木屑生物炭在雨水径流中的氮磷淋出和吸附特性

现阶段生物滞留系统的填料存在氮磷营养素淋出及吸附净化效果不稳定的问题.为评估木屑生物炭作为生物滞留系统过滤层填料的可行性,选用传统填料（椰糠、堆肥、陶粒和火山石）作为对比材料,通过理化性质测试、批量淋洗实验、等温吸附和解吸实验,研究木屑生物炭的基本性质、淋出特性和吸附特性,探究木屑生物炭对生物滞留系统的优化效果与改良机制.结果表明,经高温热解生成的木屑生物炭具有疏松和多孔的特性,饱和含水率为195.65%,持水效果好;热解后木屑生物炭表面的氮磷元素转换为稳定的化合物,在批量淋洗实验中其氮素淋出量低、淋出速度快,磷素淋出滞缓但在人造雨水径流的淋洗中保持线型负值增长,吸附效果稳定;在典型雨水径流浓度（2mg·L^-1的NH₄⁺及2mg·L^-1的PO₄^3-）下,木屑生物炭可吸附34.6mg·kg^-1的NH₄⁺和59.5mg·kg^-1的PO₄^3-,具有突出的综合吸附能力;NH₄⁺及PO₄^3-吸附平衡后的木屑生物炭在去离子水中的平均解吸率为21.23%和17.43%,吸附效果稳定.综上所述,木屑生物炭的施用可解决填料营养盐过剩淋出的问题,且具有较好的氮磷吸附效果,可用作生物滞留系统的填料解决雨水径流污染问题.     

秸秆还田与化肥减量配施对稻-菜轮作下土壤养分及酶活性的影响

以西南丘陵山区紫色土为研究对象,2013~2014年在重庆市江津区先锋镇布置田间试验,采用一年两熟,水稻-儿菜轮作制度,分析了秸秆还田与化肥减量配合施用对作物产量,土壤养分及酶活性的影响,为稻-菜轮作系统中养分资源优化管理的施肥方式提供科学依据,实现农业秸秆的循环利用.结果表明,秸秆还田与化肥减量配施处理能提高水稻和儿菜的产量,分别比常规施肥处理(F)增产3.0%~17.9%和12.2%~36.4%,经稻-菜轮作后,第二季(C3)的水稻产量比第一季(C1)水稻增加了820~1 240 kg·hm-2.与F处理相比,稻-菜轮作下连续秸秆覆盖与化肥减量配施的土壤pH提高了0.06~0.55个单位,特别是秸秆全量还田(AS)与70%~80%化肥(F)配施处理(70%~80%F+AS)对土壤pH的改善效果最佳,同时80%F+AS处理的土壤有机质最高,达到了41.01 g·kg-1.对土壤有效养分含量而言,80%F+AS处理的土壤碱解氮(110~178 mg·kg-1)和有效磷(31.3~64.0 mg·kg-1)含量最高,但过多的秸秆还田量反而不利于土壤有效磷累积.秸秆还田与化肥减量配施提高了土壤酶活性,其中80%F+AS和70%F+AS处理对脲酶活性提高效果较为显著;80%F+AS处理的过氧化氢酶在前两季度下活性均最高;随着耕种时间的增加,特别是C3季度下,70%F+AS和80%F+AS处理的磷酸酶活性较F处理显著提高了45.2%和48.2%.因此,西南丘陵山区紫色土在稻-菜轮作下,70%~80%F+AS处理即秸秆全量覆盖还田与化肥减量20%~30%的配施方式是该地区的最优施肥方式.     

微生物群落驱动AM真菌、生物炭及联合改良沙化土壤作用潜力

沙化土壤作为土地荒漠化的重要过渡形式,实现其有效恢复对减缓土地荒漠化进程意义重大.本研究显示,丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal,AM）真菌和生物炭已应用于沙化土壤改良过程,但二者联合对沙化土壤改良影响研究较少;此外,细菌和真菌群落在沙化土壤改良过程中的作用尚不清楚.采用温室盆栽试验的方法,分别设置对照处理（CK）、单独接种AM真菌处理（RI）、单独施加生物炭处理（BC）和二者联合改良处理（BC_RI）,研究不同改良方式对小果白刺（Nitrariasi birica Pall.）菌根侵染率、生物量、矿质营养元素（N、P、K、Ca和Mg）含量及土壤有机碳、营养元素（全N、全P和全K）、水稳性团聚体组成影响.采用高通量测序技术,考察细菌和真菌群落在沙化土壤改良过程中的作用,结合多元分析手段,探究不同改良方式改良作用机制,旨在为合理有效改良沙化土壤提供基础数据和理论依据.结果表明,接种处理（RI和BC_RI）小果白刺根系均观察到明显的菌根侵染现象,但RI和BC_RI处理间菌根侵染率无显著性差异.与CK相比,RI处理显著增加了小果白刺地上部生物量和地上部N、K、Ca和Mg含量,BC和BC_RI处理显著增加了小果白刺地上部、根部生物量及N、P、K、Ca和Mg含量;BC_RI处理与RI和BC相比,根部生物量及P、K、Ca和Mg含量显著增加.与CK相比,BC和BC_RI处理显著增加了土壤有机碳含量,RI处理使得土壤全N含量显著增加了152.54%,BC处理使得土壤全P和全K含量分别显著降低了12.5%和18.18%.各处理0.25~0.05 mm粒径土壤团聚体比例最高,BC_RI处理能够显著促进大粒径（>0.25 mm）土壤团聚体形成.与CK相比,RI和BC_RI处理显著降低细菌、真菌群落Sobs指数和Shannon指数;各处理细菌及真菌菌门组成及丰度存在显著差异性.RDA及网络分析结果显示,AM真菌、生物炭及二者联合改良方式对土壤基质环境及土壤微生物群落结构影响显著,不同改良方式下微生物分子生态网络关系发生显著变化,不同改良处理中核心物种组成具有差异性;BC和BC_RI较RI处理,网络连接密集程度更高且核心物种组成更丰富;生物炭与AM真菌联合,弱化了Rhizophagus intraradices的核心作用,并增强其他微生物（特别是细菌菌种）的核心地位.SEM结果显示,AM真菌和生物炭施用通过直接影响土壤细菌和真菌群落结构,进而实现对植物生长及土壤性质变化的影响,微生物群落结构差异（特别是微生物间的互作关系变化）是导致土壤改良效果差异的主要驱动力.综上所述,不同改良方式对沙化土壤改良效果影响具有差异性,微生物群落在土壤改良过程中具有关键影响作用,AM真菌和生物炭联合对加速沙化土壤生态恢复具有潜在优势和应用价值.     

施用不同污泥堆肥品对土壤温室气体排放的影响

通过田间试验,分别施加两种不同的污泥堆肥品（A：含生物质炭堆肥品,B：不含生物质炭堆肥品）和不同施肥量,分析土壤CO₂、CH₄和N₂O动态变化特征和排放系数,研究施用污泥堆肥品对土壤温室气体排放的影响.结果表明,土壤CO₂和CH₄排放主要集中在生长期,生物质炭堆肥品低施用量能减少CO₂排放,而高施肥量增加CO₂排放.CH₄排放主要为负值,总体表现为土壤吸收CH₄,对照处理吸收量远高于其他处理（P<0.01）,A组处理CH₄吸收量随施肥量的增加而增加（P<0.05）.N₂O排放集中在发芽期和幼苗期,施肥量越高,排放量越大（P<0.01）.污泥堆肥品农用过程排放的温室气体主要是N₂O,施用A、B两种污泥堆肥品的土壤N₂O排放系数分别为1.02%~1.90%和1.28%~2.93%.生物质炭堆肥品具有显著的碳减排效果,其温室气体排放量比不含生物质炭堆肥品的土壤低19.49%~35.56%,且对于N₂O的减排效果较CH₄更为显著.     

稻草秸秆对水中六价铬去除效果的研究

为实现农业废料资源化,解决水体Cr(Ⅵ)污染的问题,研究了稻草秸秆对水中Cr(Ⅵ)的去除效果。实验考察了pH,温度,溶液初始Cr(Ⅵ)浓度以及稻草秸秆粒径大小对吸附效果的影响,进而确定了稻草秸秆去除Cr(Ⅵ)的最佳条件。结果表明,在pH2.0,温度47℃时,稻草秸秆对Cr(Ⅵ)的吸附效果最好,在48h内可将100mg/L的Cr(Ⅵ)完全去除。利用酒石酸对稻草秸秆进行化学改性,研究其对溶液中Cr(Ⅵ)的去除以及溶液pH的变化。Cr(Ⅵ)的去除过程中伴随着Cr(Ⅲ)的出现,说明改性稻草秸秆(TARS)不仅可以将Cr(Ⅵ)从溶液中去除,且还可将其转化成低毒的Cr。溶液pH的上升说明Cr(Ⅵ)的去除需要消耗溶液中的H+。通过RS和TARS对Cr(Ⅵ)的热力学吸附过程的进一步分析,结果表明:RS和TARS对Cr的吸附均较符合Langmuir吸附等温模式,其中TARS的最大吸附容量可以达到5.266mg/g。     

不同用量竹炭对污泥堆肥过程温室气体排放的影响

采用城市污泥为堆肥基质,设置4个堆肥处理,分别为添加2.5%竹炭(S1,占污泥的质量分数)、添加5%竹炭(S2)、添加10%竹炭(S3)和未添加竹碳(CK),研究城市污泥堆肥过程中温室气体的动态变化特征及添加不同用量竹炭的影响.结果表明,CH_4排放主要在升温期和高温前期,占排放总量的99.01%~99.81%.当竹炭添加量低于5%时,CH_4排放量随添加量的增加而减少;竹炭添加量高于5%时,其排放量又明显增加.CO_2排放集中在升温期和高温期,占排放总量的75.65%~86.58%;添加竹炭可减少3.37%~13.48%的CO_2排放,但处理间不存在显著差异(P0.05).N_2O排放集中在升温期和降温腐熟期,添加竹炭能减少16.37%~41.52%的N_2O排放,竹炭添加量越多,减排效果越好(P0.05).S1、S2和S3处理CO_2排放当量(以干污泥计)分别为37.57、35.10和35.44 kg·t~(-1),比CK处理减少了14.81%~20.41%.添加竹炭能降低污泥堆肥温室气体排放,其中,以S2处理的减排效果较为显著.     

不同生物炭用量对酸性菜地土硝化作用的影响

采集了种植过蕹菜(60 d)的不同生物炭用量(0、2%、5%、10%干土重)的盆栽酸性菜地土,在60%土壤持水量和温度25℃培养条件下对土壤硝化作用进行了研究,并探讨了土壤硝化作用与土壤性质的关系.结果表明,通过Logistic修正模型(延滞期为0)拟合得出土壤NO-3-N随时间的变化为"S"型增长,与不施氮肥(CK)和施氮肥(NB0)处理相比,生物炭处理土壤NO-3-N累积量较高,生物炭提高土壤最大硝化速率(Kmax)同时减少达到最大硝化速率所需时间(t0)是其主要原因.Kmax与土壤pH、氨氧化细菌数量、NO-3-N、微生物生物量碳、氮,t0与微生物生物量氮、氨氧化细菌数量,最大硝化潜势(Np)与脲酶活性间显著相关.尽管生物炭提高Kmax,但却降低Np,生物炭对酸性菜地土硝化作用的影响以及NO-3-N淋失风险还需要进一步研究.     

不同碳形态有机质对土壤氮磷流失的影响

通过盆栽试验,研究不同碳形态有机质(褐煤、锯末粉、面粉、小麦秸秆粉)对土壤氮磷流失的影响。结果表明,添加有机质能有效增加土壤全氮含量,而降低土壤有效氮含量,特别是添加小麦秸秆粉后,有效的减少了氮素的流失量,但却增加了磷的流失量。     

老化过程对生物质炭吸附-解吸附邻苯二甲酸二乙酯的影响

将稻草和竹锯末在500℃条件下炭化制备得到两种生物质炭,并与土壤充分混合老化处理30 d.通过批处理恒温振荡法,研究了老化过程(恒湿和干湿交替)、制备原材料、不同施用量(0、0.1%和0.5%,质量分数)和土壤类型(熟化红壤、新垦红壤)对生物质炭吸附邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的影响.结果表明,土壤中添加生物质炭的处理对DEP的吸附能力显著增强,且随着生物质炭添加量的增加,各个处理对DEP的吸附能力增强.与稻草炭相比,竹炭对DEP具有更强的吸附能力并且更难以解吸附DEP.与添加新鲜生物质炭的土壤相比,老化过程降低了加炭处理对DEP的吸附能力.不同老化条件下,生物质炭吸附DEP能力的降低顺序也不同,主要表现为:干湿交替恒湿.     

对比研究生物炭和秸秆对麦玉轮作系统N2O排放的影响

基于华北集约化农田麦玉轮作系统,对比研究了添加生物炭和秸秆还田对整个轮作周期土壤N₂O排放的影响,为农田土壤N₂O减排和秸秆的资源化利用提供理论依据.试验共设4个处理：①对照（CK）;②生物炭9.0 t·（hm²·a）^-1（C）;③秸秆全量还田（SR）;④在全量秸秆还田的基础上添加生物炭9.0 t·（hm²·a）^-1（C+SR）.结果表明,小麦季,C处理土壤N₂O排放略有降低但差异不显著,SR和C+SR处理促进了土壤N₂O的排放（47.4%和71.8%）;玉米季,C处理降低了土壤N₂O的排放（29.8%）,SR和C+SR处理促进了土壤N₂O的排放（13.4%和35.8%）;小麦季,土壤含水量、NH₄⁺-N和MBN含量是影响土壤N₂O排放的主要环境因子;玉米季,NO₃^--N、NH₄⁺-N和MBC含量是影响土壤N₂O排放的主要环境因子.因此,生物炭对农田N₂O具有巨大的减排潜力,而秸秆直接还田不利于减少N₂O排放,并且在秸秆还田基础上添加生物炭并不能改善这种影响,今后应加强对秸秆腐熟还田技术的研究.