老化作用对水稻秸秆生物炭吸附Cd(Ⅱ)能力的影响

环境变化使生物炭材料发生老化作用,老化后的生物炭是否仍具有较强的吸附能力是评价生物炭对Cd修复的长期稳定性的重要指标.本文采用自然老化(Spontaneous aging,SPON),冻融循环老化(Freeze-thaw cycles aging,FTC)和高温老化(High temperature aging,HT)的方法对水稻秸秆生物炭进行2个月的人工加速老化,运用扫描电镜(SEM-EDS)、元素分析仪、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)研究老化作用对秸秆生物炭材料的影响,再通过等温吸附实验研究生物炭老化前后对Cd吸附性能特征的变化.结果表明,老化作用使生物炭材料局部发生破碎,增加了生物炭表面O/C比.老化作用显著影响秸秆生物炭表面的官能团,降低了生物炭表面—OH的数量,增加了CO、—COOH和Si—O—Si的数量,出现了C≡C键,可为Cd提供更多的吸附位点.等温吸附试验进一步证明了老化后的生物炭提高了对Cd(Ⅱ)的吸附性能.与生物炭原样相比,冻融循环老化、高温老化、自然老化使生物炭的Cd最大吸附量分别达到了26.49、33.30、23.40 mg·g~(-1),增加了27.8%,60.7%,12.9%.本研究表明老化作用改变了生物炭材料的表观结构和官能团,增强了对Cd(Ⅱ)的吸附能力,因此生物炭对Cd的修复具有一定的长期稳定性.     

添加生物炭对猪粪好氧堆肥过程氮素转化与氨挥发的影响

为了减少好氧堆肥过程中氮素的损失,研究添加生物炭对猪粪好氧堆肥过程中氮素转化和损失的影响。设置不加生物炭对照(S1)以及猪粪秸秆中添加5%(S2)、10%(S3)、15%(S4)生物炭4个处理,监测堆肥过程中堆肥温度、氮素形态及氨挥发速率等的变化。结果表明,与对照相比,添加生物炭能够提高堆肥温度,提前2—3d进入高温期,缩短堆肥周期,提高堆肥品质。生物炭显著增加猪粪堆肥NO_3~--N的含量,降低了NH_4~+-N的含量,有利于NH_4~+-N向NO_3~--N转化;堆肥结束时,处理S2、S3和S4的NO_3~--N含量分别比对照提高了39.64%、46.68%和28.84%;添加生物炭明显降低了堆肥在高温期的氨挥发速率,且氨挥发累积排放量分别比对照降低了18.77%、25.35%和26.39%。与堆肥前相比,S1—S4总氮的增加率分别为9.7%、27.5%、28.6%和26.2%,添加10%生物炭的处理固氮效果最好。以上结果说明,猪粪堆肥过程添加生物炭更易促进堆肥腐熟、抑制氨气挥发和减少氮素损失,通过合理物料配比的好氧堆肥可以更有效地实现农业秸秆及猪粪的优质资源化利用。     

利用苯多酸生物标记物表征生物炭的含量及特性

生物炭一旦施用到环境中以后,其物理化学性质可能会发生改变.然而,由于生物炭难以从土壤颗粒中分离出来,从而制约了对其施用后性质和功能的动态描述.苯多酸(BPCAs)是稠环芳烃的氧化产物,其作为生物标记物质能对炭黑的含量和特性进行描述.本研究尝试将苯多酸生物标记物技术用于生物炭性质研究中,以不同生物质(玉米秸秆和松木屑)在不同温度(200—500℃)下制备的生物炭为研究对象,通过元素分析及BPCAs生物标记物测定,对生物炭含量及特性进行描述.研究结果表明,BPCAs与元素分析对生物炭性质和特性的描述结果一致,BPCAs的含量随制备温度增加而增加,玉米秸秆生物炭中BPCAs含量从109 mg·g~(-1)C增加到426 mg·g~(-1)C,松木屑生物炭中BPCAs含量从21 mg·g~(-1)C增加到456 mg·g~(-1)C.B6CA所占百分比也随制备温度增加而增大,表明生物炭芳香缩合度随制备温度增加而增加.这一结果显示,BPCAs生物标记物方法有可能对生物炭的含量和特性进行一定的描述,生物标记物技术的引入,将为动态理解生物炭性质提供有力的工具.     

不同秸秆生物炭对露天煤矿排土场土壤微生物数量和酶活性的影响

采用盆栽实验研究了水稻秸秆和玉米秸秆两种生物炭在1%、3%、5%的3种用量下对露天煤矿排土场土壤紫花苜蓿干重、土壤微生物数量和土壤酶活性的影响规律.结果表明,紫花苜蓿的出苗率和干重随着生物炭用量的增加而提高,其中5%用量的水稻秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭分别将紫花苜蓿干重显著提高了42.54%和27.63%.3%和5%用量的生物炭显著增加了土壤细菌、真菌、放线菌数量,土壤真菌与细菌数量比值,土壤过氧化氢酶、淀粉酶、蛋白酶、脱氢酶活性,显著降低了土壤磷酸酶活性,显著提高了表征土壤肥力质量的土壤肥力生物指数(BIF)和酶活性指数(EAN),其中5%用量的水稻秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭将BIF分别提高了125.94%和84.67%,将EAN分别提高了109.71%和66.93%.两种秸秆生物炭之间比较,在各用量下水稻秸秆生物炭处理的紫花苜蓿出苗率、干重,土壤微生物数量和土壤酶活性均高于玉米秸秆生物炭处理,其中5%用量下,水稻秸秆生物炭处理的出苗率,细菌、真菌、放线菌数量,蛋白酶、脱氢酶活性,BIF、EAN比玉米秸秆生物炭处理显著提高了26.11%、24.71%、30.23%、30.38%、27.37%、24.44%、22.35%、25.63%.综上所述,生物炭能够提高排土场土壤的生态质量,进而增加了紫花苜蓿产量,其中5%用量的水稻秸秆生物炭效果最好.     

秸秆生物炭施用对玉米根际和非根际土壤微生物群落结构的影响

为探究生物炭施用对土壤微生物群落结构与功能的影响,以广东博罗某生态农业实验基地玉米地为试验对象,设置3个处理,分别按0(C)、5(B1)、10(B2)t·hm~(-2)施加秸秆生物炭,分别于第7天、14天、21天后采集根际土壤及非根际土壤样品,通过对玉米根际及非根际土壤细菌16S rDNA进行高通量测序分析,结合16S rDNA PICRUSt功能预测技术,探究生物炭施用对玉米根际土壤及非根际土壤微生物群落结构与功能的影响。结果表明,与空白对照组相比,施加生物炭可明显增加玉米非根际土壤微生物群落多样性,施加21 d后C组、B1组和B2组chao1指数分别为1 261、2 707和2 472;对根际土壤微生物多样性影响不显著(P=0.406)。施加5t·hm~(-2)生物炭后,玉米根际土壤酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度升高,但施加10 t·hm~(-2)生物炭处理酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度降低。在科水平上,施加生物炭后,玉米非根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)受到明显抑制,而施加生物炭与否及施加量多少对根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)丰度高低影响不显著(P=0.857)。PICRUSt预测结果表明,生物炭施加对玉米土壤微生物群落代谢、遗传、信息传递等过程产生影响,从而改变微生物的群落结构及生态功能。综上,施用生物炭会影响玉米土壤微生物群落结构与功能,相对于施加10 t·hm~(-2)处理,施加5 t·hm~(-2)处理对土壤微生物群落结构的影响效果更为显著。该研究结果可为生物炭农业化利用机制研究及施加量选择提供参考。     

生物炭对旱作农田土壤理化性质及作物产量的影响

生物炭因其结构和功能特性受到国内外学者广泛关注,在农业土壤改良培肥、固碳减排等方面展现出巨大的应用潜力,但基于田间长期定位试验,开展生物炭对大田土壤理化性质及作物产量的影响研究尚不多见。以西南地区玉米(Zea mays L.)-油菜(Brassica campestris L.)轮作农田为研究对象,通过不同生物炭添加比例的田间定位试验研究了生物炭施用对旱作农田土壤容重、pH值、有机质、矿质态氮、有效磷、含水量等理化性质以及作物产量的影响,试验共设4个处理:单施复合肥、尿素(C0);复合肥、尿素+20 t·hm-2生物炭(C2);复合肥、尿素+50 t·hm-2生物炭(C5);复合肥、尿素+100 t·hm-2生物炭(C10)。结果表明:与C0对比,C5和C10处理均显著降低了土壤容重,降低幅度分别为14.6%和32.5%;C2、C5和C10处理土壤年均pH比对照组分别提高了0.10、0.17和0.15个单位;处理组土壤中有机质含量比对照组分别提高44.9%、137.7%和297.2%;土壤硝态氮含量比对照组分别提高了38.0%、26.3%和88.4%;土壤有效磷含量分别提高了34.8%、135.0%和232.2%;生物炭处理下土壤年均含水量比对照组分别提高了8.8%、29.1%和44.7%。玉米、油菜籽实和均表现为生物炭处理高于对照组。玉米籽实提高7.6%~20.3%,玉米根茎叶生物量提高8.6%~46.8%;油菜籽实产量提高显著,高于对照组15.7%~35.4%,根茎叶生物量提高-17.2%~30.3%。综合来看,本试验条件下,生物炭施用有利于降低土壤容重,提高土壤pH、有机质含量、NO3--N含量、有效磷含量、含水量,显示出生物炭作为土壤改良剂施用于农田能有效改良土壤理化性质和提高耕作性能。     

不同生物质炭对辽河油田石油污染土壤总烃及各组分修复效果研究

中国东北油田开采区大量土地质量下降,石油污染治理与修复已经引起高度重视。通过对比各生物质炭理化性质差异及其对辽河油田石油污染土壤的修复效果,在修复石油污染土壤的同时,推进东北地区农业资源综合利用,对石油污染修复具有实际意义,对制备改性生物炭具有指导作用。以玉米(Zea mays)秸秆、芦苇(Phragmites australis)秸秆和松针(Pinusarmandi)为生物质材料在300℃条件下制备生物炭,测定其产率、灰分、pH值,并利用BET、能谱分析、扫描电镜和红外光谱等技术对不同生物质炭进行性质表征,通过40d的石油污染土壤修复试验对比不同生物质炭对总石油烃及各组分烃类的修复效率。结果表明,各生物质炭物化性状存在明显差异,松针生物炭扫描电镜呈层状结构,玉米秸秆生物炭具有孔状轮廓但孔隙内部覆有碎片,芦苇秸秆生物炭孔隙结构清晰且具有深度,比表面积为93.47 m~2·g~(-1)。经不同生物质炭40 d修复后,不同处理总石油烃及各组分烃类去除效果:芦苇秸秆生物炭玉米秸秆生物炭松针生物炭CK(对照组)。所有处理组中石油烃各组分的去除效果:饱和烃芳香烃非烃类物质,各组分烃类呈现不同降解规律。生物炭可提高石油污染土壤中总石油烃及各组分烃类物质的去除效果,其中芦苇秸秆生物炭对石油污染土壤的修复效率最高。     

玉米秸秆生物炭和碳骨架的制备及对农田土壤CO2排放的影响

为探明生物炭对黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的影响及机理,于400、600和800℃条件下制备玉米秸秆生物炭(BC),并采用热水浸提法制备碳骨架(BS)。在分析材料基本性质的基础上,将其分别按质量比1%和2%与土壤充分混匀,开展为期50 d的室内静态土壤培养实验。结果表明,随着热解温度的升高(从400℃上升到800℃),玉米秸秆生物炭和碳骨架的pH值和总碱性含氧官能团含量显著增加,而溶解性有机碳(DOC)含量、易氧化有机碳(ROC)含量和总酸性含氧官能团含量则显著降低(P0.05)。碳骨架DOC和ROC含量均显著低于同一热解温度条件下制得的生物炭(P0.05)。随着添加材料(生物炭或碳骨架)热解温度的升高,各处理CO_2累积排放量呈降低趋势,且添加生物炭处理的CO_2累积排放量高于添加碳骨架处理,尤其是BC-2%处理CO_2累积排放量显著高于BS-1%处理(P0.05)。在整个培养过程中,培养体系的DOC和ROC含量均呈降低趋势,但DOC含量降低幅度(87.90%～89.18%)大于ROC含量(19.29%～38.49%);培养过程中400、600和800℃处理DOC和ROC含量均呈BC-2%BC-1%/BS-2%BS-1%对照趋势。在添加生物炭或碳骨架处理中,与ROC含量相比,DOC含量对CO_2排放变化的解释程度更高,且达到显著水平(P0.01)。DOC和ROC含量均是影响黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的重要因素,但相比较而言,DOC含量的影响更加显著。     

生活垃圾焚烧厂周边土壤硝化和反硝化功能基因分布特征及影响因子

以上海某垃圾焚烧厂为研究对象,采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和荧光定量PCR定量分析了其周边土壤中重金属(Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和As)含量水平,及不同硝化和反硝化功能基因丰度(AOB-amoA、nxrB、narG、nirS、norB和nosZ),并通过空间插值法分析了目标重金属与硝化和反硝化功能基因的空间分布特征,同时通过相关性分析和冗余分析探讨了土壤重金属及其理化性质对硝化和反硝化功能基因丰度变化的作用影响。结果表明,研究区域土壤中Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和As的含量分别为0.083~1.065、15.54~43.17、18.30~65.52、24.58~41.65、65.04~201.0、58.96~153.5和0.098~5.115 mg·kg~(-1),而土壤中AOB-amoA、nxrB、narG、nirS、norB和nosZ基因丰度分别为4.89×10~2~1.34×10~5 copies·g~(-1)、5.43×10~6~5.41×10~7 copies·g~(-1)、1.21×10~6~7.91×10~6 copies·g~(-1)、3.79×10~6~7.39×10~7 copies·g~(-1)、1.61×10~5~1.33×10~7 copies·g~(-1)和1.44×10~4~2.18×10~5 copies·g~(-1)。由空间插值分析结果可知,土壤中重金属主要来源于焚烧烟气排放沉降,硝化和反硝化功能基因的空间分布特征与土壤总氮及重金属均具有相似性。相关性分析和冗余分析结果显示,除Cd和Zn外,其余重金属含量对硝化和反硝化功能基因丰度影响不显著,表明垃圾焚烧厂周边土壤中重金属污染对氮循环过程影响较小。相比之下,土壤理化性质如总有机碳、总氮等对硝化和反硝化功能基因丰度影响更显著。该研究可为相关地区垃圾焚烧厂周边土壤重金属污染控制及微生物生态风险评价提供参考。     

生物炭的老化及其对温室气体排放影响的研究进展

生物炭是生物质在无氧或限氧条件下经高温热解后产生的多孔富碳物质,其被广泛施加到土壤中改良土壤性质,调节温室气体排放。生物炭施入土壤后,长期受外界物理、化学和生物等环境作用导致生物炭性质发生缓慢改变,这个过程称为生物炭的老化。文章综述了原位生物炭自然老化和实验室模拟老化的方法以及老化后生物炭理化性质的变化,从理化性质变化的角度论述了生物炭老化过程对二氧化碳(CO_2)、甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)这3种温室气体排放的影响,并初步解释生物炭老化过程对增加或减少温室气体排放的可能机制。主要内容如下:生物炭老化方法可以分为自然老化和人工模拟老化,模拟老化方法包括生物、物理和化学老化。生物炭发生老化后,生物炭的比表面积(SSA)和孔容根据老化强度而有不同变化,自然或人工模拟的温和老化方法使生物炭表面上有新的纳米微孔生成,生物炭SSA增加,而使用强酸或强氧化剂的强烈老化方式可破坏生物炭孔隙结构,导致SSA和孔容下降。从化学性质方面来讲,生物炭C/N比随老化过程而降低,但是O/C比却随老化过程而升高;此外,当生物炭老化时,生物炭表面含氧官能团增加,例如羧基、羰基和酚基等,这些含氧基团可以和阳离子结合形成羧酸盐和酚盐,同时释放H~+,导致老化生物炭的pH值降低。基于有限的研究报道,老化生物炭仍然具有一定的CH4减排潜力,这得益于土壤通气状态的改善和甲烷氧化菌氧化CH_4潜力提升。相反,由于生物炭极性增强和pH值降低,生物炭老化过程有促进土壤有机质矿化增加CO_2和N_2O排放的趋势。然而为了辅正这一论断,准确评估生物炭老化的环境效应,长期原位生物炭老化并同时设置新鲜生物炭对照的研究需要进一步开展,以探明生物炭老化过程对温室气体排放的影响机制,为生物炭生产和合理施用提供科学应用指导。     

不同菌糠生物炭对水体中Cu2+、Cd2+的吸附性能

以菌糠废弃物为原料,采用限氧裂解法在500℃条件下制备香菇菌糠、猴头菇菌糠和平菇菌糠生物炭(LEBC、HEBC和POBC).利用SEM、XRD和FTIR等方法对吸附剂进行了表征;通过吸附动力学、等温吸附、生物炭酸化实验探究了3种菌糠生物炭去除水溶液中Cu~(2+)、Cd~(2+)的效果及机理.结果表明,在溶液初始pH 2—3时,3种菌糠生物炭对溶液中Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附量急剧增加.LEBC、HEBC、POBC对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附符合准二级动力学模型,对Cu~(2+)的吸附速率分别为10.15×10~(-3)、7.08×10~(-3)、0.69×10~(-3) mg·g~(-1)·min~(-1),对Cd~(2+)的吸附速率分别为6.53×10~(-3)、5.19×10~(-3)、0.26×10~(-3) mg·g~(-1)·min~(-1).不同浓度下LEBC、HEBC、POBC对Cu~(2+)的吸附符合Langmuir模型,最大吸附量依次为56.74、11.98、77.32 mg·g~(-1);而Cd~(2+)的吸附符合Freundlich模型,最大吸附量依次为74.26、36.49、70.2 mg·g~(-1).LEBC在较短的时间内能达到较大的吸附量,可作为去除水体中Cu~(2+)、Cd~(2+)的优质吸附剂.XRD和FTIR等分析结果表明生物炭对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附机制包括物理吸附、阳离子-π作用、官能团络合及沉淀.3种生物炭经酸化处理后,对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附能力显著下降,表明生物炭中碳酸盐引起的Cu~(2+)、Cd~(2+)表面沉淀在吸附过程中起重要作用.     

条浒苔与玉米秸秆热解特性及所制生物炭性质对比

为探讨沿海绿潮藻类浒苔的资源化利用潜力,应用热重-差示扫描量热技术(TG-DSC)对条浒苔(Enteromorpha compressa)和玉米(Zea mays)秸秆的热解特性及其在不同温度下制成的生物炭的性质进行对比。结果表明,条浒苔与玉米秸秆热解特性有较大差异,条浒苔热稳定性较差,热解反应温度低,制备相同热解温度的生物炭需热量较少。对2种材料所制备生物炭的性质分析表明,条浒苔基生物炭的w(碳)为33.47%~37.86%,仅为玉米秸秆基生物炭含量的49.07%~65.41%,其芳香化合程度、比表面积均低于相同热解温度下玉米秸秆基生物炭;但条浒苔基生物炭灰分和氮含量却远高于玉米秸秆基生物炭,分别是玉米秸秆基生物炭的3.83~4.53和6.39~30.33倍。     

氮肥配施生物炭对旱地土壤养分和玉米根系径级分布的影响

为了缓解玉米连作带来的土壤养分失衡及根系早衰,探讨生物炭对土壤养分、玉米根系生长的主要径级水平、玉米干物质积累的后效作用。采用定位试验,设置不施氮肥、不施生物炭为对照(CK),2个施氮量(常规施N量225 kg·hm~(-2),N1;减氮10%,N 203 kg·hm~(-2),N2),2个生物炭量(8.4 t·hm~(-2),C1;21 t·hm~(-2),C2)共7个处理。在生物炭施用第二年,测定玉米不同径级根系生长及土壤养分含量。结果表明,与对照(CK)相比,常规施氮配施低量生物炭(N1C1)和减氮配施高量生物炭(N2C2)显著提高了土壤有机质含量;高量生物炭配施氮肥(N1C2和N2C2)分别提高土壤碱解氮储存量29.9%和9.0%;N1C2和N2C1处理显著提高土壤全氮含量。减氮配施低量生物炭(N2C1)促进大喇叭口期玉米0—2 mm径级根系的根长较CK提高38.9%(P?0.05,下同);低量生物炭配施常规氮肥(N1C1)促进成熟期玉米根系变细13.4%、根系变长32.4%,提高0—2 mm径级根系的总根长37.9%;单施氮肥或配施生物炭对2—3、3—4径级的根长无显著影响;常规单施氮肥(N1C0)较CK显著提高4 mm径级根系根长约40.5%。低量生物炭配施常规氮肥(N1C1)提高大喇叭口期玉米单株干物质积累53.16 g·plant~(-1)。综上,研究结果说明,8.4 t·hm~(-2)生物炭配施225 kg·hm~(-2)氮肥能更好地促进成熟期玉米细根生长。单施氮肥和配施21 t·hm~(-2)生物炭均可促进土壤养分的固持。该研究结果为秸秆循环利用提供科学参考,同时为优化玉米根系结构提供新思路。     

生物炭与磷肥配施对棕壤中Cd形态及其有效性的影响

通过实验室模拟Cd污染棕壤,探讨单施不同量(20和40 g·kg~(-1))花生秸秆生物炭(PB)和棉花秸秆生物炭(CB)、20 g·kg~(-1)磷肥(P)以及两者配施对污染土壤p H值及5种形态Cd含量变化的影响,分析生物炭、磷肥及其联合作用对棕壤Cd生物有效性的影响机制。结果表明,单施磷肥可显著降低土壤p H值(较CK降低14.64%),单施生物炭以及两者配施均可提高土壤p H值(较CK增加0.99%~24.67%),以单施40 g·kg~(-1)花生生物炭处理土壤p H值增幅最显著。单施磷肥显著降低土壤可交换态、碳酸盐合态和铁锰氧化物结合态Cd含量,增加有机结合态和残渣态Cd含量;单施生物炭和配施处理均可使土壤可交换态Cd含量显著减少,碳酸盐结合态Cd含量显著增加(49.76%)。在相同施炭量(20 g·kg~(-1))下,配施处理土壤有效态Cd含量的降幅高于单施处理,且花生秸秆生物炭与磷肥配施处理效果优于棉花生物炭与磷肥配施,Cd活性系数分别为0.150和0.236,即20 g·kg~(-1)花生秸秆生物炭+20 g·kg~(-1)磷肥(P+PB_2)混合处理最有利于降低土壤Cd生物有效性。     

不同秸秆材料与制备工艺下生物炭性质及对土壤重金属的钝化效应

以芦苇、玉米秸秆为原材料,采用正交实验设计方法制备不同处理生物炭,并将其应用到重金属污染土壤修复中,以寻求最佳的生物炭制备工艺并探讨其对土壤中Cd和Pb的钝化效果。结果表明,对生物炭制备影响最大的因素是炭化温度,温度升高会使炭产率下降,pH和灰分含量增加,比表面积在一定范围内也会大幅增加;其他因素如原料含水率、升温速率和炭化时间对生物炭制备的影响均低于炭化温度;所制备的芦苇秸秆生物炭(LWC)和玉米秸秆生物炭(YMC)产率相近,YMC的pH和灰分含量高于LWC,而LWC比表面积高于YMC。综合考虑因素最佳水平并兼顾效率,得出LWC和YMC最适宜制备条件均为含水率25%,升温速率20℃·min~(-1),炭化温度600℃,炭化时间0.5 h。与对照相比,添加LWC和YMC的土壤pH值均有所升高;随着培养时间延长,生物炭对土壤中Cd和Pb的钝化效率也逐渐提高,35 d时有效态Cd和Pb含量最高降低51.7%和44.9%,并且LWC的效果好于YMC。研究结果可为工程化制备生物炭提供一定的技术参考,并且为重金属污染土壤修复提供理论依据。     

玉米秸秆生物炭对水稻不同生育期吸收积累As、Cd的影响

近年来稻米As、Cd含量超标的事件屡有发生,稻米质量安全问题日益突出。通过盆栽种植水稻,向As、Cd复合污染土壤中分别添加质量分数为1.00%的玉米秸秆粉末(CS)和不同温度(300、400、500℃)下制备的玉米秸秆生物炭(CB-300、CB-400、CB-500),分析水稻分蘖期、抽穗期及成熟期各部位或器官中As、Cd含量变化,探讨不同处理对复合污染土壤水稻产量的影响。结果表明,不同时期水稻As、Cd含量分布规律为:根部茎部叶部糙米;玉米秸秆粉末和玉米秸秆生物炭的添加能一定程度上阻碍土壤As、Cd向水稻迁移,与CK相比,各处理均能显著降低不同时期水稻各部位Cd的含量(P0.05),CB-500处理在三大关键生育期处理效果最佳;玉米秸秆生物炭的施加能降低不同时期水稻各部位As的含量,但各处理未达到显著水平;水稻产量方面,与CK相比,生物炭处理和秸秆粉末处理使水稻增产6.93%~55.36%。研究结果可为生物炭对砷镉复合污染土壤的治理与水稻安全生产提供理论依据和数据支持。     

农业废弃物生物炭理化性质的差异及对菜心产量的影响

为探明不同来源生物炭的理化性质差异及其对作物生长的影响,选取广东省8种具有代表性的农业废弃物制备生物炭,通过室内分析及盆栽试验,探讨其理化性质的差异及对菜心产量的影响。结果表明,8种生物炭理化性质的差异主要表现为速效钾、钠、钙、镁等盐基矿质元素含量的差异,特别在速效钾含量上存在的巨大差异是影响其施用效果的主要因素。当生物炭速效钾含量在0.66~7.47 g·kg~(-1)时,施加60 g·kg~(-1)生物炭可使土壤p H值由4.77升至5.26~6.15,菜心增产112%~168%;但当生物炭速效钾含量在18.0 g·kg~(-1)以上时,施加生物炭后土壤pH值可迅速升至7.2以上,对菜心无显著的增产效果,甚至导致菜心严重减产。生物炭的19项指标可以提取出4个公因子,代表生物炭中有效磷、速效钾、溶解性有机碳(DOC)、C、Cr含量的F3因子是影响菜心产量的主要因子。通过聚类分析进一步将8种生物炭分成两类:第一类包含甘蔗渣炭、花生壳炭和谷壳炭;第二类包含水葫芦炭、水稻秸秆炭、丝瓜藤炭、花生秸秆炭和玉米秸秆炭。研究表明,速效钾含量是否适中是生物炭能否改良酸性蔬菜种植土壤、提高菜心产量的关键。研究结果可为广东主要农业废弃物的合理利用提供依据。     

秸秆与秸秆生物炭对采煤塌陷复垦区土壤活性有机碳的影响

为了解农业废弃物对典型采煤塌陷复垦地活性有机碳的影响,采用盆栽培养试验,研究秸秆与秸秆生物炭对复垦3年(3 a)和7年(7 a)土壤总有机碳(TOC)、水溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)与土壤微生物生物量碳(SMBC)的影响.对复垦3 a和7 a土壤分别设置4个处理,包括不施肥(CK3与CK7)、只施氮肥(N3与N7)、氮肥与秸秆配施(NS3与NS7)以及氮肥与秸秆生物炭配施(NB3与NB7).结果表明,秸秆与秸秆生物炭均能显著提高复垦土壤TOC与各活性有机碳含量.与只施氮肥相比,施用秸秆处理的TOC、DOC、ROC与SMBC平均增幅为25.0%、46.0%、48.8%与41.5%,施用秸秆生物炭的平均增幅为37.8%、40.4%、37.2%与39.5%.秸秆生物炭对TOC的提升效应强于秸秆,对DOC与ROC的提高弱于秸秆,对SMBC影响与秸秆间无显著差异.除了复垦3 a土壤SMBC组分外,4个处理在复垦3 a土壤DOC、ROC组分与复垦7 a土壤3种活性有机碳组分从大到小均依次为NS、NB、N与CK.复垦7 a土壤的TOC、DOC、ROC与SMBC分别比复垦3 a土壤对应指标高35.2%、36.7%、31.9%与28.2%.此外,TOC分别与DOC、ROC、SMBC间呈显著的指数正相关,分别能解释DOC、ROC与SMBC变异的88.4%、84.7%与89.6%.可见,秸秆施用在短时间内对土壤活性有机碳的提升效应强于秸秆生物炭,但对土壤固碳潜力的提高弱于生物炭,二者均可以作为有益物质施用于复垦土壤中.     

秸秆生物炭对水稻土和赤红壤磷素有效性及化学形态的影响北大核心CSCD

为探讨生物炭对土壤磷素转化的影响,选择华南地区两种典型土壤(高磷水稻土和低磷赤红壤),通过土壤培养试验,研究添加不同剂量(0%、1%、2%和4%,分别用CK、T1、T2、T4表示)秸秆生物炭对土壤磷素有效性及不同磷组分随时间变化的动态影响.结果表明,不同剂量秸秆生物炭处理均能显著提高水稻土和赤红壤的全磷及有效磷含量,且增加幅度随生物炭添加剂量的增加而升高,培养第40天T4处理的水稻土及赤红壤的有效磷含量相比对照分别增加118.45%和6432.08%,赤红壤效果更为明显.不同剂量秸秆生物炭处理均能显著增加两种土壤的Fe-P和Ca-P含量,其中T4处理效果最为显著.培养第40天T4处理的水稻土中水溶性磷、Al-P、Fe-P、Ca-P含量较对照分别增加233.53%、14.95%、8.82%和55.65%,O-P含量则降低2.74%;赤红壤的Al-P、Fe-P、Ca-P含量分别增加71.35%、80.15%和124.73%,水溶性磷和O-P含量则降低7.14%和0.52%.随着培养时间推移,秸秆生物炭处理的水稻土和赤红壤酸性磷酸酶活性逐渐降低,碱性磷酸酶活性则逐渐升高.此外,培养初期添加秸秆生物炭显著降低了两种土壤的微生物量磷含量,但该抑制作用随时间推移逐渐减弱直至消失.综上所述,秸秆生物炭处理显著影响水稻土和赤红壤磷素的化学形态、微生物活性及磷素转化,增加磷素有效性,尤其对赤红壤作用效果更为明显,因此在化肥减施增效中值得进一步推广应用.(图7表3参50)     

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。