农田土壤中生物质炭的老化及其对有机污染物吸附-解吸影响的研究进展

生物质炭独特的表面性质、形貌结构及丰富而离散的孔隙系统使其对有机污染物具有良好的持留与吸附作用,可望用于土壤污染控制与修复。在田间条件下,进入土壤的生物质炭自身不稳定组分会发生转化、淋溶,并与土壤发生相互作用出现老化现象,导致生物质炭的化学与物理性质发生显著变化。生物质炭在土壤中的老化过程具有复杂性和多样性,主要包括:生物质炭化学性质的变化,如无机元素的流失、表面官能团组成的变化以及部分矿化反应;生物质炭物理性质的改变,主要是土壤有机质和矿物质对生物质炭的包覆作用造成生物质炭的孔隙特征发生改变。生物质炭在土壤中的老化可能会导致有机污染物的吸附-解吸行为发生改变,且受土壤、生物质炭以及污染物性质的影响较大。本文综述了生物质炭在农田土壤中的老化机理及主要影响因素研究方面的进展,总结了生物质炭在土壤中的老化对有机污染物吸附-解吸行为的影响,提出了尚待解决的相关前沿科学问题。     

根系分泌物典型组分对生物炭胶体稳定性和迁移能力的影响

根系分泌物是可溶性有机质的主要来源,能够在一定程度上影响胶体在多孔介质中的稳定性和迁移行为。随着生物炭的广泛应用,探究土壤中的根系分泌物对生物炭胶体在地下环境中稳定性和迁移能力的影响非常重要。通过室内聚集和迁移实验探究了根系分泌物的典型组分半乳糖（Gal）、赖氨酸（Lys）以及乙酸（AcOH）对小麦生物炭（WB）和松树木屑生物炭（PB）胶体的稳定性和迁移特性的影响。结果表明：典型根系分泌物组分浓度高低对生物炭颗粒ζ电势具有一定的影响。半乳糖和赖氨酸浓度较低时,其对生物炭胶体聚集和迁移影响较小,难以对生物炭的环境行为造成显著影响;但是乙酸可以明显降低生物炭胶体在NaCl溶液中的稳定性,抑制生物炭胶体在多孔介质中的迁移能力。这可能是因为乙酸中有机酸阴离子容易与生物炭表面含氧官能团形成氢键,增加了生物炭对乙酸的吸附,降低了生物炭胶体的稳定性。     

不同温度下热裂解芒草生物质炭的理化特征分析

芒草是一个极具潜力的生物质能源作物,为了研究了解芒草生物质炭的特征,评价其农业和与环境领域应用价值与潜力,该研究分别在和下制备生物质炭,测定其基础理化性质,以期了解芒草生物质炭特征及其随裂解温度变化的规律。结果表明,裂解温度显著地影响芒草生物质炭物理与化学性质,低温生物质炭含有比较高的水溶性成分,而高温生物质炭具有比较高的pH值、C/N比、芳香化结构、持水量和比表面积;但裂解温度对生物质炭δ值没有显著的影响。该文还讨论了芒草生物质炭在化肥利用率提高,以及污染土壤和水体修复等领域的潜在价值与工业应用前景,研究结果可为芒草生物质炭在土壤改良、固碳减排等方面的应用提供基础数据。     

两种温度制备生物质炭在榉树人工林土壤的原位稳定性

研究生物质炭的稳定性是理解其土壤固碳功能的基础。以水稻为原料在两种温度（300 ℃和500 ℃）制备生物质炭,利用13C稳定同位素技术,通过182 d的野外原位实验,比较两种生物质炭在榉树人工林土壤中的稳定性。整个培养期间,300 ℃和500 ℃生物质炭的累积分解量分别为10.5和3.65 g·m-2。双指数模型拟合的结果显示,300 ℃和500 ℃生物质炭的难分解碳库的平均停留时间分别为99.8 a和302 a。300 ℃生物质炭的分解速率与土壤表层温度显著正相关（P = 0.034,r = 0.417,n = 26）,而500 ℃生物质炭的相关性不显著（P = 0.549,r = 0.123,n =26）,表明土壤温度对生物质炭稳定性的影响因制备温度而异。野外原位实验表明500 ℃生物质炭具有更高的稳定性,为深入探讨生物质炭的稳定性提供了基础数据。     

生物质炭中多环芳烃的潜在环境风险研究进展

作为土壤改良剂和环境污染修复材料,生物质炭在近年来得以广泛应用。生物质炭制备过程中会产生一定量的多环芳烃(PAHs),对其潜在环境负面效应和风险尚缺乏应有的认识。本文总结了生物质炭中PAHs的形成机理、影响因素(包括原材料、裂解温度、裂解升温速率和保留时间等)、总量和生物有效含量及其分析方法,旨在为生物质炭在环境中的安全应用提供理论依据和技术参考。     

生物质炭对土壤物理性质影响的研究进展

生物质炭在农业与环境中的应用已成为近期国内外研究热点,有关生物质炭特性以及生物质炭对土壤化学、生物学性质和作物产量的影响,已经有一些综述,但是生物质炭对土壤物理性质影响的相关综述很少。本文对近10年生物质炭对土壤物理性质影响相关的研究成果进行了整理分析。研究结果发现生物质炭可以降低土壤容重,提高土壤团聚体稳定性,增加田间持水量和土壤有效水含量,降低饱和导水率等。生物质炭影响土壤物理性质的主要原因是生物质炭具有较大的比表面积和孔隙度。此外,生物质炭与土壤矿质颗粒结合,并通过对土壤微生物活性和植物生长的影响间接影响土壤物理性质。生物质炭对土壤物理性质的影响与多种因素有关,如生物质炭原料、裂解温度、施用量和颗粒大小,土壤质地和处理时间等。关于生物质炭对土壤物理性质影响的长期研究很少,且缺乏田间试验。因此,将来的研究应更加倾向于长期田间条件下生物质炭对土壤物理性质的影响,并逐渐发现生物质炭的作用机理,为实际的农业生产和生态治理提供科学依据。     

生物质炭改良土壤及对作物效应的研究进展

生物质炭是作物秸秆等有机物质在限制供氧的条件下加热而成。生物质炭具有养分含量丰富、碱性和高稳定性等特点,因此可以降低土壤酸度,有效截留土壤养分,并在一定程度上促进养分吸收而提高作物产量。本文主要综述了生物质炭制备的影响因素及其施用后对土壤理化性质、作物生长发育和养分吸收等方面的影响。由于生物质炭在国内外的研究仍处于起步阶段,研究过程中所采取的方法、所用不同来源的生物质炭以及研究的具体对象等不尽相同,研究的结果显示生物质炭在某些方面的作用仍存在不同结论。目前,生物质炭的研究多集中在表面宏观现象上,对其深入的机理研究仍较欠缺,因此,需要科技工作者的进一步探索,文章最后阐述了未来对该领域研究的一些观点。     

制备条件对生物质炭特性及修复重金属污染农田土壤影响研究进展

生物质炭是生物质废弃物在限氧条件下热解产生的多孔、低密度的富碳材料。前体物质和热解条件在很大程度上决定了生物质炭的表面积和阳离子交换量,影响生物质炭将重金属污染物吸附到其表面的能力,从而影响重金属在农田土壤中的迁移。本文从生物质炭的前体物质种类及热解条件对生物质炭的特性、改良土壤以及修复重金属污染农田土壤的影响等方面进行综述,并提出生物质炭修复重金属污染农田土壤研究的未来发展趋势。     

生物质炭对有机污染物的吸附及机理研究进展

生物质炭是一种利用废弃生物质材料在缺氧或厌氧环境中热化学转换制备的多孔级富碳固体材料。因其吸附能力强,制备原料来源广泛,生产成本低且环境友好等优点受到学术界越来越多的关注。探究生物质炭对有机污染物的吸附机理和规律,对于评估其环境行为和应用价值至关重要。着重综述了目前研究报道的生物质炭吸附有机污染物的吸附机理,包括分配作用、表面吸附作用和孔隙截留等。一般低温生物质炭对非极性有机物的吸附机制以分配作用为主,这种非竞争性吸附机理可以解释高浓度有机污染物在生物质炭上的吸附过程。表面吸附是一种非线性竞争性吸附作用,是有机污染物在生物质炭表面有效吸附位点上形成静电作用或通过氢键、离子建、π-π相互作用等结合的过程。孔隙截留是另一种生物质炭固定有机污染物的微观机制,有机污染物在孔隙内部的分配和吸附也是生物质炭吸附能力的重要体现。而在实际复杂的污染环境中,各类生物质炭对有机污染物的吸附过程需要多种机制共同解释。此外,本文对吸附机制的影响因素进行了分析和总结,生物质炭自身理化特性决定了其应用价值,生物质炭的性质与有机污染物的极性、芳香性和分子大小等相匹配才能更好地实现吸附固定,不同的吸附环境如吸附介质、p H和共存离子等也会对吸附机制和吸附效果产生影响。最后,文章进一步探讨了生物质炭吸附有机污染相关研究未来应着重解决的问题,以及生物质炭在有机污染土壤修复中的应用前景。     

生物质炭修复重金属及有机物污染土壤的研究进展

生物质炭是生物质原料在完全或部分缺氧条件下高温热解后的固体产物,它具有丰富的孔隙结构和较高的碳含量。该物质具有巨大的表面积和较强的阳离子交换能力等特殊性质,对受污染土壤中的重金属和有机物都具有很强的吸附能力,有效地降低这些污染物的生物有效性和在环境中的迁移,对改善土壤环境具有重大意义。近年来我国土壤污染严重,利用生物质炭修复受污染土壤的技术得到了广泛的关注。本文简述了生物质炭修复土壤污染的基本原理,探讨了与其他修复方法相比存在的优势,阐述了国内外近年来利用生物质炭修复污染土壤的研究进展,最后展望了今后需要进一步研究的领域。     

不同老化方法对生物炭表面特征及镉吸附能力的影响

为明确不同自然环境过程（氧化还原、降雨、光照）对生物炭的老化作用及其对重金属吸附能力的影响,该研究以不同温度（200、500 °C）和气氛（O₂、N₂）热解的小麦秸秆生物炭为研究对象,采用化学氧化、干湿交替、紫外光照氧化3种人工老化方法模拟生物炭在自然环境中的老化过程,并分析老化作用对生物炭理化性质及镉（Cd）吸附能力的影响。结果表明：与初始生物炭相比,老化作用使生物炭表面破碎,孔隙结构增多,提高了生物炭比表面积。干湿交替老化使低温生物炭的比表面积增大0.85倍,而经过化学氧化后的低温生物炭、高温生物炭比表面积分别增大8.81、0.37倍。老化过程使生物炭的官能团种类减少,且含氧官能团数量发生不同程度的变化,其中化学氧化使羧基、内酯基等含氧官能团增多,而干湿交替及紫外光照老化主要引起含氧官能团数量的减少。此外,热重分析结果表明化学氧化使低温生物炭热稳定性降低,而所有老化后的高温生物炭热稳定性均增强。化学氧化、紫外光照、干湿交替3种老化处理均可提高两种生物炭的吸附能力,Cd²⁺吸附量分别提高498.95%~799.36%、436.10%~768.43%、35.53%~128.10%。因此,生物炭实际应用时需综合考虑其环境过程、特性变化以及目标污染物种类,以促进生物炭环境应用的长远发展。     

磷酸二氢钙与生物质共热解提高生物炭固碳效果

以木屑和牛粪为生物质原材料,通过添加磷酸二氢钙与生物质原材料共同热解制备生物炭,研究其对生物炭形成过程中碳保留量及稳定性的研究,以期为提高生物炭的固C能力提供新思路,为全面了解生物炭固碳减排效果提供理论参考。结果表明,与不添加磷酸二氢钙制备的生物炭相比,添加磷酸二氢钙制备的木屑和牛粪生物炭碳保留量则分别提高了31.3%和26.1%。尽管与不添加磷酸二氢钙制备的生物炭相比,添加磷酸二氢钙制备的牛粪生物炭被过氧化氢氧化损失C的量增加了8.8倍,但添加磷酸二氢钙制备的木屑生物炭被过氧化氢氧化损失C的量减少了93.1%。此外,添加磷酸二氢钙制备的木屑和牛粪生物炭还降低了其微生物好氧矿化损失C的量,降幅分别为90.3%和72.8%。可见,通过添加磷酸二氢钙对生物质原材料进行共热解,达到了对生物炭进行以固"C"为目的的设计效果,并且效果取决于生物炭原材料的类型。     

铁促进土壤有机碳累积作用研究进展

土壤中总有机碳的含量可反映土壤的有机质含量进而反映土壤肥力水平。在众多的有机碳累积的影响因子中,铁在土壤有机碳的累积方面发挥着"捕获"有机碳并形成"锈汇"的重要作用。本文总结了前人的研究成果,得出土壤中有机碳的固持机制主要包括团聚体的物理保护、矿物质的化学保护、微生物的生物保护以及有机碳自身的保护,并以前两者为主,且铁紧密地参与到物理、化学和生物保护机制中的结论。这说明铁在土壤有机碳累积过程中起重要作用。铁通过促进团聚体的形成、与有机碳发生共沉淀和吸附作用以及影响微生物活性的方式分别参与到物理、化学和生物保护机制中。有机碳自身的保护作用主要体现在一部分有机碳的抗分解性。建议今后更多地关注氧化还原性质活跃的、生态服务功能显著的土壤系统的有机碳固持及碳汇功能恢复机制,更加注重不同机制的定量化研究及重要性对比研究,加强模拟实验研究,更好地实现理论服务于实践。     

Effects of biochar application in forest ecosystems on soil properties and greenhouse gas emissions: a review

Purpose

Forests play a critical role in terrestrial ecosystem carbon cycling and the mitigation of global climate change. Intensive forest management and global climate change have had negative impacts on the quality of forest soils via soil acidification, reduction of soil organic carbon content, deterioration of soil biological properties, and reduction of soil biodiversity. The role of biochar in improving soil properties and the mitigation of greenhouse gas (GHG) emissions has been extensively documented in agricultural soils, while the effect of biochar application on forest soils remains poorly understood. Here, we review and summarize the available literature on the effects of biochar on soil properties and GHG emissions in forest soils.

Materials and methods

This review focuses on (1) the effect of biochar application on soil physical, chemical, and microbial properties in forest ecosystems; (2) the effect of biochar application on soil GHG emissions in forest ecosystems; and (3) knowledge gaps concerning the effect of biochar application on biogeochemical and ecological processes in forest soils.

Results and discussion

Biochar application to forests generally increases soil porosity, soil moisture retention, and aggregate stability while reducing soil bulk density. In addition, it typically enhances soil chemical properties including pH, organic carbon stock, cation exchange capacity, and the concentration of available phosphorous and potassium. Further, biochar application alters microbial community structure in forest soils, while the increase of soil microbial biomass is only a short-term effect of biochar application. Biochar effects on GHG emissions have been shown to be variable as reflected in significantly decreasing soil N₂O emissions, increasing soil CH₄ uptake, and complex (negative, positive, or negligible) changes of soil CO₂ emissions. Moreover, all of the aforementioned effects are biochar-, soil-, and plant-specific.

Conclusions

The application of biochars to forest soils generally results in the improvement of soil physical, chemical, and microbial properties while also mitigating soil GHG emissions. Therefore, we propose that the application of biochar in forest soils has considerable advantages, and this is especially true for plantation soils with low fertility.

     

添加生物质黑炭对红壤结构稳定性的影响

本研究通过室内恒温恒湿控制试验,研究添加黑炭、秸秆在分解过程中对土壤抗破碎性及团聚体稳定性等土壤生物、物理特征的影响。黑炭是在400℃缺氧状态下水稻秸秆焚烧而制成的。实验包括不添加任何物料的对照(CK)、添加黑炭(BC)、黑炭+氮磷钾肥(BC+NPK)、秸秆(Straw)、秸秆+氮磷钾肥(Straw+NPK)等5个处理。研究结果表明,经过55天恒温(25℃)恒湿(田间持水量的40%)培养,黑炭分解速度很慢,通过换算,其周转周期约为1400年,而秸秆周转周期仅为7年,配施氮磷钾能加速黑炭和秸秆的分解。添加黑炭没有提高土壤抗破碎能力和土壤团聚体稳定性(P>0.05),而秸秆则相反(P<0.05)。该研究结果表明生物质黑炭不能像其他有机物料一样提高土壤微生物活性和土壤结构稳定性。     

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。     

生物炭在农业土壤中应用的回顾与展望

Soil degradation, characterized by declines in nutrient status and simultaneous accumulation of pesticide residues, is a major problem affecting agricultural ecosystems. Previous studies indicate that biochar application to soil has promise as a practical method to alleviate these pressures: increasing crop yield and enhancing pesticide degradation. Here, we review the roles of biochar in both chemical and biological promotion of pesticide degradation and the potential benefits of biochar relating to the efficiency of fertilizer use, availability of nutrients, and nutrient exchange. Biochar typically has a high surface area featuring many functional groups, a high cation exchange capacity, and high stability. Major factors that impact on the nutrient retention characteristics of biochar (e.g., feedstock, pyrolysis temperature, and application rate) are also discussed herein. Nonetheless, more studies of the long-term impacts on soil properties from biochar addition are still required before it can be possible to accurately quantify the sustainability of this approach to sequester carbon and restore soil function.     

连作植烟土壤酚酸类物质变化特征及其与主要环境因子的Mantel Test分析

为明确酚酸类物质在连作植烟土壤中的变化特征,探讨土壤主要环境因子对酚酸类物质的影响,以不同连作年限（4 a,6 a,8 a,14 a和16 a）植烟土壤为对象,研究了不同连作年限植烟土壤酚酸类物质、理化性状、酶活性和细菌多样性的变化特征,并利用Mantel Test分析了酚酸类物质与土壤主要环境因子的相关性。结果表明,随连作年限增加,土壤酚酸类物质和速效钾含量升高,pH、有机质含量、细菌菌群丰度和多样性降低,水解性氮和有效磷含量呈先降低后升高趋势,酶活性呈先升高后降低趋势。Mantel Test分析表明,土壤酚酸类物质含量与理化性状、酶活性和细菌丰度显著相关,且与理化性状相关性最高;不同酚酸类物质含量与土壤主要环境因子相关性存在差异,其中,对羟基苯甲酸和阔马酸与植烟土壤理化性状、酶活性以及细菌丰度的相关性最高。因此,在本试验条件下,连作植烟土壤酚酸类物质具有明显积累特征,植烟土壤环境恶化;酚酸类物质积累受理化性状、酶活性和细菌多样性影响,且理化性状影响最大;不同酚酸类物质受主要土壤环境因子的影响存在差异,其中对羟基苯甲酸和阔马酸积累所受影响最大。