生物炭介导的连作大豆光合生理代谢及产量响应

为明确生物炭长期存在条件下对连作大豆光合生理和产量的调控效应及作用关系,探讨其应用可行性,采用大田长期定位试验方法,设置CK(施肥,不施炭)、B1(生物炭12 t·hm^(-2))、B2(生物炭24 t·hm^(-2))和B3(生物炭48 t·hm^(-2))4个处理,研究了施用生物炭(9年)对连作大豆进行光合作用的物质基础、生理功能、产物积累以及产量等方面的影响。施用生物炭可提升连作大豆叶绿素含量(Chla、Chlb)、叶面积及叶面积指数,明显增强连作大豆的光合作用能力,其净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、水分利用效率(WUE)明显提高,胞间CO_(2)浓度(Ci)降低,其中B3处理的Pn、Tr和Gs分别比CK处理提高15.44%、14.98%和117.73%。同时,生物炭介导的连作大豆PSⅡ反应中心内禀光能转换效率(Fv/Fm)、潜在光化学效率(Fv/Fo)及热耗散量子比率(Fo/Fm)提高,进行光合的植物效率提升。生物炭处理的连作大豆可溶性蛋白、可溶性糖、蔗糖含量及叶片干物质量均有不同程度提高,光合产物积累增加,且最终产量表现为生物炭处理均高于CK处理,其中B2、B3处理的大豆产量分别比CK处理提高7.69%、15.38%。相关分析表明,生物炭长期介导的连作大豆产量响应与Chla、Pn、Tr、Gs以及叶片可溶性糖含量密切相关,是促进连作大豆产量提升的重要因素。施用生物炭可增强大豆光合生理功能,促进光合产物积累,提高连作大豆产量。

农用生物炭研究进展与前景

生物炭以其良好的解剖结构和理化性质,广泛的材料来源和广阔的产业化发展前景,成为当今农业、能源与环境等领域的研究热点。本文综合分析、评述了生物炭在土壤、作物、农田生态系统等领域应用的主要研究进展及其未来保障中国粮食安全的重要意义,从低碳、循环、可持续视角,客观、辩证地探讨了生物炭在农业上的应用价值及其产业化发展前景。生物炭在修复土壤障碍,提升耕地生产性能和作物生产能力,促进农业可持续发展和保障国家粮食安全等方面具有重要现实意义和应用价值,本文结合中国国情,提出了进一步深入研究与开发生物炭产业的方向与建议,旨在为中国生物炭产业的健康发展提供参考。

东北地区秸秆生物炭利用潜力、产业模式及发展战略研究

东北地区耕地广袤、秸秆资源量巨大,作为战略性新兴产业,生物炭技术及其产业化有助于系统综合解决东北地区存在的秸秆焚烧、利用及土壤退化等突出问题,是当今研究领域热点。本文在系统分析近20年东北秸秆资源动态变化、可利用资源量及发展趋势基础上,探讨了东北地区秸秆生物炭利用的资源基础、技术途径及发展潜力,从产业化视角综合分析评述了东北秸秆生物炭产业发展的基础、条件与优势、市场及开发潜力等,认为东北地区秸秆生物炭利用的资源丰富,产业化条件成熟,发展潜力与空间巨大,对促进东北秸秆资源化高效利用、耕地质量提升及农业可持续发展具有重要意义和价值,并结合农业、经济和社会发展实际,构建了基于全产业链的东北秸秆生物炭产业模式,提出了东北生物炭产业发展建议,旨在为解决东北地区秸秆处理和农业生产现实问题,促进生物炭产业健康、稳定发展提供参考。

生物炭的结构及其理化特性研究回顾与展望

作为新兴技术,生物炭技术及其应用在近年发展迅速,但由于来源、材质、炭化工艺等存在较大差异,导致生物炭特性及应用效果千差万别,研究结果难以比对甚至相悖,在一定程度上阻碍了生物炭研究与应用的发展。为此,本文从制约生物炭功效发挥的关键因素,即生物炭的结构及理化特性入手,系统梳理了近年有关生物炭的定义、形成、结构、元素及其主要理化特性和调控技术等方面的研究进展,总结分析了生物炭结构及其理化特性的共性、差异性特征及规律,厘清了有关生物炭特性及功能的基本观点、现状和共识。认为,生物炭的结构及其理化特性是影响生物炭作用、功能及效果的最主要因素,决定了生物炭的应用领域、范围、量级、目标和方向,采用改性或优化调控技术是发挥生物炭功效优势、潜力与价值的关键。并从资源与环境的"循环、可持续"发展角度,结合生物炭研究与应用实际,探讨了未来有关生物炭理化特性研究的基本原则和方向,旨在为生物炭基础科学研究与应用技术发展提供基础和参考。

生物炭与农业环境研究回顾与展望

本文综合分析、评述了生物炭在农业环境领域应用的主要研究进展,从生态安全和可持续发展视角,探讨了生物炭对农业生态环境系统的重要影响和潜在价值,并对其应用前景进行了客观、深入、综合的分析。认为生物炭在治理农业面源污染、提升耕地质量、修复重金属污染农田、应对气候变化、维持和稳定农业生态系统功能及保障农业环境安全等方面具有重要意义和应用价值。结合我国农业发展现状,提出了未来生物炭在农业环境领域的研究方向和发展重点,旨在为生物炭的应用及产业化发展提供参考。

玉米秸秆生物炭压制成型特性研究

制取生物炭是农作物秸秆资源化利用的途径之一，秸秆生物炭松散,不便于处理、运输和储存,压制成型是提髙生物炭容重的有效措施.为确定生物炭压制成型较优的原料含水率、成型压力、保压时间等工艺参数,以玉米秸秆烧制的生物炭为原料,利用与WDW-200型微机控制电子液压万能试验机配套的压制成型试验装置,以压制后生物炭块的抗破坏强度和尺寸稳定性为成型质量检测指标,通过单因素试验分别研究各因素对生物炭压制成型特性的影响及其较优范围.根据预试验,确定试验生物炭原料含水率分别为12%,14%,16%,18%,20%,22%,24%,成型压力分别为30,40,50,60,70,80,90MPa,保压时间分别为2,5,8,11,14,17,20s.对某一因素进行试验时,将另外两个因素设定在预试验及前一因素试验的较优水平.压制成型后密封保存72h,测定生物炭成型块的尺寸稳定性,并利用压力机测定生物炭块的抗破坏强度.结果表明：含水率、成型压力和保压时间对压制成型生物炭块的抗破坏强度、尺寸稳定性影响极显著.通过对2个成型质量检测指标综合分析,确定压制生物炭较优的含水率范围为18%-22%,成型压力范围为60-80MPa,保压时间范围为5-11s.该结果对生物炭压制成型工艺及装置研制具有参考意义.

生物炭净化造纸废水的效果研究

目前以生物炭为代表的生物质对重金属的吸附表现出良好的应用前景。为确定生物炭对造纸废水中污染物的吸附性能,本研究采用自制装置进行试验,将供试基质材料置于同等大小且底部有孔的塑料花盆内,研究生物炭对造纸废水pH值、CODcr和Pb2+的去除效果,并运用正交矩阵分析所有有效变量。结果表明:生物炭能够有效降低不同浓度造纸废水pH值、CODcr和Pb2+含量。在整个试验周期内,生物炭条件下,浓度为50,175,300mg·L-1的造纸废水pH值依次减少0.89,0.86,1.29,生物炭可效降低造纸废水pH;生物炭对造纸废水CODcr去除率为91.88%,在50mg·L-1条件下,去除效果较为稳定,同时还表明,温度对造纸废水CODcr影响较大,CODcr随温度升高增大后减小;生物炭对造纸废水中Pb2+的吸收值明显高于其他两种基质,表明生物炭对Pb2+有较强的吸附能力,且在pH值为6~8时,生物炭对Pb2+的吸附量随着pH的升高呈减小,说明生物炭可作为一种廉价高效吸附剂用于水体污染修,并提供一定的理论基础。

中国生物炭研究及其产业发展趋势

以生物炭为核心的秸秆炭化还田技术不但为秸秆等农林业废弃物提供了一条变废为宝的出路,更为提高耕地生产能力、促进农业固碳减排提供了有效手段。生物炭技术的产业化发展对治理农村面源污染、改善农村生态环境、促进耕地可持续发展和保障国家粮食、环境和能源安全都具有重要意义。因此,国家应加大生物炭技术的政策扶持力度,尽快制定生物炭行业技术标准和生物炭减排计量方法;立项支持生物炭产业研发项目,为低碳农业发展提供科技支撑;尽快成立国家生物炭工程技术研究中心,逐步促进农林废弃物的炭化综合利用;广泛开展生物炭技术研发合作,成立生物炭产业技术创新联盟。

生物炭对小鼠的毒性作用研究

为研究生物炭对小鼠亚急性毒性作用,以水稻秸秆制备的生物炭为原料,将30只体重18~22g的雌性小鼠随机分成4组,即水稻秸秆生物炭低、中、高剂量组和对照组,按小鼠体重3750、7500、15000mg·kg-1剂量灌胃处理,对照组用等体积的蒸馏水代替,连续灌胃28d,检测小鼠的慢性中毒症状、生长发育、血常规指标、内脏器官系数以及组织器官病理变化等。结果表明:连续灌胃4周水稻秸秆生物炭对小鼠的临床中毒症状,体重、采食量、血常规指标、内脏器官系数以及组织病理学变化均无显著影响(p>0.05)。本试验提示,生产上合理使用生物炭不会对靶动物产生毒性作用。

生物炭调节盐化水稻土磷素形态及释放风险研究

为探明生物炭施用对盐化水稻土磷素形态及释放风险的影响,以滨海草甸盐化水稻土为基础,结合室内分析,研究了不同用量生物炭还田方式(CK:0 t·hm^-2;B1:20 t·hm^-2;B2:40 t·hm^-2)条件下土壤磷含量、组分特征及磷素释放风险。结果表明:生物炭能提高土壤全磷、有效磷、总有机磷和总无机磷含量,提高幅度分别为:11.40%~35.70%、28.96%~46.63%、11.30%~29.19%和10.54%~25.98%。生物炭提高了土壤NaHCO3浸提态磷(Ca2-P)、NH4AC浸提态磷(Ca8-P)和NH4F浸提态磷(Al-P)含量,随着施炭量的增加而增大,且各处理间差异显著;当施炭量为20 t·hm^-2时,土壤NaOH-Na2CO3浸提态磷(Fe-P)和闭蓄态磷(O-P)含量显著高于其他处理;施用生物炭对H2SO4浸提态磷(Ca10-P)无显著影响。生物炭显著提高了土壤活性有机磷(LOP)和中等活性有机磷(MLOP)含量,但显著降低了土壤中等稳定性有机磷(MROP)含量,当施炭量为40 t·hm^-2时,土壤高等稳定性有机磷(HROP)含量最小,且显著低于其他处理。本试验中土壤的活性Al[Al(ox)]和活性Fe[Fe(ox)]均处于较高水平;施用生物炭显著提高了土壤磷吸持指数(PSI),增加了土壤固磷能力;土壤磷吸持饱和度(DPSS)为6.81%~8.34%,土壤磷释放风险指数(ERI)为54.55%~61.67%。综上所述,在本文试验条件下,施用生物炭可以改善盐化水稻土磷素状况,且不会增大土壤磷素释放的风险。

生物炭与不同植物组合对造纸废水中的Pb2+净化研究

以生物炭及植物为主要研究对象,采用自制装置进行实验,运用正交矩阵分析基质、废水浓度及植物组合的响应,考察生物炭在不同植物组合与造纸废水浓度条件下,对水中Pb2+的去除效果。研究表明:在试验周期内,生物炭能够稳定吸收造纸废水中的Pb2+,在不同类型基质与浓度造纸废水条件下,生物炭对50,175,300mg/kg 3个CODCr浓度的造纸废水中Pb2+的吸收值分别为2.86,2.42,2.57mg/kg,在不同植物组合、基质及废水浓度条件下,测得生物炭在L4、50mg/L,L1、50mg/L条件下对Pb2+吸收量较高,分别为3.24,2.91mg/kg,试验结果表明不同类型基质对造纸废水中Pb2+去除效果影响显著,3种植物生长基质对造纸废水中Pb2+的去除效果为生物炭>混合物(生物炭与炉渣)>炉渣。不同植物组合条件下,3种植物对Pb2+有不同程度吸收能力,其中以千屈菜最为明显;鸢尾-千屈菜-玉带草组合对废水中Pb2+吸收能力最强;从单一植物和不同植物组合对废水中Pb2+吸收效果可以看出,在3种废水浓度条件下,不同植物组合对废水中Pb2+吸收效果明显优于单一植物。

生物炭对水稻根系形态与生理特性及产量的影响

为明确生物炭对水稻根系与产量的效应,探明生物炭在水稻生产上应用的潜力与价值。采用盆栽试验研究了生物炭对超级粳稻不同生育期根系生长、形态特征及生理特性的影响。结果表明,土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重,提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。在水稻生育后期,生物炭在一定程度上延缓了根系衰老。根系伤流速率与根系活力在整个生育期内均高于对照,同时维持了较为适宜的根冠比,根系生理功能增强;生物炭处理的水稻产量增加,表现为每穴穗数、每穗粒数、结实率提高,比对照平均增产25.28%。以每千克干土加20 g生物炭处理的产量最高,比对照提高了33.21%。生物炭处理对水稻根系形态特征的优化与生理功能的增强具有一定的促进作用。

农林废弃物炭化还田技术的发展与前景

炭化还田是农林废弃物资源化循环利用的有效技术手段之一,也是土壤改良的新途径,对促进农业低碳、循环、可持续发展具有重要意义。以生物炭为核心,从其改良土壤的理论基础分析入手,综合评述了炭化还田技术的由来、发展与技术内涵,着重介绍了炭化还田技术的产业化发展现状和前景,明确了炭基肥料和炭基土壤改良剂是炭化还田的有效技术载体,国家应在炭基多元化产品开发方面给予高度重视。

生物炭与化学肥料互作的大豆生物学效应

以大豆品种铁丰40为试材,在2010—2011年的大田试验中调查生物炭与不同用量化肥配施对大豆生长发育、光合作用、产量与品质及肥料表观利用率的影响。结果表明,炭/肥互作在不同程度上提高了大豆株高、叶片净光合速率与蒸腾速率,增加了叶、茎干物重。炭/肥互作对大豆生长前期的氮、磷吸收影响不明显,但随着生育期的推进,叶、茎对氮、磷吸收逐步增加,单株氮、磷积累量明显提高。炭/肥互作提高了单株荚数、单株粒数、单株粒重和产量,平均比单施化肥增产13.2%。其中,在常规施肥量减少15%、30%和60%基础上增施生物炭,2年平均产量分别比常规施肥提高11.20%、11.00%和8.17%,平均增产10.1%。并且炭/肥配施处理的蛋白质与脂肪总量明显优于单施化肥处理,表现为配施化肥量越少效应越明显。生物炭与化肥配施"减量增效"作用明显,可应用于大豆生产。

生物炭及炭基肥改良棕壤理化性状及提高花生产量的作用

【目的】炭基复合肥是生物炭农用的另一种方式,生物炭作为土壤改良剂对土壤改良研究的报道较多,但大多为短期培养或模拟试验。目前更缺乏生物炭与传统土壤培肥方式的比较研究。本研究旨在通过4年的田间微区定位试验,开展生物炭及炭基复合肥对棕壤理化性质及花生产量的影响研究,以期为生物炭的培肥改土及合理农用提供理论依据。【方法】定位试验于2009年开始连续4年进行了花生微区田间试验(2 m^2)。试验设4个处理分别为秸秆还田+NPK(CS)、施用猪厩肥+NPK(PMC)、生物炭+NPK(BIO)和基于生物炭的炭基复合肥(BF)所有处理均为等氮磷钾养分,BIO处理与PMC处理为等碳量,BIO处理相当于CS处理所施用的玉米秸秆量制备得到的生物炭量,BF处理碳含量低于BIO碳含量每个处理重复3次,随机排列。分析试验前和2012年收获后土壤理化性质,比较各处理4年的花生产量。【结果】连续施用4年后,与试验前相比,BIO处理的土壤有机碳提高了27.6%全氮含量提高了75.6%,显著高于其他各处理,土壤pH提高了0.14个单位,显著高于CS处理,与PMC处理相近;土壤碱解氮、速效磷、速效钾和CEC值与CS或PMC处理相近;BIO处理的土壤毛管孔隙度和田间持水量显著高于其他处理容重和土壤总孔隙度与CS和PMC处理差异不显著;4年中花生产量均居首位,从3198.5 kg/hm^2提高到4818.0 kg/hm^2,但与PMC处理差异不显著。连续施用4年后,BF处理土壤pH较试验前提高了0.57个单位显著高于其他各处理,优势显著;土壤有机碳和全氮含量较试验前分别提高了4.4%和27.9%显著低于BIO处理对土壤物理性质的调节作用也不及BIO处理其他指标差异不显著但总体上与CS或PMC处理相近;BF处理的花生产量在试验的前3年与BIO处理差异不显著,第4年较BIO处理降低了317.1 kg/hm2,差异显著介于PMC和CS处理之间。【结论】各处理作物产量随施用年限增加而提高。生物炭和炭基复合肥对土壤的理化性质的改良作用与秸秆还田和施用猪厩肥相近,生物炭在提高土壤有机碳和全氮含量方面,炭基复合肥在改善土壤pH方面优势突出对作物具有持续增产作用。

生物炭对玉米根系生长和氮素吸收及产量的影响

为了评估生物炭在玉米生产上的应用潜力与价值,探究生物炭对玉米根系生长、氮素吸收及产量的影响。采用田间试验,设置单施氮肥处理(N)和生物炭与氮肥配施处理(NS),以不施氮肥不施生物炭处理为对照(CK),分析施炭条件下,土壤理化性质,玉米根系生长、氮素吸收及产量的变化规律。结果表明:生物炭与氮肥配施显著降低土壤的容重,增加土壤的全氮和有机碳含量,促进灌浆期根系对氮素的吸收和籽粒氮素的积累;增加玉米灌浆期的总根长、根表面积及根系活跃吸收面积;与单施氮肥相比,生物炭与氮肥配施显著增加玉米的百粒重6.03%,提高玉米产量9.06%。相关分析表明,施用生物炭对玉米根系特征有显著正效应,从而促进根系对氮素的吸收和籽粒氮素的积累。可见,与单施氮肥相比,生物炭与氮肥配施可促进玉米根系生长和对氮素的吸收利用,提高玉米的产量。

生物炭对棕壤NH_3挥发、N_2O排放及氮肥利用效率的影响

通过田间试验,采用封闭式酸吸收法和静态箱法,研究秸秆生物炭对棕壤玉米旱田NH_3挥发和N_2O排放以及氮肥利用效率的影响。试验设不施氮肥(对照CK)、单施氮肥(NB0)、施氮基础增施20 t·hm^(-2)生物炭(NB20)、施氮基础增施40 t·hm^(-2)生物炭(NB40)4个处理。结果表明,各施肥处理的NH3挥发量差异显著,表现为NB0>NB20>NB40,NB20和NB40分别比NB0降低24.07%和37.62%。NB20和NB40可显著降低N_2O排放量,分别比NB0降低21.76%和19.57%,而NB20和NB40之间差异不显著。NB20和NB40显著增加了土壤的p H、全氮和有机碳含量,降低了土壤的容重。相关分析表明,NH_3挥发量与土壤容重和铵态氮含量均呈极显著正相关,与土壤有机碳含量呈显著负相关;N_2O排放量与土壤容重呈显著正相关,与土壤硝态氮含量和有机碳含量呈显著负相关。与NB0相比,NB20提高了氮肥利用效率,玉米产量显著提高6.07%,而NB40降低了氮肥利用效率,玉米产量显著降低了13.88%。

生物炭对东北冷凉区水稻秧苗根系形态建成与解剖结构的影响

在黑龙江省早春水稻旱育苗背景下,研究了稻田土壤育苗基质中添加生物炭对秧苗根系形态建成与解剖结构的影响,以明确生物炭在东北冷凉地区水稻生产上的应用潜力和价值。以东北稻田土壤为育苗基质,添加0、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%(w/w)的生物炭,进行保护地旱育水稻秧苗。出苗后30 d测定秧苗根系形态建成和解剖结构等性状,分析生物炭对水稻秧苗根系发育的影响。结果表明,在稻田土壤育苗基质中添加5.0%生物炭时,水稻秧苗根系长度、根系表面积和根系体积等明显增加;生物炭添加量为10.0%时,各项根系形态指标达到最高值;生物炭添加量超过10.0%时,根系形态指标下降。根长、根表面积和根体积增加的原因主要是细根增加。同时,添加5.0%生物炭时,根半径、根截面积、根表皮厚度、根皮层厚度、皮层腔面积、根导管数量及导管面积等性状指标也相应增加。生物炭添加量为5.0%~10.0%时,根解剖结构各项性状指标达到最大值。当生物炭添加量超过10.0%时,根系解剖结构性状指标也有下降趋势。根系增粗主要源于根表皮及皮层发育良好。在东北冷凉地区进行保护地水稻旱育苗,基质中添加适量生物炭(5.0%~10.0%)有利于秧苗根系的伸长及增粗,形成发达根系,提高秧苗素质。

玉米芯生物炭对大豆的生物学效应

以玉米芯为原材料,采用新型炭化技术制备生物炭,研究了玉米芯炭的结构及理化特性,并通过大田试验研究了玉米芯生物炭对大豆的生物学效应。结果表明,玉米芯在炭化后总孔体积、比表面积、p H、固定碳含量、灰分含量分别提高了5.54、3.74、1、5.03、0.26倍,具有丰富的微孔结构和元素种类。施用玉米芯炭后,大豆株高、地上部干物质积累提高,光合作用、营养生理以及氮、磷、钾养分吸收功能增强,产量与品质明显提高。较高施炭量(1500、3000 kg·hm-2)平均比对照增产10.98%。该玉米芯生物炭结构与理化特性良好,是一种理想的农用生物炭材料,可应用于东北大豆生产。

生物炭对大白菜幼苗生长的影响

以2个大白菜品种为试材,在常规育苗基质中添加不同比例的花生壳生物炭或玉米秸秆生物炭,研究生物炭对大白菜幼苗生长的影响。试验结果表明,生物炭添加有助于提升基质的通气性,与常规育苗基质相比增幅为2.1%~42.1%,显著提升了C/N和速效钾含量,增幅分别为23.9%~131.2%和48.8%~297.2%,同时,生物炭添加降低了基质碱解氮与有效磷含量,降幅分别为10.4%~44.8%和7.1%~20.8%,基质毛管孔隙度降幅为14.0%~19.6%。在花生壳生物炭与常规育苗基质等体积比混合处理中,大白菜幼苗株高、茎粗、叶绿素含量、植株鲜干重及壮苗指数等最高,长势最佳,但出苗率最低。