秸秆生物炭特性、制备方法及应用价值

生物炭是植物和动物的生物质通过热解或炭化而成的稳定碳产物.我国作为农业大国,在农作物收获后会产生大量的秸秆.秸秆生物炭作为一种废物衍生土壤改良剂,其具有改善土壤肥力的效果而受到广泛关注.本文主要综述了秸秆生物炭的概念、特性、秸秆生物炭的制备与应用研究进展,为后续生物炭材料的研究和应用提供参考.     

“双碳”背景下生物炭基肥的研究现状及展望

炭基肥是以生物炭为载体,通过添加化肥或者有机肥,采用化学方法和物理方法混合制成的肥料。本文首先总结了炭基肥主要包括炭基无机肥、炭基有机肥和炭基有机无机复合肥,其次汇总了炭基肥的作用。炭基肥由于兼具了生物炭和肥料的双重优势,在田间应用过程中主要表现为提高作物产量、减少温室气体排放、提高土壤有机质、改良土壤以及污染土壤修复等方面。然后列举了影响炭基肥性质的因素,生物炭的制备及其与肥料的制备工艺。最后展望了炭基肥在我国农业领域的应用前景。本文通过生物炭的优选、炭基肥的制备工艺优化及其应用体系的完善等方面展开综述,为构建炭基肥的规模化应用提供指导意义。     

棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响

[目的]新疆是我国最大的商品棉生产基地,部分主产区连作时间长,棉秆还田对土壤带来了一定的病虫害,研究棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响,为棉花秸秆制备生物炭或生物炭基肥再返还到棉田提供依据.[方法]棉花秸秆长度控制在8～12 cm,在缺氧的环境下燃烧制炭.棉秆炭与化肥按一定的比例加工炭基肥,通过田间试验进行验证.[结果]与对照处理相比,生物炭处理与炭基肥处理提高花蕾数38;、92.3;,果苔数都提高25;,总生物量分别提高25.8;、39;,生物炭处理比对照增产28.9;,炭基肥处理比对照增产25.1;;棉花产量生物炭处理与炭基肥处理比较差异不显著(P＜0.05).[结论]生物炭处理、炭基肥处理、对照处理的株高、SPAD值比较差异不显著,炭基肥处理与对照处理的花蕾数、果苔数比较差异不显著,而生物总量、产量有极显著提高,生物炭处理多项指标表现最好.     

秸秆还田与化肥配合施用对土壤肥力的影响分析

在农作物的秸秆中含有大量的碳、氮、磷、钾等农作物生长所必须的营养元素,而且农作物的秸秆还具有改善土壤理化性质,提升土壤肥力和农作产量的作用,可以说农作物秸秆是土壤最重要的一种有机肥源。通过秸秆还田技术可以更好的利用秸秆资源,再配合使用化肥对于提升土壤肥力有着非常明显的效果。     

秸秆还田与化肥配合施用对土壤肥力的影响分析

在农作物的秸秆中含有大量的碳、氮、磷、钾等农作物生长所必须的营养元素,而且农作物的秸秆还具有改善土壤理化性质,提升土壤肥力和农作产量的作用,可以说农作物秸秆是土壤最重要的一种有机肥源。通过秸秆还田技术可以更好的利用秸秆资源,再配合使用化肥对于提升土壤肥力有着非常明显的效果。     

秸秆生物炭还田应用及环境风险综述

生物炭是生物质在限氧环境下通过热化学转化得到的产物。农作物秸秆数量多、来源广,是制备生物炭的主要原料。秸秆生物炭在改善土壤通气性、改良土壤酸性、提高土壤阳离子交换量及促进土壤微生物的生长方面具有较好的效果。但秸秆生物炭对土壤的改良效果受原料种类、制备工艺、土壤环境等多方面因素影响,且长期还田效应仍不明确。综述秸秆生物炭还田对土壤理化性质改良、污染修复和粮食产量提升等方面的影响,并就秸秆生物炭原料管理、制备过程、施用过程及长期效应等方面讨论秸秆生物炭还田的环境风险,最后对秸秆生物炭未来研究方向进行展望,以期为秸秆生物炭的合理应用提供参考。     

生物炭处理有利于棉花生长及产量

正新疆是我国最大的商品棉生产基地,部分主产区连作时间长,棉秆还田对土壤带来了一定的病虫害,研究棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响,为棉花秸秆制备生物炭或生物炭基肥再返还到棉田提供依据。棉花秸秆长度控制在8~12厘米,在缺氧的环境下燃烧制炭。棉秆炭与化肥按一定的比例加工炭基肥,通过田间试验进行验证。结果表明,与对照处理相比,生物     

生物炭基肥料的制备方法及其在农业中的应用研究进展

因农业活动产生的温室气体,已成为加速全球气候变暖的重要环境因子。利用生物炭作为肥料载体制备生物碳基肥料,是同步实现农作物增产增收和土壤理化性质改良的新型工艺。该文在国内外前沿研究成果和文献综述的基础上,阐述了生物炭基肥在加工、制备和改性工艺方面的最新研究进展以及在生产物炭基肥农田应用研究进展,包括生物炭基肥对土壤微生物群落结构、对肥料养分、对作物生长和产量的影响和农田应用的发展趋势。并针对存在的问题和技术需求,就施用生物炭的生态影响研究,系统评估生物碳基肥料施用带来的生物多样性减少和生态系统失衡等潜在生态风险方面进行了展望。     

炭化秸秆还田量对土壤肥力与作物生长的影响

随着秸秆资源化利用技术的发展,秸秆炭化制成生物炭还田引起了广泛的关注。文章采用室外 盆栽的方式,以大豆为目标作物,设置5 个生物炭还田比例,研究了炭化秸秆还田量对土壤肥力以及作物生 长的影响。结果表明,不同炭化秸秆还田量均可提高土壤肥力,促进作物生长,但其作用程度存在显著差异。 土壤和作物对高还田炭量表现出较强的适应能力,还田质量比为30% 时具有最强的氮磷保留缓释能力和最高 的作物生物量与产量,综合效果最佳。     

高温秸秆生物炭对苯酚的吸附特性研究

为使农作物秸秆得到资源化利用,研究采用慢速热解技术于650℃条件下制备茄子秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭吸附剂,以去除废水中的苯酚。吸附实验结果表明,废水中苯酚的初始浓度、吸附温度和时间等因素均能影响生物炭对苯酚的吸附效果。两种秸秆生物炭对苯酚的吸附能力表现为玉米秸秆生物炭茄子秸秆生物炭。两种生物炭对苯酚的等温吸附线符合Langmuir模式和Freundlich模式。     

Long-term application of K fertilizer and straw returning improve crop yield, absorptive capacity of K, and soil nutrient natural supplying capacity in North China

With the aim of increasing the grain crop yield and the level of soil nutrition in the fluvo-aquic soil in North China, the effects of long-term application of K fertilizers and straw returning on crop yield and soil nutrient supplying capacity were investigated in the long-term K localization experiment (1992–2009). The results revealed that wheat and maize responded to K fertilizer in an identical manner and the average yield of wheat and maize for 17 years were NPKSr > NPK > NPSr > NP. Application of K fertilizer on the basis of NP fertilizers could increase the yield of wheat and maize while the grain and straw yields in each treatment were significantly higher for maize than for wheat. The yield of wheat and maize was increased by 6.74% and 22.32% respectively when applied with NPK fertilizers compared to NP fertilizers. With the NPSr fertilizing mode, the yield of wheat and maize was increased by 2.84% and 10.62% compared to the NP mode respectively. The NPKSr fertilizing mode gave the best yield for wheat and maize, resulting in 10.34% and 23.81% increase respectively compared to the NP mode. The yield stability of wheat was significantly higher than that of maize. Under the condition of long-term fertilization, the K uptaken by wheat and maize was degressive by the sequence of NPKSr > NPSr > NPK > NP, mainly deposited in the straw but not in the grain. In this work, the soil natural ability for applying K was gradually reduced as the planting years proceeded and the changes were fitted by linear equations. The natural supply ability of K element in land planted wheat was higher than that in land planted maize.     

长期施肥对绿洲农田土壤生产力及土壤硝态氮积累的影响

 在甘肃河西绿洲灌漠土上进行的长期定位试验表明，连续20年不施用任何肥料，导致农田土壤生产能力严重衰退。2001年不施肥的小麦产量仅是试验开始时（1982年）的25.7%，2000年的玉米产量为1984年的28.2%。肥料是影响农田土壤生产力的重要因素，不同肥料的影响程度依次是：氮肥＞有机肥＞磷肥＞钾肥，其平均增产率分别为36.5%、27.3%、24.7%和2.9%。随着试验年限的延长，不施任何肥料的对照产量持续降低，故氮肥的增产效果增加；磷肥增产效果比较平稳；钾肥在试验开始后最初6年（1982～1987年）无显著增产效应，中期具有一定的增产作用（1988～1992年），后期8年（1993～2001年）显著增产。施用有机肥的增产作用随着试验延续呈逐步增加的趋势，表明长期施用有机肥具有明显的残效叠加效应。不同施肥处理对土壤中NO-3-N的积累与分布有显著的影响。施用化肥的处理（NP和NPK）导致NO3--N在土壤剖面中大量积累，尤其是在20～140 cm土层。化肥与有机肥配合施用(MNP 和 MNPK) NO3--N在土壤剖面中的积累显著低于化肥处理。长期连续施用化肥和有机肥均导致土壤剖面中硝态氮的积累；与化肥相比，有机肥导致更深土壤剖面（140～180 cm）中硝态氮的积累，因此，长期有机无机肥配合施用可显著增加绿洲农田土壤生产力，维持和提高土壤质量，但从持续农业发展及保护生态环境等方面考虑，应适当降低施肥量。     

东北-黄淮海平原旱作区作物秸秆养分资源量 及还田替代化肥潜力

东北-黄淮海平原旱作农业区（旱作区）是中国重要的粮食产区,估算旱作区主要作物秸秆养分和化肥替代潜力,可为该区域秸秆养分资源的合理利用和秸秆还田条件下化肥减施提供科学依据。基于2015—2018年统计年鉴数据,对旱作区各市小麦、玉米和大豆3种作物秸秆养分资源量和利用潜力进行分析。结果表明：小麦、玉米和大豆累积播种面积占旱作区作物播种面积的81.49%;作物秸秆资源年均产量分别为9 432.24万t（小麦）、13 485.91万t（玉米）和732.94万t（大豆）,占全国相应作物秸秆资源总量的70.96%、51.63%和42.34%。秸秆养分总量为678.60万t,包含167.75万t（N）、67.12万t（P₂O₅）和443.73万t（K₂O）,累计占该区域三大作物推荐施肥总量的53.75%。秸秆还田模式下,小麦、玉米和大豆秸秆当季替代化肥（N+P₂O₅+K₂O）潜力分别为188.88、138.71和38.51 kg·hm^-2。小麦主要种植区（黄淮海平原）小麦秸秆可实现N 16.15 ~ 30.11 kg·hm^-2,P₂O₅ 7.89 ~ 14.71 kg·hm^-2,K₂O 112.18 ~ 209.16 kg·hm^-2的化肥替代;玉米主要种植区（东北平原）玉米秸秆可实现N 20.39 ~ 39.85 kg·hm^-2,P₂O₅ 10.39 ~ 20.31 kg·hm^-2,K₂O 66.60 ~ 130.18 kg·hm^-2。可见旱作区秸秆还田替代化肥潜力较大。     

不同农作管理措施对东北地区农田土壤有机碳未来变化的模拟研究

【目的】研究与探索不同农作管理措施对东北农业土壤有机碳的影响,为东北地区高产高效低碳农业及可持续发展提供科学依据。【方法】不同农作管理措施能够影响土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）的未来变化,该研究基于东北地区4个长期定位试验站点（黑龙江省哈尔滨站点、吉林省公主岭站点、吉林省德惠站点、辽宁省沈阳站点）的试验数据,用站点的实测作物产量和SOC双标准对DAYCENT模型进行校验。DAYCENT模型调整的相关参数包括作物参数、耕作方式参数、施肥参数、收获参数和有机肥参数等,在对所选试验站点的长期定位试验结果校验后,利用已校验的各项参数,对模型模拟情况进行验证,发现模型模拟值与实测值吻合良好,表明DAYCENT模型适用于这4个地区的作物产量和SOC模拟,可以较好地模拟SOC的动态变化。进而研究在未来气候变化情景下（representative concentration pathway 4.5,RCP 4.5）,用校验了的DAYCENT模型对这4个站点在4种不同管理情景（施用化肥、增施有机肥、秸秆还田、免耕）下的SOC变化情况进行模拟。【结果】模拟结果显示,对于哈尔滨站点,采用有机肥和氮磷钾化肥配施处理（MNPK）在短时间内使SOC升高较快,而从长远来看,配施低量有机肥与单施用化肥对SOC增加的斜率基本一致,但由于化肥和有机肥配施（MNPK）处理的初始SOC含量高,其SOC未来含量的绝对值也比较高;对于德惠站点,虽然短时间内,免耕处理SOC低于常耕处理,但长期看来,免耕更有利于增加SOC,其SOC涨幅逐渐高于常耕处理,40年间相对增加了11.88%;公主岭站点有机肥氮磷钾化肥配施和氮磷钾化肥结合秸秆还田措施较单施化肥可显著提高农田SOC;沈阳站点的未来有机碳模拟发现,在单施化肥情况下,未来的42年内SOC呈略微下降趋势,相对降低2.83%,从长远看来,单施化肥并不能使该地区SOC增加,因此,可以考虑采用有机肥和氮磷钾化肥配施等措施来提高该地区的农田SOC。【结论】DAYCENT模型可以有效地模拟作物产量和土壤有机碳的动态变化,模型适应性较强,同时DAYCENT模型可用于模拟站点未来SOC的动态变化。在东北地区农田土壤管理方面,可通过合理的有机肥化肥配施、推广免耕和秸秆还田技术来固定土壤碳,最终达到提高土壤有机碳库和促进农业可持续发展的目标。     

Effect of Long-Term Fertilization on Soil Productivity and Nitrate Accumulation in Gansu Oasis

A long-term （1982-2001） field experiment was conducted in a calcareous soil under wheat （Triticum aestivum L.）-wheat （Triticum aestivum L.）-maize （Zea mays L.） rotation system at Zhangye, Gansu Province, China to determine the effects of long-term fertilization on crop yield, nutrients interactions, content and accumulation of nitrate-N in soil profiles. Twenty- four plots in a split-plot factorial with a combination of eight treatments （from nitrogen （N）, phosphorus （P）, potassium （K） and farmyard manure （M） applications） and 3 replications were selected. Main treatments were M and without M, and the sub-treatments were no-fertilizer （CK）, N, NP and NPK. When P and K fertilizers were part of treatments, their ratio to N was 1N：0.22P：0.42K. All M, P and K fertilizers were applied as the basal dressing. The grain yield was harvested each experimental period and straw yield for the period from 1988 to 1997. After crop harvest in 2000, the soil was sampled from the 0-20, 20-60, 60-100, 100-140 and 140-180 cm depths to determine NO3^--N content. Maize yield of CK in 2000 was only 28.2% of that in 1984, and wheat in 2001 was 25.7% of that observed in 1982. Average impact of fertilizers on grain yield decreased in the order of N 〉 M 〉 P 〉 K. Yield response to N and P fertilizers increased with progress of the experiment. The impact of K fertilizer showed no increase in grain yield during the initial 6 years （1982-1987）, moderate increase in the next 5 years （1988-1992）, and considerable increase in the last 9 years （1993-2001）. The straw yield trend was similar to grain yield. Accumulation and distribution of NO3^--N in soil was significantly affected by annual fertilizations. Mineral fertilizers （NP and NPK） led to NO3^- -N accumulation in most subsoil layers, with major impact in the 20-140 cm depth. The combination of mineral fertilizers and farmyard manure （MNP and MNPK） reduced soil NO3^--N accumulation in comparison to mineral fertilizers, It can be argued that long-term fertilization significantly enhanced grain and straw yield in this rotation scheme. The findings of this research suggest that it is important to balance application of mineral fertilizers and farmyard manure in order to protect soil and underground water from potential NO3^--N pollution while sustaining high productivity in the oasis agro-ecosystem.     

近30年来中国农作物秸秆资源量的时空分布

【目的】分析1978-2009年中国农作物秸秆产量的变化,并估算2009年中国农作物秸秆资源的数量和地理分布。【方法】在已有研究的基础上,筛选出合适的秸秆系数,对中国田间秸秆产量进行全面、系统的估算,同时结合地理信息软件ArcView,对其时空分布进行分析。【结果】随着农业综合生产能力的提高,中国田间秸秆总量总体上呈不断增长的趋势;2009年全国作物秸秆总量达69 841.92万t;从种植结构的角度进行分析发现,稻谷、小麦和玉米秸秆依然是中国主要的农作物秸秆类型;中国农作物秸秆的分布基本上以400 mm等降水量线为界,其产量由西北向东南呈逐渐增加的趋势。【结论】中国的农作物秸秆分布具有一定的地域特征,且产量较大,具有可观的新能源开发利用前景。     

长期施用化肥和稻草对红壤水稻土肥力和生产力持续性的影响

 【目的】研究长期施用氮（N）、磷（P）、钾（K）化肥和稻草（RS）对中国亚热带地区红壤水稻土肥力变化的趋势和水稻生产力可持续性的影响。【方法】利用1981年建立在湖南省望城县黄金乡第四纪红土红壤发育的水稻土（分类为普通简育水耕人为土）上的定位试验田,对氮、磷和钾化肥及其与稻草长期配合施用的5个处理的土壤肥力和生产力可持续性进行了评价。【结果】氮、磷和钾化肥与稻草长期配合施用能维持和提高红壤水稻土的生产力和土壤肥力;水稻获得了持续高产,土壤有机质、全氮、全磷、可矿化氮量均增加,速效磷和速效氮比试前土壤增加。长期施用氮、磷肥而不施钾肥的NP处理水稻产量、土壤氮、钾逐年降低,稻田系统生产力的可持续性和土壤肥力难以维持。稻草还田对水稻具有显著的增产作用,27年54季的稻草还田配合化肥处理的平均水稻产量比仅施化肥的NP和NPK处理分别增产12.2%和6.7%,稻草的增产作用还随着稻草还田时间的延长而逐年提高。【结论】稻草还田携入的钾与化学钾肥具有相同的营养功能,稻草可替代部分化学钾肥。     

稻草还田配施化肥对小麦养分吸收和产量的影响研究

重庆地区中性紫色土属中钾少磷缺氮型。稻草还田可增加土壤养分贮备,维持 P、K 活性,但对当季小麦的影响则与配施化肥类型有关,配施 NK 或 NPK 小麦养分吸收和土壤对(?)季小麦供肥量减少,籽粒/秸秆比降低。稻草与 NP 配施对土壤和作物均有良好影响。为发挥稻草的培肥土壤和增产作用,必须根据土壤、秸秆和作物养分供需状况,调节养分的平衡供应。     

我国作物秸秆资源时空变化特征及其影响因素分析

厘清农作物秸秆的时空变化特征,对秸秆资源高效利用和国家种植结构调整的宏观决策具有重要参考意义。本研究基于国家统计年鉴资料,整理了我国近20年(1999—2018)31个省(直辖市、自治区)的作物产量及草谷比,分析了农作物播种面积和秸秆资源量的时空分布特征,探讨其关键影响因素。结果表明,我国水稻、小麦、玉米和大豆的秸秆量占全国秸秆资源总量的82.3%~88.3%,而谷子、油料作物、经济作物等其它作物的秸秆资源占比11.7%~17.7%。不同秸秆资源的主要分布区域差异较大,水稻、小麦和大豆秸秆资源分别主要分布在长江中下游、华北和东北地区;玉米秸秆资源主要分布在华北和东北地区。近20年来水稻播种面积占比基本稳定在25%左右;小麦播种面积从1999年的23.1%降低到2018年的18.7%,但玉米播种面积从1999年的20.8%增加到2018年的32.5%。水稻、玉米和大豆的秸秆资源量主要受播种面积的影响,但小麦秸秆资源量变化受其影响较小。因此,在优化秸秆资源高效利用时,应该充分考虑东北、华北和长江中下游地区种植结构调整与秸秆资源利用技术推广。     

有机肥和化学肥料配合施用对红壤肥力的影响

通过对红壤旱地长期不同施肥处理的土壤研究,发现不同的施肥处理对红壤旱地性质影响极为明显:长期施用化肥,耕作13年后,土壤活性有机质下降39.6%,在NPKS处理中,活性有机质上升16.9%,M中上升11%。长期施用有机物的处理中,土壤的微生物的数量和土壤酶的活性显著高于长期施用化学肥料的处理,由以长期单度施用化学氮肥为最低。在红壤旱地上长期施用化学肥料,使土壤严重酸化,不利于玉米的生长,肥料的长期效果为:氮肥仅增产24.9%,化学肥料配合施用的NPK处理增产率267%,NPKS处理增产率319%,M处理增产率267%,NPKM处理增产率高达367%。施用有质物还可防止土壤酸化,提高土壤的养分的有效性和肥料的利用率。