热解温度和时间对香蒲生物炭性质的影响及生态风险评估

以典型湿地挺水植物香蒲(Typha angustifolia)为原料,采用慢速限氧热解法在200～500℃下分别热解2 h和6 h制备香蒲生物炭(TBCs),探究热解温度和热解时间对TBCs基本性质的影响,同时以微生物大肠杆菌HB101(E.coli HB101)和农作物油葵(Helianthus annuus)种子为受试生物,初步评估了其生态风险.结果表明,热解时间2 h和6 h对TBCs的性质无明显影响,而热解温度显著影响TBCs的性质.随热解温度的升高,TBCs产率降低;碳(C)和灰分含量增加,氢(H)和氧(O)含量逐渐降低;pH显著增加;表面孔隙结构增加;含氧官能团减少,芳香化程度增加;养分元素总磷(TP)和钾(K)含量显著增加.TBCs中溶解性有机质(DOM)的主要组分为腐殖酸类物质和富里酸类物质,随热解温度升高,腐殖酸类物质含量降低,富里酸类物质含量升高.所有TBCs对E.coli HB101生长和油葵种子萌发无显著影响,表明实验条件下TBCs无潜在生态风险.本研究为湿地废弃生物质资源化利用提供了一种新途径,同时也为筛选适用于贫瘠土壤改良的BC改良剂提供了重要的理论依据.     

生物质炭与强还原处理对退化设施蔬菜地土壤温室气体排放的影响

生物质炭和土壤强还原处理（Reductive Soil Disinfestation, RSD）可以有效地修复退化设施蔬菜地土壤,但2种修复技术联用对土壤温室气体（CO₂、N₂O和CH₄）排放的影响研究报道较少.本研究采用室内培养实验,设置未修复土壤（CK）、生物质炭修复（BC）、RSD修复（RSD）和BC与RSD联合修复（BC+RSD）4个处理,35℃条件下培养15 d,研究BC与RSD单独以及联合修复对退化设施蔬菜地土壤温室气体排放和综合温室效应（Global Warming Potential, GWP）的影响.结果表明,与对照CK相比,BC处理土壤N₂O排放量显著下降了50.0%,但CO₂排放量和GWP均显著增加（p<0.05）;RSD和BC+RSD处理土壤CO₂、N₂O、CH₄排放量和GWP均大幅度增加.但与RSD处理相比,BC+RSD处理土壤N₂O排放量和GWP分别下降了71.0%和30.0%.相关分析表明,土壤CO₂、N₂O、CH₄排放量和GWP与可溶性有机碳（DOC）和铵态氮（NH₄⁺-N）显著正相关,与pH和硝态氮（NO₃^--N）显著负相关.可见,生物质炭可以减少退化设施蔬菜地RSD修复引起的GWP.     

滴灌方式和生物质炭对温室土壤矿质态氮及其微生物调控的影响

滴灌和生物质炭添加均可影响土壤氮的形态及转化.深入了解滴灌方式和生物质炭对土壤矿质态氮和参与矿质态氮转化关键功能基因及微生物种群的综合影响,对改善设施农业生产管理方式,提高水分和氮源利用效率,降低硝酸盐积累及其淋失引起的地下水污染具有重要指导意义.在日光温室设置地表滴灌(D)、插入式滴灌(ID,插入深度15 cm)、地表滴灌+10 t·hm~(-2)生物质炭(DB)和插入式滴灌+10 t·hm~(-2)生物质炭(IDB,插深15 cm)这4个处理,以收获期辣椒根际和非根际土壤为研究对象.结果发现,非根际和根际土壤铵态氮含量不受滴灌方式和生物质炭的影响.与地表滴灌相比,插入式滴灌显著降低了非根际土壤硝态氮的含量(P0.05),但生物质炭削弱了这种差异.同种滴灌方式下,生物质炭添加降低了根际土壤硝态氮的含量.生物质炭添加降低了地表滴灌辣椒非根际土壤AOA、AOB和nirK基因拷贝数以及根际土壤AOA基因拷贝数(P0.05),提高了两种滴灌方式根际土壤AOB和nirK基因拷贝数(P0.05).结构方程模型分析结果显示,在非根际和根际土壤中,pH和电导率分别是对铵态氮和硝态氮含量影响最大的环境因子,AOB基因拷贝数是对硝态氮影响最大的生物因子.基于PICRUSt功能预测,γ-变形菌纲菌属对氨单加氧酶基因(K10945)表达的贡献高于其它菌属;α-变形菌纲,尤其是根瘤菌成员对参与含铜离子的亚硝酸还原酶基因(K00368)表达的贡献高于其他菌属.生物质炭对非根际土壤K10945和根际土壤K00368同源基因细菌群落结构的影响显著(P0.05).综上所述,相对于滴灌方式,生物质炭的添加对设施农业土壤硝态氮氮含量及其转化的关键微生物影响更大.     

玉米秸秆生物炭固化细菌对镉砷吸附

为了确保细菌对镉砷复合污染土壤的修复效果,对细菌进行固定化处理.本研究将细菌悬液(Delftia sp. B9, B9)、玉米秸秆生物炭(corn stalks biochar,CSB)以及玉米秸秆生物炭-细菌复合体(corn stalks biochar-bacteria complex,B-CSB)作为3种吸附材料,探究3种材料对镉和砷的吸附特性及pH对3种材料去除水中镉砷离子性能的影响,进行了等温吸附模型拟合,并采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外变换光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱分析(XPS)对3种材料进行表征分析,同时探究添加B9、 CSB和B-CSB对土壤中镉和砷形态变化的影响.结果表明, 3种材料对Cd~(2+)的饱和吸附量分别为49.43、 82.68和75.38 mg·g~(-1);对As的饱和吸附量分别为24.67、 42.92和34.03 mg·g~(-1).添加B-CSB可使土壤中的弱酸可溶态Cd显著下降,残渣态Cd显著增加;铁型砷含量显著减少,残渣态砷含量增加.B-CSB是一种更有效地修复镉砷复合污染的材料.     

氧化石墨烯改性污泥基生物炭对培氟沙星的去除机理研究

为获得培氟沙星废水高效去除的环境友好型吸附剂,以城市剩余污泥为原料制备了SBC（污泥基生物炭）,并采用氧化石墨烯（GO）对其改性得到GO-SBC（氧化石墨烯改性生物炭）,利用SEM和FTIR对其进行表征,通过静态吸附试验探讨了生物炭对培氟沙星的去除效果,并通过吸附模型和FTIR、XPS表征技术进一步探究了GO-SBC对培氟沙星的吸附机理.结果表明:①改性后的GO-SBC表面更加粗糙,生物炭表面含氧官能团数量增加.②动力学吸附研究表明,GO-SBC对培氟沙星的最大吸附容量为137.51 mg/g,比SBC对培氟沙星的吸附容量提高了40.32%,且GO-SBC对培氟沙星的吸附更符合伪二级动力学模型,表明吸附过程主要以化学吸附为主.③GO-SBC对培氟沙星的吸附符合Freundlich等温吸附模型,表明该吸附过程为多层吸附.④热力学研究表明,吸附过程为自发吸热反应.⑤GO-SBC对培氟沙星的吸附机制主要有两种作用,一种是π-π相互作用,另一种是GO-SBC的N—H与培氟沙星的C—H相互作用.研究显示,GO-SBC是一种高效去除培氟沙星的吸附剂,这为城市剩余污泥的资源化利用提供了出路,也为抗生素废水治理提供了方法.      

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.