生物炭负载氮还田对水稻生长、根系形态及氮素利用的影响

建立连接富营养化水体养分与农田养分的枢纽是减少农田养分投入、缓解水体富营养化的难点.为探明生物炭材料负载氮还田的可行性,开展了基于溶液氮及生物炭负载氮两种氮源添加方式的水稻根箱试验.结果表明,生物炭负载氮添加方式分别较溶液氮添加方式降低了水稻地上部分生物量及氮累积16%及14%,提高了生物量根冠比25%～27%,降低了氮利用效率.不定根的根长及体积是两种氮源添加方式在水稻地下部分差异的体现,地下部分生物量及氮累积与土壤铵态氮含量呈正相关关系,而地上部分氮累积与根尖数呈负相关关系.生物炭负载氮完全替代化学肥料施用农田会影响水稻生物量及氮素利用.但生物炭负载氮与普通化学肥料共同施用,水稻并不会显现利用偏好.生物炭负载氮对水稻氮素利用无不良影响,且能有效提高土壤矿质态氮固持量.因此,生物炭可以作为载体实现水体到农田土壤的氮素迁移,鉴于化肥氮替代比例对作物生长的影响,适宜替代比例还需进一步研究确定.     

生物炭对华北农田土壤N2O通量及相关功能基因丰度的影响

为了探寻施用生物炭对农田土壤氧化亚氮(N_2O)的减排效果和机制,于2015年3月27日至6月5日,利用盆栽实验研究了施用生物炭(CK,C1:5%,C2:10%,C3:15%,C4:30%)(质量分数)对华北农田土壤N_2O通量、氨单加氧酶(amo A)、亚硝酸盐还原酶(nir S、nir K)以及氧化亚氮还原酶(nos Z)基因丰度的影响.结果表明:(1)施用低量生物炭(5%)能够促进N_2O排放,施用中、高量生物炭可以起到抑制N_2O排放的效果,且生物炭用量为15%时减排效果最佳.(2)实验初期,施用生物炭对土壤硝化反硝化基因丰度影响较大,AOA和nir S基因丰度与生物炭施用量呈极显著正相关关系,nir K基因丰度与生物炭施用量呈显著正相关关系,AOB和nos Z基因丰度与生物炭施用量呈显著负相关关系;实验末期,AOA丰度与生物炭施用量表现为显著负相关关系,AOB丰度与生物炭施用量表现为显著正相关关系.(3)实验初期,N_2O排放通量与AOA、nir S基因呈现极显著的负相关关系,说明在土壤含水量较高的条件下,N_2O的产生受AOA、nir S基因丰度控制调节;实验末期,N_2O排放通量与nos Z基因呈现极显著正相关关系,说明在土壤含水量较低的条件下,N_2O的产生受nos Z基因丰度控制调节.本研究结果表明施用生物炭能够增加硝化反硝化功能基因丰度,并降低N_2O的排放,为华北农田合理施用生物炭提供了一定的理论依据.     

不同热解温度的生物炭在土壤中的矿化作用研究

为探究不同热解温度的生物炭不同组分(易降解和相对难降解碳)对其在土壤中矿化作用的影响及机理,将生物质甘蔗渣和在300、500、800℃下热解生成的生物炭(分别表示为BC300、BC500、BC800)通过水洗法剥离出碳骨架部分,然后加入含有定量土壤菌悬液的石英砂中,设置了50 d的控温培养实验并测定培养过程中不同处理样品的矿化速率.结果表明,随着热解温度从300℃升高至800℃,生物炭的易降解碳含量降低,平均停留时间从2 d增加到38 d,相对难降解碳平均停留时间从14年增加到700多年.环境温度为25℃时,碳骨架中由于缺少微生物可利用的溶解性有机碳,所以在土壤中稳定性强.环境温度升高至35℃时,温度升高提高了微生物活性,增加了碳骨架的微生物可利用部分.800℃热解生成的生物炭(BC800)及其碳骨架(W800)的累积矿化量比空白低,且即使温度升高,W800的相对难降解碳含量仍然保持最高,表明高温生物炭具有更好的固碳效果.     

丛枝菌根真菌及猪炭对多氯联苯污染土壤的联合修复作用

选用玉米(Zea mays L.)为供试植物,采用盆栽试验研究了接种丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌(Funneliformis mosseae)和添加不同粒径猪炭对多氯联苯(Polychlorinated biphenyls,PCBs)污染土壤的联合修复效应及其对土壤微生物的影响.结果表明,接种AM真菌(10%接种量)及添加2.5%猪炭对土壤有效磷含量提高具有显著的协同效应,猪炭还显著提高了土壤有机碳、速效钾含量和pH值(p0.05);猪炭显著促进了菌根真菌侵染率,但对玉米根系生物量具有抑制作用.接种AM真菌的同时添加猪炭提高了细菌16S rDNA丰度,且接种AM真菌同时添加粒径0.25 mm猪炭显著促进了土壤PCBs降解率.AM真菌与猪炭改变了土壤微生物种群的相对丰度,其中,Planctomycetes与土壤三氯联苯降解显著相关(r=0.049,p0.05),而Acidobacteria与五氯联苯降解显著相关(r=0.008,p0.01).AM真菌及猪炭提高了土壤有效养分含量,促进了植物生物量和土壤PCBs降解,对PCBs污染土壤具有较好的修复潜力.     

生物炭对污泥施用土壤中三氯生生物有效性和微生物群落结构的影响

污泥农用是三氯生(TCS)进入土壤的一个主要途径,TCS进入土壤后会通过食物链危及人体健康.基于此,本实验将含有TCS的污泥施入土壤后,分别添加不同比例(1%、2%和5%)在300℃和600℃下制备的生物炭(BC300和BC600),进行了为期90 d种植黄瓜的盆栽实验,研究了生物炭对土壤中TCS生物有效性和微生物群落结构的影响.结果表明,生物炭的添加显著降低了黄瓜根系对TCS的富集(p0.05),且生物炭添加量越多,根系富集的TCS量越少.添加1%和2%BC600处理的黄瓜根系富集的TCS量都显著低于添加相应比例BC300处理的黄瓜根系富集量.只添加生物炭并不能显著降低土壤中TCS的含量,添加生物炭并种植黄瓜能够显著降低土壤中TCS含量(去除率为31.57%～50.31%),且生物炭添加量越多,土壤中TCS去除率越高,但相同添加量下BC300和BC600对土壤中TCS的去除无显著性差异(p0.05).添加不同比例的生物炭对土壤中微生物群落结构有明显的影响,特别是添加不同比例的BC600,但种植黄瓜能够降低生物炭对土壤微生物群落结构改变的影响.     

挺水植物生物炭对硫丹的吸附及催化水解作用

以美人蕉、菖蒲、芦苇、茭白、再力花、芦竹等挺水植物为原料,在限氧升温（550℃）条件下制备6种不同性质的生物炭,研究其组成及结构对硫丹吸附和催化水解作用.结果表明：550℃下热解,湿地植物生物炭所含灰分高于一般农产品废弃物,介于10.88%~31.11%间.生物炭表面芳香类官能团较多,孔隙部分呈碎片化,以介孔为主.6种生物炭对硫丹都具良好吸附性能.吸附行为主要发生在含致密有机质的生物炭表面,包括疏水、扩散及分配作用等.中/碱性条件下,美人蕉生物炭、菖蒲生物炭及再力花生物炭能有效去除水溶液中的硫丹,去除率为96.77%~98.57%.中性条件下,因生物炭对硫丹的催化,对硫丹的去除率提高约16.57%~72.57%.     

改性生物炭对水体中头孢噻肟的吸附机制

采用液相浸渍方法制备3种改性生物炭,采用红外光谱、扫描电镜、比表面积测定仪和元素分析仪等手段表征生物炭表面结构形貌和组成.以头孢噻肟为探针分子,考察改性生物炭对头孢噻肟的吸附性能及吸附影响因素,并探究其吸附机理.结果表明,30min时碱改性生物炭（BC-NaOH）对头孢噻肟的吸附率为83%,符合伪二级动力学方程（R²>0.99）,吸附率显著大于其他几种材料.热力学研究表明,BC-NaOH吸附头孢噻肟是自发放热过程.基于反应热力学及吸附率影响因素分析,得出BC-NaOH吸附头孢噻肟的机理是疏水亲和作用和静电引力.     

应用生物炭改善填埋场渗滤液的厌氧消化性能

为了评估填埋场新鲜渗滤液的厌氧消化性能以及探索强化其厌氧消化性能的措施,采用了低、中、高三种食微比（分别为0.49,1.02,1.92g渗滤液COD/g污泥VS）,并在高食微比时,比较了分别添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭以及75~150μm的竹炭对渗滤液厌氧消化过程的影响.结果表明,高食微比时渗滤液的甲烷化启动严重滞后,且运行不稳定.在高食微比时,与未添加生物炭的对照组相比,添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭组以及75~150μm的竹炭组,最大产甲烷速率分别提高了179%、93%、83%和64%,最终出水溶解性氮分别下降了21%、16%、16%和12%,NH₄⁺-N分别下降了17%、12%、10%和8%;并且<5μm的木炭组的有机物和有机酸降解,尤其是正丁酸和乙酸的降解,显著快于其他粒径的木炭组.这些结果说明生物炭可以提高渗滤液的厌氧消化效率和工艺稳定性,对于木炭,粒径越小,效果越显著.     

基于灰度的生物炭pH值与N和K离子吸附研究

通过固定床石英管热解装置将稻壳、木薯秸秆及玉米秸秆在350、450、500、550、600℃进行充分热解制备生物炭,利用图像识别技术获得生物炭的RGB值（红、绿、蓝三个通道的颜色）及相应的灰度值,研究了生物炭灰度值与其水溶液中的pH值及阳离子（NH₄⁺-N及K⁺-K）吸附性能的关系.结果表明：3种生物炭的pH值随着灰度值的增加呈现“S”型增长趋势,并符合DoseResp模型,回归方程的决定系数（R²）分别为0.9766、0.9592和0.9219,残差平方和（RSS）均小于0.01;除玉米秸秆炭的K⁺-K吸附量与灰度值的关系为线性负相关外,3种生物炭的NH₄⁺-N和K⁺-K吸附量与灰度值之间满足一元高次非线性模型,R²范围在0.8595~0.9999.本研究为快速预测生物炭在水溶液中的pH值和阳离子吸附性能提供了理论基础.     

Mechanistic insights into sequestration of U(VI) toward magnetic biochar: Batch, XPS and EXAFS techniques

The magnetic iron oxide(Fe_3O_4) nanoparticles stabilized on the biochar were synthesized by fast pyrolysis of Fe(II)-loaded hydrophyte biomass under N_2 conditions. The batch experiments showed that magnetic biochar presented a large removal capacity(54.35 mg/g)at pH 3.0 and 293 K. The reductive co-precipitation of U(VI) to U(IV) by magnetic biochar was demonstrated according to X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray absorption near edge structure analysis. According to extended X-ray absorption fine structure analysis, the occurrence of U-Fe and U-U shells indicated that high effective removal of uranium was primarily inner-sphere coordination and then reductive co-precipitation at low pH. These observations provided the further understanding of uranium removal by magnetic materials in environmental remediation.