zn的吸收。

生物质炭施加对水-旱轮作农田土壤CO_2排放及碳库的影响

选择典型亚热带稻-麦轮作农田,比较不同施加量的玉米芯生物质炭对作物产量、土壤理化性质和CO_2排放的影响,并结合同位素分析研究了生物质炭的分解程度及其在水作影响下的田间存留量。结果显示,施加生物质炭显著增加了土壤阳离子交换量和总有机碳含量,降低了土壤CO_2排放速率。δ^(13)C数据表明,生物质炭在施加初期被快速分解,对土壤CO_2排放的短期贡献率可达35.95%,但一个生长季后分解微弱;生物质炭在水田中流失明显,一个轮作周期后的田间存留率为17.33%~36.50%。结果表明,生物质炭可提升亚热带水-旱轮作农田土壤碳库并降低土壤CO_2排放速率。

芹菜源生物炭对重金属离子的吸附性能

[目的]寻找高效低成本的吸附重金属污染物的材料。[方法]以农业剩余物芹菜为原料,研究芹菜源生物炭对一些典型重金属离子[Cu2+、Cd2+、Cr(VI)]的吸附性能。[结果]中温(350、500℃)限氧热解制备的芹菜源生物炭对Cu2+的吸附量可超过50 mg/g,对Cd2+、Cr(VI)等重金属离子也表现出良好的吸附性能。Freundlich和Langmuir吸附方程能较好地描述吸附过程。结合红外光谱、扫描电镜与能谱等表征手段,证明芹菜源生物炭对重金属离子的高吸附性能与其表面沉淀作用、表面络合和离子交换反应有关。[结论]芹菜源生物炭对重金属离子有较强的吸附性能,应用前景广阔。