多年施用生物炭对河南烤烟种植区土壤呼吸的影响

为探究生物炭施用对土壤呼吸的影响,采用5 a定位试验(2013～2017年)研究了不施生物炭(CK)、施用1. 5 t·hm-2生物炭(T1)、施用15 t·hm-2生物炭(T2)、施用45 t·hm-2生物炭(T3)这4种处理下土壤呼吸及土壤水热因子的动态变化规律.结果表明:(1)在土壤中连续5a施入中剂量生物炭(T2:15 t·hm-2)显著降低了烤烟生长季土壤呼吸速率,降幅为25. 89%;当施入量增至45 t·hm-2(T3)时土壤呼吸速率显著增加,增幅为21. 48%(P 0. 05).(2)长期中剂量生物炭的添加显著降低了土壤异养呼吸速率和自养呼吸速率,降幅分别为29. 80%和28. 75%;大剂量生物炭(T3:45 t·hm-2)的施入显著增加了土壤异养呼吸速率,增幅为28. 88%.低剂量生物炭(T1:1. 5 t·hm-2)和中剂量生物炭均显著增加土壤呼吸中自养呼吸的比例,大剂量生物炭的施入显著增加了异养呼吸的比例(P 0. 05).(3)低剂量生物炭显著降低了烤烟生长季土壤5 cm温度;大剂量生物炭显著降低了土壤5 cm湿度.土壤呼吸与土壤5 cm温度之间呈显著指数相关,与土壤5 cm湿度之间未表现出显著相关(P 0. 05).综上,连续5a低剂量生物炭的施用对土壤呼吸无影响,适量生物炭的施用具有固碳减排效应,大剂量生物炭施用则会适得其反,建议生物炭施用范围应控制在15 t·hm-2以内.     

改性稻壳生物炭对水溶液中甲基橙的吸附效果与机制

本文以废弃稻壳为原料,通过不同改性方法将其制成生物炭吸附剂,并用于水体中甲基橙(MO)的吸附.通过氮吸附、X射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜分析(SEM)、热重分析(TG)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术分析了改性剂种类、浸渍比和热解温度对生物炭的物理化学性质及对MO吸附量的影响,发现热解温度为400℃,以ZnCl_2为改性剂,浸渍比为2∶1时制备的生物炭Z2RT400对MO的去除效果最好.以Z2RT400为吸附剂,探究吸附剂添加量、吸附时间、初始污染物浓度、溶液pH等对甲基橙吸附效果的影响,结果表明,饱和吸附时间为420 min,吸附反应的最佳pH为4,当吸附剂用量为10 mg,初始甲基橙浓度为2 000 mg·L~(-1)时,Z2RT400对MO的最大吸附量可达1 967. 72 mg·g~(-1);当吸附剂添加量为80 mg时,去除率最高可达99. 52%.此外,对吸附机制进行分析,发现吸附等温线数据符合Freundlich模型,吸附动力学数据符合拟二级动力学模型,说明吸附以化学吸附为主,物理吸附为辅.因此,废弃稻壳为原料改性制备的生物炭可作为高效的有机染料吸附剂,并应用于水体中污染物的治理.     

生物炭在农业增产和污染治理中的应用

生物炭(biochar)作为重要的碳汇、土壤重要的改良剂以及污染物有效地吸附剂受到了国内外研究人员的普遍关注。在阅读近几年国内外关于生物炭在农业增产和污染方面文献的基础上,作者总结了生物炭应用规律并提出一些未来研究的展望。表述如下:生物炭具有多孔性和巨大的表面积,它能够增加土壤的持水量、增加对营养元素的吸附以减少其流失并改善土壤的结构,此外生物炭本身含有丰富的营养元素并能够缓慢释放以供作物吸收,因此生物炭能改善土壤肥力并增加农作物产量。同时,生物炭巨大的吸附功能可以降低重金属和有机污染物在土壤及污水中的活性,起到降低污染物浓度的作用。因此生物炭在农业增产和减少污染方面有巨大的潜力。但是,到目前为止,对于生物炭很多的作用机制还未搞清楚,对不同种类生物炭性状、生物质在高温热解过程中内部化学成分和结构的变化、长期定位实验以及危害方面还应加强研究。对此,研究人员应该结合当地情况,尽多的用当地主要的动植物废料来生产生物炭以达到当地农业增产和治理污染的目的;其次,增加长期定位试验,找到适合当地的生物炭种类及其生产条件;另外还应增加对我国新疆、西藏等土壤贫瘠的偏远地区的研究,使当地的土壤更大程度的被利用以改善当地人民的生活;最后,当地政府及相关部门应该加大对生物炭研究的支持,使生物炭早日被普遍运用,造福百姓。     

改性生物炭材料对稻田原状和外源镉污染土钝化效应

为研究改性处理后的生物炭对镉污染土壤钝化效应,以油菜秸秆制备的生物炭(BC)为原材料,通过不同处理(HNO_3氧化、NaOH碱化、KMnO_4浸渍、FeCl_3浸渍)制备改性炭材料,在室内连续培养试验中,分析了其对原土/外源镉污染土壤的钝化效应.结果表明,原炭及改性生物炭均降低了原状土壤有效态镉含量,其中Na OH和KMnO_4改性的炭材料钝化作用超过50%;在外源污染土壤中,NaOH、KMnO_4、FeCl_3改性炭材料均降低了土壤有效态镉含量,以添加10%的BC-KMnO_4较佳,降低作用超30%,HNO3改性炭却活化了3.8%~24.5%的土壤有效态镉.10%BC-KMnO_4显著降低原状土壤中可交换态镉含量达65.1%,而BC-HNO_3在外源污染土壤中活化可交换态镉含量高达20.2%.原炭及改性生物炭均增加了土壤中有机碳、盐基离子含量;原炭及NaOH、KMnO_4改性生物炭提高了土壤pH,HNO_3改性炭则降低了土壤p H;原状土中有效态镉含量与pH、交换性钠离子含量呈显著负相关,外源镉污染土中有效态镉含量则与pH、有机碳、交换性镁、钾、钠离子含量呈显著负相关.KMnO_4改性生物炭显著提高土壤pH,增加土壤有机碳和盐基离子含量,降低土壤镉活性形态含量,可作为优选的原位钝化修复材料,而HNO_3改性生物炭显著降低了土壤pH,提高了土壤有效态和可交换态镉含量,具有促进土壤镉生物有效性的风险.     

改性生物炭固定床对模拟湖库水体中Mn2+的吸附

湖库是社会生产发展的重要水资源,而湖库饮用水中锰离子（Mn²⁺）的季节性超标成为威胁人类的生活健康和社会安全生产的重要因素之一.首先,开展了NaOH改性生物炭的静态吸附研究,并考察了热解温度（400、500和600℃）和改性条件（未改性、碱前处理改性和碱后处理改性）对吸附性能的影响,研究表明碱前处理改性能提高生物炭的吸附容量,在400℃时获得最大吸附容量为41.06 mg ·g^-1.之后,开展了改性生物炭固定床对Mn²⁺的动态吸附研究.结果表明,碱改性生物炭在静态吸附状态下的吸附能力越强,其在固定床动态吸附过程中的穿透点（c_t/c₀=0.1）和饱和点（c_t/c₀=0.9）时间越长;当分别提高Mn²⁺初始浓度和进水流速时,固定床吸附的穿透点时间由360 min分别缩短至160 min和200 min,饱和点时间由865 min分别缩短至700 min和600 min.Thomas吸附模型能较好地拟合生物炭固定床吸附过程,表明动态吸附过程中,生物炭对Mn²⁺的去除由化学吸附主导,研究结果可为实际运行提供科学指导.     

老化作用对生物炭钝化白云鄂博矿区碱性土壤中Cd2+的影响

生物炭虽然已经广泛用于酸性和中性土壤重金属污染修复,然而当生物炭应用于碱性土壤中经历不同程度的老化后是否会改变其结构和固定重金属的能力却关注较少.因此,以玉米秸秆为原料制备生物炭,采用冻融和干湿这两种人工加速老化培养和一种短期自然老化方法对生物炭进行老化实验.老化后测定土壤的pH和Cd²⁺的有效态含量、总量和形态,并从土壤中分离生物炭进行表征,探讨老化作用对生物炭钝化矿区碱性土壤中Cd²⁺的影响.结果表明,白云鄂博矿区碱性土壤中添加生物炭处理不具有显著的石灰化效应,冻融和干湿加速老化处理中pH整体呈下降趋势.与对照相比,添加生物炭后Cd²⁺有效态含量降低了19.32%~30.67%,总Cd²⁺含量下降了5.02%~7.18%.老化作用未能显著改变Cd²⁺的形态,但降低了酸可提取态与可还原态的比例,说明生物炭即使经历老化,依然能够长期固定Cd²⁺,这与生物炭老化后含氧官能团和孔隙结构的增加有关.研究可为生物炭在矿区环境中的长期应用提供理论依据.     

湿地植物生物炭衍生DOM与氯霉素的络合机制

了解生物炭溶解性有机质（BDOM）与污染物的络合机制对生物炭的应用具有重要意义.选取天然湿地植物灰化苔草为生物炭原料,利用荧光猝灭法及多种光谱分析技术和方法,分析了植物不同部位、不同热解温度下BDOM与氯霉素（CAP）的络合机制,以期为生物炭的生态修复提供理论支持.紫外-可见吸收光谱分析结果表明,BDOM与CAP的荧光猝灭属于静态猝灭,300 ℃制备的BDOM与CAP络合体系的芳香性化合物含量和分子量比500 ℃更大. 同步荧光光谱分析结果发现类络氨酸和类色氨酸物质与CAP的络合能力更强.二维相关图谱分析结果表明植物根与叶的BDOM分别以类蛋白和类腐殖物质对CAP的猝灭更强,其中苔草根BDOM与CAP的猝灭优先发生于类蛋白物质中,但苔草叶BDOM以类腐殖物质为先.此外,通过三维荧光光谱结合平行因子分析法共解析出1个类蛋白荧光组分和5个类腐殖质荧光组分.总体来说,就单一组分而言,BDOM类蛋白组分与CAP的络合强度高于类腐殖质组分.     

添加生物炭对琼北地区双季稻田生物固氮的影响

生物固氮有助于植物对土壤中有效氮的利用,减少农业生态系统中无机氮肥的使用.生物炭可以通过其特殊物理结构调节土壤理化性质,提高土壤微生物的丰度和活性,然而关于生物炭对水稻土生物固氮方面的研究并未深入了解.试验共设置3个处理：施磷钾肥对照（CK）、当地常规施肥处理（CON）和常规处理配施20 t·hm^-2生物炭（B）,采用qPCR和高通量测序分析固氮基因（nifH）的丰度和群落结构变化,探讨生物炭添加对琼北地区双季稻田土壤固氮微生物的影响.结果表明,相比CK和CON处理,添加生物炭提高了土壤pH和土壤有机碳（SOC）含量以及作物产量.同时nifH基因丰度与土壤pH和SOC呈显著正相关.与CK处理相比,添加生物炭处理增加了nifH基因丰度以及显著改变了早稻季土壤固氮微生物的群落结构,常规施肥处理减少了nifH基因丰度而对固氮微生物群落影响相对较小.施用生物炭使固氮微生物群落优势属发生了变化,地杆菌属（Geobacter）、嗜糖假单胞菌属（Pelomonas）、固氮螺菌属（Azospirillum）、厌氧粘细菌属（Anaeromyxobacter）和铁氧化细菌属（Sideroxydans）等是所有处理中的优势菌属.相比CK处理,生物炭处理显著增加了嗜糖假单胞菌属的相对丰度,而常规施肥处理增加了地杆菌属的相对丰度.结果表明,生物炭添加具有一定的减肥潜力,为减少琼北地区稻田氮肥施用,提高氮肥利用率提供了理论依据.     

负载铁生物炭对土壤-水稻系统As溶出特性与生物有效性的影响与机理解析

负载铁生物炭(FeBC)已证实对溶液体系和雄黄矿高砷(As)尾渣中的无机As具有极为显著的吸附钝化效能,但其对土壤-水稻系统中As的溶出特性和生物有效性的影响尚为空白.为此,本研究系统探析了FeBC处理对水稻根际As溶出特性、根表铁膜As持留-释放模式转化和As向水稻体内各器官转运积累的影响与发生机制.结果表明,FeBC处理条件下的水稻根际pH普遍高于对照(CK),而氧化还原电位(Eh)则低于CK;FeBC处理所导致的根际Eh下降几乎同步使根际孔隙水As、Fe浓度自分蘖期后均随FeBC比例的增加而升高,且孔隙水As、Fe浓度具有显著正相关性(p0.01).成熟期内根表铁膜Fe、As含量均随FeBC比例的增加而升高,这一点可由微区X射线荧光(μ-XRF)所显示的2%FeBC处理中水稻根系表面Fe、As浓度均显著高于CK得到印证,而这一特点导致FeBC处理下的白根和糙米As含量显著升高(p0.05).以上结果表明,FeBC能有效提高水稻根表铁膜形成量及其对As的持留,但超过特定阈值的铁膜浓度(20~25 mg·g~(-1))对As的大量富集却可成为根系对As的吸收源,促进As向根系内的转运,并导致稻米As积累量升高.由此可见,含Fe钝化剂对水稻根际As生物有效性的影响具有可变性,其应用风险和产生机制值得引起高度关注.     

中药渣生物炭对磺胺甲基嘧啶的吸附及机理研究

以传统中药-黄芪废渣为原料,分别在200℃、400℃、500℃、600℃和700℃的厌氧氛围下热解制备生物炭材料（BC200、BC400、BC500、BC600和BC700）,并利用BET比表面积分析、FTIR光谱分析、扫描电子显微镜等方法对其进行表征,同时考察不同投加量、吸附时间、初始浓度和pH值下生物炭对磺胺甲基嘧啶的吸附特征.结果表明,随制备温度的升高,生物炭的表面积及吸附性能也显著增加.相比原状黄芪渣（S_BET=0.42m²/g）,BC700的BET比表面积（S_BET=155.69m²/g）增大370倍,对磺胺甲基嘧啶的吸附容量增加185倍.BC700对磺胺甲基嘧啶的等温吸附过程符合Langmuir模型（R²=0.9977）,最大吸附容量为11.96mg/g,吸附反应过程满足准二级动力学方程（R²>0.994）,且为化学吸附.同时随着溶液初始pH值和投加量的升高,生物炭的吸附容量先增大后减小,最佳吸附pH值为4.