生物炭强化有机废弃物厌氧发酵技术研究

厌氧发酵是中国有机废弃物处理的重要技术途径,但利用厌氧发酵技术在高负荷条件下处理有机废弃物过程中,因有机酸、氨氮等抑制性物质作用,易导致厌氧发酵运行不稳定,处理效率不高等问题。生物炭是生物质材料在无氧或缺氧条件下经高温热解形成的多孔径碳质材料,具有比表面积高,孔隙结构复杂,表面活性基团丰富和导电性强等特性,并被广泛用于厌氧发酵技术研究。近年来国内外研究表明,生物炭能有效强化厌氧发酵,提高厌氧发酵过程中有机废弃物的处理效率。然而,对于生物炭强化厌氧发酵技术途径,目前仍未见系统的梳理和报道。该文对生物炭材料的化学组成、孔隙结构、表面官能团关键因素及生物炭强化厌氧发酵技术的重要途径进行了系统分析和归纳,从生物炭材料的理化性质出发,阐述了生物炭对于厌氧发酵技术的强化效果及强化途径,强化途径主要包括:提升系统缓冲能力、微生物载体作用和强化电子传递等,在此基础上提出了今后生物炭强化有机废弃物厌氧发酵技术的重点研究内容和方向,为开发厌氧发酵强化技术提供指导。     

生物炭和炭基肥在烟草农业的应用及展望

烟草是我国重要的经济作物,烟叶提质增效及绿色清洁生产是烟草农业绿色发展的必然趋势.烟秆炭化还田是实现烟秆资源化利用和环境友好发展的双赢途径.生物炭较大的比表面积、发达的孔隙结构、丰富的官能团、稳定的环状结构以及良好的吸附特性赋予其改良连作障碍烟田土壤、重建健康微生物生境的潜力.炭基肥融合了生物炭与肥料各自的优点,同时具...     

生物炭基肥在我国的制备和应用研究进展

生物炭基肥是实现农作物秸秆资源化利用的一种绿色肥料,因其在农业生产中能够显著提高作物产量和品质而受到广泛关注.然而,生物炭基肥的制备过程影响生物炭基肥的缓释、成型和其他功能性效果,进而对作物产量和品质产生的影响缺乏系统而全面的报道.从生物炭原料、炭肥比、制备方法和制备工艺改性研究4部分阐述了生物炭基肥的制备过程对生物炭...     

不同来源生物质废弃物热解炭化农业应用潜力分析:生物质炭产率、性质及促生效应

  【目的】  中国农业生物质废弃物种类多、数量大,且存在病原菌、农药和抗生素残留等潜在生态和环境风险。热解炭化作为一种废弃物的安全处理方法,其生物质炭的循环得率、性质及其土壤改良和促进作物生长的效应还需系统的比较研究。  【方法】  本研究选取作物生产来源的原生生物质、养殖业来源的次生生物质、食品加工处理的残余生物质等共26种生物质废弃物原料,在同一条件下炭化,分析不同来源原料热解后生物质炭产出率与性质。以小白菜 (Brassica campestris L. ssp.) 为试材进行盆栽试验,研究生物质炭对作物生长及土壤改良效应,进而评估这些废弃物炭化农业循环的应用潜力。  【结果】  供试26种废弃物炭化后的生物质炭产出率介于22%～71%,有机碳循环回收率介于22%～81%,氮素循环回收率介于21%～67%。26种废弃物生物质炭的pH和阳离子交换量差异较小 (变异系数10%左右),总有机碳、氮、水分、灰分含量等差异较大,变异系数在60%～70%;而不同原料生物质炭的电导率和溶解性有机碳含量变化极大,变异系数大于90%。生物质炭盆栽试验中,生物炭添加1%,小白菜生物量提升效应介于–34%～314%,变异系数大于100%;小白菜品质提升效应介于–14%～228%,变异系数为59%;土壤肥力提升效应介于20%～360%,特别是土壤有效磷含量提升幅度在0～24倍,均值为359%。同时,生物质炭产出率与生物质炭中灰分呈显著正相关,生物质炭的碳氮回收率与原料中碳氮含量呈显著正相关;不同原料热解炭化的质量回收率、碳氮回收率与小白菜产量及品质等指标间变化差异较大,在小白菜产量效应和品质效应间,部分生物质炭存在抵消作用,而另一部分生物质炭表现为协同作用。  【结论】  综合考虑热解炭化的生物质炭化循环率及碳氮回收循环率和土壤质量–植物生长协同提升效应,供试26种原料中,蚕砂、稻壳牛粪、骨粉、双孢菇渣、兔粪、羊粪和玉米渣的炭化循环率和土壤质量–植物生长协同提升幅度较高 (> 50%),为优先炭化农业利用的生物质废弃物;而木糖渣、稻壳粉、椰渣、高粱酒渣、核桃皮、蚓粪和红茶渣等废弃物热解炭化,因炭化循环率较低,或者土壤质量–植物生长提升的不一致效应,认为不宜炭化农业利用;而其余废弃物热解炭化后的效应介于上述两类之间,具有较高的炭化循环率和一定程度的土壤质量–植物生长协同提升效应,属于可炭化农业利用的生物质废弃物。     

生物炭–过氧化钙复合颗粒对酚酸胁迫下番茄生长和根际微生态的调控效应

【目的】酚酸胁迫是造成番茄连作障碍的主要因素之一。本研究探讨了生物炭–过氧化钙复合颗粒(简称复合颗粒)作为土壤改良剂缓解番茄酚酸胁迫的效果和机理。【方法】供试番茄品种为千禧圣女果,供试土壤为赤红壤。盆栽试验共设5个处理：常规栽培(CK),酚酸胁迫处理(T1),添加外源酚酸的同时分别添加生物炭–过氧化钙复合颗粒(T2)、生物炭颗粒(T3)、过氧化钙颗粒(T4),其中土壤酚酸胁迫浓度为140μg/g。在番茄移栽后30和120天,测定了番茄生长和生理指标。在收获期,调查果实产量与品质,分析根际土壤理化性状,并使用高通量测序技术解析番茄根际土壤中细菌和真菌的群落结构特征。【结果】施用复合颗粒(T2处理)能够增强番茄根系活力,促进植株生长发育;单株番茄果实产量、单果重和糖酸比分别比T1处理增加了13.8%、20.1%和52.6%。与T1处理相比,T2处理番茄收获期根际土壤中残余总酚酸含量下降了44.6%,电导体(EC)值下降17.7%,pH提高0.77个单位,有机质含量增加77.4%。复合颗粒处理能够改善酚酸胁迫下番茄根际土壤微生物群落结构,使细菌多样性提高,真菌多样性降低,并有效恢复微生物群落...     

生物炭调理酸化土壤的作用机制

生物炭（biochar）是有机物质在无氧或缺氧条件下热解炭化而成的一种固态、稳定、高度芳香化的富炭材料,具有碳量高、化学性质稳定、比表面积大及孔隙结构丰富等特点,且生物炭中的含氧官能团、有机阴离子和无机碱等成分能够有效的调理酸化土壤,因而常用作土壤改良剂。本文简述了土壤酸化的原因及其相关影响,介绍了生物炭的种类、特征和组成部分,重点关注了近年来生物炭施用对提高土壤pH、缓解铝毒、增强土壤微生物活性及改变化肥使用量方面的影响,并探讨了其作用机制。最后对生物炭在酸化土壤调理应用中尚存在的问题进行了展望,以期为生物炭在调理酸化土壤的理论研究和实际应用方面提供参考。     

生物炭介导下磷水平对连作苹果幼苗及土壤环境的影响

苹果连作障碍是制约苹果产业可持续发展的重要因素之一。研究生物炭介导下不同施磷水平对连作条件下平邑甜茶幼苗生物量、根系呼吸速率和土壤环境的影响,探讨生物炭配施磷肥这种措施对苹果连作障碍的防控效果,并筛选出合适磷肥用量,为生产中老果园改造提供理论依据。盆栽条件下,以苹果常用砧木-平邑甜茶为试材,设计了连作土壤(CK)、连作土用溴甲烷熏蒸处理(F)、连作土+2%生物炭(B)、连作土+2%生物炭+0.5‰磷肥(BP0.5)、连作土+2%生物炭+1‰磷肥(BP1)和连作土+2%生物炭+2‰磷肥(BP2)6个处理。采用常规方法测定了不同处理对平邑甜茶幼苗生物量、根系呼吸速率、土壤养分和土壤酶活性的影响。结果表明:溴甲烷灭菌后,幼苗的株高、地径、鲜重和干重均远远高于连作土,分别是连作土中幼苗的1.6,1.5,2.9,2.5倍,幼苗的根系呼吸速率及保护酶也远远高于对照和其他处理。生物炭、或者生物炭配施磷肥,均可提高平邑甜茶幼苗的生物量,幼苗的株高、地径、鲜重和干重分别是连作土中幼苗的1.2,1.1,1.6,1.4倍和1.4,1.2,2.2,1.9倍,2种处理的根系呼吸速率也有大幅度提高;生物炭配施0.5‰磷肥可明显提高幼苗根系SOD、POD和CAT酶活性,同时降低MDA含量;与对照相比,生物炭配施0.5‰磷肥能明显提高土壤中有机质含量,增加硝态氮和速效磷的含量,促进土壤中脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性。综合分析比较,生物炭配施0.5‰磷肥相比于单施生物炭,能更好的提高连作条件下平邑甜茶幼苗的生长发育,增加土壤有机质含量,增强土壤酶活性。因此,生物炭配施磷肥这一综合措施能更好的防控苹果连作障碍。     

生物炭陈化的研究进展

有关生物炭短期效应的研究已很多,然而对于生物炭长期效应的研究还缺乏理论基础,尤其是对于生物炭陈化的研究成果更少。综合国内外现有生物炭陈化研究成果,总结生物炭陈化方法,分析陈化处理对生物炭理化性质的影响,探索陈化生物炭施入对土壤性质的影响机制,阐明现有生物炭陈化研究方法的不足,提出未来生物炭陈化研究的发展方向,以期对生物炭陈化的研究具有参考意义。     

生物炭对土壤钾素生物有效性影响的研究进展

土壤缺钾已成为影响作物产量和品质,限制我国农业可持续发展的重要因素之一,亟待深入开展如何提高土壤钾素生物有效性的相关研究。本文收集整理了近年来研究者比较感兴趣的生物炭对土壤肥力,特别是对土壤钾素生物有效性影响的相关资料,从生物炭影响土壤温度、水分、p H值、阳离子交换量、微生物生物量与活性、作物根系生长与活动等方面论述了生物炭影响土壤钾素生物有效性的可能机理,并提出了今后需要深入研究的方面。     

园林废弃物不同处理方式的环境影响及其产物还田效应

针对城市园林废弃物数量日趋增多及资源化利用程度低的问题,该研究比较了园林废弃物在直接焚烧、好氧堆肥、热解碳化3种处理方式下的养分与碳素与氮磷钾损失、温室气体排放,以及相应产物还田对土壤物理化学性质的影响。结果表明,焚烧处理的有机碳损失率高达98.62%,分别比好氧堆肥、碳化处理高39.77%和41.64%;全氮损失率高达95.51%,显著高于好氧堆肥（22.72%）及碳化（36.65%）处理;3种处理全磷及全钾损失率的差异相对较小。焚烧处理的CO2排放量高达1271.62 g/kg,远高于好氧堆肥的210.71 g/kg,但两者CH4、N2O的排放量都相对很小。园林废弃物堆肥及碳化后还田均可促进土壤中小团聚体向大团聚体转化,提高土壤中毛管孔隙度和饱和导水率,并显著提高N、P、K含量;其中生物炭还田可显著提高土壤有机碳含量,好氧堆肥还田能降低土壤pH值。焚烧后的灰分还田除提高土壤P、K养分含量及大粒径团聚体外,其他效果不明显。综上所述,好氧堆肥和碳化是适用于城市园林废弃物处理的2种技术,研究结果可为城市园林废弃物资源优化处理利用提供参考。     

连续施用不同种类生物质炭对植烟土壤养分的影响

为了改良植烟土壤质量,探讨连续施用不同种类生物炭对植烟土壤养分含量的影响,通过3年大田定位试验研究了连续施用不同生物炭(CK：不添加生物质炭;T1：添加烟秆炭;T2：废弃烟叶炭;T3：玉米秸秆炭)下植烟土壤中的养分含量。结果表明：①连续施用不同种类生物质炭能够显著提高土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量,但对全磷、全钾以及碱解氮的作用并不显著。②在2018年采收期,三种生物质炭处理分别提高有机质10.26%、9.12%和6.96%;提高全氮10.36%、18.29%和9.03%;提高速效磷6.96%、18.57%和9.82%;提高速效钾16.53%、33.84%和13.05%。③随着试验年限的延长,添加烟秆炭对土壤有机质含量提升效果最好,其次是废弃烟叶炭,玉米秸秆炭最次。废弃烟叶炭对提升土壤全氮、速效磷和速效钾含量效果最佳。综合分析来看,连续施用生物质炭能提高土壤养分含量,改良土壤肥力,以废弃烟叶炭效果最好,适宜大面积推广。     

生物炭和AM真菌配施对连作辣椒生长和土壤养分的影响

研究生物炭和丛枝菌根(arbuscularmycorrhizal,AM)真菌对连作辣椒生长和土壤养分的影响,可为辣椒连作土壤改良和新型肥料的开发提供理论依据。采用温室盆栽试验,设置4个生物炭添加水平(0、1%、2%、3%), 2个接菌水平[接菌(+AM)和不接菌(-AM)]。辣椒生长60 d后收获并测定其生理指标、土壤酶活性及土壤养分含量。结果表明,施加生物炭和接种AM真菌处理促进了连作辣椒的生长,提高了辣椒叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶绿素含量。接种AM真菌对辣椒的促生效果弱于生物炭,而生物炭和AM真菌配施的促生效果最佳。接种AM真菌促进辣椒对P吸收的效果优于生物炭;但对于K吸收来说,施加生物炭的效果优于接菌。生物炭(3%)和AM真菌配施条件下,辣椒根部N、P、K含量分别较对照(0生物炭和-AM处理)显著提高74.04%、106.42%和78.82%。生物炭(3%)与AM真菌配施处理菌根侵染效果最佳,侵染率高达58.96%,较0生物炭+AM处理提高41.59%。土壤pH随生物炭添加量的增加呈增加趋势,但差异不显著。土壤脲酶、蔗糖酶活性随生物炭添加量的增加呈增加趋势,且差异显著,接种AM真菌处理对其影响不显著。土壤速效钾、有效磷、有机质含量随生物炭添加量的增加而增加,接种AM真菌对土壤有机质含量、阳离子交换量(CEC)无显著影响。土壤速效钾、有效磷、碱解氮含量均在生物炭(3%)和AM真菌配施条件下达最大。与单一处理相比,生物炭和AM真菌配施在促进连作辣椒生长、改善连作土壤养分方面具有显著的协同增效作用,尤其是3%生物炭与AM真菌配施条件下效果最佳。     

施用生物炭对农田生态系统影响的研究进展

从施用生物炭对土壤理化性状、土壤生物、土壤碳截留、作物产量、温室气体排放的影响等方面,总结分析了施用生物炭对农田生态系统的影响。结果表明,施用生物炭能够改善土壤理化特性和微生物生境,提高养分利用率,但对作物的增产效应具有一定的不确定性。生物炭的稳定性对增加农田土壤碳截留有重要作用,其降解过程目前尚不清楚。添加生物炭影响土壤有机质分解即激发效应,但激发效应的方向和幅度的变异较大。在影响温室气体排放方面,施用生物炭能有效减少N2O排放,但对CO2和CH4的减排效应具有较大的不确定性,生物炭的性质、施用量、土壤类型和肥力状况等因素是导致这些不确定性的主要原因,今后应综合考虑以上因素开展长期定位试验,客观评价生物炭对农田生态系统功能的影响和作用。     

连作条件下不同施肥处理对设施黄瓜产量和品质的影响

研究了连作条件下不同施肥处理对设施黄瓜产量和品质的影响。结果表明:在连作条件下,农民传统施肥和不施肥均会造成黄瓜产量下降、品质变劣。合理施肥能够相对减小产量的降幅,提高黄瓜的品质。随着设施黄瓜连作年限的延长,农民传统施肥黄瓜产量、Vc、可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸、有机酸含量均降低,黄瓜果实硝酸盐含量不断增加。减施氮磷肥、增施钾肥有机肥及优化施肥黄瓜产量降低,Vc、可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸、有机酸含量均升高,黄瓜果实硝酸盐含量降低。综合产量和品质两个因素,优化施肥效果最佳,与农民传统施肥相比,产量降幅减小74.7%,Vc、可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸、有机酸含量分别提高39.6%、17.7%、29.3%、53.0%、20.7%,黄瓜果实硝酸盐含量降低20.6%。     

生物质炭土壤调理剂的研究进展

生物质炭作为一种高效、绿色、多功能的土壤调理剂在农业生产和环境修复中具有广阔的应用前景,因而受到了国内外研究学者的广泛关注。论文综述了生物质炭在土壤改良、污染土壤修复、土壤微生物以及对农作物的影响机理等方面的研究成果,分析展望了生物质炭土壤调理剂的发展趋势,提出了需要进一步研究和解决的问题。     

旱地土壤施用生物质炭的后效应——水分条件对土壤有机碳矿化的影响

农田施用生物质炭作为农田土壤固碳减排技术的重要措施已受到广泛关注。本研究选择一次性大量施入生物质炭3年后且长期种植玉米的旱地土壤为研究对象,通过室内培养试验,研究了不同水分条件下的有机碳稳定性的变化,结果表明:一级动力学方程较好地描述了土壤有机碳的矿化动态,总体看来旱地土壤有机碳的矿化强度随土壤含水量的增加而增大,在25%WHC(持水量,water holding capacity)、50%WHC和75%WHC水分条件下,与C0(无生物质炭)相比,C20(生物质炭20 t/hm2)、C40(生物质炭40 t/hm2)处理下,有机碳的矿化强度分别降低了28.57%~42.86%(25%WHC)、22.22%~33.33%(50%WHC)、15.00%~30.00%(75%WHC),不同处理下土壤的微生物商和微生物代谢熵对水分的响应存在明显差异,与对照相比,生物质炭施用下微生物量相对稳定,且稳定程度与生物质炭用量有关。因此,旱地土壤施用生物质炭具有保持微生物量稳定且降低土壤有机碳矿化与CO2释放的作用,这对于农田土壤有机碳的固持增汇具有重要意义。     

Biochar derived from agricultural wastes and wood residues for sustainable agricultural and environmental applications

Lignocellulosic biomass can be circulated to produce many materials and products, including biochar. This study analyzed five different types of biochar produced from agricultural wastes and wood residues. The raw materials included three agricultural by-products: corncob, cassava rhizome, rice husk, and two types of wood residues: rain tree (Samanea saman (Jacq.) Merr.) and krachid (Streblus ilicifolius (Vidal) Corner.). The biochar were made in patented retorts with locally-appropriated technology at a temperature range of 450–500°C. This research focuses on the primary physicochemical properties and biochar components, allowing biochar to become a vital material to support sustainable agriculture and the environment. Biochar properties used for agriculture consist of specific surface area, total pore volume, average pore diameter, pH, electrical conductivity (EC), and cation exchange capacity (CEC). The properties that benefit the environmental purposes are the element: carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), oxygen (O), and the molar ratio of H/C, O/C, and C/N. The study found that all five types of biochar contained suitable properties for soil amendment and carbon sequestration. However, significant differences were shown in specific surface area, average pore diameter, pH, CEC, and EC of various biochar. Based on O/C and H/C ratios, all five types of biochar persisted in soil from 100 to over 1,000 years.     

农业有机废弃物发酵后的有机肥对植烟土壤微生物数量及酶活性的影响

在大田条件下,研究了烤烟施用农业有机废物发酵后的有机肥(生物发酵有机肥)各生育期根际和非根际土壤细菌、真菌、放线菌数量和土壤酶活性的变化。结果表明,微生物数量和酶活性都呈现出随生育时期推进先增加后降低的趋势,其中在旺长期达最大。施入复混肥对根际土壤微生物数量的影响大于非根际土壤微生物。60%的生物发酵有机肥施入量是配施比例上的拐点,有机肥施入比例大于60%的处理,土壤酶活性提高幅度变缓,差异不显著。若再增加有机肥的投入比例效益不明显。从总体上看,施用生物发酵有机肥可以提高微生物数量和酶活性,从而提高土壤肥力。     

土壤环境因素对致病性尖孢镰刀菌生长的影响

为了探索土壤环境因素对致病性尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)存活和生长繁殖的影响,通过设定环境温度、土壤含水量和土壤p H等,研究了这些因素对尖孢镰刀菌西瓜专化型(FON)和黄瓜专化型(FOC)生长繁殖的影响。结果发现,致病性尖孢镰刀菌在21℃~30℃范围内能快速繁殖,而在45℃条件下则无法生长;土壤含水量为20%时该菌繁殖速度最快,而含水量为5%时则受到明显抑制;p H 4~5.5的偏酸性土壤适宜尖孢镰刀菌繁殖,而p H为中性或以上土壤均不利于该菌生长。结果表明,高温、干旱和碱性是减轻土壤中致病性尖孢镰刀菌繁殖的有利环境因素,通过创造相应环境条件,可以控制枯萎病的发生或蔓延。