不同来源生物黑炭特性对比及其在农业环保中的应用

生物黑炭是生物有机体转化的稳定性碳物质,作为土壤添加剂近年来在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面具有广阔的应用前景。虽然近年国际上对生物黑炭的农业应用研究进展很快,但关于不同来源生物黑炭理化性质的调控及其在农业环境保护方面的应用研究还不够深入,未达成统一认识。而我国在该领域的研究才刚刚起步。为推动我国生物黑炭农业应用技术的开展,文章从生物黑炭的来源、不同生物炭理化特性的对比,及其在农业环境保护中的应用等方面进行了综述与探讨,并对生物黑炭的开发和利用存在的潜在问题和今后的研究热点进行了简要的展望,以期为我国发展低碳农业和循环农业提供依据和参考。     

黑碳吸附/解吸对微生物降解苯酚的影响

本文以黑碳为吸附介质,苯酚为吸附质,研究了黑碳上吸附的苯酚以及液相中的苯酚对微生物降解的影响。苯酚降解微生物选择假单胞菌,它能够以苯酚为唯一碳源和能源。通过实验得出,Freundlich吸附模型能够较好地描述苯酚在黑碳上的吸附;在实验浓度和时间条件下,假单胞杆菌降解苯酚呈现零级反应,在有黑碳的体系中,苯酚降解速度为5.77 mg.L-1.h-1,在无黑碳的体系中,苯酚降解速度为2.67 mg.L-1.h-1,黑碳促进了细菌降解苯酚,加大苯酚的降解速度。实验在有黑碳的体系中可以得出黑碳上苯酚的脱附速率跟不上细菌的降解速率,当液相中的苯酚降解完成后,黑碳的苯酚脱附是细菌降解苯酚的限制条件。     

黑炭气溶胶质谱仪(SP-AMS)分析春季PM2.5中水溶性有机气溶胶

为探讨常州春季大气细颗粒物(PM_(2.5))的化学组成及污染特征,于2017年3月1日～5月30日采集了84个有效样品,对其水溶性离子(WSIIs)、碳质组分(OC和EC)等常规组分进行了测定和分析,并采用黑炭-气溶胶质谱仪(SP-AMS)对水溶性有机气溶胶(WSOA)进行了分析.结果表明,采样期间PM_(2.5)的日均质量浓度为101. 97μg·m~(-3),超标(环境空气质量标准二级标准)率达73. 8%,以轻度、中度和重度污染为主,分别占总天数的39. 3%、21. 4%和13. 1%. WSIIs约占PM_(2.5)的39. 86%,其中二次离子(SO_4~(2-)、NH_4~+和NO_3~-)占WSIIs的81. 85%,阴阳离子电荷平衡的线性拟合直线的斜率(AE/CE)大于1(1. 09),表明PM_(2.5)偏弱酸性. OC/EC比值为2. 53,说明受二次转化的影响. SP-AMS分析WSOA组分包含C_xH_y+(32. 1%)、C_xH_yO+(30. 4%)、C_xH_yO_~(2+)(25. 4%)和H_yO~+(4. 7%),其平均氧碳比(O/C)、氢碳比(H/C)、氮碳比(N/C)和有机质-有机碳比(OM/OC)分别为0. 72、1. 53、0. 04和2. 15,高的O/C表明春季光化学反应导致的二次转化贡献较大.正定矩阵因子分析模型(PMF)对WSOA的质谱进行解析得到:类烃OA(HOA)、半挥发氧化性-生物质燃烧排放OA(SVOOA-BBOA)和低挥发性氧化性OA(LVOOA) 3种有机气溶胶,分别占WSOA总量的18. 4%、34. 1%和47. 4%.     

黑炭分解的影响因素及其激发效应机制研究进展

黑炭是生物质和化石燃料不完全燃烧形成的富含C的固体有机材料,广泛存在于环境中,具有长期存储C的潜力,在全球C循环中具有重要作用,并且被作为减缓气候变化的重要策略。然而,当前我们有关黑炭分解及其激发效应机制的知识是有限的。因此,需要全面深入了解影响黑炭分解的控制因素及其激发效应的可能机制。本文首先对黑炭分解研究进行综合分析,详细评述了气候/培养条件,土壤特征、黑炭性质以及干扰因素对黑炭分解的影响及其机理。其次,介绍了黑炭激发效应的测定方法,重点综述了黑炭激发效应大小与方向的影响因素及其可能机制。最后,指出了黑炭分解及其激发效应研究的不足,并提出了未来研究需要关注的问题和方向,以期为将黑炭融入到土壤有机质和生态系统模型提供借鉴。     

表面活性剂对苯并[a]芘在黑炭表面吸附解吸的影响

通过静态吸附实验,研究了3种不同类型的表面活性剂(阳离子∶十六烷基三甲基溴化铵,CTAB;阴离子∶十二烷基苯磺酸钠,SDBS∶非离子,曲拉通100,TX100)对苯并[a]芘(BaP)在黑炭表面吸附解吸的影响.结果表明,3种表面活性剂的存在均会增加BaP在黑炭表面吸附的非线性程度.CTAB的存在可以促进BaP在黑炭表面的吸附同时抑制了BaP的解吸,然而SDBS的存在降低了BaP在黑炭表面的吸附并增加了吸附过程的可逆性.与CTAB和SDBS不同,TX100对BaP在黑炭表面吸附解吸的影响取决于其添加浓度.低浓度的TX100(50 mg.L-1)能够促进BaP在黑炭上的吸附并抑制BaP的解吸,吸附能力参数Kd值(在ce=50μg.L-1下)从188 062 mL.g-1增大到264 179 mL.g-1,解吸滞后指数HI从0.44降低到0.39.随着TX100浓度增加到150 mg.L-1和200 mg.L-1,TX100对BaP的吸附表现出抑制作用并能够促进BaP的解吸,Kd值(在ce=50μg.L-1下)从188 062 mL.g-1分别降低到182 751 mL.g-1和178 730 mL.g-1,解吸滞后指数从0.44分别升高到0.65和0.70.本研究为预测多环芳烃在表面活性剂污染的环境中的分布特征和最终归趋提供了理论依据.     

秸秆源黑炭还田对水稻土生产力和固碳的影响

为揭示秸秆源黑炭连续还田对太湖平原稻麦轮作农田土壤生产力和固碳作用的影响,设黑炭施加量为0(CK)、4.5和9.0t/hm23个处理,通过2a 4个完整稻麦轮作季的盆栽试验,研究了稻秆来源黑炭每季还田下的稻麦作物产量.养分吸收状况及土壤理化性质的变化. 结果显示,土壤w(TOC)(TOC为总有机碳)和w(全N)随黑炭施加量的增加而增加. 每季黑炭施加量为9.0t/hm2时,土壤w(TOC)和w(全N)可分别提高46.7%~113.0%和9.3%~28.3%. 黑炭施入土壤后能够提高稻麦作物地上部分生物量,籽粒产量增加11.4%~60.5%,秸秆产量增加15.0%~56.8%. 黑炭处理下稻麦作物体内N、P、K、Mg和Ca的累积量显著提高,这一现象与每季结束后土壤w(全N)以及土壤有效元素含量〔w(有效P)、w(有效K)、w(有效Mg)和w(有效Ca)〕的增加相吻合. 黑炭施入可显著提高土壤pH和CEC(阳离子交换量),尤其是黑炭施加量为9.0t/hm2时,pH最高可达6.79,CEC最高达到12.7cmol/kg. 连续三季施入黑炭后,土壤容重比不施黑炭处理降低8.0%~12.2%. 试验结果表明,秸秆来源黑炭施入太湖平原稻麦农田可起到固碳增汇、增加土壤碳库容量的作用,也能改善土壤理化性质,提高土壤生产力.      

生物黑炭输入对茶园土壤呼吸的影响

生物黑炭是化石燃料或生物质不完全燃烧产生的一种非纯净碳的混合物,施入土壤后能有效减少温室气体排放、改良土壤性状、促进植物生长,但生物黑炭施用对土壤碳排放的影响仍存在不确定性。茶园是我国南方地区主要土地利用类型之一,为明确生物黑炭输入对茶园土壤碳排放的影响,本文采用田间试验研究生物黑炭施用对茶园土壤呼吸的影响。试验设置生物黑炭施用量0 t·hm^-2（CK）、8 t·hm^-2、16 t·hm^-2、32 t·hm^-2和64 t·hm^-25个水平,采用LI-Cor8100开路式土壤碳通量测定系统对不同生物黑炭施用水平处理下茶园土壤呼吸速率进行长期定位观测。结果表明,茶园土壤呼吸速率的季节变化规律呈现单峰曲线特征,最高值出现在8月份,最低值出现在1月份;土壤呼吸速率与土壤10 cm温度呈极显著的指数相关关系,土壤10 cm温度能够解释各处理土壤呼吸月动态变化的67.79%-89.16%。生物黑炭输入提高了茶园土壤呼吸速率,各处理年平均土壤呼吸速率分别比CK提高10.75%、17.52%、35.78%和42.58%,并与CK差异达显著水平（p〈0.05）;生物黑炭输入降低了茶园土壤呼吸敏感性（Q10值）,各处理土壤呼吸Q10值分别比CK降低1.96%、3.14%、4.01%和10.76%。土壤呼吸温度敏感性的降低验证了生物黑炭具有热稳定性和生物学稳定性,是可以在茶园土壤中长期固存的惰性有机碳。     

腐植酸和黑炭的提取及其对菲和芘的吸附行为

从河水沉积物中提取腐植酸和黑炭,通过元素分析仪、总有机碳仪、扫描电子显微镜和Zeta电位仪对其进行表征分析。研究了多环芳烃（PAHs）的代表物质菲和芘分别在腐植酸和黑炭上的分配行为并测定其分配系数,以及Ca2+浓度对菲、芘吸附的影响。结果表明:河水沉积物中提取的腐植酸和黑炭的主要元素组成是碳和氧,两者含有较多的芳香烃组分;水生植物是腐植酸和黑炭来源的主要贡献者;腐植酸呈发泡絮状结构,黑炭具有微孔结构;黑炭颗粒表面带有的负电荷明显少于腐植酸,其分子间的斥力作用较小。基于以上结果,认为黑炭的吸附能力高于腐植酸。菲和芘在腐植酸上分配系数的对数值（lg K_d）分别为3.55和4.55,在黑炭上分配系数的对数值（lg K_d）分别为4.57和5.35,这说明单位质量腐植酸和黑炭上芘的吸取量高于菲;菲和芘在腐植酸和黑炭上的吸附量随着Ca2+浓度的增加而呈先增加后减少的趋势。     

2013年12月石家庄一次霾天气过程中的黑炭浓度特征

2013年12月5日~27日石家庄地区连续出现霾天气,大气日均能见度为0.2~8km,其中大约89.53%的时间大气能见度不足5km.分析12月10~27日期间的黑炭固定观测数据表明:1)黑炭浓度均值为39.84μg/m3,日变化具有明显的双峰结构,第1个峰值在上午9:00左右,第2个峰值在夜晚21:00~24:00;2)黑炭浓度小时均值与大气能见度小时均值之间呈负相关关系,当黑炭浓度大于固定观测期间的均值时,重度霾发生的概率为97.78%.此外,通过在车辆上安装黑炭分析仪和GPS接收机对石家庄市区主干道进行了多天的移动观测,结果表明:黑炭浓度与交通密度和街道特点(道路类型、交通密度)直接相关; 市区二环的黑炭浓度较高,大约是二环内黑炭浓度均值的1.48倍;市中心区的黑炭浓度相对较低,且呈现明显的东西-南北向差异性.     

农业废弃物生物黑炭转化还田作为低碳农业途径的探讨

生物黑炭是有机废弃物转化的稳定性碳物质.国际农业废弃物生物黑炭转化技术研究日益活跃,并正在进行农田增汇减排的试验示范.文章介绍了生物黑炭技术发展的背景,以及生物黑炭技术转化和应用研究的国际动态,讨论了生物黑炭技术在应对气候变化中对农业生产和固碳减排的潜在作用,并分析将其纳入国际碳贸易市场和国内自主减排碳交易市场的可能性.最后,提出我国开展农作物废弃物生物黑炭转化与农业应用研究的建议.