炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征和化学性质的影响

沙蒿是半灌木典型沙生植物,作为制炭物料具有其特殊性,而炭化温度决定生物炭形貌特征和化学性质。通过无氧炭化法制备了不同温度(300~900℃)的沙蒿生物炭,研究了炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征、表面官能团种类、产率变化和有机组分含量的影响。结果表明:生物炭孔径随着炭化温度的升高而增大,700℃以后生物炭结构有一定程度的破坏;生物质炭化后C–O–C、–COOH、–CH3、–CH2、–OH和C=O逐渐消失;生物炭产率随着炭化温度的升高而降低,尤其是从300℃升高至400℃产率降低最为明显,这与纤维素及半纤维素的分解有直接关系;生物炭中有机组分的C元素含量增加,由701.7 g/kg增加到899.3 g/kg,增加了197.6 g/kg;而H、O和N元素含量则逐渐降低,分别降低了21.4、171.8和6.6 g/kg;生物炭中有机组分的原子比H/C、O/C和(N+O)/C都逐渐减小。总之,生物质升温炭化过程中,炭化温度与生物炭孔径及有机组分的C元素含量呈正相关关系而与生物炭产率、生物炭中有机组分的H、O和N元素含量呈负相关关系,低温和中温炭化时生物炭保留原有的骨架结构,而高温时对其有一定程度的破坏作用,沙蒿生物质含有丰富的官能团,升温裂解过程中多数官能团消失,无机组分Si–O–Si得以保留,此外,生物质升温裂解是一个芳香性逐渐增强,亲水性和极性逐渐减弱的过程。     

热解温度对生物质炭碳保留量及稳定性的影响

以核桃壳为生物质炭生产原料,研究热解温度(200~700℃)对生物质炭产率、元素组成、表面官能团分布及其稳定性的影响,以期探明生物质炭基本性质随热解温度变化的规律,为全面了解生物质炭固碳减排效果提供理论参考。结果表明,生物质炭的C含量随温度升高而增加,H和O元素含量却随温度升高而降低。此外,生物质炭的H/C和O/C随着温度增加而减少。生物质炭的产率及碳保留量随着温度的升高而降低。红外光谱分析结果表明,经过热解核桃壳原材料分子中所含的-C-O和O-CH3基团消失,随着热解温度升高,生物质炭中的烷烃基团-CH逐渐减少,芳香化程度逐渐升高。500℃制备生物质炭的K2Cr2O7和KMn O4氧化碳损失量均最低,分别为10.4%和1.66%。相关分析表明,生物质炭的产率、碳保留量及稳定性与热解温度之间均具有显著相关关系。     

小麦秸秆生物炭对石油烃污染土壤的修复作用

以小麦秸秆为原材料,在300℃下缺氧裂解3、6、8 h制备生物炭,比较了3种生物炭的产率、pH值、灰分以及C、H、N元素含量,表征了300℃、6 h生物炭的表面形态,并用其作为修复材料,对大港油田的石油污染土壤进行修复。结果表明,随裂解时间的延长,生物炭产率下降,pH值升高,灰分含量增加,H/C值下降,但产率、pH值、灰分和H/C值都是从3 h到6 h差异显著,6 h到8 h差异不显著。C元素含量先升高后下降。石油污染土壤经生物炭修复14 d和28d后,总石油烃降解率分别为45.48%和46.88%,均显著高于对照组。修复14 d后土壤中的萘、苊、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘也都有不同程度的下降,其中苯并[a]芘含量下降幅度达98.18%,其他几种PAH的降解率也都高于对照组,28 d后这些PAH的含量又有上升趋势。这说明小麦秸秆裂解时间对生物炭的性质有影响;300℃、6h生物炭可以用来修复石油污染的土壤。     

热裂解温度对生物质炭吸附解吸Cd~(2+)行为的影响

以玉米秸秆、水稻秸秆、稻壳为原料分别在350℃、450℃、550℃、650℃热裂解温度下制备玉米秸秆炭(MSB)、水稻秸秆炭(RSB)和稻壳炭(RHB),比较不同热裂解温度下三种生物质炭对溶液中重金属离子Cd~(2+)的吸附解吸特性。利用准一级、准二级和颗粒内扩散模型对吸附过程进行拟合,结果表明三种生物质炭对Cd~(2+)的吸附满足颗粒内扩散方程。随着热裂解温度的升高,同一种原料制备的生物质炭达到吸附平衡的时间缩短。Langmuir方程和Freundlich方程拟合结果显示,三种生物质炭对溶液中Cd~(2+)的吸附更符合Langmuir方程。单位数量的RSB在一定浓度Cd~(2+)溶液中对Cd~(2+)的吸附量显著高于MSB和RHB。三种生物质炭对Cd~(2+)的吸附量随制备生物质炭的热裂解温度的升高而降低。三种生物质炭中玉米秸秆炭的解吸率最小。因此评价生物质炭对溶液中重金属的去除效果需要考虑原料、热裂解温度等多种因素的影响。     

生物质炭对农田土壤腐殖质的影响——Meta分析

为量化生物质炭对土壤腐殖质含量的影响程度,以不添加生物质炭土壤为对照,对不同土壤质地、土壤pH及生物质炭裂解温度、施用量、施用时长下生物质炭对土壤腐殖质含量的变化情况进行了Meta分析。结果表明：与对照相比,添加生物质炭显著提高了砂土腐殖质中的胡敏酸和胡敏素含量,平均提高幅度分别为18.6%和92.2%;增加了中性、碱性土壤中的胡敏酸含量,平均增幅分别为12.5%和13.7%;施用裂解温度为500~600℃的生物质炭对于土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素含量的提升幅度最大,平均增幅分别为22.6%、14.1%和68.5%;生物质炭添加量为20~40 t/hm²条件下,显著提高了土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素含量,平均增幅分别为23.7%、6.9%和84.6%;生物质炭施入土壤3个月内,胡敏酸含量显著升高,平均增幅为29.5%,在3个月到1年内增幅逐渐降低,1年后增幅又逐渐升高;生物质炭施入土壤6个月内,胡敏素含量增幅最高,平均为72.2%;随着生物质炭施用时间延长,土壤胡敏素含量的增幅逐渐降低。综上所述,施用裂解温度为500~600℃的生物质炭,在短期内对中性或碱性条件下的砂土及壤土中的腐殖质含量有较好的提升效果,随着施入时间的延长,该效果会逐渐稳定。     

花生秸秆生物炭输入对棕壤中铜形态转化及其有效性的影响

人工模拟铜污染棕壤,通过添加不同裂解温度(350℃、500℃和650℃)和不同施用量(2%和4%)的花生秸秆生物炭,探究生物炭输入对土壤pH和铜形态(Tessier连续提取法)的影响,分析生物炭输入对棕壤铜生物有效性的影响机制。结果表明:随着制备温度的升高,生物炭产率、平均孔径减小,pH、灰分、阳离子交换量(CEC)和比表面积增大;施加生物炭提高了土壤pH,土壤pH与交换态铜含量成负相关,且随生物炭裂解温度和添加量的增加而升高;施炭量一定条件下,随着输入生物炭裂解温度的升高,土壤交换态铜、铁锰氧化物结合态铜含量显著减少(P0.05),有机化合态铜含量显著增加(P0.05),残渣态含量增多,其中650℃裂解温度生物炭处理对降低土壤铜有效性效果最好;在相同的裂解温度下,随着施炭量增加,土壤交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态铜含量减少,有机化合态铜和残渣态铜含量增多,其中以4%施炭量处理对降低土壤有效态铜的效果最优。研究结果表明,生物炭裂解温度和添加量是影响棕壤pH和铜生物有效性的因子,其中SP4-650处理最有利于降低棕壤中铜生物有效性。     

生物质炭对不同pH值土壤矿质氮含量的影响

为了揭示生物质炭作为土壤调理剂添加后对土壤矿质氮形态、含量等土壤性质的影响,该研究利用芒草分别在350和700℃裂解制得生物质炭,发现2个温度尤其是700℃制得的生物质炭,对NH4+有很强的吸附能力,但对NO3-的吸附能力很弱。将生物质炭分别加入到酸性(pH值为3.8)和碱性(pH值为7.6)土壤中,25℃下室内培养180d。结果表明,生物质炭提高了土壤全氮含量,酸性和碱性土壤分别平均提高了22%和17%;但使土壤铵态氮含量大幅降低至接近仪器检测限水平;生物质炭对土壤硝态氮含量的影响因生物质炭和土壤类型而异。生物质炭对土壤矿质氮形态和含量的影响,显然与生物质炭对铵的吸附作用、提高土壤pH值、增强氨挥发损失,以及形成微生物量氮等密切相关。该研究可为开展生物质炭基氮素新型肥料及制剂等方面的科学研究提供参考。     

热解温度对玉米秸秆炭产率及理化特性的影响

【目的】通过对不同热解温度条件下玉米秸秆炭理化特性的分析,探索玉米秸秆炭具有较高利用价值的炭化温度。【方法】以玉米秸秆为原料,采用低氧升温炭化法,在不同热解温度下 (100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃) 分别炭化2 h,制备生物炭,收集并测定了固体产物生物炭产率及特性。【结果】生物炭的产率随热解温度的升高逐渐降低。生物炭全碳含量和碳氮比随热解温度升高而升高,全氮含量在400℃以后随热解温度升高而降低。阳离子交换量 (CEC) 在400℃～600℃达到较高水平,为70.87～83.48 cmol/kg。随热解温度升高,玉米秸秆炭表面碱性含氧官能团增加、酸性含氧官能团减少,pH随着热解温度的升高逐渐增加,当温度达到400℃及400℃以上时呈碱性甚至强碱性。红外光谱分析表明,热解温度达到500℃时,纤维素和半纤维素已经完全分解;高温热解使玉米秸秆中–CH₃、–CH₂、–OH、–C=O间发生缔合或消除,促进芳香基团的形成。随着热解温度的升高,玉米秸秆炭的比表面积和比孔容均是先变大后变小,孔径先变小后变大,在400℃～600℃条件下,玉米秸秆炭的孔隙相对较为丰富,不同热解温度下玉米秸秆炭的比表面积和比孔容呈极显著正相关关系(P < 0.01)。【结论】综合各项指标,玉米秸秆的最佳热解温度为400℃～500℃,此温度下制备的生物炭产出率相对较高,氮、碳养分损失少,生物炭的理化性能和养分利用均达到最优。     

不同炭化温度下玉米秸秆和沙蒿生物炭的结构特征及化学特性

掌握不同生物炭材料的结构特征和化学特性是合理利用生物炭的基础。通过无氧炭化法制备了不同炭化温度下的玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭,对比了不同材料和不同炭化温度下生物炭性质的差异。结果表明:炭化温度低于400℃时,两种材料生物炭的孔隙结构保存完整,600℃以上时,两种材料生物炭的蜂窝状结构均遭到破坏,玉米秸秆生物炭被破坏得更严重;同一炭化温度下,玉米秸秆生物炭的比表面积及总孔容和平均孔径均大于沙蒿生物炭,两种生物炭的比表面积随炭化温度的升高均增大,总孔容呈"V"形变化;两种材料的生物炭均呈碱性,炭化温度越高,pH越大,400℃~800℃,每升高10℃,玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的pH均以0.02的幅度增加,同一温度下,玉米秸秆生物炭的pH大于沙蒿生物炭,在400℃、600℃和800℃下分别比沙蒿生物炭高0.31、0.35和0.29单位;随炭化温度的升高,玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的C、P、K和灰分含量增加,400℃~800℃,玉米秸秆生物炭的C、P、K含量以炭化温度每升高10℃分别增加2.94、0.11、0.20 g/kg的幅度变化,沙蒿生物炭也以4.35、0.07、0.24 g/kg的幅度增加,与此同时,玉米秸秆生物炭的N、H含量以每升高10℃分别以0.13 g/kg和0.86 g/kg的幅度降低,沙蒿生物炭的N、H含量分别以0.04 g/kg和0.82 g/kg的幅度下降,S含量无明显变化,C/N和C/H增大,且不同材料生物炭的元素含量差异显著;两种材料生物炭的N、P、K有效性随炭化温度的升高均下降,400℃~600℃,玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的速效N含量分别下降了57.89%和19.05%,800℃时两种生物炭的速效N均接近0 mg/kg,400℃~800℃玉米秸秆生物炭和沙蒿生物炭的速效P含量分别降低了67.41%和52.36%,此时速效K含量也分别降低了45.62%和90.16%。总之,不同材料和炭化温度对生物炭的物理特征和化学特性都有较大影响。     

硫酸铵与鸡粪配比在含生物质炭育苗基质中的应用效果

研究了基质中添加生物质炭(5％)及在含生物质炭基质中进行硫酸铵(0.5g/L,0.75 g/L,1 g/L)与鸡粪(5％,10％,15％)配比对基质理化性质和番茄幼苗生长发育的影响.研究结果表明,(1)基质中添加生物质炭后除pH值升高外其他理化性质明显改善,而且0.5 g/L的硫酸铵添加量可以显著降低基质pH值(P＜0.05);(2)硫酸铵与鸡粪配比,硫酸铵可以降低基质pH值、增加EC值,而鸡粪使基质的理化特性指标均呈增加趋势;(3)从番茄幼苗健壮状况看,首先,生物质炭可以明显促进番茄幼苗的生长发育.其次,硫酸铵和鸡粪配比后番茄幼苗的健壮程度与基质养分含量及EC值变化规律呈负相关.研究结果说明,基质中添加生物质炭后,硫酸铵和鸡粪含量同时最低的配比处理对番茄幼苗的生长发育促进效果最明显,叶面积、株高、茎粗、地上生物量、地下生物量及壮苗指数等值均最大,可以满足番茄育苗要求.     

不同生物炭制备条件对重金属在秸秆生物炭中存留的影响

项目研究了重金属修复基地水稻、玉米、油菜、高粱4种修复材料秸秆的热重反应,并首次探讨了重金属修复材料在制备生物炭过程中,不同生物炭制备条件对重金属在生物炭中留存的影响。结果表明:四种秸秆热重反应变化趋势基本一致,失重主要发生在200～400℃之间,而在400～600℃区间,基本保持恒重。水稻秸秆失重率90%明显高于其他三种秸秆失重率75%。在不同终点温度条件下(350～550℃),重金属在生物炭中浓度有增加趋势,其百分比例均随温度的升高而降低,原料利用热值则在400℃最高。在不同升温速率和保温时间下,重金属在生物炭中的含量随升温速率升高和保温时间的延长而升高,生物炭得率和秸秆综合利用热值却随之下降。因此,秸秆生物炭制备过程中为获得较低重金属含量和高热值的生物炭,建议以400℃为终点温度,升温速率不宜过快,保温时间不宜过长,分别在1℃min^-1和1 h左右即可。     

生物炭概念的内涵及语词辨析

多年来国内学术界对英文词汇biochar的中文应表述为"生物炭"还是"生物质炭"存在争议.本文根据逻辑学关于概念及语词、定义及划分的基本方法,试图剖析生物炭(生物质炭)概念的内涵与语词的混乱现象,澄清当前生物炭定义及划分等方面存在的逻辑问题,旨在深入理解生物炭的专业术语、促进科学知识的传播和科技成果的推广应用.     

土壤及生物炭对草甘膦的吸附作用

为了确定生物炭修复草甘膦污染土壤的可行性,通过添加不同比例和种类的生物炭到土壤中,研究土壤对草甘膦的吸附效果。采用吸附动力学拟合、等温吸附分析、红外光谱测定分析方法。结果表明:草甘膦能强烈地吸附在红壤及稻壳炭、竹炭、竹柳炭中,相比于红壤,3种生物炭达到吸附平衡时间短。吸附动力学符合准二级动力学方程,等温吸附符合Freundlich吸附等温方程。Freundlich吸附等温方程中1/n数值均<1,表明红壤和3种生物炭对草甘膦的吸附方式是非线性吸附,且非线性程度大小为竹柳炭>竹炭>红壤>稻壳炭。生物炭添加到红壤中,可以提高红壤吸附草甘膦的量,生物炭添加比例越高,土壤吸附草甘膦的量也越高。土壤中添加生物炭比例相同时,竹炭使土壤吸附草甘膦的量最高,竹柳炭次之、稻壳炭最低。3种生物炭吸附草甘膦前后的红外光谱分析阐明了酚、胺、芳香烃、羧酸、羧酸盐、脂肪醚等在吸附过程中起重要作用。     

Preface—Biochar and agricultural sustainability

Journal of Soils and Sediments -     

生物炭陈化的研究进展

有关生物炭短期效应的研究已很多,然而对于生物炭长期效应的研究还缺乏理论基础,尤其是对于生物炭陈化的研究成果更少。综合国内外现有生物炭陈化研究成果,总结生物炭陈化方法,分析陈化处理对生物炭理化性质的影响,探索陈化生物炭施入对土壤性质的影响机制,阐明现有生物炭陈化研究方法的不足,提出未来生物炭陈化研究的发展方向,以期对生物炭陈化的研究具有参考意义。     

生物质炭施用对马铃薯产量和品质的影响

通过田间试验,观测分析不同生物质炭用量(0、20和40 t/hm~2)下马铃薯产量、品质和土壤肥力的变化及其年际效应,为生物质炭在马铃薯生产过程中的应用提供理论依据。结果表明,低剂量生物质炭施用(20 t/hm~2)显著提高了马铃薯总产量和商品率,生物质炭施用后第一年马铃薯总产量比对照提高了41.08%。当生物质炭用量为40 t/hm~2时,马铃薯产量与对照没有显著差异但降低了一些品质指标,其中2016年干物质和淀粉含量比对照降低了18.47%和24.03%。生物质炭施用显著提高了土壤有机碳、有效磷和速效钾含量,并增加了土壤C/N和电导率;而对土壤p H和全氮含量的影响与生物质炭施用年限有关。生物质炭施用量和施用年限显著影响马铃薯产量和品质。低剂量生物质炭施用能显著提高马铃薯产量,但第二年无增产效果;随着生物质炭用量增加马铃薯增产效果消失,还可能会降低马铃薯品质。生物质炭施用后马铃薯产量变化与土壤紧实度改善无必然联系。