生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展

生物炭是一种由农林废弃物等物质在无氧或低氧的环境下经高温裂解得到的含碳量 很高的固体物质。因其具备原料来源广、比表面积大、孔隙发达、稳定性强等特征而得到了越来 越多的关注,现已成为土壤环境修复领域的研究热点。文章综述了近年来生物炭在土壤固碳方 面的国内外相关研究进展及机理分析,展望了生物炭在土壤修复领域的推广应用前景。     

施用炭基肥及生物炭对棕壤有机碳组分的影响

【目的】作为土壤肥力的重要指标,土壤有机碳及其组分在耕地生产力和作物产量方面发挥着重要作用。论文以4年定位施肥试验为依托,分析连续施用炭基肥及生物炭对土壤有机碳含量及其组分的影响,为调控农田土壤肥力及棕壤有机碳库的管理提供科学依据。【方法】田间试验始于2011年,设置5个处理：不施肥（CK）、低量生物炭（C15）、高量生物炭（C50）、氮磷钾配施（NPK）、炭基肥（BBF）。其中C15与BBF是等碳量处理,NPK与BBF是等氮磷钾养分处理。于第4年花生收获后（2014年秋季）采集各处理耕层（0-20 cm）土壤样本,测定土壤有机碳总量、各组分含量及花生产量。【结果】施用炭基肥和生物炭均可以显著增加耕层土壤总有机碳含量,比试验起始年土壤（简称起始土）分别提高10%、8%;而在相同碳素（C15和BBF）或氮磷钾养分投入（NPK和BBF）条件下,施用炭基肥提升土壤总有机碳含量的效果最好,提升幅度为2%-15%。施入炭基肥及生物炭显著提高了游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳含量;在等碳量投入条件下,炭基肥处理的提升幅度分别为43%、17%;等氮磷钾养分投入条件下,炭基肥处理的提升幅度更大,分别为40%、43%。无论施入炭基肥或生物炭,对于矿物结合态有机碳含量影响均不大,但都比起始土略高。土壤可溶性有机碳含量变化规律与总有机碳相似,即施入炭基肥或生物炭均提高了其含量,但等碳量投入条件下无显著差异。各施肥处理花生产量在199.4-232.9 kg/667m²,均显著高于不施肥处理,其中施用炭基肥产量最大,比等碳量处理（C15）高17%,比等养分处理（NPK）高10%,且差异显著。【结论】连续多年施用炭基肥或生物炭均能明显提高土壤总有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳含量;提升效果显著优于投入等量碳素或等量氮磷钾养分。连续多年施肥可以提高土壤中水溶性有机碳含量,但炭基肥与生物炭、氮磷钾配施处理间无明显差异。无论施用炭基肥还是生物炭对土壤矿物结合态有机碳含量影响不大。连续施用炭基肥对花生产量的提升效果最好,显著高于等氮磷钾养分和等碳量处理。     

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。     

生物炭对土壤肥料的作用及未来研究

我国生物碳的研究已经普及,为了促进研究成果,本文从多项参考资料和实际研究中总结结论,为研究提供新的方向。生物碳必须在一定的条件下,通过低温热转化形成固体副产物,该物质有机碳含量高,在农作物施肥制造中有着重要作用。生物碳具有广泛的应用性,多用在碱性、多孔性以及吸附能力强的材料上。当下土壤盐碱化程度严重,生物碳能够帮助调节土壤有机碳含量,充当土壤改良剂。     

生物炭对土壤肥料的作用及未来研究

我国生物碳的研究已经普及,为了促进研究成果,本文从多项参考资料和实际研究中总结结论,为研究提供新的方向。生物碳必须在一定的条件下,通过低温热转化形成固体副产物,该物质有机碳含量高,在农作物施肥制造中有着重要作用。生物碳具有广泛的应用性,多用在碱性、多孔性以及吸附能力强的材料上。当下土壤盐碱化程度严重,生物碳能够帮助调节土壤有机碳含量,充当土壤改良剂。     

生物炭对土壤理化性质及作物生长的影响

通过大田试验研究了生物炭对红壤改良及青菜生长和产量的影响。结果表明:生物炭对青菜株高及产量增加有促进作用,施加生物炭可以提高土壤有机碳含量,而对土壤有效氮、磷、钾影响较小。     

生物炭老化及其对重金属吸附的影响机制

生物炭具有丰富含氧官能团、多孔结构、阳离子交换量、芳香性结构等使其对重金属具有良好的固持作用,进而在重金属污染土壤修复中具有良好的应用前景。生物炭施入土壤中在与土壤接触过程中受物理、化学和生物作用而发生老化现象,致使生物炭特性发生改变。本文综述了原料来源、热解温度和老化方法对老化生物炭特性的影响,以及老化生物炭对重金属吸附的影响机制。老化作用对生物炭特性的改变主要体现在灰分、表面元素组成、含氧官能团、pH、形貌特征、孔隙结构及比表面积。老化生物炭表面含氧官能团、负电荷和CEC含量增加会促进其对重金属的吸附;而比表面积和pH的降低、酚羟基和芳香醚含量增加以及羧基数量减少则抑制其对重金属的吸附。     

生物炭对诺氟沙星在土壤中吸附行为的影响

以甘蔗渣为前驱材料,在3种温度(350、450、550℃)下制备不同碳化度的生物炭(分别记为BC350、BC450、BC550),研究其对诺氟沙星在砖红壤中吸附行为的影响。结果表明,诺氟沙星在砖红壤和生物炭土壤上(W/W,1.0%)的吸附动力学过程包括快速和缓慢两个阶段,伪二级动力学模型能较好地拟合砖红壤和生物炭土壤吸附诺氟沙星的动力学过程(r≥0.963,P0.01);添加质量浓度分别为0.1%、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%的3种生物炭提高了砖红壤对诺氟沙星的吸附量,且随着生物炭添加量的增加,吸附量逐渐增加,添加生物炭后砖红壤对诺氟沙星的单点吸附值是砖红壤的1.04~2.34倍。诺氟沙星在生物炭土壤中的吸附过程能够采用Freundlich模型、Langmuir模型和Tekmin模型进行较好的拟合(r≥0.910,P0.05);生物炭土壤对诺氟沙星的非线性吸附过程主要受到表面吸附作用、分配作用和其他微弱作用力共同影响。生物炭的施入可以提高土壤对有机污染物的吸附能力,从而降低有机污染物的生态环境风险。     

不同热解温度对茭白秸秆生物炭性质的影响初探

为评价茭白秸秆生物炭作为生物炭基肥的潜力,以及为茭白秸秆生物炭在农业土壤中的应用提供理论基础,现以茭白秸秆为原料,探索了不同热解温度对茭白秸秆生物炭性质的影响。结果表明,随着热解温度从300℃升至700℃,茭白秸秆生物炭的生产效率从39.8%降至24.1%;茭白秸秆生物炭的炭化程度和极性增加,其在土壤中的残留时间为308.5～1 204.2年;茭白秸秆生物炭的总碳和总养分(N+P₂O₅+K₂O)含量(wt)分别为61.6%～71.4%和9.7%～10.9%,pH为9.4～10.3,总砷、总铅、总铬的含量分别为9.0～12.7、0～1.5、7.9～74.8 mg/kg,总汞和总镉未检出。参照NY/T 3618-2020的行业标准,热解温度300～500℃条件下的茭白秸秆生物炭性质满足其行业标准要求。     

生物炭调控农业废弃物堆肥过程的研究进展

生物炭以其富碳多孔的功能性结构而被应用于农业生态环境。总结生物炭的酸碱性、比表面积和孔隙体积、灰分含量和阳离子交换量等主要性质,为其在农业领域的应用提供研究基础。基于此,从生物炭调控堆肥过程、促进物料中有机质的降解及腐熟、减少堆肥过程中的碳损失和氮损失、降低堆肥中重金属的生物有效性以及提高堆肥肥效等6个方面综述了生物炭改善农业废弃物堆肥过程的研究进展,为生物炭在农业废弃物堆肥中的应用提供思路和参考,并对其在堆肥系统中的应用进行了展望。     

甲氧苄氨嘧啶在黏土矿物上的吸附解吸机理

以高岭土和蒙脱土为吸附剂,选用Na⁺和L-赖氨酸（Lys）作为共存组分,通过批实验探究了不同赋存形态的甲氧苄氨嘧啶（TMP）在黏土矿物上的吸附/解吸特征。结果表明：TMP在高岭土和蒙脱土上的吸附均在24 h内达到平衡。蒙脱土对TMP的吸附动力学特征会受到溶液中H⁺竞争吸附与TMP赋存形态的影响,在pH较低时（如pH=3.0时）尤为明显。TMP在黏土矿物上的主要吸附机理为阳离子交换、静电吸引和分子间力,吸附分配系数受TMP⁺/TMP⁰比例和作用力强度两方面影响。在实验条件下（TMP初始浓度为1 mg?L^-1,溶液pH为6）,由于两种黏土矿物的pH缓冲能力和表面带电性不同,Na⁺和Lys⁺共存抑制了TMP在高岭土上的吸附,但促进了其在蒙脱土上的吸附。在解吸实验中,TMP⁺和TMP⁰分别为TMP在高岭土和蒙脱土溶液中的主要存在形态,由于阳离子交换作用和静电吸引的结合强度要远强于分子间力,TMP在蒙脱土上的解吸率约为高岭土的4~5倍。     

咪鲜胺在4种粘土矿物上的吸附行为

为明确咪鲜胺在蒙脱石、高岭石、凹凸棒石和海泡石4种粘土矿物上的吸附行为及作用机理,采用批量平衡实验法,利用HPLC和FT-IR进行了测定和分析。结果表明,4种粘土矿物对咪鲜胺的吸附12 h内均可达平衡,Elovich方程为最佳模型(R20.88,P0.05,n=9);Langmuir方程适合描述咪鲜胺在蒙脱石、高岭石和海泡石表面的等温吸附(R20.93,P0.05,n=6),其最大吸附量分别为1.401、1.240和3.800 mg·g-1,而Freundlich方程适合描述其在凹凸棒石上的等温吸附;在实验p H范围内,随体系初始p H值升高,咪鲜胺的吸附量逐渐减少;咪鲜胺分子与4种粘土矿物之间的作用力主要有氢键和电荷转移等。粘土矿物的结构与实验p H值对咪鲜胺的吸附影响较大,其在粘土矿物上的吸附作用力也因矿物不同而有所差异。     

施用生物炭后塿土土壤有机碳、氮及碳库管理指数的变化

通过2年4季的田间小区试验,研究了添加0~80 t·hm~(-2)果树枝条生物炭后,土壤总有机碳(TOC)、全氮(TN)、p H、土壤活性有机碳(AOC)、土壤中活性有机碳(MAOC)、土壤高活性有机碳(HAOC)、土壤水溶性有机碳(WSOC)、碳库管理指数(CPMI)的变化及各指标之间的相关性。结果表明:在第四季作物收获后,随生物炭施用量的增加,TOC增加59.80%~180.52%、TN增加13.22%~20.92%、p H增加0.76%~1.28%;HAOC和CPMI均在生物炭用量为60 t·hm~(-2)时达到最大,分别较对照增加70.36%和52.43%;AOC前两季在生物炭用量为40 t·hm~(-2)时达到最大,后两季在生物炭用量为60 t·hm~(-2)时达到最大,而整个试验期内各施炭处理分别比对照增加18.46%~73.42%;WSOC在前三季随生物炭用量的增加而降低,且各施炭处理分别比对照低8.00%~42.77%。相关性分析表明,除MAOC外,上述各指标均与生物炭用量呈显著相关关系(P0.05)。研究认为,施用生物炭能提高土壤总有机碳、全氮含量和土壤碳库管理指数,有利于改善土壤质量,提高土壤肥力,为农田土壤可持续利用和生物炭作为土壤改良剂的应用提供科学依据和参考价值。     

生物质炭对黑土吸附-解吸硝态氮性能的影响

为了探讨生物质炭对黑土吸附-解吸硝态氮性能的影响,减少黑土中硝态氮的淋失、提高氮肥利用率以及为农业废弃物资源化利用提供理论依据,采用培养试验,应用Langmuir方程和Freundlich方程,研究了添加不同来源(玉米秸秆、稻壳、松木)和不同添加比例(0.6%、1.2%、3.6%、6%)生物质炭对黑土中硝态氮(NO_3~--N)的吸附和解吸特征。结果表明,施用生物质炭可增加黑土对NO_3~--N的吸附量,且三种生物质炭的添加比例为3.6%时,土壤对NO_3~--N的吸附量最大;施用玉米秸秆生物质炭的黑土对NO_3~--N的吸附量最大(实际最大吸附量为0.929 mg·g~(-1)),施用松木生物质炭的黑土对NO_3~--N的吸附量最小(实际最大吸附量为0.578 mg·g~(-1))。施用生物质炭可降低黑土对NO_3~--N的解吸率,且三种生物质炭的添加比例为3.6%时,土壤对NO_3~--N的解吸率最低;添加玉米秸秆生物质炭的黑土对NO_3~--N的解吸率最低,添加松木生物质炭的黑土对NO_3~--N的解吸率最高。不同生物质炭对NO_3~--N的吸附能力表现为玉米秸秆稻壳松木;对其解吸能力表现为玉米秸秆稻壳松木。生物质炭及添加生物质炭的黑土对NO_3~--N的吸附过程符合Langmuir方程。     

不同添加量生物炭对酸性土壤镁吸附解吸特性的影响

为研究不同生物炭对酸性土壤镁吸附-解吸特性的影响,采集南方典型酸性缺镁土壤,开展等温吸附、动力吸附、解吸等试验进行探究.结果表明:随着平衡液浓度的增加,土壤镁的吸附量与解吸量增加.施用生物炭后,随生物炭添加量的增加,土壤镁吸附量降低;外源镁浓度不同时,生物炭对土壤镁吸附的影响不同,当外源镁浓度在60～200 mg·L-1时,少量生物炭添加促进土壤镁的吸附;施用生物炭后吸附分配系数Kd降低,与CK对照处理相比,添加生物炭的T1-0.5％、T2-1％、T3-2％、T4-4％处理土壤对镁的吸附分配系数Kd平均值分别降低0.08、0.98、2.98、6.08 kg·L-1;对试验结果进行拟合,发现Langmuir和Freundlich方程均能较好的拟合不同生物炭添加量后土壤镁吸附热力过程,且各处理拟合方程回归系数R2均为0.99.采用的土壤对镁吸附速率较快,在10 min左右便基本达到平衡;对试验结果进行准一级动力方程、准二级动力方程以及颗粒内扩散方程拟合,发现3种动力方程的拟合效果均不理想.当平衡液浓度大于20 mg·L-1后,相较于对照处理,添加生物炭促进了土壤镁的解吸;随着生物炭施用量的增加,土壤镁解吸量减少,一定量的生物炭添加能够提高镁的解吸率,解吸率大小总体表现为:T4＞T1＞T2＞T3＞CK;T4处理镁的平均解吸率最高为14.70％,其次为T1处理11.02％,CK对照处理的平均解吸率最低为10.52％.施用生物炭后,土壤镁的吸附能力受到一定的抑制,解吸能力提高,镁释放量增加,镁的吸附能力与释放能力都随生物炭添加量的增加而下降.     

生物炭对噻虫胺在土壤中吸附和降解的影响

为探究由不同热解温度和原材料制备的生物炭对噻虫胺在黑土中吸附和降解的影响,以玉米秸秆和猪粪为原材料,分别在300、500℃和700℃下限氧热解制备了六种生物炭,并将其添加到黑土中,研究生物炭对土壤理化性质与噻虫胺在土壤中吸附-降解的影响。结果表明:添加生物炭可显著提高土壤的pH、有效态磷和有机碳含量,降低土壤的H/C。噻虫胺在土壤及生物炭-土壤混合体系中的吸附过程符合Freundlich模型。添加生物炭显著提高了土壤对噻虫胺的吸附,且吸附量随生物炭热解温度的升高而增大。不同热解温度的生物炭对噻虫胺在土壤中降解的影响不同。高温生物炭-土壤混合体系的强吸附能力降低了噻虫胺被微生物降解的速率,但噻虫胺在低温生物炭-土壤混合体系中具有相对较高的微生物降解速率。因此,在利用生物炭修复农药污染土壤时应该充分考虑生物炭的类型和性质。     

生物质炭施入对白浆土碳氮变化的影响

通过大田试验方法,研究分析生物质炭不同施入量(0、10、20、30 t·hm^-2)对旱作农田白浆土土壤碳、氮变化的影响。结果表明,生物质炭施入土壤可有效提高土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、微生物生物量碳(MB-C)、微生物生物量氮(MB-N)、硝态氮(NO₃^--N)、铵态氮(NH₄⁺-N)含量,且这些指标均随施入量的增加而提高。与对照(CK)处理相比,土壤SOM与TN含量分别提高了6.88%~43.77%、1.68%~15.91%,土壤MB-C与MB-N分别提高了9.76%~60.88%、6.72%~68.91%,且均在30 t·hm^-2的施用量下达到最大值。添加生物质炭可以显著提高各深度土层NH₄⁺-N和NO₃^--N含量,总体表现为0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm。建议以30 t·hm^-2生物质炭为白浆土旱作农田土壤的最佳施用量。