生物炭固定化微生物修复污染土壤研究进展

生物炭固定化微生物技术具有高效、成本低和环境友好性的优点,在土壤修复中展现出巨大的应用潜力,成为目前的研究热点。本文在系统总结国内外生物炭固定化微生物技术修复污染土壤的最新研究进展基础上,重点分析了生物炭作为载体的适宜性,探讨了微生物筛选的重要性,对比分析了固定化方法（如吸附法、包埋法、交联法和共价结合法等）,探究了不同环境因素对生物炭固定化微生物技术修复污染土壤效果的影响,揭示了生物炭与微生物修复重金属和有机污染土壤过程中多种作用机制的协同效应,既包括生物炭作为固定化载体对微生物的保护及快速定殖作用,也包括生物炭对污染物的吸附作用,还包括微生物对污染物的降解作用。最后,对该技术在土壤污染修复中的应用提出了展望和建议。     

Co-application of compost or inorganic NPK fertilizer with biochar influences soil quality,grain yield and net income of rice

Most agricultural soils in sub-Saharan Africa are degraded, compromising the grain yield of rice and farmers return on investment. A 3-year field study was undertaken to explore the effect of the application of compost or inorganic NPK fertilizer applied alone or in combination with biochar on soil quality, grain yield of rice and net income. The five treatments were laid out using a randomized complete block design with four replications. The treatments were applied to supply approximately 75 kg N ha^–1. The best fertilizer input was compost+biochar which resulted in the greatest improvement in soil physico-chemical properties by reducing bulk density and increasing porosity and moisture retention, organic matter content, percent nitrogen, available phosphorus and cation exchange capacity. Apart from treatment with inorganic fertilizer alone, treated soils showed a decrease in pH. Bacterial and fungal counts and basal respiration decreased in soils in the following order: compost+biochar>compost only>inorganic NPK fertilizer+biochar>inorganic NPK fertilizer>control. The increase in pooled grain yield and net income in response to treatment followed the order: compost+biochar>NPK+biochar>NPK>compost>control. The findings suggest that the use of compost or NPK alone might improve soil quality and increase grain yield and net income, but it is greatly recommended to co-apply these fertilisers with biochar.     

生物炭老化对土壤重金属的固定效应研究进展

生物炭作为一种环境友好、稳定性强的钝化材料,因其巨大的比表面积、丰富的含氧官能团等特点成为目前修复重金属污染土壤的有效材料.然而,生物炭(改性)对重金属的固定能力及效应除受本身特性影响外,还受到材料老化过程及环境条件等因素的影响,导致生物炭(改性)固定土壤重金属的稳定性、持久性发生变化,从而使得生物炭材料的钝化性能受到影响.本文重点综述了当前生物炭(改性)及其老化产物对土壤重金属固定效应的相关进展,分析了生物炭及其老化产物固定重金属的相关机制及影响因素,并对生物炭及其老化过程可能带来的土壤重金属固定长效性影响,以及今后以此为基础的钝化技术的研发趋势进行了展望,以期为利用生物炭钝化修复重金属污染土壤及相关辅助技术研发提供支撑.     

稻田入土生物质炭自然陈化过程理化特性变化规律

为探究生物质炭入土后其长期理化特性变化,以水稻秸秆生物质炭为试验材料,通过分析长期定位试验田中的入土生物质炭样品,探究了稻田土壤中生物质炭的理化特性变化规律。结果表明,入土生物质炭颗粒随时间推移经历持续性物理破碎,平均孔径显著降低,入土11年后,生物质炭比表面积从初始的55.0 m²·g^-1增大到259.0 m²·g^-1,氢与碳的摩尔比从最初的0.423提升至0.568,不饱和度显著提升。入土生物质炭C=O（1 600~1 630 cm^-1）和C—O—C（1 080 cm^-1）的骨架振动强度和芳香族C—H（790 cm^-1）的平面振动均增强,其含氧官能团的类型和含量呈现明显增加的趋势。与此同时,入土生物质炭的可热降解组分占比不断提高,热稳定性逐渐降低。研究表明,与实验室老化模拟试验结果明显不同,受诸多外力作用和环境因素的影响,稻田中入土生物质炭的理化特性发生了更显著的变化,稳定性随着时间的推移逐年降低。因此,为精准科学评估稻田生态系统生物质炭化还田的固碳减排效应,开展入土生物质炭长期稳定性分析测试与相关评价模型研究十分必要。     

生物炭添加量对冬小麦花后干物质积累及转运的影响

【目的】提高微咸水灌溉效率并降低土壤盐渍化风险。【方法】以冬小麦为研究对象,设计避雨条件下不同微咸水-生物炭处理(CK,淡水;B0,5 g/L微咸水;B15,5 g/L微咸水及15 t/hm²生物炭;B30,5 g/L微咸水及30 t/hm²生物炭;B45,5 g/L微咸水及45 t/hm²生物炭)的田间试验,探讨了微咸水灌溉下生物炭添加量对土壤特性和冬小麦花后干物质积累及转运的影响机制。【结果】生物炭添加后土壤表层(0~20 cm)体积质量降低了2.27%~8.33%,总孔隙度增加了4.52%~13.47%,有机质量增加了30.02%~111.12%,土壤表层(0~20 cm)及主根区(0~40 cm)钠吸附比降低了23.88%~33.27%和22.34%~30.80%;15 t/hm²能够促进盐分淋洗,降低了微咸水灌溉下土壤含盐量,然而高剂量时将加剧盐分累积。单独微咸水灌溉下冬小麦生长受抑,最终产量下降了12.04%。生物炭能够缓解盐胁迫下叶片早衰,促进光合作用能力,并增加花前干物质转运量及花后干物质积累量,进而获取了更高的籽粒质量和收获指数。B15、B30、B45处理的最终产量较B0处理分别增加9.18%、7.73%、2.74%。【结论】15 t/hm²添加量的生物炭效果最佳,可促进微咸水资源的农业利用。     

咸淡轮灌和生物炭对滨海盐渍土水盐运移特征的影响

为利用滨海地区微咸水改良盐渍土,进行了不同咸淡水轮灌(淡淡、淡咸、咸淡、咸咸)和施用生物炭(0、15、30 t/hm^2)的室内入渗试验,探讨了咸淡轮灌和生物炭施用下滨海盐渍土水盐运移过程。结果表明:滨海盐渍土水分运动主要受初始入渗水质的影响,先咸后淡的轮灌方式更有利于土壤水分入渗,入渗速率增加了8.2%~46.9%,并小幅提高了土壤含水率;生物炭可促进咸淡轮灌下的水分运移,增加了相同时间内的湿润锋距离、累计入渗量、入渗速率及入渗后的土壤含水率,添加量为15 t/hm^2时入渗增益最佳,入渗速率提高了3.5%~22.0%;淡咸和咸淡处理的土壤含盐量均低于咸咸处理,脱盐率和脱盐区深度系数更高,咸淡处理可增加脱盐率,而淡咸处理可提高脱盐区深度系数;生物炭有利于咸淡轮灌下的土壤盐分淋洗,脱盐率和脱盐区深度系数分别提高了9.1%~15.0%和1.1%~7.5%,并增加了Ca^2+和Mg^2+含量,促进Na+淋洗,进而降低了微咸水利用风险,但在30 t/hm^2时盐分淋洗效果有所减弱。研究表明,添加15 t/hm^2生物炭配合微咸水-淡水轮灌能够改善滨海盐渍土的入渗特性、持水能力和盐分分布,可为该区盐渍土和微咸水开发利用提供参考。     

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。     

生物炭对京郊沙化地土壤性质和苜蓿生长、养分吸收的影响

通过田间试验研究了施用生物炭(14 t·hm^-2)和种植苜蓿对京郊沙化地的改良作用。试验设裸地(BL)、裸地添加生物炭(BLB)、种植苜蓿不加生物炭(A)和种植苜蓿添加生物炭(AB)四个处理。结果表明:添加生物炭使土壤容重显着减小11.5%~11.6%,pH值显着增加0.1~0.2个单位,田间持水量和总孔隙度分别增加9.1%~10.3%和7.6%~11.3%,土壤总氮、有机碳含量和氮、磷、钾、锌的有效含量分别增加10.3%~25.8%、52.8%~71.7%、12.7%~23.5%、141.7%~233.3%、47.7%~81.1%、94.2%~95.2%,有效铁含量最高减小29.1%,阳离子代换量(CEC)和钙、镁、锰、硼的有效含量无显着变化;种植苜蓿没有显着影响土壤pH值、容重、总孔隙度、田间持水量、CEC和氮、钙、镁、锌、硼的有效性,总体上显着减小了土壤含水量和总氮、速效磷、速效钾的含量,增加了铁和锰的有效含量。BLB处理土壤含水量比BL显着增加13.9%(P<0.05);添加生物炭使苜蓿地上部生物量、含水量和氮、磷、钾、钙、镁、铁、锌、锰、硼的吸收累积量分别显着增加91.1%、3.6%、110.0%、130.9%、200.4%、82.6%、44.8%、89.5%、102.7%、99.5%、104.7%.生物炭与苜蓿种植相结合可在短期内改善京郊沙化地土壤的理化性质、提高养分有效性和恢复植被。     

生物炭和石灰对红壤理化性质及烟草苗期生长影响的差异

我国南方红壤普遍存在酸性强、铝毒和有效养分含量低等特性,本文研究了生物炭和石灰对红壤理化性质及烟草生长的差异,为烟田红壤改良提供理论基础。采用盆栽试验,设置0、0.5%、1%、2%生物炭用量与传统石灰用量(0.3%)等5个处理,研究了其对红壤pH值、交换性铝和锰、有效态矿质养分含量,以及烟草农艺性状、烟叶矿质养分含量等的影响。结果表明:施用生物炭或石灰后,烟草株高、茎粗和叶片数目等农艺性状明显改善,生物量显著提高。0.5%和1%生物炭处理烟叶的N、P、K、Ca和Mg含量较对照处理明显提高,但2%生物炭处理,烟叶N含量比对照处理降低了9.3%。与对照处理相比,石灰处理中烟叶的N、P和Ca含量增加,K和Mg含量下降。施用生物炭和石灰均能够提高红壤pH值,降低其交换性铝含量;且施用生物炭土壤的碱解氮、速效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量均高于对照处理;而石灰处理仅交换性钙含量增加,交换性锰含量则减少。因此,施用生物炭和石灰均能促进红壤中烟草的生长,并有效改善红壤的理化性状。     

添加生物黑炭对茶园土壤CO2、N2O排放的影响

采用室内培养试验,研究了不同生物黑炭施用量对两种茶园土壤(红壤和黄壤)CO₂、N₂O排放特征的影响。生物黑炭用量设5个水平:H0(0 g·kg^-1)、H1(3.56 g·kg^-1)、H2(7.11 g·kg^-1)、H3(14.22 g·kg^-1)、H4(28.44 g·kg^-1).结果表明:红壤茶园土壤CO₂排放量显着高于黄壤,N₂O排放总量则低于黄壤;与H0处理相比,施用低量的生物黑炭(H1)对两种茶园土壤CO₂排放无显着影响;高量的生物黑炭处理(H3、H4)则显着增加土壤CO₂排放量,增幅为20%~47%(P<0.05).生物黑炭施用后(H2、H3、H4)明显降低两种茶园土壤N₂O释放速率及反硝化损失率,土壤N₂O排放总量降幅为37%~63%(P<0.05),反硝化损失量降幅22%~54%(P<0.05),且均随着生物黑炭施用量增加而增大。此外,从土壤pH值、无机氮含量和硝化率角度,探讨了生物黑炭影响茶园土壤CO₂和N₂O排放的因素。