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。     

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。     

水稻-大麦长期轮作体系钾肥效率及土壤钾素平衡

【目的】研究水旱轮作系统中土壤自然供钾力、钾肥利用率和土壤钾素表观平衡,为农田钾素的可持续性管理提供理论依据。【方法】设置不施肥（CK）、施氮磷肥（NP）和施氮磷钾肥（NPK）3个处理,利用20年稻麦水旱轮作定位试验数据,研究大麦和水稻地上部生物量、产量及籽粒和秸秆中含钾量对不同施肥处理的响应。【结果】在一年两熟和三熟制稻麦轮作系统中,20年不施肥（CK）的作物平均每年可生产籽粒8.24和9.22 t•hm-2,其相当于相应轮作体系平衡施肥（NPK）的75.6%和71.9%,因此施肥对作物产量提高的贡献率分别为24.4%和28.1%,施钾肥对作物籽粒产量提高的贡献分别为11.8%和14.0%。钾肥对旱季作物的增产贡献率高于水季,其中钾肥对大麦产量提高的贡献率平均为17.9%,比水稻的高36.1%。在一年两熟和三熟轮作制中,不施肥的作物平均每年从土壤中吸收的钾量相当于相应平衡施肥的59.1%和58.3%。作物地上部吸钾量的绝大部分来源于秸秆。其中大麦地上部吸钾量的81.7%来源于秸秆,水稻为74.2%-87.6%。旱季土壤钾素自然供应能力低于水季。大麦生长期平均每年土壤钾素自然供应能力为69.8%,比早稻、连作晚稻和单季晚稻分别低15.5%、19.7%和19.4%。随着试验时间的延长,大麦生长期土壤钾素自然供应能力以每年1.6%的速率降低,但水稻生长期土壤供钾能力在时间上没有显著变化,20年定位试验后仍维持在80%以上。尽管施钾肥降低了作物钾素内部利用率,但是年度间各施肥处理作物钾素内部利用率没有显著变化。在平衡施肥条件下,每吸收1 kg钾素,大麦、早稻、连作晚稻和单季晚稻可生产籽粒平均为42.4、44.7、41.3和44.8 kg。每施入1 kg钾肥可生产籽粒分别为83.5、79.7、71.6和69.7 kg。旱季钾肥效率高于水季。在一年两熟轮作制中钾肥表观利用率平均为29.5%,而在一年三熟轮作制中,表观利用率可达41.5%。由于作物对钾素不断的吸收,造成在一年两熟和三熟水旱轮作系统中不施肥（CK）的土壤每年钾素亏缺148.2和182.7 kg•hm-2,而且施氮磷肥加速了土壤钾素的耗竭,每年多携带走钾素57.8和65.0 kg•hm-2。尽管施钾肥缓解了土壤钾素不足,但在一年两熟和三熟轮作制中施钾土壤平均每年仍亏钾分别为146.5和85.5 kg•hm-2。【结论】在水旱轮作系统中,水稻生长期土壤供钾能力高于麦季,但旱季钾肥的利用效率高于水季,在年施钾量（K2O）187.5 kg•hm 2的条件下,土壤钾素仍表现亏缺,因此,应该重视土壤钾素平衡问题。     

猪粪炭对茶园土壤硝化过程及微生物酶活性的影响

为探讨猪粪炭对茶园土壤的改良作用，通过35 d的好气密闭培养实验，研究猪粪炭施加对茶园土壤的硝化过程、温室气体N₂O排放及土壤微生物酶活性的影响。结果表明：施加猪粪炭可以改善茶园土壤的酸性环境，显著提高土壤pH，使其更适宜茶树的生长；茶树是典型的喜铵厌硝植物，较高的硝铵比不利于茶树的生长，低、中量猪粪炭施加显著增加土壤pH，并未促进茶园土壤的硝化作用，且显著降低土壤N₂O累积排放量高达41.2%~58.7%；高量猪粪炭施加显著增加茶园土壤净硝化速率，降低N₂O累积排放量62.4%；猪粪炭施加显著提高土壤FDA水解酶、脲酶及脱氢酶活性。研究表明，适量猪粪炭的添加可以改善茶园土壤的酸碱环境和微生物活性，促进土壤的生物化学反应和土壤养分元素的循环，从而提高土壤养分的可利用性和土壤质量。     

生物质炭化技术及其在农林废弃物资源化利用中的应用

随着科学技术不断进步和农村经济快速发展,包括农作物秸秆在内的各种农林废弃物总量和种类显著增加,农林废弃物的高效处理及资源化利用已成为制约农业可持续发展的一个难题。生物质炭化技术是近年来新兴的农林废弃物资源化利用新技术。该技术主要通过将农林废弃物生物质炭化并以稳定的碳形式固定形成新型的生物炭产品。生物炭不仅在固碳减排、改良土壤与肥料增效方面具有良好作用,而且在土壤修复与水污染处理等一系列环境资源领域中也具有广阔的应用前景。本文阐述了我国农林废弃物资源化利用的现状以及生物质炭化及生物炭物理化学性质特征,重点探讨生物炭产品在农业及环境资源领域的应用现状与发展前景,并对生物炭技术领域及其在未来农业及环境中的应用进行展望,旨在为农林固体废弃物高效资源化提供新的思路,为农林废弃物的高效循环处理利用提供新的模式。     

羊栖菜生物炭对镉污染土壤性质及镉形态的影响

为了研究生物炭对实际镉(Cd)污染土壤理化性质和Cd化学形态的影响,首先以海洋生物质(羊栖菜)、农林废弃物(水稻秸秆、山核桃壳)为原料制备了三种生物炭,并比较了三种生物炭对水溶液中Cd的吸附效果,从而优选出对Cd吸附最佳的生物炭。通过在Cd污染的土壤中施用不同用量的优选生物炭,测定污染土壤基本理化性质和Cd化学形态的变化,初步探讨了生物炭对实际Cd污染土壤理化性质和土壤Cd污染的钝化效果。结果表明,三种生物炭中羊栖菜炭对重金属Cd的吸附效果最佳。污染土壤添加羊栖菜炭后可以明显提高污染土壤p H、有效磷、速效钾、全氮和有机质,且随添加量增加而幅度增大。不同量的羊栖菜炭的施入均有效降低了污染土壤有效态Cd含量,使得土壤重金属Cd由交换态向碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态转化。综上所述,羊栖菜炭显著降低了土壤重金属Cd的生物有效性和生态毒性,从而显著降低重金属Cd的危害。     

生草栽培对桃园土壤养分特性及细菌群落的影响

为了研究生草栽培方式对土壤养分特性及细菌群落多样性的影响,探讨桃园生草栽培的土壤生态机理,在浙江杨渡桃园培育区设计了套种黑麦草、套种毛苕子和清耕杂草（对照）3个处理,并采集不同样地表层土壤进行分析。结果表明,在套种黑麦草、毛苕子8个月后,桃园土壤(0~20 cm)的有机质、全氮、速效钾和速效磷等指标,没有随着套种带来的土壤养分竞争增加而减少;相反,有机质、全氮等出现增加的趋势。同时,通过变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术,对不同生草桃园土壤细菌群落多样性表征得到,与清耕杂草土壤管理方法比较,套种牧草后土壤细菌群落多样性有所提高,优势菌群数量增加幅度明显,尤其是套种毛苕子。研究表明,黑麦草、毛苕子套种对维护桃园土壤肥力、减少土壤中养分元素淋失和提高土壤的细菌生物多样性等方面都具有重要的作用。     

蛭石改性水稻秸秆生物炭在土壤中的短期降解

稳定性是生物炭发挥固碳功能的基础,探究生物炭在土壤中的降解特征具有重要的现实意义。以水稻秸秆为生物质原料,在不同炭化温度和蛭石改性条件下制得一系列生物炭,探索其稳定性变化规律,并通过实验室恒温培养试验,研究了蛭石改性和未改性水稻秸秆生物炭在红壤、水稻土中的短期降解行为及其影响因素。水稻秸秆生物炭的碳含量随炭化温度的升高而增加,经蛭石改性后降低了20.3%～32.6%。当炭化温度从300℃升高至700℃时,生物炭的可溶性有机碳(DOC)含量表现为先增后减的变化趋势,在400℃时为最大值,700℃时为最小值。蛭石改性降低了所有生物炭的DOC含量。生物炭的H/C随炭化温度升高而降低,且经蛭石改性后有所降低。与300℃生物炭相比,700℃未改性和蛭石改性生物炭的热损失量分别降低了56.1%和56.8%。蛭石改性使生物炭的热损失量降低14.8%～45.6%。水稻秸秆生物炭的含碳官能团主要由芳香碳、烷氧碳与非取代脂肪烃组成,其中芳香碳含量最高;随着炭化温度的升高,生物炭中的芳香碳含量增加,烷氧碳与非取代脂肪烃含量下降;蛭石改性增加了生物炭中的芳香碳含量。与红壤相比,水稻土中生物炭的碳含量更低;与淹水条件相比,干旱条件下土壤中生物炭的碳含量更低。结果表明,蛭石改性在降低生物炭中碳含量的同时增加了生物炭的稳定性。相比于红壤,生物炭在水稻土中的碳降解速度更快;相比于淹水条件,干旱条件下生物炭的碳降解速度更快。综合来看,蛭石改性为显著影响生物炭在土壤中发生碳素降解的最主要因素,其次为土壤类型,水分状况的影响相对较弱。     

不同生物炭对氮的吸附性能

为探究不同类型生物炭对氮的吸附性能,寻求最佳的氮素吸附材料,本文选择稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭作为吸附剂,开展不同pH环境、反应时间、初始浓度及生物炭添加量条件下的吸附实验,研究生物炭对硝酸铵溶液中氮的最佳吸附条件,并对结果进行等温吸附拟合与吸附动力学研究。结果表明:3种生物炭对硝酸铵溶液中的氮均有一定的吸附效果,且pH环境、反应时间、初始浓度及生物炭添加量均影响生物炭对氮的吸附量。生物炭添加量为0.05 g时,在pH环境为9、吸附时间为3 h、初始浓度为100 mg·L-1的条件下,平衡吸附量达到最大,稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭在此条件下的最大吸附量分别为23.79、13.00 mg·g~(-1)和17.60 mg·g~(-1),表明稻壳炭对氮的吸附效果最佳;Langmuir方程能更好地拟合3种生物炭对氮的等温吸附过程,表明生物炭对氮的吸附主要是单分子层吸附;准二级动力学模型能更好地描述3种生物炭吸附氮的动力学过程,表明生物炭对氮的吸附为化学吸附。综上说明,稻壳炭在最佳吸附条件下可吸附较多氮素,有望作为一种良好的吸附剂应用于土壤和水体氮素污染治理。     

生物炭及改性生物炭的制备与应用研究进展

生物炭因具有制备原料来源广泛、比表面积大、孔隙发达、富含碳素、表面官能团丰富等特点而被广泛用于土壤改良、污染物去除、固碳减排等方面。近年来,研究发现将生物炭进行物理、化学或生物改性,会强化生物炭功能,有利于生物炭的高效利用。本文综述了生物炭及改性生物炭的制备,理化性质分析及其在土壤、水体、大气中的应用,并将改性前后生物炭进行比较,客观分析了目前生物炭应用所存在的实际问题,为生物炭及改性生物炭的制备、功能强化及拓展应用提供了一定的理论依据。