玉米秸秆生物炭对稻田土壤砷、镉形态的影响

通过室内土壤培养的方法模拟稻田土壤环境,研究淹水环境下添加(1%添加量)不同温度制备的玉米秸秆生物炭(CB-300、CB-400、CB-500)对砷、镉复合污染稻田土壤氧化还原电位(Eh)、pH值及不同形态砷、镉含量动态变化的影响.结果表明,热解温度会影响玉米秸秆生物炭的理化性质,热解温度由300℃升至500℃,玉米秸秆生物炭芳香性增加,亲水性和极性降低,灰分含量增加,pH值升高.淹水环境下添加玉米秸秆生物炭处理相比对照(CK)可提高土壤pH值0.20~1.24,升高幅度大小为CB-500CB-400CB-300CK,随着培养时间的延长,pH值趋于平衡状态;淹水环境下土壤氧化还原电位均迅速下降,且不同处理组间存在显著差异,生物炭制备温度越高下降效果越明显,培养至第96 d时氧化还原电位降到最低.CK、CB-300、CB-400、CB-500处理组弱酸可提取态镉含量由淹水前的73.55%分别降至63.46%、57.73%、54.50%、53.94%,随着培养时间的延长,土壤中弱酸可提取态及可氧化态镉逐渐向残渣态及可还原态镉转化.土壤pH值与弱酸可提取态镉含量之间呈显著负相关关系.淹水环境下土壤可交换态砷含量升高,玉米秸秆生物炭的施加导致土壤交换态、Ca-结合态、Al-结合态和Fe-结合态砷含量逐渐上升,上升幅度分别为75.68%、20.92%、13.49%、48.66%,残渣态砷含量下降;土壤pH值与交换态砷含量之间呈显著正相关关系.研究结果可为砷、镉复合污染稻田安全生产与阻控提供数据支持.     

施用生物炭对土壤Cd形态转化及烤烟吸收Cd的影响

采用盆栽试验模拟Cd污染土壤,研究施用烟秆炭(0、10、20 g·kg~(-1))对土壤pH、有机质含量、土壤Cd形态分布及烤烟Cd含量和Cd累积量的影响.结果表明:随着生育期的延长,土壤pH和有机质含量均呈现升高的趋势.在同一Cd污染水平下,土壤pH和有机质含量均随生物炭施用量的增加而升高.随生物炭施用量的增加,土壤有效态Cd和可交换态Cd含量显著降低,土壤碳酸盐结合态Cd、铁锰氧化物结合态Cd、有机结合态Cd和残渣态Cd含量升高.移栽后30 d,处理G2T2和G2T1的土壤有效态Cd含量的降幅分别达到45.59%和24.56%.外源添加Cd的土壤中,土壤pH和有机质含量均与土壤有效态Cd和可交换态Cd含量呈显著负相关关系(p0.01),与土壤碳酸盐结合态Cd、铁锰氧化物结合态Cd和有机结合态Cd含量呈显著正相关关系(p0.01).在Cd污染土壤上,施用生物炭能明显降低烟株各部位Cd含量,烟株各部位干物质积累量随生物炭施用量的增加显著升高,烟株各部位Cd累积量和总Cd累积量随生物炭施用量的增加呈降低的趋势.由此说明,在Cd污染的土壤上施用生物炭能够使土壤中可被植物吸收利用的有效态Cd转化为潜在的无效态Cd,从而达到修复土壤并减轻作物受Cd毒害的目的.     

生物炭的制备及其镁改性对污染物的吸附行为研究

以小麦和玉米秸秆为原料,于不同温度下制备了生物炭样品,并采用氯化镁(MgCl_2)、乙酸镁(Mg(CH_3COO)_2)和硝酸镁(Mg(NO_3)_2)对秸秆及其生物炭进行改性.通过分析各生物炭产率、pH、元素分析、比表面积、CEC、XRD及FT-IR,探究了生物炭理化性质的变化规律.各样品对氨氮、Pb(Ⅱ)及乙草胺的吸附试验结果表明:小麦秸秆经Mg(CH_3COO)_2改性后得到的生物炭的饱和吸附量最大;对3种吸附质的吸附过程均符合准二级吸附动力学方程;低浓度下吸附过程均可自发进行,对氨氮的吸附符合Langmuir模型且以离子交换作用为主,对Pb(Ⅱ)的吸附符合Freundlich模型且以离子交换作用为主,对乙草胺的吸附符合Langmuir模型且以分配、氢键和π-π电子受体供体作用为主.     

AMD铁絮体改性生物炭对重金属吸附机理研究 ——以Pb(II)为例

以酸性矿山废水生成的铁絮体和秸秆生物炭为原料,采用化学改性和紫外辐射联用技术制备改性生物炭,并通过正交试验确定最佳改性条件,同时利用FTIR、SEM和BET等方法对吸附材料的形貌特征、孔隙结构及其表面化学性质进行表征.结果表明,通过改性使吸附材料比表面积增大,吸附位点增多,在25℃、pH为7时,吸附材料改性后比表面积为295.71 m²·g^-1,对Pb（II）的拟合吸附量可达278 mg·g^-1.改性材料对Pb（II）的吸附过程符合Langmuir吸附等温线模型和准二级动力学模型,主要为单分子层吸附,受化学吸附控制.     

裂解温度和离子强度对不同来源生物炭胶体释放行为的影响

近年来环境中生物炭胶体形成受到广泛关注,它是生物炭在环境中物理分解作用的重要过程,对污染物迁移有着重要影响.然而,目前对生物炭胶体释放过程和影响因素的研究甚少,人们对生物炭胶体释放机理的认识还很有限.本研究以小麦秸秆和花生壳为生物质来源,系统地探讨了生物炭的裂解温度（300~700 ℃）和溶液离子强度（0.1~10 mmol·L^-1）对生物炭胶体产率的影响.结果表明,随着裂解温度的升高,生物炭的耐磨性增强,且在较高的裂解温度下（≥500 ℃）花生壳生物炭的耐磨性显著强于小麦秸秆生物炭.生物炭的胶体产率受到生物质来源和裂解温度的显著影响,花生壳生物炭的胶体产率低于小麦秸秆生物炭,高温裂解（≥600 ℃）生物炭的胶体产率显著低于中低温裂解生物炭.在相同溶液离子强度下,生物炭胶体产率与其亚微米级碎片率呈显著正相关（p<0.05）,即生物炭中亚微米级碎片率越高,生物炭胶体产率越高.当溶液离子强度从1 mmol·L^-1增加到10 mmol·L^-1时,两种来源生物炭的胶体产率均显著降低,其降低的程度因生物炭裂解温度而异,其中低温裂解（300 ℃）生物炭的胶体产率降低了11.1%~11.2%,中高温裂解（≥ 500 ℃）生物炭的胶体产率降低了60.0%~97.2%.     

生物炭施用量对紫色水稻土温室气体排放的影响

为探究生物炭施用量对紫色水稻土温室气体排放的影响,通过盆栽试验,采用静态暗箱/气相色谱法,研究了不施肥对照(CK)、常规施肥(NPK)、10 t·hm-2生物炭+NPK(LBC)、20 t·hm-2生物炭+NPK(MBC)、40 t·hm~(-2)生物炭+NPK(HBC)这5种处理下温室气体的排放规律.结果表明:(1)生物炭施用显著降低了土壤CH_4排放通量,其排放通量大小顺序为:NPKCKLBCMBCHBC,各处理CH_4排放通量均呈单峰型曲线,峰值主要集中在水稻的生长后期,整个观测期CH_4的排放通量在-0.05~47.34 mg·( m~2·h)~(-1)之间;各处理CO_2排放通量变化较复杂,介于32.95~1 350.88mg·( m~2·h)~(-1)之间,除LBC和MBC处理呈双峰型曲线外,其余处理均呈单峰型,不同生物炭施用量处理均延后了CO_2排放通量峰值出现的时间;N_2O的排放通量在-309.39~895.48μg·( m~2·h)~(-1)之间,除LBC处理呈双峰型曲线变化外,其余处理均呈单峰型曲线;(2)与空白对照处理相比,生物炭处理均可显著降低CH_4的累积排放量,而促进了CO_2和N_2O累积排放量,CH_4、CO_2和N_2O的平均累积排放量从大到小分别为CKLBCMBCHBC处理、LBCMBCHBCCK处理和HBCMBC≈LBCCK处理;与常规施肥处理相比,不同施用量生物炭添加均可显著降低CH_4和CO_2的排放,且生物炭添加量越多,对CH_4和CO_2排放的减缓作用越明显,但是对N_2O排放的抑制作用尚不明显;(3)在100 a时间尺度上各生物炭处理可显著降低温室气体的综合增温潜势,表明生物炭配施化肥是一种有效的减排措施.     

生物质炭对Cd污染土壤根际微团聚体Cd形态转化的影响

为明确生物质炭对土壤Cd形态分布的团聚体机制,采用盆栽试验,以秸秆生物质炭为试验材料,研究了秸秆生物质炭对Cd在不同粒级微团聚体中的富集以及根际、非根际微团聚体Cd形态转化的影响.结果表明:外源Cd进入土壤后,主要分布于土壤不同粒级微团聚体中且随粒级减小而增加,富集顺序由大到小为 < 0.01、0.05~0.01、0.25~0.05、 > 2 mm.添加生物质炭后显著降低了Cd在不同粒级微团聚体中的富集系数（P < 0.05）.与对照相比, > 2、0.25~0.05、0.05~0.01、 < 0.01 mm粒级微团聚体土壤对Cd的富集系数分别降低了0.04~0.16、0.04~0.15、0.07~0.17、0.06~0.21.不同处理下,根际、非根际土壤不同粒级微团聚体中Cd主要以残渣态为主且向小粒级团聚体（< 0.01 mm）富集,其中可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态Cd的含量（以质量分数计）及占比均有不同程度的下降.对于根际、非根际不同粒级微团聚体各形态中有机结合态Cd,与对照相比,在Cd1B10处理下,分别于 < 0.01、0.05~0.01 mm微团聚体中的降幅最高,达49.5%、62.3%;对于残渣态Cd,在Cd1B10处理下,分别于0.25~0.05、0.05~0.01 mm微团聚体中的降幅最高,达19.8%、20.5%,但各处理下残渣态Cd占比趋于上升,最高占比分别达74.0%、78.2%.表明Cd进入土壤后主要转化成了残渣态,土壤中Cd的生物有效性降低,其中,当Cd污染程度（1 mg/kg）较低、生物质炭施用量（10 g/kg）最高时,该效果达显著水平.研究显示,施用高量（10 g/kg）生物质炭能够降低土壤不同粒级微团聚体中各形态Cd的含量,并且Cd污染程度越低、粒级越小,降低效果越显著.      

磁性生物炭对水中CIP和OFL的吸附行为和机制

采用化学共沉淀方法将Fe2+/Fe3+和芦苇生物质材料进行复合,然后于873.15 K限氧热解制备出具有磁分离及高吸附性能的磁性生物炭(MBC).利用SEM、BET、FTIR和VSM等对其理化性质进行表征,并考察了MBC对水中环丙沙星(CIP)和氧氟沙星(OFL)的吸附行为和机制.结果表明,MBC表面含有大量的含氧官能团,比表面积和总孔体积分别为254.6 m2·g-1和0.257 cm3·g-1.MBC对CIP和OFL的吸附有很强的p H和温度依赖性.不同p H下,CIP和OFL各形态离子(阳离子、两性离子和阴离子)对吸附的贡献不同.MBC对CIP和OFL的吸附过程为自发、熵增的吸热过程.CIP和OFL在磁性炭上的吸附动力学符合准二级动力学模型,吸附等温线符合Langmuir模型.MBC对CIP和OFL的平衡吸附量分别为27.84 mg·g~(-1)和22.00 mg·g~(-1).孔填充作用、π-π电子供体受体作用、氢键作用、疏水作用和静电作用可能是MBC吸附CIP和OFL的重要机制.     

生物炭对施粪肥土壤中根际真菌群落多样性及相互作用的影响

为了研究生物炭对施粪肥土壤中根际真菌群落结构及相互作用的影响,通过黑麦草盆栽试验,比较了添加2%生物炭处理和仅施粪肥条件下,根际真菌的群落演替及分子生态网络. Illumina MiSeq测序结果表明,添加生物炭处理与不添加生物炭的对照处理中真菌的α多样性指数(Shannon指数)无显著差异.两种处理情况下,子囊菌门(Ascomycota,59. 64%～84. 80%)、担子菌门(Basidiomycota,1. 90%～5. 87%)和接合菌门(Zygomycota,4. 34%～16. 11%)均为主要菌群.分子生态网络分析表明,相比不添加生物炭的对照组,添加生物炭后的土壤真菌群落具有更复杂的联系且显著增强了种间积极的相互作用(P 0. 05). Mantel检验分析表明,添加生物炭处理中植物根系与真菌丰度和种间相互作用显著相关(P=0. 001).植物根系是影响真菌丰度和相互作用关系的最重要的因素.     

粒径和温度对玉米秸秆生物碳吸附锶的耦合影响

以玉米秸秆为原材料,在350℃下采用限氧裂解法制备了4种粒径的生物碳(BC-9.31、BC-20.26、BC-71.07、BC-101.90,数字代表样品的中值径,单位μm),对比研究了15℃、25℃、35℃、45℃下生物碳对锶的吸附行为,旨在阐明生物碳粒径和溶液温度对生物碳吸附锶的耦合影响。结果表明:生物碳粒径和溶液温度对等温吸附曲线的基本特征影响较小,Freundlich模型能较好地拟合吸附过程(R2=0.915~0.997,N=0.513~0.745);生物碳吸附锶是以熵驱动为主的物理吸附过程,熵变ΔS为75.66~99.43 J/(mol·K),焓变ΔH为18.18~25.84 k J/mol;生物碳对锶的吸附性能大体与溶液温度呈正相关,与颗粒粒径呈负相关,同时颗粒粒径与溶液温度存在耦合影响;生物碳粒径越小,锶吸附过程受温度影响越小;温度越高,锶吸附受粒径影响越小。