不同裂解条件对生物炭稳定性的影响

在300⁵00℃温度下热裂解水稻秸秆、玉米秸秆制备生物炭,并采用红外光谱(FTIR)和元素分析的方法,以生物炭表面官能团和元素组成为主要考察指标,研究了不同裂解温度、不同保留时间对生物炭稳定性的影响。生物炭红外光谱图结果显示,生物质原材料经过裂解炭化过程,原材料分子结构中所含醚键(C-O-C)、羰基(C=O)等基团消失。随着裂解温度升高,生物炭中甲基(-CH3)和亚甲基(-CH2)也逐渐消失,而芳环结构增加,生物炭芳香化程度增强。延长生物炭制备过程中的保留时间亦有相同结果。生物炭元素组成的结果显示,裂解温度升高及保留时间延长均能使生物炭的H/C比下降,同时裂解温度对生物炭H/C的影响更加显著。相比水稻秸秆生物炭,玉米秸秆生物炭的芳环骨架更加明显,芳香化程度更高。     

水稻秸秆生物炭对耕地土壤有机碳及其CO2释放的影响

为探究生物炭自身稳定性及其输入土壤后对于土壤本体有机碳的影响,本研究模拟自然条件,分别将500℃和700℃裂解的水稻秸秆生物炭(RBC500和RBC700)以0%(空白土壤)、3%、6%和100%(纯生物炭)的比例添加至耕地土壤进行室内培养实验,观测总有机碳(TOC)与易氧化态碳(EOC)含量的变化及CO2排放特征.结果表明,与空白土壤处理相比,土壤TOC、EOC含量均随水稻秸秆生物炭添加量的增加而升高;相同添加量条件下,RBC500对土壤TOC与EOC增加的贡献均高于RBC700.各处理土壤TOC含量在前30 d内均降低(最大降幅为15.8%),并于培养后期趋于稳定;土壤EOC含量在培养初30 d内均降低,当生物炭添加比例为3%和6%时,RBC500使土壤的EOC含量降幅分别为72.4%和81.7%,大于RBC700的61.3%和69.8%;培养结束时,添加相同裂解温度生物炭的土壤EOC值相近.培养前期土壤中EOC含量的下降可能与生物炭中易分解组分引起的矿化作用有关.在130 d培养期内,CO2累计排放量大小顺序为:土壤+生物炭混合处理<纯土壤处理<纯生物炭处理,可见,生物炭的土壤处理可以减少土壤CO2的排放,最大减排率可达41.05%.在一个长的时间尺度内,生物炭的土壤处理有利于土壤碳的固定.生物炭施用于土壤可作为碳储存载体.     

城郊农业生态系统中茎菜类蔬菜对重金属镉的累积特征及品质表现

为探索城郊区农业土壤重金属镉(Cd)的生态阻控技术,结合田间试验、盆栽试验和室内分析测定等手段,以蔬菜茎叶部分Cd含量、富集系数、转移系数、单株生物量、茎叶维生素C含量、还原糖含量等因子为考察指标,分析13个红菜薹品种、5个莴笋品种和4个芹菜品种的Cd积累特征和品质表现.结果显示,两种Cd水平下(土壤总Cd分别为0.43 mg/kg和3.00 mg/kg),供试蔬菜茎叶部Cd含量不论是种间还是种内均差异显著(P<0.05).三大类供试蔬菜茎叶Cd含量与富集系数的大小均为芹菜>莴笋>菜薹,且在低Cd水平下,菜薹的生产性能及品质指标也为最优.在13个菜薹品种中,低、高Cd水平下茎叶平均Cd含量分别为0.021 0 mg/kg和0.302 1 mg/kg.13个菜薹品种的聚类分析结果显示,金秋红3号、钟声红和二早子属于弱吸收低积累Cd品种.且金秋红3号在低Cd条件下还有较高的品质表现,其可食部位维生素C含量和还原糖含量分别达到77.2 mg/100 g和19.44%.在本研究设置的高、低Cd条件下,供试蔬菜品种的Cd积累特性、品质特征以及生物量指标都具有较强的一致性,集合这些指标应用于筛选弱吸收低积累Cd的茎菜类蔬菜品种是可行的.因此,挖掘作物自身潜力,基于植物不同种及品种吸收积累重金属Cd的基因型差异,利用弱吸收低积累重金属的作物品种,在轻度或中度重金属污染农田中进行作物生产,可以降低Cd等重金属元素经农产品进入人类食物链的风险.     

生物质炭对富磷镉土壤中磷镉形态转化的影响

为探究生物质炭作用下磷镉富集土壤中磷和镉的形态转化及其影响因素,以水稻秸秆生物质炭为供试材料,磷镉富集土壤(有效磷17.25 mg/kg,总镉3.38 mg/kg)为研究对象,进行室内培养试验,结果表明:(1)BC处理促进了土壤中磷的活化和镉的钝化,有效磷含量提高25.45%～77.50%(p<0.01),有效镉含量降低13.95%～32.79%(p<0.01),酸洗处理减弱了生物质炭的上述作用。(2)与CK处理相比,BC处理土壤的交换性钙、镁分别增加了13.07%～23.62%、4.82%～11.63%(p<0.05),无定形铁、铝分别减少了5.90%～29.83%、13.98%～24.38%(p<0.05)。SBC处理的交换性钙镁以及无定形铁铝的变化与BC处理相似,但变化幅度降低。以上数据说明生物质炭输入磷镉富集土壤中可以达到磷活化和镉钝化的双重效果,这两个过程的实现与土壤中交换性钙镁和无定形铁铝含量的变化密切相关。     

生物炭及改性生物炭对水环境中重金属的吸附固定作用

生物炭是由植物或动物废弃生物质在完全或部分缺氧条件经裂解炭化产生的一类高度芳香化、抗分解能力极强的碳质固体物质,是一种富含碳元素的有机连续体。生物炭比表面积大、疏松多孔,含有羟基、羧基、羰基等活性官能团,对多种重金属离子具有吸附固定作用,可以用来去除或削减水体中的有毒有害重金属。此外,利用酸、碱、石墨烯等物质对其进行修饰或改性,可提高对重金属的吸附能力。根据当前研究现状,综述了不同生物炭对水溶液中重金属离子的去除作用,并比较了一些生物炭改性前后与重金属的作用效果差异,同时归纳了生物炭与重金属的相互作用机理及其影响因素。在此基础上,展望了生物炭在去除水体环境中有毒有害重金属的研究方向,以期望生物炭得到更好应用。     

生物炭输入对城郊农业区农田地表反照率及土壤呼吸的影响

为了探究生物炭输入对地表反照率及土壤呼吸的影响,通过田间小区试验的方法,在不同生物炭用量[0（CK）、0.5 kg·（m²·a）^-1（BC0.5）、4.5 kg·（m²·a）^-1（BC4.5）]不同地表条件下[种植作物（以+表示）、裸地（以-表示）],对农田地表反照率、土壤温湿度、土壤CO₂排放通量、土壤有机碳组分等指标进行了测定分析.结果表明,在作物生长前期（玉米的苗期至拔节期、小麦苗期至越冬期）,BC4.5+、BC0.5+的地表反照率相较CK+处理均有显著下降（P<0.05）,小麦季最大降幅分别为23.7%、17.9%,玉米季最大降幅分别为44.5%、44.9%.随叶面积指数增加,地表反照率在3个处理间的差异随之逐渐消失,作物覆盖可有效缓解生物炭输入导致的地表反照率的降低效应;裸地条件下,生物炭处理的地表反照率较对照处理在全部的观测中均有显著下降（P<0.05）;生物炭在输入初期可显著增加土壤CO₂释放量（P<0.05）,但其增幅随时间逐渐减小,其中BC4.5+较CK+的增幅从276.7%逐步降低至36.1%,BC4.5-较CK-的增幅从163.5%明显减弱至39.8%.生物炭处理较对照处理增加的CO₂释放量主要来自生物炭-土壤共存体系中的易分解碳组分,其土壤CO₂释放通量与土壤水溶性有机碳含量呈显著相关（P<0.05）;生物炭输入导致的地表反照率变化未对土壤呼吸产生直接的影响,而且生物炭输入可降低土壤呼吸温度敏感性Q10值,表明生物炭具有一定的化学和生物学稳定性.     

武汉市郊设施栽培土壤盐分累积特征

采用野外调查和取样分析相结合的方法，对武汉市郊部分设施蔬菜栽培地土壤盐分特征进行了研究。结果表明：（1）在研究区，轻度盐化土壤占5263%，中度盐化土壤占2105%，重度盐化土壤占526%，另有1579%的设施土壤盐分含量超过了10 g/kg，达到盐土〖JP+1〗的标准。（2）设施栽培土壤的可溶性盐含量与电导率（EC）均明显高于露天栽培菜地及植棉地土壤，且变化幅度大，平均值分别为66 g/kg〖JP〗和031 mS/cm。其中，10.5％的设施土壤表层EC值达到了作物生长障碍临界点（>06 mS/cm）。表层土壤中以NO-3和Ca2+的相对富集为主要特征。（3）盐分的运移同时存在着向下迁移和向表层聚集两种方式，且以表聚为主。除HCO-3外，其它盐分离子的含量随土层深度的增加而有所降低，其中，NO-3、Ca2+累积迁移量较大，在0~100 cm各土层内的含量都高于露天菜地和植棉地，硝酸盐的大量累积和向下迁移势必对地下水造成不利影响。（4）设施地栽培的土壤水溶性盐含量与电导率（〖WTBX〗r=0.951 2*〖KG-*3〗*）以及硝态氮含量（r=0.644 2*）分别呈极显著和显著正相关。〖     

钝化与叶面阻控对不同基因型红菜苔镉累积的影响

为探索中轻度重金属镉(Cd)污染农田安全利用技术,实现农产品安全生产,以两种不同镉累积基因型红菜苔为供试作物,采用盆栽试验的方法,分别于两种作物上设置相同的6个处理:对照(CK)、添加3%(质量分数)生物质炭(BC)、添加0.17%钙镁磷肥(CMP)、叶面喷施3 mg·L~(-1) Na_2SeO_3的水溶液(Se)、 BC+Se和CMP+Se,研究不同处理土壤镉有效性变化及植株不同部位镉累积特征.结果表明:①相同处理下,低镉累积基因型金秋红三号红菜苔根部土壤有效态镉含量均显著低于高镉累积基因型十月红.BC和CMP两种钝化剂对金秋红三号根部土壤中的镉钝化效果显著,且BC效果更佳,钝化处理的效果显著优于叶面阻控.②金秋红三号红菜苔根系较十月红对镉有更强的富集能力,其富集的镉倾向于囤积在根部.叶面施硒与两种钝化剂对抑制镉向红菜苔可食部位转移富集无协同效果.③在BC和CMP钝化处理下,金秋红三号红菜苔可食部位镉含量低于GB 2762-2017中镉限量值(0.10mg·kg~(-1)).本研究表明,针对中轻度镉污染农田土壤,通过施加生物质炭、钙镁磷肥等绿色钝化剂,种植弱吸收低积累作物品种,可以实现受镉污染农田的安全利用和农产品的安全生产.     

生物质炭对磷镉富集土壤中两种元素生物有效性及作物镉积累的影响

以磷镉富集土壤(总Cd 0.94mg·kg~(-1)、全磷0.86g·kg~(-1))和低镉积累基因型红菜薹金秋红三号为供试材料,采用盆栽试验的方法,设置了绝对对照CK0(仅施NK无机肥)、相对对照CKp(施NPK无机肥)、生物质炭BC(BC+NK无机肥)和BC-CKp(BC+NPK)这4个处理,考察了土壤磷素和重金属Cd的生物有效性、植株可食部位生物量及其Cd累积特征和土壤基本性状等指标.结果表明,至作物收获时,添加生物质炭的BC和BC-CKp处理与未添加生物质炭的CK0和CKp处理相比,土壤有效Cd含量分别降低了8.23%和5.68%;同时土壤有效磷含量提高了11.60～16.26mg·kg~(-1).施加外源磷肥的CKp和BC-CKp处理土壤有效Cd含量与未施加磷肥的CK0和BC处理相比分别降低了31.43%和33.29%.除CK0处理外,其它3个处理(CKp、BC及BC-CKp)的红菜薹作物可食部位Cd含量均未超出我国食品安全国家标准(GB 2762-2017)中Cd的限定值0.1mg·kg~(-1).结果表明,将生物质炭输入到磷素富集的中、轻度Cd污染土壤中,能够同时实现土壤中重金属Cd钝化和磷素活化的双重功能;且在不额外使用磷素化肥的条件下,种植弱吸收低积累Cd的蔬菜作物基因型,既可以保证可食部位生物量增加,也可以使其可食部位重金属Cd含量满足食品安全国家标准.     

生物炭输入对土壤本体有机碳矿化的影响

近年来,生物炭应用于土壤后其碳汇能力已成为国内外的研究热点,但是目前研究结果显示其碳汇功能仍然存在争议,生物炭与土壤本体有机碳之间的作用关系还有待探明.研究以水稻土(C3土壤)为供试土壤,向其中添加以水洗(CS)和未水洗(CN)方式处理的玉米(C4作物)秸秆生物炭,生物炭分别按1%和3%(CS1%、CS3%和CN1%、CN3%)的质量比与C3土壤均匀混合,以不添加生物炭(CK)为对照处理,每个处理重复3次,开展室内培养实验,探讨生物炭添加对土壤有机碳矿化的影响.结果表明:1在180 d的培养期内,CS1%、CS3%、CN1%这3种处理的土壤CO2累计释放量分别为1 865.7、1 864.4和1 856.2 m L·kg-1,均高于对照土壤CK的1 779.0 m L·kg-1,但未形成显著差异.处理CN3%的CO2累计释放量最大,为2 289.1m L·kg-1,明显高于其他处理及对照土壤.说明较高添加量下,水洗生物炭CS处理减排效果明显;2同位素分析结果显示,CK处理土壤的本体有机碳的CO2累计释放量最高,达到1 534.2 m L·kg-1,CS3%与CN3%处理土壤本体有机碳的CO2累计释放量分别为1 000.4 m L·kg-1和1 153.7 m L·kg-1,均明显低于对照处理,说明2种生物炭的添加均能抑制土壤本体有机碳的矿化.激发效应的结果也验证了这一点,CS3%处理土壤的激发效应PE值为-34.8%,处理CN3%的PE值为-24.8%,CS生物炭的负激发效应更显著.