秸秆还田配施生物炭对关中平原夏玉米产量和土壤N2O排放的影响

为探明秸秆还田配施生物炭对夏玉米产量和土壤氧化亚氮（N₂O）排放的影响,基于2019~2020年关中平原田间定位试验,利用静态暗箱-气相色谱法监测了土壤N₂O排放通量,综合分析夏玉米产量、土壤N₂O排放和土壤活性氮组分,明确了秸秆还田配施生物炭在培肥土壤、增产减排方面的效应.以秸秆不还田（S₀）为对照,设置秸秆还田（S）和秸秆还田配施生物炭（SB）共3个处理.结果表明,各处理N₂O排放峰值出现在秸秆还田后10 d,秸秆还田30 d后土壤N₂O排放通量处于较低水平,土壤N₂O排放通量与铵态氮（NH₄⁺-N）、无机氮、微生物量氮（MBN）和可溶性有机氮（DON）含量呈显著的正相关关系（P<0.05）.S较S₀显著增加夏玉米产量、N₂O累积排放量、单位产量N₂O累积排放量和土壤总氮（TN）含量,分别为7.4%~13%、65.8%~132.2%、54.6%~103%和27.8%~33%.虽然SB较S提高夏玉米产量（2.5%~3.3%）的趋势不显著（P>0.05）,但是SB较S显著降低N₂O累积排放量和单位产量N₂O累积排放量,分别为24.0%~27.3%和26.4%~29.2%.在土壤N₂O排放通量达到峰值时,SB较S显著降低土壤N₂O排放通量45.1%~69.6%,生物炭能够缓解秸秆还田所诱发的土壤N₂O排放,具有削峰的作用.SB较S显著增加土壤总氮9.1%~12.2%.综合作物产量、N₂O排放和土壤总氮,对夏玉米生产而言,秸秆还田配施生物炭不仅培肥地力,提高夏玉米产量,而且减少单位产量N₂O累积排放量,是可供推广的兼顾作物产量和环境友好的适宜管理措施.     

磁性生物炭的合成及对土壤重金属污染的钝化效果

为提高生物炭对土壤重金属的钝化能力,通过温和液相还原再氧化法制备了磁性生物炭材料.利用土壤培养实验,以0%、 0.3%、 0.6%和1.0%(质量分数)的比例向重金属污染土壤中施加磁性生物炭,考察磁性生物炭对土壤重金属污染的钝化修复效果及对土壤理化特性的影响,并对修复机制进行了探讨.结果表明,添加不同比例磁性生物炭后,土壤中Cd、Cu、Ni、Pb和Zn有效态含量均呈现不同程度的下降,且随着该材料添加比例的增加土壤中重金属有效态降幅随之增加.培养24 d后,Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的钝化效率分别达到了27.52%、 49.55%、 55.83%、 27.33%和26.01%(添加量为1%),但土壤中重金属的形态并没有发生显著变化,可能主要与重金属和生物炭之间相对较弱的结合机制有关.同时,磁性生物炭的添加改善了土壤的理化性质,其中pH值提高0.7个单位,脱氢酶活性提高6倍,过氧化氢酶活性和有机质分别提高37.06%和22.11%.     

不同原料生物炭的理化特性及其作炭基肥缓释载体的潜力评价

生物炭作炭基肥缓释载体的能力与其理化性质密切相关,因此在制备炭基肥前有必要对不同原料和热解温度制备的生物炭的理化性质进行评价.以苹果枝条、棉秆和杜仲枝条为原料,通过生物质干馏设备在400、 500、 600和700℃热解温度下制备生物炭,并对生物炭的pH、比表面积及孔隙结构、表面官能团和矿物组成等理化性质进行表征和灰色关联度分析,结合生产成本评价生物炭用于炭基肥缓释载体的潜力.结果表明,3种原料制备的生物炭的产率均随热解温度的升高而降低,其中400℃制备的苹果枝条生物炭的产率最高（37.4%）.所有生物炭的pH值均>10,表现出强碱性.在400～500℃热解温度范围内,苹果枝条、棉秆和杜仲枝条生物炭的比表面积和总孔容随温度的升高增大,最大比表面积分别为265.262 7、 107.449 1和316.185 4 m²·g^-1;当热解温度>500℃时,比表面积和总孔容减小.FTIR和XRD图谱分析表明,所有生物炭具有丰富的芳香结构,其中苹果枝条和棉秆生物炭含有较多的矿物组分,杜仲枝条生物炭为非晶生物炭.灰色关联分析表明当热解温度为5...     

Cattle manure biochar and earthworm interactively affected CO2 and N2O emissions in agricultural and forest soils: Observation of a distinct difference

• Earthworms increase CO₂ and N₂O emissions in agricultural and forest soil. • 10% biochar suppresses CO₂ and N₂O emissions in forest soil. • Biochar interacted with earthworm to significant affect CO₂ and N₂O emissions. The application of manure-derived biochar offers an alternative to avoid the direct application of manure to soil causing greenhouse gas emission. Soil fauna, especially earthworms, can markedly stimulate carbon dioxide (CO₂) and nitrous oxide (N₂O) emissions from soil. This study therefore investigated the effect of cattle manure biochar (added at rates of 0, 2%, or 10%, coded as BC0, BC2 and BC10, respectively) application, with or without earthworm Aporrectodea turgida, on emissions of CO₂ and N₂O and changes of physic-chemical properties of agricultural and forest soils in a laboratory incubation experiment. The BC10 treatment significantly enhanced cumulative CO₂ emissions by 27.9% relative to the untreated control in the agricultural soil. On the contrary, the BC2 and BC10 treatments significantly reduced cumulative CO₂ emissions by 16.3%–61.1% and N₂O emissions by 92.9%–95.1% compared to the untreated control in the forest soil. The addition of earthworm alone significantly enhanced the cumulative CO₂ and N₂O fluxes in agricultural and forest soils. Cumulative CO₂ and N₂O fluxes were significantly increased when BC2 and BC10 were applied with earthworm in the agricultural soil, but were significantly reduced when BC10 was applied with earthworm in the forest soil. Our study demonstrated that biochar application interacted with earthworm to affect CO₂ and N₂O emissions, which were also dependent on the soil type involved. Our study suggests that manure biochar application rate and use of earthworm need to be carefully studied for specific soil types to maximize the climate change mitigation potential of such management practices.     

土壤phoC和phoD微生物群落对化肥和有机肥配施生物炭的响应

土壤微生物对土壤养分转化具有重要的影响,phoC和phoD作为编码磷酸酶的功能基因,其为检测环境中微生物种类、丰度和群落结构组成提供了有效手段,而研究化肥和有机肥配施生物炭处理下植株根际和非根际土壤phoC和phoD微生物群落多样性变化的规律,又可为生物炭的农业利用提供科学依据.以玉米秸秆和稻壳为供试材料,采用盆栽试验的方法,设置对照（CK）、传统施肥（F）、化肥+20t·hm^-2稻壳生物炭（FP）、化肥+10 t·hm^-2稻壳生物炭+10 t·hm^-2玉米生物炭（FPM）、有机肥+20 t·hm^-2稻壳生物炭（PP）和新鲜有机肥+20 t·hm^-2稻壳生物炭（NPP）6个处理,通过采用T-RFLP和荧光定量PCR技术解析根际和非根际土壤phoC和phoD的群落结构,阐明phoC和phoD对添加生物炭的响应特征.结果表明:（1）根际土和非根际土中,phoD的群落结构比phoC更复杂,化肥和有机肥配施生物炭后增加phoC的末端限制性片段数;（2）化肥和有机肥配施生物炭使得非根际土...     

复合淋洗条件下农用地耕作层土壤去镉效率及其功能调节

为探究中（重）度重金属元素镉（Cd）污染农用地土壤淋洗修复的可行性,采用土柱模拟原位淋洗的方法,选择柠檬酸（CA）+氯化铁（FeCl₃）复合淋洗剂,在最佳浓度组合及淋洗剂添加量下,探究Cd在耕作层及其以下剖面层的分布特征,同时考察淋洗过程对土壤健康质量的影响及生物质炭的调节效果.结果表明:（1）0.1 mol·L^-1 CA与0.01mol·L^-1 FeCl₃是最佳浓度组合,此浓度组合下,当淋洗剂添加量为9孔隙体积时,淋洗后20 cm土柱中Cd含量低于供试土壤相应pH值的风险筛选值0.4 mg·kg^-1（GB 15618-2018）.（2）最佳淋洗条件下,60 cm土柱中Cd的纵向分布结果表明,淋洗后随土层深度增加总Cd含量依次递增,且土柱淋出液中含有一定量Cd,淋洗过程促进了Cd向下迁移.复合淋洗后土壤有效态Cd含量也随土层深度的增加而增加,这部分归因于不同土层可交换态及碳酸盐结合态Cd含量的变化.（3）CA+FeCl₃复合淋洗可导致土壤部分健康指标及酶活...     

摄入负载镉生物炭对斑马鱼的异常行为分析

为了评估生物炭对镉的固定能力,以负载镉生物炭为研究对象,构建大型水蚤(Daphnia magna)-斑马鱼(Zebrafish)的简单食物链,试验周期包括14 d的积累期和7 d的净化期.通过描述鱼群实验(Shoaling)、社会偏好实验(Social Preference)行为变化及斑马鱼中镉的富集量来评估负载镉生物炭的生物毒性.结果表明,在积累期摄入负载镉生物炭会显著抑制斑马鱼的运动能力,而摄入未负载镉生物炭对斑马鱼的活动无明显影响.摄入负载镉生物炭也导致群体偏好显著降低,表现为斑马鱼在社会区域内停留的时间变短,鱼群之间的距离增大.净化期中,斑马鱼的运动能力得到显著提升,同时表现出群聚性的特征.此外,斑马鱼肠道内的镉含量与其行为表现呈显著相关性.生物炭的固定作用和排泄导致不同剂量组斑马鱼肠道内的镉含量相近并缓解了镉在斑马鱼身体内的迁移.本研究揭示负载镉生物炭会破坏斑马鱼的社会行为,但生物炭的固定能力能缓解这种异常变化.     

铁基生物炭钝化Cd大田试验研究

近年来,稻田Cd污染引起的环境及健康问题日益突出。应用钝化技术对土壤中有效性Cd进行钝化对稻田生态系统中Cd的生物地球化学循环具有重要的理论和实际意义。在广东省韶关市仁化县董塘镇红星村一受Cd污染的稻田上,设置大田试验,研究铁基生物炭对Cd在大田土壤-水稻系统迁移的影响以及对作物产量的影响。试验共设6个处理:(1)空白对照;(2)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2的普通生物炭;(3)每一季水稻插秧前,一次性施加75 kg·hm^-2的零价铁(Fe0);(4)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=1%的铁基生物炭(ω(Fe)=1%in Fe-Biochar);(5)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=3%的铁基生物炭(ω(Fe)=3%in Fe-Biochar);(6)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=5%的铁基生物炭(ω(Fe)=5%in Fe-Biochar)。结果表明:(1)施用生物炭、铁粉和铁基生物炭土壤钝化调理剂可以增加水稻产量,显著降低籽粒重金属Cd含量;(2)施用铁基生物炭可以显著增加水稻根表铁膜Fe含量,同时显著增加水稻根表铁膜固定的Cd量,抑制重金属Cd向籽粒的运输累积。综合考虑施用成本和钝化效果,对于Cd污染稻田,建议施用1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=3%的铁基生物炭材料。     

等碳量添加秸秆和生物炭对土壤呼吸及微生物生物量碳氮的影响

为探究土壤呼吸、土壤微生物生物量碳氮及水热因子对生物炭和秸秆添加的响应,采用LI-8100土壤碳通量测量仪（LI-COR,Lincoln,USA）测定了常规施肥（CK）、常规施肥+2.25t·hm^-2生物炭-C（T1）、常规施肥+2.25 t·hm^-2秸秆-C（T2）、常规施肥+1.125t·hm^-2生物炭-C+1.125 t·hm^-2秸秆-C（T3）这4种处理下土壤呼吸及微生物量的变化.结果表明：①添加生物炭和秸秆显著增加了土壤呼吸速率和CO₂总排放,T3增幅最大,T1增幅最小;T1对土壤呼吸的作用表现为烟草生育前期促进,后期抑制.②生物炭和秸秆还田均显著增加土壤微生物量碳氮以及功能菌菌落数,其中T1对固氮菌的提高作用显著,T2对真菌无显著影响,T3表现为正交互作用;土壤呼吸速率与土壤微生物量碳氮以及细菌、放线菌的数量显著正相关.③T3显著增加了5 cm土壤温度,增幅为4.53%.土壤呼吸速率与土壤温度表现出显著的指数相关性.综上所述,等碳量添加秸秆和生物炭显著提高土壤呼吸速率及微生物生物量,生物炭与秸秆的交互效应为正值;与添加秸秆相比,施用生物炭在一定程度上可以减少碳矿化,其固碳减排效应更好.     

浒苔生物炭对雨水径流中氨氮的吸附特性及吸附机制

为探究生物滞留池填料（浒苔生物炭）处理雨水径流氨氮（NH₄⁺-N）的去除效果及机制,进行室内批量吸附实验,在对浒苔生物炭进行碱改性（1、2和3 mol·L^-1 NaOH改性,分别标记为BC1、BC2和BC3）基础上,开展改性前后浒苔生物炭对NH₄⁺-N吸附性能研究.结果表明：①适宜浓度的碱改性提高了浒苔生物炭的比表面积和表面微观结构,增加了O元素含量,丰富了表面官能团,其中BC2改性效果最好.②浒苔生物炭对NH₄⁺-N的吸附在pH值9.0和生物炭投加量0.5 g·L^-1时,吸附量最大,BC1和BC2的吸附量比BC分别提高6.4%和10.8%,BC3则降低13.7%,BC2吸附效果最好,饱和吸附量达16.76mg·g^-1.③浒苔生物炭对NH₄⁺-N的吸附机制为单分子层的化学吸附,吸附过程受到生物炭的高pH值、孔隙的静电吸引以及表面羟基（-OH）、羧基（-COOH）和碳氧单键（C-O）等官能团的络合氧化等的促进作用.综上所述,适量的NaOH来改性浒苔生物炭能够提高对NH₄⁺-N的吸附效果,可作生物滞留池的填料来去除NH₄⁺-N污染.