不同来源生物质废弃物热解炭化农业应用潜力分析:生物质炭产率、性质及促生效应

  【目的】  中国农业生物质废弃物种类多、数量大,且存在病原菌、农药和抗生素残留等潜在生态和环境风险。热解炭化作为一种废弃物的安全处理方法,其生物质炭的循环得率、性质及其土壤改良和促进作物生长的效应还需系统的比较研究。  【方法】  本研究选取作物生产来源的原生生物质、养殖业来源的次生生物质、食品加工处理的残余生物质等共26种生物质废弃物原料,在同一条件下炭化,分析不同来源原料热解后生物质炭产出率与性质。以小白菜 (Brassica campestris L. ssp.) 为试材进行盆栽试验,研究生物质炭对作物生长及土壤改良效应,进而评估这些废弃物炭化农业循环的应用潜力。  【结果】  供试26种废弃物炭化后的生物质炭产出率介于22%～71%,有机碳循环回收率介于22%～81%,氮素循环回收率介于21%～67%。26种废弃物生物质炭的pH和阳离子交换量差异较小 (变异系数10%左右),总有机碳、氮、水分、灰分含量等差异较大,变异系数在60%～70%;而不同原料生物质炭的电导率和溶解性有机碳含量变化极大,变异系数大于90%。生物质炭盆栽试验中,生物炭添加1%,小白菜生物量提升效应介于–34%～314%,变异系数大于100%;小白菜品质提升效应介于–14%～228%,变异系数为59%;土壤肥力提升效应介于20%～360%,特别是土壤有效磷含量提升幅度在0～24倍,均值为359%。同时,生物质炭产出率与生物质炭中灰分呈显著正相关,生物质炭的碳氮回收率与原料中碳氮含量呈显著正相关;不同原料热解炭化的质量回收率、碳氮回收率与小白菜产量及品质等指标间变化差异较大,在小白菜产量效应和品质效应间,部分生物质炭存在抵消作用,而另一部分生物质炭表现为协同作用。  【结论】  综合考虑热解炭化的生物质炭化循环率及碳氮回收循环率和土壤质量–植物生长协同提升效应,供试26种原料中,蚕砂、稻壳牛粪、骨粉、双孢菇渣、兔粪、羊粪和玉米渣的炭化循环率和土壤质量–植物生长协同提升幅度较高 (> 50%),为优先炭化农业利用的生物质废弃物;而木糖渣、稻壳粉、椰渣、高粱酒渣、核桃皮、蚓粪和红茶渣等废弃物热解炭化,因炭化循环率较低,或者土壤质量–植物生长提升的不一致效应,认为不宜炭化农业利用;而其余废弃物热解炭化后的效应介于上述两类之间,具有较高的炭化循环率和一定程度的土壤质量–植物生长协同提升效应,属于可炭化农业利用的生物质废弃物。     

生物质炭对设施大棚土壤性质与果蔬产量影响的整合分析

【目的】 设施大棚是果蔬的重要生产基地，量化和评估生物质炭在设施栽培中的应用效果，对生物质炭在设施大棚的推广应用具有重要的实践价值。 【方法】 通过文献收集并建立数据库，共获得典型设施大棚或温室环境条件下相对独立的匹配数据214组，采用数据整合分析 (Meta-analysis) 方法，定量分析生物质炭特性 (原料、制备温度、C/N、pH) 与管理措施 (施用量与施用时长) 对果蔬产量、土壤理化性质的影响程度。 【结果】 设施条件下施用生物质炭可显著提高土壤pH，且土壤有机碳、氮、磷等均有不同程度的增加。果蔬增产效应显著，其中，叶菜类、块茎类、果菜类以及豆类产量分别增加23.9%、43.3%、60.6%和79.5%。低量施用 (< 10.0 t/hm2) 平均增产30.8%，高量施用 (10.0～80.0 t/hm2) 增产14.0%～27.4%。施用生物质炭前6个月增产效果显著，最高可达30.4%，超过6个月，增产效果不显著。不同制备生物质炭的增产效果也存在一定差异，畜禽粪便类 (66.4%) > 秸秆类 (31.2%) > 木材类 (19.0%) > 壳渣类 (5.9%)。制备温度低于600℃的生物质炭增产20.4%～36.5%，超过600℃时增产效果不显著。当原料生物质炭C/N值 < 100时，增产19.3%～49.1%，且随C/N值的增加增产效果呈降低趋势。当生物质炭呈碱性时 (pH 9～10) 增产效果最佳。 【结论】 生物质炭类型及施用量是影响设施土壤肥力与果蔬产量的关键因素，低温 (400～500℃下) 制备的生物质炭增产效果显著，建议施用量控制在10.0 t/hm2以下且间断性施用，可降低成本，提高经济效益。      

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。     

小麦产量及土壤性状对施用生物质炭的量化响应

  【目的】  生物质炭作为一种新型的土壤改良材料，其增产效应已有很多报道。量化评估生物质炭对小麦产量和麦田土壤性状的影响，为生物质炭在小麦生产中应用推广奠定基础。  【方法】  本研究数据来源于知网、Web of Science和维普文献数据库，以“生物质炭”、“Biochar”和“小麦”为主要关键词检索文献，共获得国内外公开发表的59篇相关试验的文献和227组数据。采用整合分析方法 (meta-analysis)，定量分析生物质炭在不同田间管理措施、不同土壤条件、不同生物质炭特性下对小麦产量的影响及麦田土壤性状对施用生物质炭的响应。  【结果】  我国施用生物质炭能使小麦产量平均提高11.7%。施用生物质炭的增产效应在质地疏松的壤土 (16.0%) 和6.5 ≤ pH < 7.5 (17.1%) 的田块最显著；不同原料生物质炭的增产效果存在一定差异，木本材质 (29.3%) > 玉米秸秆 (10.7%) > 小麦秸秆 (8.1%) > 水稻秸秆 (5.9%)。不同管理措施下施用生物质炭的增产效应具有差异，雨养区 (15.7%) > 灌溉区 (4.9%)。随氮肥施用量的增加，生物质炭的增产效应逐渐降低，施氮量为0 ≤ N < 50 kg/hm2时，增产17.9%。施用生物质炭对前四季小麦增产效应显著，第四季之后，增产效应不明显，第一季 (17.2%) > 第三季 (13.4%) > 第四季 (9.4%) > 第二季 (7.3%)；生物质炭施用量为10～25 t/hm2时增产效应最大 (14.9%)。施用生物质炭对麦田土壤全氮、全磷、全钾、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾、有机碳、pH、土壤含水量、C/N、微生物量碳含量均有显著提高，有机碳 (38.4%) 含量变化最大。  【结论】  在不同管理措施、土壤理化性状下，施用生物质炭能显著提高小麦产量，改善土壤理化性质，但对土壤微生物量氮 (SMBN) 影响不显著。生物质炭的增产效应随施用后时间的延长不断减弱，其产量效应持续时间为4季作物。小麦生产过程中，生物质炭最佳施用量为10～25 t/hm2。     

生物炭基肥与紫云英联合还田对红壤区早稻干物质累积和氮素利用特征的影响

  【目的】  探讨生物炭基肥与紫云英联合还田对提高水稻产量与氮素利用率的影响，为同时实现稻区秸秆循环利用和降低氮肥用量提供参考。  【方法】  采用盆栽实验，设计不施氮肥 (CK₀)、施100%氮肥 (CK₁)、减施20%氮肥后分别施炭基肥 (BF)、紫云英 (MV) 以及两者联合还田 (BF + MV) 5个处理。分析了早稻地上部干物质累积量、产量构成及氮素吸收利用。  【结果】  与CK₁相比，减施20%氮肥后，紫云英和炭基肥单独或联合还田均可通过增加早稻千粒重和有效穗数而改善其产量构成；炭基肥单独或与紫云英联合还田不仅可有效提高早稻籽粒和地上部干物质量 (P > 0.05)，而且分别显著提高了籽粒中氮素生理利用率11.8%与7.52% (P < 0.05)；紫云英单独还田分别显著提高籽粒和地上部干物质量11.8%和7.62%，以及地上部氮素累积量10.9% (P < 0.05)。另外，由Pearson相关分析表明，减施20%氮肥条件下，紫云英还田与早稻千粒重和籽粒氮素累积量呈显著正相关关系，炭基肥还田与早稻地上部氮素生理利用率和干物质生产效率呈显著或极显著正相关关系。  【结论】  在确保红壤稻区早稻不减产的前提下，将秸秆炭化生产炭基肥与冬季豆科绿肥联合还田，既有利于提高作物秸秆资源利用率，又降低稻田氮肥用量，并提高氮素利用率，从而为水稻绿色生产开辟新途径和提供理论依据。     

不同质地潮土施用小麦和玉米秸秆生物质炭对玉米养分吸收和根际土壤胞外酶活性的影响

  【目的】  生物质炭施用于农田土壤中能够改善土壤肥力,并提高作物生产力,而该效应受到土壤条件和生物质炭条件的限制。针对不同土壤条件探究适宜的生物质炭利用方式,对促进农业生产具有重要意义。  【方法】  采用盆栽试验,以壤质和粘质两种质地的潮土为研究对象,分别施用玉米秸秆炭(MBC)和小麦秸秆炭(WBC)两种生物质炭,并以不施用生物质炭的处理为对照(CK)。测定各处理玉米苗期生长、生理抗性和养分吸收差异,并分析各处理根际土壤理化性质和胞外酶等活性。  【结果】  1)与CK相比,壤质潮土中,WBC处理下玉米地上部生物量显著增加了43.7%,总根长显著增加34.3%,而MBC处理没有显著影响。粘质潮土中,WBC和MBC对玉米生物量和根系构型均影响较小。2) WBC和MBC在壤质和粘质潮土中显著降低了苗期玉米叶片中MDA含量,降低幅度在32.7%～55.3%,且两种生物质炭之间没有显著差异;粘质潮土中,MBC处理显著提高了玉米叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性,壤质潮土中,WBC和MBC处理对SOD活性均没有显著影响。3)壤质潮土中,生物质炭对苗期玉米地上部氮含量没有显著影响,而对作物全磷和全钾含量有显著促进作用,WBC处理的地上部全磷和全钾含量分别比对照显著提高23.5%和28.7%,且显著高于MBC处理。在粘质潮土中,WBC和MBC处理对地上部全氮和全磷含量均没有显著影响,而MBC处理提高了全钾含量。4)在壤质和粘质潮土中施用生物质炭均改善了根际土壤理化性质。与对照相比,壤质潮土中MBC处理的土壤速效磷含量显著增加了25.4%;粘质潮土中WBC和MBC处理速效磷含量均显著增加了15.03%,并且显著提高了阳离子交换量(CEC)。生物质炭处理提高了根际土壤胞外酶活性,在粘质潮土中WBC和MBC处理的胞外酶活性没有显著差异,而在壤质潮土中WBC处理的酶活性高于MBC处理。  【结论】  施用生物质炭能够调控根际土壤酶活性,提高有效磷含量,改善玉米根系构型,提高苗期玉米养分吸收并增加生物量。生物质炭的施用效果在壤质潮土中比粘质潮土中更好,小麦秸秆炭效应优于玉米秸秆炭。     

连续施用生物炭对棕壤磷素形态及有效性的影响

【目的】土壤磷有效性差、磷肥利用率低是农业发展的主要限制因素之一。生物炭作为新型土壤改良剂，其独特的理化性质会影响磷素形态及有效性。本研究通过分析连续施用不同用量生物炭对棕壤不同形态磷素含量及变化规律，探讨各形态磷对棕壤磷素有效性的贡献，以期明确生物炭对棕壤磷素有效性的作用，为其合理农用提供理论依据。【方法】本试验研究对象为连续5年增施生物炭的玉米连作棕壤，共设5个处理:不施肥(CK)、单施化肥氮磷钾(NPK )、1.5 t/hm2生物炭 + 氮磷钾(C1NPK)、3 t/hm2生物炭 + 氮磷钾(C2NPK) 和6 t/hm2生物炭 + 氮磷钾(C3NPK)，采用蒋柏藩、顾益初土壤无机磷分级、Bowman-Cole土壤有机磷分级方法测定不同形态磷含量，研究不同用量生物炭配施化肥对棕壤磷素形态及有效性的影响。【结果】连续5年施用生物炭可显著提高棕壤全磷、有效磷含量及磷活化系数；明显提高了棕壤Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P、Fe-P、LOP(活性有机磷)、MLOP(中活性有机磷) 含量，降低了MROP(中稳性有机磷) 含量；在磷组分中，MLOP、O-P分别占棕壤有机磷、无机磷比例最大，为64.32%、28.43%。施用生物炭显著提高了Ca₂-P、Ca₈-P占无机磷比例；Al-P与有效磷含量相关系数最大为0.945，LOP、Al-P、MROP对有效磷的直接通径系数较大，分别为0.318、0.285、–0.261；Al-P、HROP(高稳性有机磷) 对有效磷的决策系数分别为0.295和–0.130，是棕壤有效磷的主要决策因子和主要限制因子。【结论】施用生物炭可以促进棕壤磷素积累并提高其活性；施用生物炭条件下，Al-P、LOP是棕壤磷素的活跃组分，提高Al-P含量、限制HROP含量是生物炭提高棕壤磷素有效性的主要途径。     

添加H2O2改性和HNO3/H2SO4改性生物质炭对一种酸性水稻土吸附Cd (Ⅱ)的影响

选择稻草、玉米秸秆和油菜秸秆作为制备生物质炭的原料，分别用H2O2和HNO3/H2SO4对生物质炭进行改性处理，以未改性的生物质炭和HCl处理的生物质炭作为对照。按土重3%的比例向采自安徽郎溪的酸性水稻土中添加上述生物质炭，在经历一个干湿交替周期后，进行Cd(Ⅱ)吸附/解吸实验，研究添加生物质炭对水稻土吸附Cd(Ⅱ)的影响及其机制。结果表明，两种改性方法均有效增加了生物质炭表面的质子结合位点数，且HNO3/H2SO4改性对生物质炭表面羧基官能团的扩增效果更显著。官能团的增加使得添加了HNO3/H2SO4改性生物质炭的水稻土对Cd(Ⅱ)的专性吸附能力显著增强。因此，添加HNO3/H2SO4改性生物质炭可以作为酸性水稻土吸附固定重金属Cd的一种新型方法。     

田间陈化生物质炭提高稻田土壤团聚体稳定性和磷素利用率

  【目的】  生物质炭因其巨大的比表面积和稳定的结构而被用作土壤改良剂。然而关于田间陈化生物质炭对土壤肥力和养分利用效率影响的研究相对缺乏。通过定位试验，分析田间不同陈化年限的生物质炭对水稻产量和养分利用效率的影响。  【方法】  田间定位试验设在江苏南京，供试土壤为粘质水稻土。共设置5个处理，分别是不施磷肥对照 (CK)、施用磷肥 (P) 及磷肥配施新鲜生物质炭 (PB_0y，2017年施入)、2年陈化生物质炭 (PB_2y，2015年施入) 和5年陈化生物质炭 (PB_5y，2012年施入)。在水稻收获后采集土壤样品进行团聚体分级，测定大团聚体 (250～2000 μm)、微团聚体 (53～250 μm)、粉粒 (2～53 μm)、粘粒 (< 2 μm) 含量以有效磷含量和基本理化性质，同时测定水稻产量和磷素利用效率。  【结果】  与P处理相比，PB_2y和PB_5y处理显著提高250～2000 μm大团聚体的比例 (69.2%～107.8%) ，降低2～53 μm粉粒 (13.1%～14.7%) 和 < 2 μm粘粒 (6.9%～41.9%) 的比例，而PB_0y与P处理相比各粒级比例均无显著差异；PB_0y、PB_2y和PB_5y处理土壤有机碳 (SOC) 提高了18.5%～58.5%，全磷含量提高了5.7%～17.1%，但2～53 μm粒级SOC含量无显著差异。与P处理相比，PB_0y处理对水稻产量和磷素利用效率影响不显著，PB_2y和PB_5y处理均可显著提高水稻产量 (13.7%和16.3%) 和磷素利用率 (35.4%和45.5%)。由结构方程模型可知，陈化生物质炭 (PB_2y和PB_5y) 通过改善土壤养分状况 (SOC、全磷含量、碳磷比等) 和土壤结构 (250～2000 μm大团聚体比例增加)，保证了水稻产量和磷储量。  【结论】  与新鲜生物质炭相比，陈化生物质炭可有效增加250～2000 μm大团聚体比例以及土壤有效磷和全磷的保护，从而促进植物对磷的吸收利用，达到增加产量和磷素利用效率的目的。5年陈化生物质炭的改良效果好于2年陈化生物质炭。     

内加热连续式生物质炭化中试设备炭化温度优化试验

为分析内源加热与分段连续热解技术工艺条件下不同物料的热解炭化特性,探明炭化工艺参数对生物炭理化性质、生物炭得率及设备生产率的影响规律,以玉米秸秆、玉米芯和花生壳为原料,进行了设备生产工艺试验。试验结果表明,引风机转速为725 r/min,通过自动调节各进风口开度,使炉内负压维持在60 Pa左右时,不同炭化温度下的生物炭理化性质、设备生产率和生物炭得率均表现出较大差异,其中,固定碳含量和灰分等指标存在显著性差异(P0.05),玉米秸秆对炭化工艺参数最敏感。通过多指标综合评价分析,结合生产实际,玉米秸秆、玉米芯和花生壳的推荐炭化温度分别为550~600、600~650和600~650℃。该研究可为内加热连续式生物质炭化设备的推广应用提供重要的技术支撑。     

不同原料生物炭对氮、磷、钾的吸附和解吸特性

【目的】通过三种不同原料生物炭 (玉米秆炭、稻壳炭、稻秆炭) 对氮、磷、钾的吸附解吸试验,了解不同材料来源的生物炭对无机养分的吸附和解吸特征,为将其作为添加物来调节有机肥的性质提供参考。【方法】在pH 6.75 ± 0.25、25℃下,采用Langmuir和Freundlich方程对三种不同原料生物炭 (玉米秆炭、稻壳炭、稻秆炭) 氮、磷、钾的等温吸附进行拟合。对吸附养分后的生物炭进行连续5次解吸,前4次采用水浸提,第5次浸提采用1 mol/L KCl浸提氮,0.5 mol/L的NaHCO₃浸提磷,1 mol/L的CH₃COONH₄浸提钾。【结果】1) Langmuir和Freundlich方程均可用来拟合生物炭对氮、磷、钾的等温吸附,Langmuir方程对氮、磷的吸附拟合较好,Freundlich方程对钾的吸附拟合较好。对不同原材料而言,稻秆炭对氮、磷、钾的吸附性能均较好,其最大吸附量q_m分别为 (2.44 ± 0.15) mg/g、(2.91 ± 0.12) mg/g和 (4.97 ± 0.22) mg/g。2) 不同原材料生物炭对氮、磷、钾的单次解吸率和总解吸率具有一定的差异。生物炭对阳离子 (铵根离子和钾离子) 的最大吸附量受阳离子交换量和酸性官能团的数量以及pH_pzc影响,对磷酸根的最大吸附量主要与阳离子交换量和碱性官能团的数量有关。【结论】所试三种生物炭对氮、磷、钾的吸附存在单分子层吸附和多分子层吸附,在单次解吸率和总解吸率上不同原料生物炭存在一定的差异性。在生物炭对氮和钾吸附的总量上,物理性吸附的贡献高于化学吸附;对磷的吸附总量上,化学吸附的贡献高于物理吸附。三种生物炭对氮、磷、钾的固储和缓释能力具有一定的差异,稻秆炭的保肥供肥能力优于玉米秆炭和稻壳炭。     

酒糟生物炭与化肥配施对土壤理化特性及作物产量的影响

  【目的】  以酿酒废弃物(酒糟)为原料热解制备可燃气体和生物炭,研究生物炭对土壤及作物产量的影响,为酒糟的无害化处理与资源化利用,以及合理施用生物炭提供理论依据。  【方法】  利用电子显微镜观察比较400°C、480°C和600°C裂解得到的生物炭表面结构,分析其理化性质。在四川泸州设置油菜–高粱轮作田间试验,研究不施肥(CK)、单施化肥(CF)和化肥与生物炭配施(CF+BC)处理的作物产量和土壤理化性质及生物学性状。  【结果】  在480°C热裂解条件下,酒糟生物炭的表面孔隙结构最佳,pH 10.1,阳离子交换较大(33.41 cmol/kg),保蓄了较多的碳、氮、磷、钾,理化性质最优。在CF+BC处理中,田间土壤碳含量增加,土壤微生物生物量碳氮提高,蔗糖酶和磷酸酶活性及有效氮、磷、钾含量显著高于或相似于CF,说明部分生物炭能被微生物利用,促进其生长繁殖,增强土壤酶活,提高土壤养分的生物有效性。与单施化肥相比,化肥配施生物炭使油菜和高粱产量分别增加9.3%和9.5%,油菜磷和钾的经济效率分别提高15.1%和30.7%。  【结论】  采用480℃低温热裂解制备的酒糟生物炭理化性质优良,与化肥配施有利于提高油菜和高粱产量,改善土壤理化和生物学性状,具有良好的应用潜力。     

铁改性稻壳生物炭对铵态氮的吸附效果研究

  【目的】  研究稻壳生物炭和3种铁改性稻壳生物炭对铵态氮的吸附特性,为其作为添加剂进行炭基肥料的开发提供参考。  【方法】  以稻壳为原料,在500℃无氧条件下热解制备稻壳生物炭（RBC）,并采用3种工艺制备铁改性稻壳生物炭 (FDRBC、FWRBC和FWBC)。利用比表面积测定仪 (BET) 和扫描电镜 (SEM)、X射线衍射 (XRD)、傅立叶红外光谱 (FT-IR) 等技术对稻壳炭和3种铁改性稻壳炭进行物理性质表征。以稻壳生物炭和3种铁改性稻壳生物炭为材料进行铵态氮吸附试验,采用Langmuir和Freundlich方程对稻壳炭和3种铁改性稻壳炭的等温吸附数据进行拟合;并分别用准一级动力学模型和准二级动力学模型对吸附数据进行拟合。  【结果】  1) 经过铁改性,稻壳炭比表面积降低了2.4%～63.7%,孔径平均提高了2.8%～319.2%,pH均降低到5左右;2) FWBC和FWRBC在pH为6时,对NH₄+-N的吸附量最大,FDRBC和RBC在pH为7时,对NH₄+-N的吸附量最大;3) Langmuir吸附等温方程能够很好地拟合稻壳炭和3种铁改性稻壳炭对铵态氮的吸附数据,RBC、FDRBC、FWRBC和FWBC对铵态氮的最大吸附量分别为2.22、8.82、4.67和3.67 mg/g;4) 稻壳炭和3种铁改性稻壳炭对铵态氮的吸附行为符合准二级动力学方程。  【结论】  供试稻壳炭和3种铁改性稻壳炭对铵态氮的吸附主要为单分子层吸附,以化学吸附方式为主。铁改性处理提高了稻壳炭的孔径,降低了pH。对铵态氮的吸附能力以FDRBC最优,用其制备新型肥料可提高肥料的保肥供肥能力。     

生物炭对红壤和褐土中镉形态的影响

【目的】重金属对环境危害的大小主要取决于其形态分布,尤其是生物有效态镉 (Cd) 的含量和存在比例。添加生物炭可以降低Cd超标土壤中生物有效态Cd的含量,本文研究了施用生物炭后红壤和褐土中Cd形态的变化及其与生物炭施用量的关系,以加深对生物炭修复Cd污染土壤机理的认识。【方法】选择红壤 (pH 5.21) 和褐土 (pH 7.75) 两类土壤进行了室内培养试验。将两个过2 mm筛的自然风干土壤各40 kg,分别装于20 L塑料盒中,加Cd(NO₃)₂溶液使土壤外源Cd含量达到5 mg/kg,保持70%田间最大持水量,于25℃条件下平衡两周;之后,在每1000 g土内,分别添加生物炭0、5、10、20 g,均匀混合后,室温培养50 d;在培养1、4、7、14、21、35、49 d时分别取样,测定土壤pH和有机碳含量,利用Tessier分级法测定土壤Cd形态。【结果】红壤pH随生物炭施用量的增加显著升高,培养14天后,生物炭施加量为2%时,土壤由酸性变为弱碱性,生物炭对褐土pH的提高作用不显著。红壤和褐土有机碳含量均随生物炭施用量的增加而升高。培养49天后,红壤可交换态Cd含量的降幅较大,降幅为0.31～0.82 mg/kg,且处理2%的可交换态Cd含量最低,为1.24 mg/kg,生物炭施用量2%的红壤碳酸盐结合态Cd含量最高,为1.06 mg/kg,施用生物炭的红壤碳酸盐结合态Cd和Fe、Mn氧化物结合态Cd所占比例增加了3.14%～14.21%、8.20%～23.96%,施用生物炭的褐土碳酸盐结合态Cd和Fe、Mn氧化物结合态Cd升高了0.94%～2.61%、0.80%～7.90%。褐土的土壤有机碳含量和生物炭施用量与土壤可交换态Cd呈极显著负相关关系,与土壤碳酸盐结合态Cd,土壤Fe、Mn氧化物结合态Cd和土壤有机结合态Cd呈极显著正相关关系;红壤pH、有机碳含量和生物炭施用量均与土壤可交换态Cd呈极显著负相关关系,与土壤其他四种形态Cd呈极显著正相关关系。但在红壤中土壤有机碳和生物炭施用量与各形态Cd的相关系数均大于在褐土中的相关系数。【结论】综合分析两种类型土壤中Cd形态的变化,发现生物炭对红壤的修复效果优于对褐土的修复效果,因此生物炭可以作为Cd污染的酸性土壤的一种修复改良材料。     

生物炭对酸化茶园土壤性状和细菌群落结构的影响

  【目的】   生物炭作为一种高效、绿色、多功能的土壤调理剂受到了广泛关注，但生物炭对酸化茶园土壤改良的长期效应还缺乏了解。研究施用生物炭5年后对茶园土壤性状和细菌群落结构的影响，为生物炭在酸化土壤改良上的合理应用提供科学依据。   【方法】   茶园生物炭田间试验在福建安溪县进行，茶园种植年限超过7年，茶树品种为铁观音，土壤为黄壤 。试验设生物炭施用量0、2.5、5、10、20和40 t/hm2共6个水平，一次施入土壤，5年后调查了茶园土壤pH、电导率 (EC)、可溶性有机碳含量、细菌群落结构变化及它们间的相关关系。   【结果】   施用生物炭5年后，茶园土壤pH提高了0.16～1.11个单位，可溶性有机碳含量提高了52.6%～92.3%，EC值降低了1.85%～47.77%，其中施用10～40 t/hm2生物炭处理的pH值均显著高于0～5 t/hm2处理。施用生物炭5年对土壤性质的改变，进一步影响了细菌群落结构，细菌群落Chao指数、ACE指数表现为随生物炭施用量增加而增加得趋势，Shannon指数呈现先增加后降低的趋势。施用生物炭促进了适宜酸中性或弱碱性环境的节杆菌属、硝化螺旋菌属、黄色杆菌科细菌相对丰度的增加，降低了嗜酸性细菌如酸杆菌属细菌的相对丰度。细菌群落结构与环境因子的关联分析表明，施用0～10 t/hm2生物炭处理细菌群落结构受pH、EC环境因子的影响较大；施用20～40 t/hm2生物炭处理细菌群落结构受土壤可溶性有机碳等环境因子的影响较大；其中硝化螺旋菌属、α-变形菌门、酸杆菌属、康奈斯氏杆菌属等的相对丰度与土壤pH、EC值间具有显著相关性。   【结论】   在酸化茶园施用生物炭5年后，土壤pH、EC和可溶性有机碳含量发生了显著变化，增加了细菌群落多样性指数，且适宜酸中性或弱碱性环境的细菌丰度增加，嗜酸性细菌丰度降低；其中施用0～10 t/hm2生物炭的处理土壤pH、EC是显著影响细菌群落结构的环境因子，施用20～40 t/hm2生物炭的处理土壤可溶性有机碳含量是显著影响细菌群落结构的环境因子。     

生物炭和AM真菌提高矿区土壤养分有效性的机理

【目的】矿区土壤贫瘠、有效养分含量低,而生物炭和丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌能够改善土壤养分,提高植物对环境胁迫的抗性和养分的利用。因此探究生物炭和AM真菌对矿区土壤的改良效果,可为矿区污染土壤生态恢复和新型肥料的开发提供参考。【方法】温室盆栽试验的土壤采自河南省洛阳市新安县江春矿区,以玉米"弘单897"为试验材料。试验设计4个处理,分别为原状土壤对照(CK)、添加生物炭(B)、接种AM真菌(M)、添加生物炭和接种AM真菌(BM),每处理重复8次,完全随机区组设计,玉米于矿区土壤中培育2个月后收获,测定根系生长、生理特性和土壤养分含量。【结果】施用生物炭和接种AM真菌均能够促进玉米生长,提高玉米叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、叶色值(SPAD值)和抗氧化酶活性,提高土壤养分含量。接种AM真菌对促进玉米生长、改善生理特性和磷吸收的效果优于生物炭,而生物炭提高土壤pH值和玉米对钾吸收的效果较好。生物炭和AM真菌联合处理玉米的总根长、根部和地上部干重分别较CK增加了84.22%、176.67%和45.84%,玉米叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度分别较对照提高35.42%、56.44%和88.31%,叶色值比CK提高了22.77%,菌根侵染率较CK提高234.20%,菌丝密度可达到4.37 m/g,总球囊霉素和易提取球囊霉素分别达到4.32 g/kg和1.60 g/kg,有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别较对照提高24.23%、43.26%、98.63%和33.93%。【结论】生物炭和AM真菌单独或复合处理均能够促进玉米生长和提高土壤养分有效性,生物炭和AM真菌联合处理可促进玉米生长、改善生理特性、促进养分吸收、提高土壤养分效果,可作为退化土壤生态修复和农业生产安全的一项有效措施。     

生物炭和氮肥配施提高土团聚体稳定性及作物产量

【目的】通过田间定位试验,探讨生物炭和氮肥配施对土耕层土壤水稳性团聚体组成、稳定性、有机碳土层分布及冬小麦–夏玉米轮作体系下产量的影响,为生物炭在关中地区农业生产中的应用提供科学依据。【方法】本试验设置4个生物炭水平和2个氮肥水平,生物炭水平分别为0、1000、5000、10000 kg/hm2,依次记为B0、B1、B2、B3;氮肥水平包括两季总氮量480 kg/hm2(NT) 和两季总氮量减半240 kg/hm2(NH),共组成8个处理。采集0—10 cm、10—20 cm土层土壤样品,利用TTF-100土壤团聚体分析仪湿筛获得5种粒级的团聚体 (> 2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、< 0.25 mm),用 > 0.25 mm团聚体含量 (R_0.25)、平均重量直径 (MWD)、几何重量直径 (GMD) 表示水稳性团聚体的的稳定性,并测定了不同粒级团聚体中有机碳的含量及小麦–玉米两季作物总产量。【结果】与不施生物炭 (B0NT、B0NH) 相比,施用生物炭的处理显著增加了 > 2 mm、1～2 mm粒级水稳性大团聚体的百分含量 (P < 0.05),两粒级增幅范围分别为3.5%～180.3%、9.4%～98.9%。施用生物炭10000 kg/hm2(B3NT、B3NH) 时,MWD、GMD和R_0.25增幅最高,分别增加了12.5%～112.5%、25.0%～65.7%、20.0%～65.0%。施用生物炭显著提高了土壤各粒级水稳性团聚体有机碳含量,与不施生物炭处理相比,> 2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm粒级团聚体有机碳含量增幅分别为6.3%～30.5%、0.2%～28.2%、0.2%～41.6%和4.6%～39.1%。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层氮肥减量降低了土壤团聚体的稳定性,而施用生物炭10000 kg/hm2(B3NH) 可改善土壤团聚体的稳定性,改变有机碳分布。在10—20 cm土层,与B0NT处理相比,B0NH处理土壤水稳性团聚体的R_0.25、MWD、GMD显著下降,三者分别降低了79.2%、25.7%、30.0%,而B3NH与B3NT处理之间无显著差异。与B0NT相比,B0NH处理 < 0.25 mm粒级微团聚体对土壤有机碳分配比例显著增加了17.4%,而B3NH处理与B3NT相比,< 0.25 mm粒级微团聚体对土壤有机碳分配比例无显著差异。此外,施用生物炭显著提高作物总产量,B2NT、B3NT和B3NH处理下两季作物总产量较高,分别较B0NT提高了27.0%、23.6%、27.9%,且三个处理之间无显著差异。从各指标相关分析可知,水稳定大团聚体的GMD与土壤全土有机碳以及两季作物总产量之间有着显著的正相关关系。【结论】生物炭配施氮肥显著提高了土壤水稳性大团聚体含量和团聚体稳定性,且提高小麦—玉米两季作物总产量。减施氮肥有利于有机碳向大团聚体中分配,供试条件下,生物炭10000 kg/hm2配施氮肥240 kg/hm2对提高土耕层团聚体稳定性、土壤有机碳及两季作物总产量效果最佳。