不同生物质炭的镉吸附特征及对云南土壤镉污染的调控效应

研究不同植物源生物质炭的性质，评价其对云南东川地区镉（Cd）污染应用效果。开展了稻秆炭（RBC）、麦秆炭（WBC）、玉米秆炭（MBC）、麻秆炭（HBC）、田菁炭（TBC）、花生壳炭（PBC）的Cd吸附特征研究和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析、X射线衍射（XRD ）分析；通过盆栽试验分析了上述生物质炭对东川Cd污染土壤的Cd赋存形态和油麦菜Cd吸收的影响。结果表明，Langmuir吸附等温线及准二级动力学曲线能较好模拟生物质炭对Cd的吸附， TBC饱和吸附量最大分别为37.1和27.9 mg?g-1；WBC、RBC、TBC解吸率较低，各浓度梯度下均不超过10%；FTIR分析表明田菁炭含有较多的含氧官能团；XRD分析表明各生物质炭元素种类存在差异。与不添加生物质炭处理（CK）比较，TBC处理土壤有效Cd降幅最大为24.3%，且达显著水平（P<0.05）；同时土壤Cd形态由酸溶态向稳定态转化。与CK相比， HBC处理油麦菜地上Cd含量降幅最大为26.4%，且达显著水平；WBC、HBC处理显著降低油麦菜体内Cd的转运系数，转运系数分别为0.662 0、0.692 8。聚合增强树分析（ABT）分析结果表明，土壤可溶性有机碳（DOC）与土壤pH是土壤有效Cd的主要影响因素，呈极显著负相关，贡献率分别为33.0%和21.9%。综上，供试各植物源生物质炭能降低东川Cd污染土壤中Cd的有效性，减少植物对Cd的吸收及转运，不同生物质炭间存在差异。综合材料性质及试验结果，TBC是东川地区修复Cd污染土壤的较优材料选择。     

生物质炭对有机污染物的吸附及机理研究进展

生物质炭是一种利用废弃生物质材料在缺氧或厌氧环境中热化学转换制备的多孔级富碳固体材料。因其吸附能力强,制备原料来源广泛,生产成本低且环境友好等优点受到学术界越来越多的关注。探究生物质炭对有机污染物的吸附机理和规律,对于评估其环境行为和应用价值至关重要。着重综述了目前研究报道的生物质炭吸附有机污染物的吸附机理,包括分配作用、表面吸附作用和孔隙截留等。一般低温生物质炭对非极性有机物的吸附机制以分配作用为主,这种非竞争性吸附机理可以解释高浓度有机污染物在生物质炭上的吸附过程。表面吸附是一种非线性竞争性吸附作用,是有机污染物在生物质炭表面有效吸附位点上形成静电作用或通过氢键、离子建、π-π相互作用等结合的过程。孔隙截留是另一种生物质炭固定有机污染物的微观机制,有机污染物在孔隙内部的分配和吸附也是生物质炭吸附能力的重要体现。而在实际复杂的污染环境中,各类生物质炭对有机污染物的吸附过程需要多种机制共同解释。此外,本文对吸附机制的影响因素进行了分析和总结,生物质炭自身理化特性决定了其应用价值,生物质炭的性质与有机污染物的极性、芳香性和分子大小等相匹配才能更好地实现吸附固定,不同的吸附环境如吸附介质、p H和共存离子等也会对吸附机制和吸附效果产生影响。最后,文章进一步探讨了生物质炭吸附有机污染相关研究未来应着重解决的问题,以及生物质炭在有机污染土壤修复中的应用前景。     

不同原料生物质炭复配对土壤镉的赋存形态及小白菜镉吸收的影响

通过生物质炭复配,降低治理成本,为提高秸秆生物质炭对镉污染土壤的治理效果,将秸秆生物质炭（大豆秸秆炭（SSB）、油菜秸秆炭（RSB））与动物屠宰废弃物炭（SWB）复配,设置2.22 g kg?1（B1）、4.44 g kg?1（B2）两个施用量,通过小白菜盆栽试验,研究生物质炭对原位污染土壤镉赋存形态及小白菜镉吸收的影响。研究表明,与对照（CK）相比,生物质炭显著降低小白菜根系和地上部的镉含量。在4.44 g kg?1施炭水平下,SSB2和RSB2处理的小白菜根系镉含量较SWB2处理显著降低、降幅分别达 33.40%和 20.49%。SSB2处理小白菜根系镉的富集系数较SWB2处理显著降低、降幅达31.68%。与 SSB2处理相比,SSB与SWB复配（SSWB2）处理根系和地上部镉含量分别降低22.57%和 36.14%。生物质炭显著降低土壤中镉的生物有效性,其中RSB2和SSB2处理的土壤交换态镉占比（F2）较SWB 2处理分别降低 9.31%和 3.63%,强有机结合态镉占比（F6）分别提高 16.11%和 9.74%。复配生物质炭SSWB2 处理的F2较SSB2 处理降低 11.05%,铁锰结合态镉占比（F5）提高13.50%。因此,秸秆生物质炭与屠宰废弃物炭复配可有效降低污染土壤镉的生物有效性及小白菜对镉的吸收和富集。     

果壳生物质炭的改性及其对DEP的吸附机理

为探究改性前后生物质炭的理化属性变化及其对邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的吸附机理,以椰子壳和花生壳为原料制备生物质炭,分别进行14％H3 PO4改性和1.0 mol/L NaOH-30％H2 O2联合改性处理.结果表明:改性后生物质炭的芳香化程度和含氧官能团含量增加,除C300N(经NaOH-H2 O2改性的300℃—椰...     

田间老化生物质炭结构表征及吸附铵态氮效应

为探讨田间自然老化生物质炭对土壤铵态氮持留性能的影响机制,通过田间原位埋置尼龙袋法和室内批量平衡吸附试验,采用场发射扫描电镜、BET比表面、差热与热重等分析技术,研究田间自然老化1年（A1）、2年（A2）和3年（A3）的生物质炭的表面结构特征等理化性质的动态变化及其对铵态氮吸附效应的影响。研究结果表明,田间自然老化3年的生物质炭表面孔隙结构塌陷明显,随着田间老化时间增加,生物质炭的BET比表面积、总孔容、介孔孔容与平均孔径增加,而微孔表面积减少,与新鲜生物质炭（A0）相比,A3处理生物质炭的BET比表面积、总孔容和平均孔径分别增加18.93%、42.31%和20.71%,微孔表面积减少26.17%;碳和氮元素含量分别增加7.92%和95.61%,生物质炭的芳构化程度有所降低,热稳定性下降。随着田间老化时间的增加,生物质炭对铵态氮吸附量明显减少,吸附量大小为A0> A1> A2> A3,但生物质炭依然保持较强烈的吸附性。批量平衡吸附试验表明准二级吸附动力学与Langmuir模型能更好地拟合生物质炭对铵态氮的吸附过程,揭示了生物质炭对铵态氮的吸附机制主要为单分子层化学吸附...     

水稻秸秆生物质炭对土壤磷吸附影响的研究

本文以水稻秸秆为原料,分析了不同热解温度下生物炭的性质,并利用批处理实验,分析了生物炭添加量和热解温度对土壤磷吸附特性的影响。结果表明：随着热解温度的升高,生物炭的碳化程度、比表面积和磷含量增加。生物炭添加显著减少了土壤对磷的吸附量,而且随着生物炭热解温度的增加,土壤对磷的吸附量显著增加。Langmuir方程和Freundlich方程都能够较好地拟合生物炭对土壤磷的等温吸附。准一级动力学方程和准二级动力学方程可较好地描述生物炭对土壤磷吸附动力学的行为。通过以上研究结果可知,水稻秸秆生物炭可以减少土壤对磷的吸附并增加土壤有效磷的含量,因此在土壤改良方面具有一定的应用潜力。     

水稻秸秆生物质炭对土壤磷吸附影响的研究

以水稻秸秆为原料,分析了不同热解温度下所制备的生物质炭的性质,并采用批处理法,分析了生物质炭添加量和不同热解温度制备的生物质炭对土壤磷吸附特性的影响。结果表明:随着热解温度的升高,生物质炭的碳化程度、比表面积和磷含量增加。添加生物质炭显著减少了土壤对磷的吸附量,而且随着生物质炭热解温度的增加,土壤对磷的吸附量显著增加。Langmuir方程和Freundlich方程都能够较好地拟合添加生物质炭土壤的磷等温吸附曲线。准一级动力学方程和准二级动力学方程可较好地描述添加生物质炭土壤的磷吸附动力学行为。通过以上研究结果可知,水稻秸秆生物质炭可以减少土壤对磷的吸附并增加土壤有效磷的含量,因此在土壤磷肥肥效改良方面具有一定的应用潜力。     

生物质炭对茶园土壤水溶性氟吸附特性的影响

采用室内培养试验法对添加生物质炭的茶园土壤水溶性氟吸附特性进行了研究。结果表明,茶园土壤随生物质炭添加量增加对水溶性氟的吸附量和吸附率均逐渐降低,应用等温吸附Langmuir方程、Freundlich方程和Temkin方程均能够较好地描述其吸附规律,其中以Freundlich方程拟合曲线最佳。随生物质炭添加量的增加土壤氟净吸附量逐渐降低。各处理土壤的氟吸附动力学过程包含吸附快反应和慢反应阶段,平衡时间小于120 min区间为吸附量快速上升期,平衡时间达到1 440 min后0.25%和0.50%生物质炭添加量处理土壤基本达到平衡状态。从双常数方程、Elovich方程和一级动力学方程拟合方程计算得到的理论吸附量与试验实测吸附量之间的符合程度较高,可准确描述添加生物质炭土壤对水溶性氟的吸附过程。添加生物质炭使土壤p H值升高与茶园土壤对水溶性氟最大吸附量、吸附强度和净吸附量的降低密切相关。     

不同生物质炭对棕壤中磷素吸附解吸的影响

为了减少土壤磷素流失,提高磷肥利用效率,探究不同生物炭对棕壤中磷素吸附解吸行为的影响规律,以水稻秸秆、玉米秸秆和花生壳为原材料,利用限氧升温炭化法制备生物炭,通过批量吸附实验研究了生物炭种类和生物炭添加量对棕壤磷吸附解吸的影响。结果表明：水稻秸秆生物炭在添加量为0.4%时显著提高棕壤对磷的吸附量,花生壳生物炭和玉米秸秆生物炭则显著降低棕壤对磷的吸附量；等温吸附曲线表明,不同生物炭均未改变等温吸附曲线的变化趋势,均可用Langmuir方程和 Freundlich 方程进行描述(R²>0.93),其中 Langmuir 方程拟合效果更好,不同处理对磷的理论吸附量大小顺序为：水稻秸秆生物炭+棕壤>棕壤>花生壳生物炭+棕壤>玉米秸秆生物炭+棕壤；吸附动力学实验表明,不同生物炭均未改变磷吸附动力学曲线的变化趋势,在所有动力学模型中,准二级动力学模型最适合描述土壤对磷的吸附行为(R²>0.99),其次为准一级动力模型(R²>0.99)和Elovich动力学模型(R²>0.88)；三种生物炭均显著促进棕壤对磷的解吸,当生物炭添加量为≥0.2%时,水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭和花生壳生物炭,分别可提高棕壤对磷的解析率50%、70%和90%以上。由此可见,不同生物炭可提高棕壤对磷素的供应和利用,水稻秸秆生物炭在减少棕壤磷素流失、保护生态环境方面具有更大的应用价值。     

外加镉处理下秸秆生物质炭对土壤酶活性的影响

选取秸秆生物质炭为原料,通过模拟实验,探究外加镉处理下生物质炭的输入对不同类别的土壤酶活性的影响。结果表明,外加镉处理为5 mg·kg-1时,土壤碳循环相关的酶在不同生物质炭量的施入时,对Cd污染土壤反应较为敏感的有FDA水解酶及蛋白酶;而土壤氧化还原酶中在土壤受Cd污染的状况下,对不同量的生物质炭的施入具有较强敏感性的酶有脲酶和磷酸酶,其中较为显著者是磷酸酶,其在外加Cd处理下及不加Cd时变化量为79.40%;同时,对土壤中的碳循环酶、氧化还原酶及这2类酶的总体活性各求几何平均数作为衡量其综合活性的指标。其中,土壤碳循环酶酶活综合指数介于0.071~0.235之间,在外加Cd处理的情况下,其值最高为生物质炭用量为2.5%时的0.174,比不加生物质炭及炭用量为5%时分别高出7.4%及19.5%;氧化还原酶综合指数介于0.093~0.202,在外加Cd处理下,其值最高为生物质炭用量2.5%时的0.131,比不加生物质炭及炭用量为5%时分别高出18.50%及28.90%;土壤综合酶指数介于0.077~0.167,在外加Cd处理的情况下,其值最高亦为生物质炭用量2.5%时的0.108,比不加生物质炭及炭用量为5%时分别高出16.26%及28.57%。     

生物质炭对坡耕地紫色土中抗生素吸附-解吸及迁移的影响

以磺胺嘧啶、磺胺二甲基嘧啶和氟苯尼考为目标抗生素,通过室内批量平衡试验研究施用生物质炭(投加量0、2.145和28.65 kg/m²,经3 a田间老化)对石灰性紫色土中抗生素等温吸附-解吸特征的影响;并利用长20 m、宽5 m的坡耕地(6°)野外小区,开展面施2.145 kg/m²生物质炭和在坡底构建一定宽度(40 cm)和深度(40 cm)含28.65 kg/m²生物质炭可渗透反应土墙试验,研究两种不同生物质炭施用方式对暴雨条件下抗生素迁移行为的影响。结果表明:生物质炭的添加显著增强紫色土对抗生素的吸附与固持作用,其等温吸附和解吸行为均能被Freundlich方程较好地拟合;不论施炭与否,磺胺嘧啶和磺胺二甲基嘧啶都表现为非线性吸附,而对于K_ow值最低的氟苯尼考,生物质炭的施用则为其引入了新的非线性吸附机制。耕作层面施生物质炭能更有效地阻控抗生素向深层土壤的垂向淋失迁移;在坡底修建生物质炭可渗透反应土墙(顶端构筑为地埂-边沟)则能更大幅度地削减抗生素随地表径流的输出负荷,其中以对正辛醇-水分配系数最...     

不同老化方法对生物炭表面特征及镉吸附能力的影响

为明确不同自然环境过程（氧化还原、降雨、光照）对生物炭的老化作用及其对重金属吸附能力的影响,该研究以不同温度（200、500 °C）和气氛（O₂、N₂）热解的小麦秸秆生物炭为研究对象,采用化学氧化、干湿交替、紫外光照氧化3种人工老化方法模拟生物炭在自然环境中的老化过程,并分析老化作用对生物炭理化性质及镉（Cd）吸附能力的影响。结果表明：与初始生物炭相比,老化作用使生物炭表面破碎,孔隙结构增多,提高了生物炭比表面积。干湿交替老化使低温生物炭的比表面积增大0.85倍,而经过化学氧化后的低温生物炭、高温生物炭比表面积分别增大8.81、0.37倍。老化过程使生物炭的官能团种类减少,且含氧官能团数量发生不同程度的变化,其中化学氧化使羧基、内酯基等含氧官能团增多,而干湿交替及紫外光照老化主要引起含氧官能团数量的减少。此外,热重分析结果表明化学氧化使低温生物炭热稳定性降低,而所有老化后的高温生物炭热稳定性均增强。化学氧化、紫外光照、干湿交替3种老化处理均可提高两种生物炭的吸附能力,Cd²⁺吸附量分别提高498.95%~799.36%、436.10%~768.43%、35.53%~128.10%。因此,生物炭实际应用时需综合考虑其环境过程、特性变化以及目标污染物种类,以促进生物炭环境应用的长远发展。     

不同电解质对牛粪生物质炭中腐殖酸吸附–解吸的影响

本文研究了NaCl、Na_2SO_4、Na_3PO_4 3种背景电解质对牛粪生物质炭中腐殖酸吸附和解吸的影响。结果表明:在这3种背景电解质作用下,牛粪生物质炭对腐殖酸的吸附量和吸附率随着加入液腐殖酸浓度的增加而增加,但是增加速度逐渐变缓。3种背景电解质相比,NaCl中牛粪生物质炭对腐殖酸的吸附量和吸附率均为最高,吸附量范围为0.13～6.10 mg/g,吸附率范围为25.40%～87.14%。随着加入液腐殖酸浓度的增加,吸附态腐殖酸的解吸量逐渐增加,解吸率逐渐减小。3种背景电解质相比,Na_2SO_4中牛粪生物质炭吸附的腐殖酸的解吸量最高,解吸量范围为0.15～0.78 mg/g。加入液腐殖酸浓度为140 mg/L,3种背景电解质中牛粪生物质炭吸附的腐殖酸的解吸量均达到最大值,解吸量的大小顺序为Na_2SO_4Na_3PO_4NaCl。Na_3PO_4对腐殖酸的解吸率影响最大,解吸率范围为17.24%～90.55%,NaCl对腐殖酸的解吸率影响最小,解吸率范围为8.22%～53.54%。用Langmuir拟合3种背景电解质中腐殖酸的等温吸附曲线和等温解吸曲线,其相关系数都达到显著水平。研究结果揭示了不同背景电解质对牛粪生物质炭吸附和解吸腐殖酸的影响,可为土壤保土保肥提供理论参考。     

温度及过筛方式对猪粪和稻秆炭理化特性和镉吸附的影响

该文以猪粪、水稻秸秆为原料,采用2种过筛处理(热解前、后过筛),于300~700℃下制备生物炭,通过电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)对其进行表征并分析其理化性质,探讨不同处理生物炭理化性质及镉吸附能力之间的相关关系,并优选出以修复土壤镉污染为目标的生物炭处理。结果表明:1)稻秆生物炭的镉吸附能力(最大吸附量为69.2 mg/g)显著高于猪粪生物炭(最大吸附量为36.4 mg/g)。制备温度为300℃时,前、后过筛处理的稻秆生物炭对镉的吸附能力分别为10.6和11.5 mg/g;制备温度为700℃时分别增加至61.4和69.2 mg/g。前后过筛方式对稻秆和猪粪生物炭镉吸附的影响规律不明显。2)生物炭的产率与灰分含量显著负相关,与H/C极显著正相关。3)前、后过筛处理的稻秆生物炭以及前过筛处理的猪粪生物炭的镉吸附能力均与产率和H/C呈显著负相关。后过筛处理猪粪生物炭的镉吸附能力与所有理化性质均不显著相关。     

生物质炭改良土壤及对作物效应的研究进展

生物质炭是作物秸秆等有机物质在限制供氧的条件下加热而成。生物质炭具有养分含量丰富、碱性和高稳定性等特点,因此可以降低土壤酸度,有效截留土壤养分,并在一定程度上促进养分吸收而提高作物产量。本文主要综述了生物质炭制备的影响因素及其施用后对土壤理化性质、作物生长发育和养分吸收等方面的影响。由于生物质炭在国内外的研究仍处于起步阶段,研究过程中所采取的方法、所用不同来源的生物质炭以及研究的具体对象等不尽相同,研究的结果显示生物质炭在某些方面的作用仍存在不同结论。目前,生物质炭的研究多集中在表面宏观现象上,对其深入的机理研究仍较欠缺,因此,需要科技工作者的进一步探索,文章最后阐述了未来对该领域研究的一些观点。     

生物质炭对盆栽黑麦草生长的影响及机理

通过盆栽试验,采用实时定量PCR和微孔板荧光法,分别研究了生物质炭添加对太湖地区农田土壤黑麦草生长、微生物群落丰度和酶活性的影响。结果表明:生物质炭添加量为4%(炭/土质量比)处理显著提高了土壤p H、有机碳、全氮、碳氮比、速效钾含量及黑麦草生物量;提高了土壤细菌、古菌和固氮菌nif H基因拷贝数,而对真菌无影响;提高了β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、木糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性。微生物丰度(除真菌外)与多数土壤酶活性(除亮氨酸氨基肽酶)均成显著正相关。因此,生物质炭可增加土壤矿质养分,提高主要微生物类群和功能菌的丰度及土壤碳、氮和磷转化酶活性,这可能是施用生物质炭提升农田土壤养分转化功能和生产力的主要原因。     

元宝枫籽壳生物质炭性质及对NH_4~+-N吸附性能研究

为解决近年来元宝枫产业化产生的大量果壳废弃物,以元宝枫籽壳为原料,研究了不同炭化温度下粉末炭的得率、元素组成、微观结构、NH_4~+-N吸附能力。结果显示,随着烧制温度增加,生物质炭的得率减少,炭中碳含量逐渐增加,C/N比值升高;400℃温度下烧制的生物质炭孔槽结构密集,500℃热解的生物质炭表面褶皱丰富;400℃下烧制的元宝枫籽壳生物质炭对NH_4~+-N吸附能力最高,吸附值最高达到0.188 mg·g~(-1)。元宝枫籽壳生物质炭的开发可为农林废弃生物质的资源化利用提供重要的理论与实践指导。     

施用生物质炭对葡萄生长及土壤肥力的影响

酿酒葡萄的品质对酿造高品质的葡萄酒具有举足轻重的作用。以酿酒葡萄"赤霞珠"为试材,研究了小麦秸秆生物质炭及竹炭有机肥的施用对土壤性质、酿酒葡萄植株生长及果实品质的影响。结果表明:(1)无论小麦秸秆生物质炭还是竹炭有机肥均显著增加土壤有机碳及土壤养分含量,而施用小麦秸秆生物质炭还可显著降低土壤表层容重、提高土壤p H;(2)小麦秸秆生物质炭与竹炭有机肥可不同程度促进葡萄植株的叶片生长,但两者对"赤霞珠"酿酒葡萄的品质影响不同,竹炭有机肥施用可显著促进葡萄的糖分积累并提高糖酸比,而小麦秸秆生物质炭施用短期内对酿酒葡萄品质无显著作用。因此,本研究表明短期内可通过施用竹炭有机肥改善酿酒葡萄"赤霞珠"的品质,但小麦秸秆生物质炭对其品质的长期效应还有待于进一步研究。     

生物质炭基肥缓释性能及对土壤改良的研究进展

生物质炭基肥是以生物质炭为基质,与有机、无机肥料配制而成的新型生态环保缓释肥料,也作为土壤改良剂应用于农业生产中,近年来受到农业与环保领域的广泛关注和研究应用.本文讨论了生物质炭基肥缓释性能机制及影响因素,生物质炭基肥的缓释性能在很大程度上取决于磷、氮、钾元素与生物质炭的结合方式.主要结合方式包括静电吸附、络合、矿化等...     

生物质炭对茶园土壤改良及茶叶品质的影响

近年来,茶树种植过程中化肥的超量施用造成茶园土壤酸化加剧和有机质含量降低等一系列问题,进而影响到茶叶的产量和品质。生物质炭一般呈碱性,具有含碳量高、比表面积大、高度生物化学稳定性和较强的吸附性能等特性,能够增加土壤碳储量,提高土壤pH值和养分有效性,对于茶园土壤固碳、土壤改良和抑制土壤氮磷流失、改善农产品品质等方面有较大作用。针对我国茶园土壤存在的主要问题,以生物质炭的特性及生物质炭改良土壤的作用机理为研究对象,重点阐述了生物质炭在茶园酸化土壤改良、土壤氮素淋失阻控、土壤固碳增汇等方面的效应,以及生物质炭提高茶叶产量和提升茶叶品质方面的作用机理。基于以上研究,展望了生物质炭在茶园管理方面的理论研究方向,为生物质炭在农业生产中的应用和推广提供科学依据。