施玉米秸秆生物质炭对土壤腐殖质组成和结构特征的影响

生物质炭是黑碳的一部分,与腐殖质碳同为土壤有机碳慢库的组成部分,对土壤固碳、土壤肥力和环境解毒有重要作用。通过培养试验研究了土壤添加玉米秸秆生物质碳360 d后对土壤腐殖质组成及其结构特征的影响。结果表明:土壤添加生物质炭后,土壤有机碳和胡敏素含量随生物质炭用量的增加而增加,胡敏酸及富里酸含量随生物质炭用量增加而降低,可提取腐殖质中胡敏酸的比例差异不显著。施用生物质炭使土壤胡敏酸的色调系数下降、相对色度提高,H与C物质的量比和O与C物质的量比降低,高温放热与中温放热比值和高温失重与中温失重比值上升,施用生物质炭促使黑土胡敏酸的分子缩合度升高,氧化度下降,热稳定性提高,使胡敏酸分子结构复杂化,有利于土壤有机碳的稳定。     

不同温度制备的生物质炭对土壤有机碳矿化及腐殖质组成的影响

在150～600℃范围内制备生物质炭,并通过室内培养实验研究了施加不同温度制备的生物质炭对土壤有机碳矿化及腐殖质组成的影响。结果表明,随热解温度升高,生物质炭比表面积加大,芳香化结构加深。土壤中添加不同温度制备的生物质炭培养400d后,土壤有机碳的含量都有不同程度的增加。土壤有机碳的累积矿化量随热解温度升高而降低,且添加高温(≥400℃)制备生物质炭的土壤CO2累积释放量低于未添加生物质炭的土壤处理;添加低温(<400℃)制备生物质炭增加了土壤腐植酸和胡敏酸含量,而添加高温(≥400℃)制备生物质炭的土壤其腐植酸和胡敏酸含量的变化不显著。另外,添加生物质炭后,土壤H/F皆未发生显著变化,而胡敏酸的E4/E6值则在添加200℃和250℃制备的生物质炭时显著高于其他处理,添加500℃和600℃制备的生物质炭时显著低于其他处理。     

添加不同来源生物质炭对暗棕壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响

为了研究暗棕壤添加不同来源的生物质炭对腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响,选用玉米秸秆生物质炭(JG-Bc)、杨木生物质炭(YM-Bc)和毛竹生物质炭(MZ-Bc)进行培养试验,生物质炭(Bc)添加量为10.6 g/kg(相当于24 t/hm~2)。采用腐殖质组成修改法测定胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(Hu)的含量;用国际腐殖质协会(IHSS)推荐的方法提取和纯化HA样品,并研究了胡敏酸的元素组成、红外光谱和热力学性质。结果表明:培养90 d后,添加生物质炭处理显著提高了土壤有机碳(SOC)和腐殖质各组分含量。SOC的增加主要体现在Hu上,由ck的8.40 g/kg增加到16.45～18.04 g/kg。可提取腐殖质总量虽然变化不大,但HA比例增加,PQ值由ck的54.71%上升到75.24%～82.50%。添加Bc不仅提高了HA的含量和比例,同时也影响到HA的结构特征,表现为HA的Δlog K、H/C摩尔比、O/C摩尔比降低;碳元素含量和分子缩合度增加,脂族链烃比例增加,促进HA结构趋于复杂化;HA的高温/中温放热和失重比值增加,热稳定性提高。不同处理之间作用大小顺序:毛竹Bc杨木Bc玉米秸秆Bc。该研究可为分析不同来源的生物质炭与腐殖质的关系及增加土壤有机质积累提供理论依据。     

生物质炭和秸秆对土壤团聚体腐殖物质组成的影响

添加生物质炭和秸秆都是增加土壤有机碳含量的有效方式,但二者在增加土壤腐殖物质组分的差异鲜有报道。为了解生物质炭和秸秆对土壤团聚体腐殖质组分及腐殖化程度的影响,通过180 d的室内培养试验研究施入秸秆及生物质炭后土壤团聚体腐殖质不同组分含量的变化。试验结果表明,施用秸秆及生物质炭均显著提高土壤大团聚体(2～0.25 mm)内腐殖物质的有机碳含量,随着培养时间的延长,大团聚体腐殖物质含量逐渐降低。整个培养期施用秸秆或生物质炭均以胡敏素增加为主,施用生物质炭胡敏素含量更高。表明施用生物质炭和秸秆首先增加土壤大团聚体腐殖物质含量,随着时间延长腐殖物质向微团聚体转移,并且胡敏素是增加的主要组分,施加生物质炭效果较施加秸秆更为明显。随着培养时间延长,添加生物质炭后大团聚体土壤HE和HA的E4/E6值增高,而添加秸秆土壤HE和HA的E4/E6值降低。研究结果认为,在短期内,施加生物质炭及秸秆可提高土壤腐殖化程度,可以提高土壤不同粒级团聚体腐殖质有机碳含量,且施加生物质碳和秸秆对增加大团聚体(2～0.25 mm)腐殖物质有机碳含量效果较微团聚体(<0.25 mm)更为明显。添加生物质炭后大团聚体土壤HE和HA逐渐简单化,而添加秸秆土壤HE和HA逐渐复杂化。     

不同秸秆利用方式对黑土团聚体及其腐殖物质的影响

为探讨秸秆的不同利用方式还田对黑土肥力的影响，通过5年田间试验，研究了黑土连续施用玉米秸秆、生物质炭和牛粪配施化肥对土壤团聚体及其腐殖物质组成的影响。结果表明：与无化肥和有机物料添加对照处理相比，单施化肥（NPK）、NPK+生物质炭（BC）、NPK+牛粪（CM）和NPK+秸秆（CS）处理显著促进了>0.25 mm大团聚体的形成；与NPK相比，NPK+BC、NPK+CM和NPK+CS处理均显著提高了土壤总有机碳、胡敏酸与胡敏素含量，也显著增加了大团聚体与微团聚体中有机碳以及胡敏酸与胡敏素含量。不同秸秆利用方式之间相比，施用生物质炭更有利于提高土壤总有机碳和胡敏素的积累，而秸秆直接还田处理更有利于土壤胡敏酸的形成。连续5年施用秸秆、秸秆生物质炭和牛粪的田间试验促进了黑土良好结构的重建，从而提升土壤物理保护有机碳的潜力及有机碳的稳定性，同时也促进了土壤胡敏酸和胡敏素的积累，改善了土壤有机质品质，提高了土壤肥力，实现了提升黑土肥力与固碳的协同效应。     

玉米秸秆与土壤不同混合方式对腐殖质组成及结构的影响

为了优选不同秸秆还田方式,通过室内模拟试验,采用元素组成、红外光谱和差热分析等方法,研究了玉米秸秆与土壤不同混合方式对土壤腐殖质组成及其分子结构特征差异的影响.设置4个处理,分别为不添加秸秆的对照(ck)、秸秆与土壤充分混合(SI)、秸秆覆盖(SM)、秸秆埋置于土层中间(SE).结果表明:与ck相比,SI、SE和SM处理土壤有机碳含量分别增加12.41％、4.23％和3.05％,其中SI和SE处理与ck处理相比差异显著(P＜0.05),SM处理与ck之间差异不显著;各处理中腐殖质各组分的有机碳含量均有不同程度增加,其中SI处理的胡敏酸和胡敏素含量与ck处理相比差异显著(P＜0.05).秸秆与土壤不同混合方式均使得胡敏酸脂肪链烃的比例增强,热稳定性下降.添加玉米秸秆处理之间相比,秸秆覆盖处理的胡敏酸芳香性和热稳定性最高.     

生物炭与秸秆配施对设施土壤有机碳矿化及理化性质的影响

[目的]研究不同温度制备生物炭与秸秆配施对设施菜地土壤有机碳矿化特征及土壤理化性质的影响.[方法]以北京郊区设施菜地土壤为研究对象,进行室内矿化培养试验.[结果]生物炭与秸秆配施显著提高土壤有机碳矿化速率和累积矿化量,而单施生物炭对两者影响较小.添加300℃生物炭处理的土壤有机碳累积矿化量比添加600℃生物炭的处理高2.6％～17.6％,土壤有机碳累积矿化量随着秸秆添加量的增加而增大.生物炭的添加降低土壤有机碳的相对矿化潜力,额外添加等量秸秆也未能完全抵消生物炭对土壤有机碳相对矿化潜力的抑制作用.单施生物炭和生物炭与秸秆配施均显著提高土壤pH值和电导率.与单施生物炭相比,生物炭与秸秆配施对土壤有机质、碱解氮、有效磷含量的提升效果更为显著.[结论]施用生物炭对提高设施土壤有机质含量和碳库稳定性、促进固碳减排具有重要意义.而生物炭与秸秆配施不仅能够发挥生物炭的固碳功能,也能够提供更多的有效养分,更有利于改善设施土壤质量和促进土壤养分平衡.     

施用玉米秸秆生物质炭对水稻土黑碳数量和结构特征的影响

通过研究玉米秸秆生物质炭施用对土壤黑碳(BC)数量和结构的影响规律,比较施用生物质炭后不同年限间的差异,为阐明土壤BC在土壤固碳上的作用提供理论依据。选择化学氧化修改法进行土壤BC的提取,采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳(SOC)含量,采用元素组成和红外光谱分析对土壤BC进行结构表征。研究结果表明:与对照(未施用玉米秸秆生物质炭)相比,施用玉米秸秆生物质炭后3年间各年土壤BC的含量分别增加177.0%、304.3%和434.2%,土壤BC占SOC的比例分别增加40.2%、143.5%和167.3%,说明玉米秸秆生物质炭有助于表层土壤BC长期稳定的积累,且随时间的延长而增加;与对照相比,施用玉米秸秆生物质炭后表层土壤BC的碳元素含量增加,缩合度和芳香性增加,氧化度和脂族性降低,且随玉米秸秆生物质炭施用年限的延长表现得更加明显。长期施用玉米秸秆生物质炭后使土壤BC的结构向着芳香性增加的方向发展,稳定性增强,因而对于土壤固碳是有利的。     

玉米秸秆与秸秆生物炭对2种黑土有机碳含量及碳库指数的影响

采用室内培养的方法,研究玉米秸秆、玉米秸秆炭和两者混合配施添加到有机碳含量不同的2种黑土之后对土壤矿化、土壤有机碳组分及土壤碳库的影响,为不同退化程度黑土的修复提供依据。结果发现,秸秆施入低有机碳土壤的CO_2释放量高于高有机碳土壤,秸秆炭施入对2种黑土CO_2释放无显著影响;秸秆对高有机碳土壤有机碳含量提高更显著,秸秆炭能提高2种黑土的有机碳含量;秸秆提升黑土活性有机碳含量,秸秆炭施入降低了黑土活性有机碳含量,2种土壤之间无明显差异;秸秆与秸秆炭配施提高黑土的微生物量碳含量效果最佳,且对高有机碳土壤提升更大;秸秆施入对高有机碳黑土的可矿化碳含量增加影响更大,秸秆炭降低了2种黑土可矿化碳含量。另外,秸秆与秸秆炭的施入对低有机碳土壤的碳库管理指数影响更大。结果表明,秸秆与秸秆炭混合配施,在保障养分供应的同时能提高土壤有机碳的储量。对于低有机碳黑土,适当增加秸秆炭的施入,更利于有机碳的固持;对于高有机碳土壤,宜适当提高秸秆的施入,可减少CO_2释放,提高土壤养分含量。     

海南热带砖红壤有机组分对植胶与橡胶连作的响应

以海南天然次生热带雨林、第1代胶园和第2代胶园林下花岗岩母质发育的砖红壤为研究对象,研究随着天然次生林开垦为第1代胶园,并更新为第2代胶园以后,土壤有机组分的变化规律以及在土层的迁移。结果表明:在0~20 cm土层,天然次生林土壤有机碳及各有机组分碳含量均显著高于第1代胶园和第2代胶园,第1代胶园土壤有机碳、颗粒有机碳、胡敏酸和黑炭碳含量显著高于第2代胶园土壤,第2代胶园土壤富啡酸和土壤球囊霉素相关蛋白碳含量呈下降趋势,但与第1代胶园土壤差异不显著;在20~40 cm土层,天然次生林和第1代胶园土壤有机碳及各有机组分碳含量差异均不显著,天然次生林土壤有机碳、颗粒有机碳、胡敏酸和黑炭碳含量显著高于第2代胶园土壤,第1代胶园土壤颗粒有机碳和胡敏酸碳含量显著高于第2代胶园土壤,其他各有机组分碳含量差异不显著。随着植胶和橡胶连作,土壤有机质和各有机组分含量大幅度降低,但不同有机组分含量降低幅度不同。同时植胶和橡胶连作会影响各有机组分在表层和亚表层的分配,天然次生林土壤有明显的表聚性,胶园土壤有机质和各有机组分含量在表层和亚表层差异不显著。     

生物炭对土壤肥力及作物产量和品质影响的研究进展

生物炭是由生物材料在厌氧或无氧条件下，经高温热解产生的一类富含碳素、孔隙发达、比表面积巨大、高度芳香化、性质稳定的固态多功能材料。生物炭施入土壤具有改善土壤结构、增强蓄肥保水能力、提高土壤养分含量、促进植物菌根生长，进而提高作物产量和品质的作用。本文从生物炭的性质特征以及生物炭对土壤理化性质和养分、作物产量和品质的影响等方面综述了生物炭对土壤肥力及作物产量和品质影响的研究进展，分析现有研究的不足，指出了未来生物炭应用的研究方向，为生物炭的推广应用提供了参考。     

两种生物炭对污染土壤铜有效性的影响

采用盆栽试验，探究了添加不同比例（0, 1%, 2%, 4%）玉米秸秆炭和商陆根生物炭对铜污染红壤中小油菜生长与铜有效性的影响。结果表明，与对照相比，添加两种生物炭均能够增加铜污染红壤上小油菜的生物量。在低铜污染水平下，4%玉米炭和商陆炭处理小油菜生物量分别增加了21.2倍和67.9倍；高铜污染水平下，4%玉米炭和商陆炭处理小油菜生物量分别增加了8.6倍和109.6倍。商陆炭的添加能够显著提高土壤pH值，在低铜污染水平下，商陆炭处理土壤pH值升高了0.4～1.66个单位，较玉米炭处理土壤pH值多升高了0.25～1.35个单位；在高铜污染下，商陆炭处理土壤pH值升高了0.33～1.52个单位，较玉米炭土壤pH值多升高了0.3～1.25个单位。向污染土壤中添加两种生物炭均能够显著降低土壤有效态铜的含量。其中，在低铜污染土壤中，4%玉米炭和商陆炭处理土壤有效态铜含量分别降低了21.9%和45.2%；在高铜污染土壤中，4%玉米炭和商陆炭处理土壤有效态铜含量分别降低了41.9%和53.8%。两种生物炭均能够显著降低小油菜铜累积量，向低铜污染土壤中添加4%的玉米炭和商陆炭，小油菜地上部铜含量下降了21.2%、67.8%。高污染土壤中添加4%的玉米炭和商陆炭小油菜地上部铜含量下降了19.9%、66.8%。两种生物炭均可以改良红壤的酸度，降低土壤铜有效性，并提高小油菜的生物量，降低小油菜铜累积量，但是商陆炭的效果更为明显。     

生物炭对杉木人工林土壤碳氮矿化的影响

为探讨杉木生物炭输入到土壤中后对土壤碳、氮矿化的影响和机制,通过室内培养实验,研究了单独施用生物炭、凋落物及其配合施用下土壤碳、氮矿化的特征以及可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量的变化。结果表明,生物炭单独施用或与凋落物同时添加到土壤中,均增加了土壤有机碳含量且抑制了土壤有机碳和/或凋落物的矿化。生物炭对DOC的吸附效应导致土壤可利用态碳显著降低,且单独添加生物炭后,土壤微生物生物量碳含量在培养初期显著降低,故这种吸附效应可能是生物炭抑制土壤有机碳矿化的重要原因之一。生物炭单独添加到土壤中在培养结束后(90 d)并未改变土壤氮的矿化量,但在培养过程中,却降低了土壤氮的矿化;然而,无论是否存在生物炭,添加凋落物均显著降低了土壤氮的矿化并增加了微生物生物量氮。这说明,无凋落物存在的情况下,生物炭的固氮效应呈现出短期效应。     

改性生物炭的制备及其在环境修复中的应用

生物炭具有较大的孔隙度和比表面积,吸附能力强,在环境污染修复、土壤改良和固碳方面应用广泛。由于高温热解过程会使生物炭官能团数量减少而降低其对某些特定污染物的吸附性能,同时,由于原始生物炭存在固液分离难的问题,通过改性生物炭提高其理化性质,并应用于环境修复受到了学术界和工业界的广泛关注。然而,目前针对改性生物炭的制备及其在土壤和水体修复中的应用综述较少。本文对近年来有关改性生物炭的文献进行了系统分析,总结生物炭的改性方法,简要阐述改性生物炭在环境(土壤和水体)污染修复中的应用,并深入探讨了磁性生物炭作为吸附剂和催化剂在水污染处理中的应用现状,最后对改性生物炭的研究方向提出了展望。     

生物炭复配调理剂对镉污染土壤性状和小白菜镉吸收及其生理特性的影响

【目的】研究生物炭复配调理剂(由生物炭与泥炭、石灰混合配制而成)修复中轻度镉(Cd)污染农田土壤的可行性,为其在中轻度Cd污染农田土壤上的应用提供科学依据。【方法】在网室进行生物炭复配调理剂的盆栽试验,设4个不同的用量梯度,分别为0(对照)、80、160、240 g/盆,分别用H0、H1、H2和H3表示,每盆用土4 kg,每处理4次重复,研究不同生物炭复配调理剂用量对土壤性状、小白菜Cd吸收及其生理特性的影响。【结果】生物炭复配调理剂能显著提高土壤pH、土壤微生物氮(MBN)含量和脲酶活性(P0.05,下同),同时显著降低土壤有效态Cd(DTPA-Cd)(最大降幅37.1%)、微生物碳(MBC)含量和酸性磷酸酶活性。生物炭复配调理剂能有效降低小白菜Cd吸收量(最大降幅85.7%),小白菜细胞中丙二醛(MDA)含量及超氧化歧酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性等抗逆性指标明显下降,同时小白菜Cd含量可降至0.10 mg/kg,符合食品安全标准;低用量(2%)的生物炭复配调理剂可使小白菜增产,高用量则不利于小白菜生长。【结论】生物炭复配调理剂可有效钝化土壤重金属Cd,改善土壤生化性状,显著减少小白菜对Cd的吸收,可应用于中低Cd污染农田土壤的修复,其最佳施用量宜为20~40 g/kg。     

生物质炭对砖红壤性质与养分及硝化作用的影响

土壤性质制约着作为氮转化重要环节的硝化作用,生物质炭显著影响与硝化作用密切相关的土壤性质,可能对硝化作用产生影响。本文利用培养试验研究生物质炭对砖红壤性质及硝化作用的影响。试验设生物质炭+淹水、生物质炭+75%田间持水量、空白+淹水及空白+75%田间持水量4个处理。研究表明,生物质炭能显著提高土壤pH值和有机碳含量以及N、P、K养分元素的有效性。水分条件差异影响生物质炭的作用效果,淹水更利于提高砖红壤的pH值,但显著降低了磷的有效性。添加生物质炭后,土壤硝化作用进程加速,硝化彻底。在利用生物质炭改良砖红壤时,应根据土壤改良目的调整土壤水分,以防硝态氮淋失风险和氨挥发的可能。     

生物炭及其复合材料的制备与应用研究进展

生物炭含碳量高,具有较大的孔隙度和比表面积,是天然的吸附材料,其吸附性能高、成本低廉,具有改良土壤、增加碳汇、修复环境污染等功能,被广泛应用于农业、生态修复和环境保护领域。近年来,越来越多的学者开始研究生物炭复合材料的制备,将生物炭与其他材料组合,利用物理、化学方法合成具有新性能、新结构的材料,提高吸附材料的性能。通过综述生物炭及其复合材料的制备、表征方法以及其在污染治理方面的应用,阐述了生物炭及其复合材料对水体和土壤中污染物的修复机制,在此基础上提出了将来研究高效生物炭吸附材料的重点和方向,以期为生物炭的大规模应用提供参考。     

尿素和生物质炭对茶园土壤pH值及CO2和CH4排放的影响

为明确生物质炭对酸化茶园土壤改良及温室气体排放的影响,利用室内培养试验,研究了在施氮(N1)和不施氮(N0)条件下,不同小麦秸秆生物质炭添加量(B1,10 g·kg~(-1);B2,30 g·kg~(-1);B3,50 g·kg~(-1))对茶园土壤pH值、CO_2和CH_4排放的影响。结果表明,添加生物质炭显著提高了茶园土壤pH值(P0.05),生物质炭施加比例越高,土壤pH值提高幅度越大,处理组N0B1、N0B2和N0B3土壤平均pH较对照组CK(氮和生物质炭都不施)分别提高了0.18、0.53、1.06个单位,生物质炭添加量为3%(B2)时,短期内可达到提高土壤pH值、改良酸化土壤的效果;CO_2和CH_4的累积排放量随着生物质炭添加比例的升高而增大,且显著高于对照组CK(P0.05)。施加尿素短期内显著提高了土壤pH值(P0.05),并促进了CO_2的排放,但对CH_4的排放无显著影响。与单施生物质炭相比,生物质炭与尿素共施时土壤pH提高幅度更大,CO_2累积排放量提高程度也更为显著,而CH_4的排放得到抑制,但仍显著高于对照组CK(P0.05)。生物质炭的添加在提高土壤pH值的同时也会增加CO_2和CH_4的排放量,增大环境风险,但当土壤酸化程度较轻时,可适当施加低量生物质炭,在缓解土壤酸化状况的同时尽可能地减少温室气体的排放量。     

生物质炭输入影响土壤氮素转化与氧化亚氮排放的研究进展

全球气候变暖的持续性和不确定性显著影响人类社会的可持续发展。大气氧化亚氮(N₂O)的持续增加是导致全球气候变暖的主要原因之一。土壤是氮素转化的重要场所和氮循环生物化学反应库,也是N₂O的重要排放源,土壤N₂O排放速率的变化会显著影响大气N₂O含量。生物质炭是指生物质在完全或部分缺氧的情况下经热裂解制备而成的芳香类化学物质,具有多孔性、强吸附性、化学稳定性、高pH和较大阳离子交换量等特性。生物质炭施入土壤后,会直接或间接影响土壤氮素的转化,并对土壤N₂O排放产生显著影响。本研究综述了生物质炭输入对土壤生态系统氮素转化与N₂O排放的研究进展,分别阐述了生物质炭输入对土壤无机氮动态变化、硝化作用、反硝化作用以及N₂O排放的影响,并从生物质炭吸附和减少氮素淋滤、影响土壤理化性质、土壤氨氧化菌的丰度和多样性以及反硝化菌功能基因等方面具体分析了影响上述过程的作用机制。在此基础上,对今后生物质炭在土壤增汇减排以及缓解温室效应方面的进一步理论研究和相关技术推广进行了展望。参109