小麦秸秆生物质炭对碱性土壤中油菜生长和镉吸收的影响

为探讨小麦秸秆生物质炭对镉（Cd）污染碱性土壤的修复效果,采用序批式吸附试验和Cd污染土壤盆栽试验,研究了小麦秸秆生物质炭施用（1%,m/m）对碱性土壤吸附Cd的影响,以及对Cd污染土壤中油菜生长和Cd吸收的影响。结果表明：Cd在生物质炭上的吸附等温线非线性较强,生物质炭对Cd的表面吸附起主导作用,Cd在生物质炭上的分配系数（K_d）是在土壤上的1.5~3.0倍。生物质炭施用可促进土壤对低浓度Cd的吸附,0.1 mg·L^-1平衡浓度下K_d值提高了19.5%;生物质炭施用可抑制土壤对高浓度Cd的吸附,在10 mg·L^-1条件下K_d值降低了37.2%。生物质炭施用对土壤pH值影响不显著,但缓解了Cd污染对油菜生长的抑制作用,油菜生物量最高提高了45.0%,也抑制了油菜对Cd的富集,油菜富集Cd的量最高降低了40.6%;CaCl₂、Mg（NO₃）₂、NH₄OAC、HCl、DTPA和BCR1作为提取剂提取出土壤中Cd的量与油菜地上部分吸收Cd的量相关性较强（线性回归方程决定系数R²> 0.8）,而Mg（NO₃）₂萃取出土壤中Cd的量更能预测油菜地上部分吸收Cd的量。研究表明,小麦秸秆生物质炭有利于降低碱性土壤中Cd的生物有效性,但并非通过提高土壤pH值和吸附能力来实现。     

原料、炭化温度和生物质炭组分对小白菜生长的影响

【目的】探究不同原料、炭化温度和生物质炭不同组分对植物生长的影响,进而揭示生物质炭的增产机制。【方法】分别以木屑和玉米秸秆为原料,在350、450、550℃下裂解得到生物质炭。采用热水浸提法将生物质炭中的可溶性组分（浸提液）与难溶性组分（炭骨架）分离。通过盆栽试验,研究不同生物质炭及组分对小白菜生长的影响。【结果】添加玉米秸秆生物质炭及其各组分处理下,小白菜地上部生物量平均为16.1 g/盆,显著高于添加木屑生物质炭及其各组分（13.0 g/盆）和对照处理（13.5 g/盆）。与地上部生物量类似,添加玉米秸秆生物质炭及其各组分处理下小白菜根长、根表面积、根体积和根尖数等形态学指标较木屑生物质炭和对照处理显著改善。添加炭骨架处理下小白菜地上部生物量平均为16.5 g/盆,较添加原状生物质炭和浸提液分别提高26.9%和17.9%。添加炭骨架处理下小白菜根长、根表面积、根体积和根尖数较添加浸提液处理分别提高64.1%、51.1%、38.3%和80.0%。不同炭化温度裂解得到的生物质炭对小白菜地上部生物量和根系生长无显著影响。与添加原状生物质炭处理相比,添加炭骨架处理下小白菜地上部氮含量提高25.9%,而磷和钾含量分别降低39.7%和14.1%。添加玉米秸秆生物质炭及其各组分处理下土壤pH、有机碳、全氮、速效磷和速效钾含量较添加木屑生物质炭处理分别提高0.1个单位、20.3%、19.1%、29.1%和189.2%。与添加原状生物质炭相比,添加生物质炭骨架处理下土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾含量分别降低14.6%、6.6%、41.3%和55.1%,土壤pH升高0.13个单位;而添加生物质炭浸提液处理下土壤有机碳、全氮和速效磷含量分别降低49.8%、18.9%和24.2%,土壤pH和速效钾含量无显著变化。相关分析表明,不同处理下小白菜地上部生物量与根长、表面积、平均直径、根体积、根尖数等根系形态指标和土壤pH呈正相关,与小白菜地上部磷含量呈负相关。【结论】生物质炭制备原料和组成是影响植物生长的重要因素,玉米秸秆生物质炭较木屑生物质炭有更好的增产效果;玉米秸秆生物质炭经热水浸提后再添加至土壤中有更好的增产效果。生物质炭中可溶性组分对根系生长的促进作用是生物质炭增产的主要机制,而可溶性组分对根系促生作用与原料、制备温度和其本身物质组成密切相关。     

不同土壤改良剂对土壤养分及烤烟内在品质的影响

为探讨不同土壤改良剂对植烟土壤和烤烟品质的改良效果,设置不施用肥料（CK）和分别施用聚丙烯酰胺（T1）、生物炭（T2）和高碳基有机肥（T3）共4个处理,采用大田试验研究了不同处理对烤烟农艺性状、土壤理化性质、烟叶内在品质和经济性状的影响。结果表明,T3处理烤烟具有更高的生长指标,尤其在最大叶面积上显著高于T1和T2处理,增幅分别为17.06%和14.48%;T3处理土壤电导率显著增高,较T1和T2处理分别提高了83.38%和85.82%;T2处理土壤有机碳含量最高,相比于T1和T3处理,增幅分别为113.60%和53.45%;相比于CK,T3处理土壤细菌数量显著提高了10.44%,真菌数量显著降低17.51%;与CK相比,T2和T3处理显著提高了烟叶总糖、还原糖、钾含量和糖碱比、钾氯比,烟叶氯含量不同程度降低。T3处理下烟叶总糖、还原糖和钾含量较T1处理显著提高了8.22%、12.67%和5.26%;在产量、产值指标上,T3处理较T1和T2处理分别显著提高了14.29%和7.01%、20.81%和12.62%。说明施用土壤改良剂能不同程度提高土壤养分和烟叶内在品质,以高碳基有机肥处理效果最佳。     

老化秸秆生物炭对诺氟沙星吸附特性的研究

为研究老化秸秆生物炭的性质及对水中诺氟沙星的吸附特性,本研究将新鲜生物炭进行自然老化、冻融循环老化和高温老化,通过元素分析、扫描电镜和红外光谱分析老化前后生物炭的组成和结构特性变化,研究老化生物炭对诺氟沙星的吸附机理以及pH、离子类型和离子浓度对吸附效果的影响。结果表明：不同老化方式均使生物炭的C元素含量降低,O元素含量显著增加,极性增加,芳香性降低,其中高温老化影响最大。高温老化使生物炭表面的—OH和C=C明显减少,冻融循环老化使—OH数量增加,自然老化对生物炭表面官能团影响较小。老化使生物炭表面破损、孔道塌陷,生物炭上的吸附点位被阻塞,不利于对诺氟沙星的吸附。老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附更符合准二级动力学模型,等温吸附拟合发现,Langmuir模型能更好地拟合诺氟沙星在生物炭上的吸附过程。自然老化、冻融循环老化和高温老化分别使生物炭的吸附量降低了5.50%、7.70%、14.80%;在背景液pH 3.0~11.0范围内,老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附量随pH增大先升高再降低,当pH为7.0时,吸附量达到最大值。阳离子价态越高,离子浓度越大,老化后生物炭对诺氟沙星的吸附量越小。研究表明,老化对生物炭的理化性质和吸附抗生素的能力均有影响,因此在使用生物炭去除目标污染物时需要考虑环境因素的影响。     

不同粒径生物炭和微塑料共存对菲吸附的影响

为研究环境中生物炭和微塑料之间的相互作用对有机污染物吸附产生的影响,选取两种粒径范围[0.85~2.00 mm（L）和0.11~0.18 mm（S）]的小麦秸秆生物炭（BC）和聚乙烯微塑料（PE）,对其性质进行表征,并测定了吸附平衡溶液中溶解性有机碳的浓度和组成,研究了其单独和共存时吸附菲的行为。结果表明：同种颗粒物不同粒径间的差异主要体现在总比表面积、孔结构和表面官能团数量;SBC的总比表面积（216.32 m²·g^-1）约是LBC（2.31 m²·g^-1）的100倍,而LBC的平均孔径（8.92 nm）约是SBC（2.28 nm）的4倍;SPE的总比表面积（0.17 m²·g^-1）是LPE（0.07 m²·g^-1）的2倍多。SBC羟基振动峰（3 400 cm^-1）的强度显著高于LBC;SPE亚甲基振动峰的强度高于LPE。吸附等温线结果显示,颗粒物对菲的吸附均符合Freundlich模型（R²>0.94）;单一颗粒物吸附菲能力（lg K_f）的顺序为SBC>SPE>LPE>LBC;当生物炭与聚乙烯微塑料共存时吸附能力强于单一颗粒物,并且高于两相Freundlich模型预测值,说明菲在生物炭与聚乙烯微塑料混合颗粒物上的吸附不是独立的;同时,混合颗粒物吸附平衡溶液中溶解性有机碳的浓度和芳香度明显下降,并且溶解性有机碳浓度与颗粒物的lg K_f显著负相关,说明不同颗粒物对菲的吸附不仅受颗粒物表面性质的影响,还受溶解性有机碳的控制。     

生物炭对污泥-菌渣堆肥腐殖化与重金属钝化的影响

为探讨生物炭对市政污泥堆肥腐殖化和重金属钝化的影响,将市政污泥和菌渣按照湿质量比1:0.7进行混合,设置3个堆体进行好氧堆肥:处理组堆体分别添加混料干质量5%和10%的生物炭(记为BC5、BC10);对照组(CK)堆体不添加生物炭。结果表明:添加生物炭可延长高温时间,促进堆肥中富里酸向大分子胡敏酸转变,降低水溶性有机物含量,促进堆体腐熟。添加生物炭的堆体对重金属的钝化效果均优于CK组,BC5对可交换态Cu、Pb钝化效果较好,钝化率分别为78.12%、97.82%,BC10对可交换态Cr、Ni、Zn钝化效果较好,钝化率分别为66.64%、5.88%、19.76%;堆肥后Cu、Pb、Cr残渣态分配率增加量大小顺序为BC10>BC5>CK,Ni、Zn残渣态分配率增加量大小顺序为BC5>BC10>CK。Cu、Cr、Pb、Zn可交换态分配率均与水溶性有机物和富里酸呈极显著正相关(P<0.01),与胡敏酸呈极显著负相关(P<0.01)。研究表明,添加生物炭有利于堆体腐殖化和重金属钝化,且两者存在相关性。     

稻秆及稻秆生物炭添加对稻田红壤有机碳组分及CH4和CO2累积排放量的影响

为明确稻秆生物炭添加对稻田红壤有机碳组分及CH₄和CO₂累积排放量的影响过程与机制,本研究以稻田红壤为对象,通过室内培养试验,按土壤质量的1%等碳添加量设置对照(CK)、稻秆(RS)及300、400℃和500℃下制备的稻秆生物炭(RSB300、RSB400、RSB500)5个处理,对比分析了稻秆及稻秆生物炭添加0、30 d与120 d时,稻田红壤中可溶性有机碳(DOC)、总有机碳(TOC)、游离态粗颗粒有机碳(fcPOC)、游离态细颗粒有机碳(ffPOC)、闭蓄态颗粒有机碳(oPOC)、游离态矿物结合态有机碳(fMOC)及闭蓄态矿物结合态有机碳(oMOC)的变化差异,并探讨了稻田红壤CH₄和CO₂累积排放量与各有机碳组分含量的相关关系。结果表明:稻秆生物炭添加后稻田红壤中DOC、TOC、fcPOC、ffPOC、oPOC和fMOC含量均显著增加;其中,oPOC与oMOC含量随着培养时间的增加而显著增加,但fcPOC与fMOC含量则显著降低(P<0.05)。与CK处理相比,RS处理的稻田红壤中CH₄和CO₂的累积排放量均显著且持续增加;RSB各处理的稻田红壤中CO₂的累积排放量显著降低;只有RSB300和RSB400处理的稻田红壤中CH₄的累积排放量显著增加,且在培养120 d时分别增加了188.5%和32.7%(P<0.05)。相关性分析表明,添加稻秆及稻秆生物炭的稻田红壤中CH₄和CO₂累积排放量虽与DOC、ffPOC和fcPOC含量均呈极显著正相关关系,但其中DOC和fcPOC含量起主导作用(P<0.01)。研究表明,添加稻秆生物炭可以有效提高稻田红壤中各有机碳组分的含量与稳定性,且500℃热解制备的稻秆生物炭添加对稻田红壤中CH₄、CO₂累积排放量抑制效果最好。     

金属氧化物改性生物炭对镉污染土壤菠菜生长和镉积累的影响

对重金属具有良好吸附能力的金属氧化物改性生物炭材料是近年来热门的土壤修复材料,然而关于不同金属氧化物改性生物炭对土壤中Cd钝化的研究较少。本研究采用Cd污染农田土壤开展菠菜盆栽试验,研究了铁氧体改性生物炭、磁铁矿改性生物炭和水滑石改性生物炭对菠菜生长和Cd积累的影响。结果表明：在施用量均为5 g·kg^-1的条件下,金属氧化物改性生物炭处理可显著提高土壤pH和有机质含量。与对照相比,铁氧体改性生物炭、磁铁矿改性生物炭和水滑石改性生物炭使土壤DTPA-Cd含量分别降低了23.4%、24.8%和37.1%,生物富集系数降低了4.00%、13.3%和65.0%。此外,水滑石改性生物炭使植株干质量增加4.27倍,显著降低了Cd积累量（59.5%）。金属氧化物改性生物炭能提高土壤pH,增加土壤有机质含量,降低土壤Cd的有效性和移动性,提高土壤质量,进而促进菠菜的生长和抑制菠菜对Cd的积累。研究表明,水滑石改性生物炭在促进菠菜生长和钝化土壤Cd方面具有较大优势。     

基于猪粪水热炭化的生物炭性能及残液成分分析

为系统研究不同炭化温度条件下猪粪水热炭化规律,本研究以猪粪和发酵猪粪为供试材料,采用水热炭化工艺在系列温度条件下（180、240℃和300℃）制备生物炭,对其元素含量、热稳定性、孔隙结构、表面官能团等理化性质进行表征,并对水热炭化残液进行成分分析。结果表明,猪粪生物炭和发酵猪粪生物炭均具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团等优良特性,其H/C原子比和热失重率均随炭化温度升高而减小,表明热化学稳定性随炭化温度升高而增强。水热炭化残液的成分主要包括有机酸、醇、酯、醛、吡嗪、苯酚等物质,较高炭化温度条件下残液中化合物种类更丰富。与猪粪相比,发酵猪粪水热炭化残液的成分仍然以酚、烯、酮类物质为主,但呋喃、吡啶、吡嗪类毒性化合物消失。研究表明,发酵猪粪在300℃条件下水热炭化的残液用作液态肥料的安全性更高,在资源化利用方面更具优势。     

氮素调控对玉米氮素同化过程及产量的影响

氮素调控措施与作物氮素吸收利用和产量密切相关,但目前关于不同氮素调控措施对玉米主要生育期氮素同化过程的影响仍不清楚。以郑单958为试验材料,设置不施氮肥（CK）、传统施肥（CN）、氮肥+生物炭（SN）和氮肥+硝化抑制剂DMPP（DN）4个处理,分析不同氮素调控对玉米氮素同化过程中铵态氮和硝态氮含量、硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性、游离氨基酸和可溶性蛋白含量以及氮素利用率和产量的影响。结果表明：DN和SN处理较传统施肥处理均可以提高玉米植株体内硝态氮和铵态氮含量、NR和GS活性;DN和SN处理显著提高灌浆期谷氨酸、游离氨基酸和可溶性蛋白含量;DN处理成熟期籽粒的氮素积累量显著高于SN和CN处理,分别显著增加18.4%和30.0%;DN处理产量最高,SN次之,二者并无显著差异,但相较CN处理分别显著增产1 483.0和1 154.2 kg·hm^-2。两种氮素调控均促进了玉米对氮素的吸收,显著提高氮肥吸收利用率,其中硝化抑制剂处理氮肥吸收利用率最高且显著高于其他处理。综上,生物炭或硝化抑制剂配施氮肥,可以促进玉米氮素同化和转运过程,显著提高玉米产量和氮肥利用效率,综合产量、籽粒氮素积累量和氮肥吸收利用率,硝化抑制剂配施氮肥可作为淮河流域玉米高产高效的栽培措施。