裂解温度及高锰酸钾活化对小麦秸秆生物炭性状的影响

采用不同浓度的KMnO_4溶液浸渍小麦秸秆用于制备生物炭。研究了KMnO_4浓度及裂解温度对生物炭理化性质的影响。结果表明:小麦秸秆生物炭的得率随着裂解温度的升高而降低,不同处理生物炭得率位于28.05%～61.11%之间,KMnO_4处理秸秆后可明显提高生物质炭的比表面积,300℃裂解温度下制备的生物炭表面官能团最为丰富,且随着裂解温度的提高,生物炭表面官能团数量不断下降。     

不同作物原料生物质炭对溶液芘的吸附特性

采用小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳低温热裂解生成的生物质炭,通过控制吸附时间、溶液初始质量浓度和投加量,研究了不同作物原料生物质炭对芘的吸附性能,并比较了三者的解吸率。结果表明:3种生物质炭对芘的吸附约经12 h达到平衡,吸附动力学过程符合Lagergren准二级反应动力学模型;等温吸附均可用Langmuir方程和Freundlich方程拟合,且前者拟合程度稍好;玉米秸秆炭、小麦秸秆炭和花生壳炭在25℃下对芘的饱和吸附量分别为1667、714、370μg·g-1;在生物质炭投加量为500 mg·L-1时,3种生物质炭对芘的去除率均在90%以上;将吸附达平衡后的生物质炭进行连续6 d的解吸,发现3种生物质炭对芘的解吸率均在7%以下。因此,作物秸秆,尤其是玉米秸秆,热裂解成生物质炭可望作为去除水体多环芳烃污染的新型吸附材料。     

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。     

几种生物质热解炭基本理化性质比较

生物炭由生物质材料在无氧或缺氧条件下经高温裂解形成,是土壤改良和废弃物处理的良好改良剂。选取五种生物质原料(大豆秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、稻壳和松针,均为农林废弃物),经300、400、500、600和700℃热解2 h,测定其结构及理化性质。研究结果表明,生物炭炭化结构良好清晰;生物质形成生物炭在BET比表面积、T-PLOT微孔容积、p H和阳离子交换量值方面均随热解温度升高而升高,大豆秸秆和玉米秸秆比表面积在700℃时达到最高;平均孔径随热解温度升高有一定程度下降;700℃下水稻秸秆和稻壳形成生物炭具有最高硅含量。除松针炭外,其余各生物炭呈碱性。     

市政污泥生物质炭重金属含量及其形态特征

为了探索污泥资源化利用的新途径,在200、300、500和700℃下裂解温度下,将干燥的市政污泥制备成生物质炭,分析其主要重金属形态及其含量,了解裂解温度对污泥生物质炭重金属形态及其含量的影响.结果表明:高温裂解处理不仅影响污泥生物质炭重金属总量,而且还影响其形态.随着裂解温度提高,污泥生物质炭中重金属含量增加;低温(200℃)裂解处理导致汞损失殆尽,但提高了酸溶态As、Cd、Mn和Zn的含量;裂解温度超过300℃,重金属残渣态含量大幅度增加,比例占50％以上,可氧化态、酸溶态和可还原态重金属含量均随裂解温度的提高而降低.结果显示,尽管污泥生物质炭重金属含量比干燥污泥高一些,但大部分转化为生物有效性极低的残渣态.     

生物质炭对高效氯氰菊酯的吸附效果研究

为降低蔬菜农药残留,缓解农作物秸秆带来的环境污染,以水稻秸秆为原料制作生物质炭,通过大田试验,研究了不同裂解温度(300℃和600℃)和不同施用量(4 t/hm2、12 t/hm2、24 t/hm2)的生物质炭对高效氯氰菊酯的吸附作用。结果表明:生物质炭对土壤中高效氯氰菊酯残留吸附效果比较明显,且吸附作用随施用量增大、裂解温度升高而增强;生物质炭对青菜中高效氯氰菊酯吸附作用不明显,但随着裂解温度升高,施用量增加,表现出一定的吸附能力;青菜种植过程中,选择施用600℃下裂解的生物质炭,施用量为24 t/hm2,对降低土壤和青菜中的农药残留效果最大,且最终残留量远低于农药最大残留量限量标准。     

农业生物质吸附剂在水处理中的应用现状

新疆地区是我国农业经济作物的主要产区,农业生物质秸秆资源十分丰富,大部分生物质秸秆焚烧/粉碎还田,未能实现农业固体生物质废弃资源的高效回收利用。近年来,越来越多的学者开始关注农业生物质秸秆在生态修复和环保领域的创新应用。目前,应用农业生物质秸秆制备阴/阳离子吸附剂、生物炭和生物炭复合材料成为研究者关注的重点。本文通过综述生物质秸秆吸附剂作为污染物强化吸附材料在修复水体环境、治理水体环境有机和无机污染方面的具体应用现状,在此基础上提出生物质吸附剂修复水环境污染的研究方向,以期为新疆地区农业生物质秸秆的工程应用提供参考。     

不同水分条件下生物质炭对湿地土壤氮素矿化的影响

为了探明不同土壤水分条件下添加不同裂解温度和洗涤处理的生物质炭对湿地土壤氮素矿化的影响,通过720 d的室内培养法,研究了3种水分条件下(干湿交替、75%田间持水量、淹水),添加4种生物质炭(350WX:裂解温度为350℃的未洗涤生物质炭;600WX:裂解温度为600℃的未洗涤生物质炭;350X:裂解温度为350℃的洗涤生物质炭;600X:裂解温度为600℃的洗涤生物质炭)的湿地土壤矿质态氮差异特征。结果表明:与对照土壤相比,干湿交替和75%田间持水量条件下培养360 d后,添加生物质炭的土壤矿质态氮含量分别平均下降了64.62%和27.64%,氮素净矿化速率分别平均下降了82.9%和36.1%,且生物质炭对土壤氮素矿化作用的抑制率为正值;而淹水条件下,培养120 d和240 d,添加生物质炭的土壤矿质态氮含量和净矿化速率低于对照土壤,分别下降了14.93%和21.30%,且生物质炭对土壤氮素矿化作用的抑制率也为正值,但培养360 d时,高于对照土壤且平均分别增加了49.16%和176.22%,矿化作用的抑制率为负值。3种水分条件下,总体上土壤矿质态氮含量和净矿化速率均表现为添加裂解温度为350℃生物质炭的土壤大于添加裂解温度为600℃生物质炭的土壤,其中75%田间持水量条件下添加洗涤处理的生物质炭土壤大于未洗涤处理的生物质炭土壤。本研究结果表明,生物质炭施用对土壤氮素矿化抑制或促进作用受土壤水分影响,同时又深受施用时间长短、生物质炭裂解温度以及生物质炭洗涤处理的影响。     

秸秆炭化物长期还田下农田镉风险研究

以中国科学院常熟农业生态试验站宜兴基地秸秆及生物质炭连续还田试验作为研究对象,研究该农艺措施进行7年后对麦季土壤及小麦不同器官中镉(Cd)含量的影响。结果表明,与不添加秸秆源的BC0处理相比,秸秆和生物质炭还田增加了土壤中总Cd浓度(均低于国家土壤环境质量二级标准),但与7年前相比无显著性差异。相较于对照处理(BC0处理),添加2.25 t·hm-2的秸秆(Straw2.25处理,1/3秸秆全量还田量)与11.25 t·hm-2的生物质炭(BC11.25处理,5倍秸秆全量还田量制备生物质炭)对小麦中Cd吸收量无显著影响;但添加22.5 t·hm-2的生物质炭(BC22.5处理,10倍秸秆全量还田量制备生物质炭)的小麦籽粒、秸秆和根部中Cd含量比BC0处理分别显著降低了88.7%、75.3%和52.8%(P0.05)。Straw2.25处理、BC11.25处理和BC22.5处理中土壤DGT-Cd含量与不添加秸秆源的BC0处理相比分别降低了71.2%、74.6%和83.4%(P0.05);且DGT-Cd含量与小麦Cd吸收量呈显著正相关性(P0.01)。该研究结果表明在清洁农田中秸秆资源还田下土壤总Cd短期内环境风险较小,土壤Cd的生物有效性显著降低。     

花椒林下土壤微生物数量和酶活性对生物质炭的响应

【目的】研究不同秸秆生物质炭对土壤微生物数量和酶活性的影响,为土壤改良和秸秆资源的合理利用提供理论参考。【方法】以玉米、水稻和油菜秸秆500℃炭化6 h得到的生物质炭为材料,以花椒林下黄壤为供试土壤,通过室内培育试验,以不添加任何生物质炭为对照(CK),测定了不同添加量(1%,2%,4%,均为质量分数)玉米、水稻和油菜秸秆生物质炭处理土壤的微生物(细菌、真菌、放线菌)数量和酶(过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶)活性,并分析了土壤微生物数量与酶活性之间的相关性,计算了不同处理的土壤酶指数(SEI)。【结果】秸秆生物质炭类型和添加量均会影响土壤细菌、真菌和放线菌数量。与对照相比,秸秆生物质炭处理土壤的细菌和放线菌数量分别增加了42.7%～211.8%和4.9%～291.7%,真菌数量降低了15.2%～52.5%。3种秸秆生物质炭中,当添加量相同时,水稻秸秆生物质炭处理的细菌、真菌和放线菌数量及微生物总量最高。与对照相比,添加生物质炭显著降低了土壤过氧化氢酶活性,显著提高了土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性,当添加量为2%时,水稻秸秆生物质炭的土壤酶指数最大(SEI=0.62),是其他秸秆生物质炭SEI的1.07～1.23倍。【结论】花椒林下土壤微生物数量与酶活性密切相关,施用生物质炭改善了土壤生物环境。从土壤微生物数量和酶活性指数综合考虑,添加2%水稻秸秆生物质炭对改善花椒林下土壤生物环境的综合效果最优。     

生物质炭在农业上的应用

生物质炭是由生物质在完全或部分缺氧的条件下经过热裂解、炭化产生的一类高度芳香化、难溶性的固态物质。近年来,生物质炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体在农业上的应用越来越广泛。为促进生物质炭在农业上的研究及应用,从生物质炭性质的影响因素,生物质炭对土壤物理性质、化学性质和微生物的影响,以及生物质炭对作物生长和产量的影响等方面进行了阐述和分析,并提出未来生物质炭在农业应用方面的研究方向。     

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。     

秸秆生物炭特性、制备方法及应用价值

生物炭是植物和动物的生物质通过热解或炭化而成的稳定碳产物.我国作为农业大国,在农作物收获后会产生大量的秸秆.秸秆生物炭作为一种废物衍生土壤改良剂,其具有改善土壤肥力的效果而受到广泛关注.本文主要综述了秸秆生物炭的概念、特性、秸秆生物炭的制备与应用研究进展,为后续生物炭材料的研究和应用提供参考.     

南方双季稻区生物质炭还田模式生态效益评价

应用生态经济系统能值分析理论与方法,引入环境污染指数和能值反馈率2个新的指标,分析了无秸秆还田(CK,即常规施肥处理)、低量秸秆还田(LS)、高量秸秆还田(HS)、低量秸秆源生物质炭施用(LC)和高量秸秆源生物质炭施用(HC)5种秸秆还田模式的能值效益,从农业可持续发展水平来评价南方双季稻区最佳管理模式。结果表明:秸秆还田显著增加了农田温室气体能值产出,LS、HS处理分别是CK处理的1.94倍和2.92倍,分别减少了8.13%和10.80%的水稻生物量能值产出。秸秆源生物质炭还田温室气体能值产出与常规施肥处理(CK)差别不大,但明显低于秸秆直接还田,减少了49.10%~59.36%。秸秆源生物质炭还田增加了水稻生物量能值产出,比常规施肥处理(CK)增加了4.32%~10.49%,比秸秆直接还田增加了16.96%~20.27%。5种秸秆还田模式,能值产投比早稻季依次为:LC> HC> CK> HS> LS,晚稻季依次为:HC> LC> CK> LS> HS。综合评价双季稻生态系统可持续发展水平,早稻和晚稻季节HC均高于其他模式。因此,从能值效益角度,高量秸秆源生物质炭还田是该区域双季稻生产中最优的秸秆还田模式,可以大力推广。     

不同生物质炭对酸化茶园土壤N2O和CO2排放的影响

为了研究不同生物质炭对酸化茶园土壤温室气体排放的影响,采用原料为小麦秸秆、柳树枝、椰壳3种生物质炭,通过室内培养试验来探究不同生物质炭对茶园土壤性质及N_2O、CO_2排放特征的影响。试验中生物质炭添加量为20 g·kg~(-1),同时设置了施氮肥处理,采用尿素作为外加氮源,施氮量为100 mg·kg~(-1)。结果表明,施加生物质炭提高了酸化茶园土壤pH值,柳树枝生物质炭处理土壤pH值最高为6.71,显著高于其他处理。不同生物质炭对土壤DOC含量的影响效果存在差异,柳树枝生物质炭使土壤DOC平均含量增加了95.6%,椰壳生物质炭使土壤DOC含量降低36.1%,小麦秸秆生物质炭则影响不显著。生物质炭通过抑制土壤硝化和反硝化作用降低土壤N_2O的排放,椰壳生物质炭降低N_2O排放比例达91.7%,减排效果最显著。在施氮条件下柳树枝生物质炭对土壤N_2O的减排效果显著低于小麦秸秆和椰壳生物质炭。土壤CO_2的排放通量与pH值、DOC含量均呈极显著正相关,生物质炭促进了土壤CO_2的排放,柳树枝生物质炭处理CO_2的排放显著高于其他处理。此外,外加氮源降低了土壤pH值,增加了土壤N_2O的排放,但是对土壤DOC含量变化无显著影响。     

玉米秸秆炭和木屑炭催化裂解焦油的试验研究

针对生物质热化学转化过程中产生焦油的诸多不利影响,利用催化裂解法将焦其化为小分子燃气,可达到双效降低焦油含量并提高燃气热值的目的。本研究利用500℃条件下慢速热解获得的玉米秸秆炭和木屑炭作为催化剂,在自制的焦油催化裂解装置中,研究裂解温度为700、750、800、850、900、950和1000℃时,两种催化剂对焦油的催化裂解效果。结果表明:两种催化剂对焦油裂解具有良好的催化性能;随着裂解温度升高,裂解气中H_2含量逐渐增加,CO、CH_4、C_2H_4、C_2H_6等含量均逐渐减少,裂解气热值和密度逐渐降低;比较来看,木屑炭对焦油的催化性能优于玉米秸秆炭;焦油裂解产气率随裂解温度升高而增加,在反应温度为1000℃时,玉米秸秆炭和木屑炭催化裂解焦油的产气率分别为91.98%和94.11%。总体来看,玉米秸秆炭和木屑炭既对生物质焦油具有良好的催化性能,又为催化裂解反应提供炭源。     

减氮条件下秸秆炭化与直接还田对旱地作物产量及综合温室效应的影响

[目的]本文旨在研究秸秆及生物质炭形式还田下减施氮肥对旱地作物生产及温室效应影响,以期为农业低碳生产及秸秆资源化利用提供依据。[方法]本研究选取华北平原典型旱地土壤(褐土)为研究对象,设置不同施氮水平并配合秸秆直接还田与生物质炭还田施用,对连续两个作物生长季(玉米-小麦)的产量及温室气体排放进行观测。共设置了7个施肥处理:1)不施肥处理(CK);2)常规秸秆还田配施全量化肥氮处理(SN100);3)秸秆还田配施化肥减氮10%处理(SN90);4)秸秆还田配施化肥减氮20%处理(SN80);5)生物质炭配施全量化肥氮处理(BN100);6)生物质炭配施化肥减氮10%处理(BN90);7)生物质炭还田配施化肥减氮20%处理(BN80)。采用静态箱-气相色谱法,在玉米-小麦轮作体系中进行全生育期土壤温室气体排放观测,并测定作物产量。[结果]在保持作物产量稳定的条件下,秸秆两种还田方式均可降低10%~20%的氮肥施用,但秸秆还田配合氮肥减施对作物产量的影响因作物类型而异。减施氮肥显著影响土壤温室气体排放,N_2O随氮肥施用量减少显著降低;CH_4排放主要表现为弱吸收汇;而秸秆还田处理的CO2排放随氮肥的减少而呈增加趋势,对应生物质炭还田处理的CO_2排放变化趋势相反。进一步结合作物产量分析表明,相对于常规秸秆还田措施,秸秆直接还田和炭化还田配合氮肥减施可使土壤温室气体排放强度(GHGI)分别降低36.40%~40.48%和40.48%~53.50%。[结论]生物质炭还田可在稳定旱地作物产量的前提下实现氮肥减施与低碳生产。     

改性生物质炭对原油污染土壤中苏丹草萌发的影响

为探究原油胁迫下改性生物质炭对苏丹草种子萌发和幼苗生长的影响,在土壤含油率4％的原油污染土壤中分别添加硝酸和芬顿试剂改性的棉花秸秆生物质炭,采用土培发芽试验研究两种改性生物质炭不同添加量(炭土质量比为2％和4％)对苏丹草发芽率、胚芽长、胚根长、生物量和土壤总石油烃降解率的影响.结果 表明:施用生物质炭和改性生物质炭均能显著提高土壤有机质含量(P<0.05),未改性生物质炭添加会提升土壤pH值,硝酸和芬顿试剂改性生物质炭添加会降低土壤pH值.相比于未加生物质炭处理,添加生物质炭可以显著提高苏丹草发芽率、胚芽长和植株生物量,改性生物质炭对种子生长的促进效果更好,4％硝酸改性生物质炭处理的胚芽长和生物量比对照组分别增加了67.83％和80.26％.生物质炭和改性生物质炭添加均能显著提高土壤中总石油烃降解率,与未加生物质炭处理相比,添加4％生物质炭和4％芬顿改性生物质炭处理的总石油烃降解率分别增加了23.86、20.89个百分点.研究表明,在原油胁迫下,添加改性生物质炭有助于减缓原油污染对苏丹草种子萌发的负面效应,生物质炭的改性方法和添加量会影响苏丹草与生物质炭共同作用下土壤中石油烃的短期降解效果.     

铁氧化物影响下生物质炭对土壤细菌群落结构的影响

为探究铁氧化物影响下不同制备方式获得的秸秆生物质炭(水热炭、裂解炭)对土壤细菌群落结构及组成的影响,以北方棕壤土为研究对象,分别添加铁氧化物、玉米秸秆及其制备产生的水热炭、裂解炭,进行为期120 d的室内培养试验.采用高通量测序技术,通过测定不同处理下土壤细菌16S rDNA V3～V4区序列,分析生物质炭及其与铁氧化物交互施用对土壤细菌群落结构的影响.结果表明:施用裂解炭对细菌丰度(Chao1指数)和多样性(Shannon指数)无明显影响,对细菌群落结构的影响也较小;单独施用水热炭和玉米秸秆均显著降低了细菌的丰度和多样性(P0.05),改变了土壤细菌群落结构,其中,施用水热炭后,土壤中变形菌门和放线菌门的相对丰度显著提高,而绿弯菌门和芽单胞菌门的相对丰度显著下降,表明水热炭对土壤细菌产生一定的负面影响;相较于单独施用水热炭,铁氧化物与水热炭的混施则显著提高了细菌的丰度和多样性,利于绿弯菌门的生长,但显著降低了变形菌门的相对丰度,在一定程度上改良了土壤环境.因此,在施用水热炭的同时,建议添加铁氧化物以抵消水热炭对土壤理化性质的不利影响.冗余分析和相关性分析结果表明,NH~+_4-N含量是影响细菌群落丰度和多样性的主要因素,其他土壤理化性质也与细菌优势菌群之间具有显著相关性.     

添加玉米秸秆及其生物质炭对砖红壤N2O排放的影响

为比较秸秆和生物质炭对土壤氧化亚氮排放的影响,利用室内培养试验研究生物质炭、秸秆添加对土壤性质、硝化作用及N_2O排放的影响。试验设生物质炭、秸秆和空白3个处理,试验培养条件为30℃和75%田间持水量。结果表明,添加秸秆和生物质炭显著提高土壤pH、有机碳和速效K含量,其中秸秆对土壤pH的增加作用更为突出。与对照(1 604.82±168.93μgN_2O-N·kg~(-1))相比,添加秸秆和生物质炭减少N_2O排放量分别为58.0%和65.6%,但二者减排机理不同;秸秆对N_2O的减排因生物的氮固定,降低了硝化反应底物的有效性,生物质炭对N_2O减排可能源于硝化过程中较低的N_2O产生比例。由于生物质炭显著促进土壤硝化速率,而产生较多的NO_3~-,使得热带地区砖红壤硝态氮的淋失风险增大。