新鲜和老化生物炭对土壤氮淋失及油菜氮吸收的影响

粮食需求日益增加,为了实现增产,大量氮肥被施入土壤,而氮肥利用率较低导致土壤氮淋失严重,造成水体污染.生物炭施入土壤被认为是减少土壤氮淋失的有效措施.本文通过室内土柱模拟淋溶试验,共设置5个处理——对照(仅施氮肥,B0)、氮肥+1%新鲜生物炭(B_(1))、氮肥+4%新鲜生物炭(B_(4))、氮肥+1%老化生物炭(Ba_(1))、氮肥+4%老化生物炭(Ba_(4)).在植物-土壤-淋溶液系统内探究不同施加量的新鲜和老化生物炭对土壤氮淋失和油菜氮吸收的影响,并通过物质守恒定律来探究其对气态氮损失的影响.结果表明:与对照相比,添加1%和4%新鲜生物炭时土壤氮素含量分别提高4.63%和9.68%,淋溶液氮素含量分别降低33.91%和61.18%,油菜氮素含量分别增加40.70%和129.65%;添加1%和4%老化生物炭时土壤氮素含量分别提高7.46%和13.30%,淋溶液氮素含量分别降低53.68%和72.05%,油菜氮素含量分别增加78.20%和185.76%;气态损失的氮量随生物炭老化和施加量的增加而减少.研究显示,土壤中施加生物炭对于提高土壤氮素固持能力、减少氮素淋失、促进油菜氮吸收和减少气态氮损失均具有显著效果,且施加老化生物炭的促进效果优于新鲜生物炭,证明生物炭减少土壤氮淋失的效应具有长期性.

水盐胁迫下老化生物炭对温室气体与玉米生长的影响

为揭示不同灌水量和灌水盐分下老化生物炭对温室气体排放与玉米生长的影响,设置2个生物炭水平:0 t/hm~2(B0)、60 t/hm~2(B1),2个灌溉水含盐量:0.71 g/L(S0)和4.0 g/L(S1),2个灌溉水平:充分灌溉(W1)和亏缺灌溉(W2,1/2 W1),于2022年4—9月在甘肃武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站进行了春玉米田间试验。结果表明,亏缺灌溉相较于充分灌溉CO_(2)累积排放量减少24.13%~52.68%,但二者的N_(2)O排放没有显著差异。微咸水灌溉导致CO_(2)和N_(2)O累积排放量分别增加9.06%~24.79%、9.95%~18.03%。在4种灌溉处理下,老化生物炭使CO_(2)和N_(2)O累积排放量分别减小7.33%~18.78%和21.14%~29.76%。不同处理间的CH_(4)排放无显著影响。亏缺和微咸水灌溉抑制了作物的生长;老化生物炭显著提高了春玉米生物量,总体增加7.86%~25.82%,但其对W1S0、W1S1、W2S0处理下玉米产量增产效果并不显著,且W2S1处理下玉米产量显著降低。同一灌溉水平下,微咸水灌溉增加了全球增温潜势,而利用老化生物炭和亏缺灌溉会降低全球增温潜势。微咸水和亏缺灌溉显著降低了农田土壤炭收益,分别减小17.70%~65.36%和37.30%~71.96%。不同灌溉处理下,老化生物炭均显著增加了农田土壤炭收益,增加15.86%~33.52%。总体上在W1S0、W1S1和W2S0处理下施用老化生物炭小幅提高了玉米产量,大幅降低了全球增温潜势和促进了农田净碳收益,因此在这3种灌溉方式下,老化生物炭施用可增加当地的经济和环境效益。

干湿循环老化生物炭及其对农业生产与农田环境的影响研究进展

生物炭在农田固碳、温室气体减排、土壤改良、土壤肥力提高和面源污染治理方面的作用逐渐得到认可,然而其在土壤中并不是一成不变的,会发生老化,而老化作用又导致其理化性质和表面结构发生明显改变。水分是影响生物炭稳定性的重要因素,土壤干湿循环的主要特征是水分的交替变化,因而干湿循环是引起生物炭老化的重要类型,而干湿循环老化生物炭在提高土壤肥力、促进作物生长和改善农田环境效应方面发挥重要作用。综述近年来国内外学者关于干湿循环老化对生物炭性质影响的研究进展,总结干湿循环老化生物炭对农业生产及农田环境效应影响的研究成果,针对现有问题进行分析,进一步提出后续有待研究的问题,旨在为生物炭的推广应用与农业可持续发展提供科技支撑。

老化生物炭对红壤铝形态影响的潜在机制

生物炭能降低酸性红壤活性铝含量,而经过长期降雨淋洗或酸雨等环境作用发生老化后,生物炭将如何改变土壤铝形态进而影响缓解铝毒的能力?为评估生物炭缓解铝毒潜力提供重要依据,本研究采用水洗和酸化的方法加速花生壳生物炭老化,将原生物炭、水洗老化生物炭和酸化老化生物炭与酸性红壤进行充分混合,设置CK(0%生物炭)、PB(施2%原生物炭)、WB(施2%水洗生物炭)和AB(施2%酸化生物炭)共4个处理进行装盆熟化培养,每个处理4个重复,探究老化生物炭对红壤铝形态影响的潜在机制。结果表明,与CK相比,老化生物炭可增加土壤速效钾和有机质的含量;PB和WB处理红壤p H分别上升了0.17和0.16个单位,而AB处理红壤p H却降低0.44个单位;PB和WB处理红壤交换性酸总量分别下降70.08%和34.84%,而AB处理红壤交换性酸总量却升高18.24%,说明老化生物炭不能有效降低土壤中活性酸和潜在酸的含量,酸化老化生物炭甚至会加剧土壤的酸化。此外,与CK相比,PB和WB处理红壤中腐殖酸铝、胶体铝离子和单聚体羟基铝离子含量分别增加了8.59%和2.87%、20.17%和14.46%、101.65%和32.92%,交换性Al^(3+)含量却分别降低了81.87%和49.15%,而AB处理中交换性Al^(3+)和胶体铝离子含量分别升高了17.98%和20.67%,而腐殖酸铝和单聚体羟基铝离子的含量却降低了40.69%、49.79%,表明水洗老化生物炭仍可使具有生物毒害性的Al^(3+)含量下降,而酸化老化生物炭会增加Al^(3+)的含量。进一步研究表明,生物炭老化前后,不同形态的铝会发生转化关系,土壤中各形态铝比例发生变化,但是腐殖酸铝和胶体态铝Al(OH)_3~0仍然是活性铝的主要赋存形态。因此,生物炭在老化后,仍然具备提高土壤养分的潜力,但是其对土壤酸度和铝毒的缓解能力却显著下降,甚至会加剧土壤酸化和铝毒害。

老化生物炭对黑麦草累积重金属的影响

采用化学老化法制得老化生物炭,通过黑麦草盆栽试验,比较生物炭老化前后对土壤中重金属残留量的影响及黑麦草对重金属累积量的影响,探讨老化生物炭对土壤中重金属铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)生物有效性的影响。结果表明,与新鲜炭相比,老化生物炭增加了黑麦草的生物量和土壤中重金属的残留量,同时减少了黑麦草体内的重金属累积量。其中,5%老化生物炭处理的效果最为明显,可以使土壤中重金属Pb、Cd、Cr残留量分别增加6.85%、13.83%、34.36%,使植物地上部分对3种金属的累积量分别减少56.53%、55.68%、47.27%,使植物地下部分对3种金属的累积量分别减少41.71%、21.79%、43.37%。此外,施加生物炭可以显著减少植物地上部分、地下部分的富集系数及转运系数,其中对Cr的作用效果最明显。生物炭老化后对重金属具有更强的吸附固定能力,能减少植物对重金属的累积,降低重金属的毒害效应,进而提高植物生物量。研究结果为生物炭的长期应用提供了理论依据。

新鲜和老化生物质炭应用对农田温室气体减排的研究进展

近年来,温室气体减排成为全球关注的热点,而农田是温室气体排放的重要来源之一。大量研究结果表明,生物质炭具有温室气体减排的潜力,但长期施用后,自然环境造成的生物质炭老化会使其本身的理化性质发生变化,进而影响温室气体的减排效果,因而比较新鲜和老化生物质炭对农田温室气体排放的影响具有重要意义。综述生物质炭的不同老化方式及其理化性质的变化,以及新鲜和老化生物质炭施用对农田温室气体排放的影响及机制,发现与新鲜生物质炭相比,老化生物质炭对农田温室气体排放效果并不统一,这与生物质炭的老化方式、老化时间和土壤类型等密切相关,老化生物质炭不仅会改变自身的理化性质,还会改变土壤的理化性质与微生物活性,从而影响农田土壤温室气体排放。而生物质炭田间老化对温室气体排放的影响多为短期的,对于长期影响还有待进一步研究,可以利用同位素示踪技术进一步探究新鲜和老化生物质炭施用对温室气体排放影响的机制。

生物炭老化对土壤中Cd^(2+)的吸附性能及机制研究

生物炭老化后会对土壤重金属固定化作用的稳定性和持久性产生影响,导致其钝化性能发生变化。研究了以花生壳(peanutshell,PS)为原料,在温度600℃、缺氧条件下采用热解法制备花生壳生物炭(PSB),并采用模拟田间氧化、浸出、酸化方式对PSB进行老化,制备了氧化生物炭(OPSB)、浸出生物炭(LPSB)、酸化生物炭(APSB)。通过等温吸附模型、动力学模型,以及FT-IR和XRD探讨了3种老化方式对生物炭吸附Cd^(2+)效应和机制的影响。结果表明:氧化老化过程能明显促进含氧官能团(—COOH、—OH等)在生物炭表面的积累,提升OPSB对Cd^(2+)的吸附性能,使Cd^(2+)吸附量提高10.13%;浸出老化后生物炭的官能团含量无明显变化,但大量可溶性矿物流失,使LPSB对Cd^(2+)的吸附性能大幅下降,吸附量降低13.35%;酸化老化会影响生物炭表面对Cd^(2+)的吸附活性,导致APSB对Cd^(2+)的吸附量降低26.52%;4种生物炭对Cd^(2+)的吸附过程均为有效吸附,其中,OPSB对Cd^(2+)的吸附亲和力最优,其次为PSB、LPSB和APSB;在低pH条件下,Langmuir等温吸附模型能更好地拟合4种生物炭对Cd^(2+)的吸附过程;同时,4种生物炭对Cd^(2+)的吸附过程均以物理静电吸附为主导,适合用准一级动力学模型描述。

生物炭老化及其对重金属吸附固定的影响研究进展

生物炭是生物质在限氧条件下通过高温热解得到的富碳固体,其丰富的含氧官能团、较大的比表面积、高度的芳香性结构等特性,使得生物炭对重金属具有很好的固定作用,因此,生物炭在重金属污染土壤的修复方面具有良好的前景。目前关于生物炭的研究大多集中在新制备的生物炭对重金属污染土壤的短期修复,但生物炭进入土壤后,随着时间的推移,会受到各种地球自然力的作用,逐渐发生老化,老化过程会对生物炭的物理化学性质和吸附性能产生不可忽视的影响。本文系统性地综述了国内外生物炭老化方法以及老化处理对生物炭理化性质、重金属吸附性能和生物有效性的影响等方面的研究进展,阐明当前生物炭老化研究现状,并对未来生物炭老化研究的发展方向提出建议,以期为重金属污染土壤的长期修复提供理论支撑。

田间老化生物质炭对黄土高原旱作农田土壤有机氮组分的影响

【目的】研究田间老化生物质炭对土壤有机氮组分及微生物生物量碳氮的影响,为生物质炭在陇中黄土高原地区培肥改良土壤、提高氮肥利用效率方面的应用提供科学依据。【方法】2015年在甘肃农业大学旱作农业综合试验站开展定位试验,试验包含6个玉米秸秆生物质炭添加量:0、10、20、30、40、50 t/hm^(2),依次记为CK、BC1、BC2、BC3、BC4、BC5处理。2020年小麦收获后(第5茬),调查了春小麦产量,采集0—5、5—10和10—30 cm土层土壤,用Bremner法测定有机氮组分及微生物生物量碳、氮含量。【结果】施用生物质炭5年后依然能显著提高春小麦产量,以BC3处理春小麦产量最高,较CK显著提高了24.76%。与CK相比,生物质炭处理土壤全氮(TN)和微生物生物量碳(MBC)分别显著增加6.55%~10.94%、68.63%~139.74%,微生物生物量碳氮比(BC/BN)增加10.60%~202.44%。有机氮各组分占比表现为:氨基酸态氮(AAN)>非酸解氮(AIN)>酸解铵态氮(AMN)>酸解未知态氮(UAN)>氨基糖态氮(ASN),分别占土壤全氮的27.46%~45.13%、15.47%~31.14%、19.00%~28.66%、1.59%~18.54%和2.76%~8.86%。其中三个酸解氮含量在5个生物质炭处理土壤中均表现为:AAN>AMN>ASN,BC2、BC3、BC4和BC5处理土壤AAN和ASN含量分别较CK显著提高17.58%~81.51%和43.60%~107.55%,BC2和BC3处理土壤AMN含量显著提高15.46%~28.95%。BC3处理土壤的酸解总氮(TAN)、AMN和ASN含量最高,AIN含量最低。【结论】土壤全氮及微生物生物量碳是影响有机氮组分差异的主要因素。10~50 t/hm^(2)施用量下,生物质炭均显著提高了土壤全氮及微生物生物量碳,施用生物质炭30 t/hm^(2)提高土壤酸解总氮、酸解铵态氮和氨基糖态氮含量的效果最显著,土壤供氮能力最强,春小麦产量最高。因此,在黄土高原旱作农业区,合理的生物质炭用量可长期提高土壤供氮能力。

田间老化生物质炭减缓稻麦轮作系统土壤N2O排放能力降低的机理

生物质炭作为一种重要的土壤调节剂,在固碳减排尤其氧化亚氮(N_(2)O)减排方面的作用日益突出。为明确生物质炭对田间N_(2)O排放的持续效应及其作用机理,通过田间定位试验,分析稻麦轮作体系新鲜和田间不同时间老化生物质炭对N_(2)O排放的影响。试验共设置5个处理,分别为CK(不施氮肥和生物质炭)、N(施氮肥)、NB0y(氮肥+新鲜生物质炭)、NB2y(氮肥+2年老化生物质炭)和NB5y(氮肥+5年老化生物质炭),动态监测稻麦轮作周期N_(2)O排放,测定水稻和小麦收获后土壤理化性质和氮循环功能基因丰度。结果表明,生物质炭显著降低土壤N_(2)O累积排放量32.4%~54.0%,且表现为NB0y>NB2y>NB5y。与N处理相比,NB0y、NB2y和NB5y处理显著提高土壤pH 0.6~1.2个单位、土壤有机碳(SOC)含量21.4%~58.6%、硝态氮( NO_(3)^(-)-N)含量1.7%~31.3%,对土壤pH改善能力随着生物质炭老化而下降。生物质炭处理显著提高nosZ基因丰度54.9%~249.4%,土壤(nirS+nirK)/nosZ比值随着生物质炭老化而增加。相关性分析表明,土壤N_(2)O累积排放量与pH呈显著负相关,与 NO_(3)^(-)-N含量和amoA-AOB(氨氧化细菌)丰度呈显著正相关。因此,新鲜和田间不同时间老化生物质炭均能显著改善土壤理化特性,降低土壤N_(2)O排放且新鲜生物质炭的作用效果优于老化生物质炭。土壤NO_(3)^(-)-N含量及(nirS+nirK)/nosZ比值的增加,是导致老化生物质炭减排N_(2)O能力降低的主要原因。

生物炭老化后理化性质及微观结构的表征

在长期降水淋洗或温室效应产生酸雨等环境影响下,施入土壤中的生物质炭会随时间的推移而逐渐发生老化作用,而其老化后理化性质及结构等如何改变是广受关注的新问题.本文通过水洗和酸化两种方法对花生壳生物炭进行模拟老化试验,并利用元素分析仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射光谱(XRD)和傅立叶红外光谱分析仪(FTIR)研究生物炭老化前后的理化性质及结构差异.结果表明:(1)生物炭经老化处理后p H值均下降,且酸化生物炭(acidulated biochar,AB)比水洗生物炭(washing biochar,WB)的下降程度大;另外,WB的O/C和(O+N)/C分别下降了8.89%和10.42%,而AB的O/C和(O+N)/C却升高了11.11%和14.58%,表明生物炭老化后其亲水性和极性发生改变;且WB和AB的碱性元素总量分别比原生物炭(primary biochar,PB)下降了26.53%和88.78%,说明生物炭老化后有较多的碱性元素被释放.(2)与原生物炭相比,生物炭水洗老化后表面较平整且微孔结构保持完好,而酸化老化后表面较粗糙、微孔结构严重破坏.(3)生物炭老化后,其表面Al_2SiO_5和SiO_2晶体的含量均明显下降;与PB相比,WB新增加了1166 cm^(-1)和1082 cm^(-1)特征峰2个;而AB新出现了1705 cm^(-1)、1622 cm^(-1)和1546 cm^(-1)特征峰3个,并减少了466 cm^(-1)这个振动峰,且其他特征峰的吸光度较原生物炭整体降低,说明生物炭在老化过程中其含氧官能团增加,而其它官能团数量和其表面的晶体含量都有所减少.因此,生物炭在一定环境作用下,其老化过程中一些元素释放而含量减少,且导致物质结构的破坏.

生物炭对鄂西茶园土壤改良的研究

为探究不同用量的生物炭和不同的培养时间对鄂西代表性酸性茶园土壤酸度、电导率及有机质的调控效果和变化规律,向土壤中添加3种质量分数分别为0,1%和3%的生物炭进行土壤培养试验,控制培养时间分别为3个月和6个月。结果发现:随着土壤中生物炭投加量的增加,大部分茶园土壤的理化性质(pH值、电导率、有机质含量)均有一定程度的增加;同时,发现施加3个月的生物炭便可提高茶园土壤的pH值和电导率,增加了土壤肥力;当培养6个月后,不同生物炭处理的土壤上述指标均有所下降,说明生物炭老化对土壤改良也有一定的影响。

生物炭对土壤氮素淋失影响的研究进展

在农业活动中,由于片面追求粮食高产,过度使用氮肥造成土壤养分过剩,由其引发的环境问题日益严峻。生物炭作为一种高效的土壤改良剂,施用后会影响土壤氮素养分的持留,进而影响土壤保氮能力。为明确前人研究成果,为今后开展土壤氮素淋失的研究工作提供借鉴,针对生物炭对土壤氮素淋失的影响展开综述,将外在条件(土壤种类、生物炭类型,使用量及添加方式,作物类型等)和内在条件(生物炭理化性质、微生物作用)相结合,深入探讨并阐明生物炭影响土壤氮素淋失的4种机制:1)生物炭发达的微孔结构及巨大的比表面积赋予其强效的物理吸附性能,可以大大增加土壤中含氮养分的固留时间,从而减少淋溶作用所造成的氮素损失;2)生物炭加入土壤中,改善土壤持水能力,避免氮素养分随水迁移造成损失;3)生物炭提高了土壤CEC值、pH值等,从而增强土体的化学吸附性能;4)生物炭与微生物相互作用,影响土壤中氮素的循环与利用。最后就生物炭应用于土壤氮素控制领域进行了展望。