生物炭及炭基肥影响农田土壤改良效应的研究进展

我国南方农田普遍存在土壤酸化加速、土壤肥力和质量不断下降、土壤微生物群落结构和功能失调等土壤退化现象。近年来,大量研究表明生物炭是一种应用前景广阔的土壤改良剂,而将其与肥料有效结合制成生物炭基肥,将在我国农田酸化土壤改良和作物增产等方面发挥重要作用。本文重点针对生物炭和生物炭基肥在农田生态系统中影响土壤改良的效应进行了综述,旨在为我国南方农田土壤改良和农业生产可持续发展提供参考。     

生物炭基肥对大豆生长及产量的影响

为研究生物炭基肥对大豆生长及产量的影响,以化肥处理为对照,设置生物炭基肥3 t(T1)、3.75 t(T2)、4.5 t(T3)和5.5 t(T4)4个处理,研究大豆干物质积累量、根瘤数量、根瘤干重、产量及产量构成因素.结果表明:生物炭基肥能够提高大豆干物质积累量、根系根瘤数和根瘤菌干重,且在生育后期,生物炭基肥效果显...     

增温和生物炭添加对农田土壤酶活性的影响

【目的】研究全球变暖的背景下生物炭添加对农田土酶活性的影响,为农田土壤生态系统管理提供理论依据。【方法】采用开顶式生长室(open-top chamber,OTC)模拟增温的方法,研究了增温和添加生物炭对农田土壤酶活性的影响。【结果】OTC使平均气温增加了0.96℃,降低了土壤含水量;而生物炭的添加明显增加了土壤含水量。单独增温处理提高了土壤磷酸酶和蔗糖酶活性,却抑制了土壤脲酶和过氧化氢酶活性。生物炭对土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶有抑制作用,但当增温和生物炭共同作用下,土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶都随着生物炭添加浓度的增加而增加。土壤环境因子中p H、有机质、速效磷、速效氮和土壤含水量是影响土壤酶活性的主要因素,通径分析表明,速效氮对土壤脲酶和过氧化氢酶活性的影响较大,而p H对土壤磷酸酶和蔗糖酶的影响显著。【结论】在全球变暖背景下,添加生物炭通过改善农田土壤环境而提高土壤酶活性。     

生物有机肥和生物炭对Cd和Pb污染稻田土壤修复的研究

在田间试验条件下,研究施用生物有机肥和生物炭对稻田Cd 和Pb 污染的钝化修复效果。研究结果表明:施用生物有机肥和生物炭处理可以提高土壤pH值以及土壤养分含量,并显著降低土壤有效态Cd 和Pb 的含量,且土壤pH 值与土壤有效态Cd 和Pb 的含量呈极显著负相关;生物有机肥和生物炭处理还可以降低水稻体内Cd 和Pb 的含量,其中水稻糙米Cd 降幅达到了22.00%和18.34%,水稻糙米Pb 含量的降幅也达到了33.46%和12.31%,且水稻糙米Cd 和Pb 的含量与土壤有效态Cd 和Pb 的含量呈显著正相关。综合各处理对土壤pH 值、土壤养分含量、土壤有效态Cd 和Pb 的含量以及水稻Cd和Pb 的影响,可以看出生物有机肥和生物炭处理对于Cd 和Pb 污染稻田土壤有较好的修复效果。     

虾壳生物炭对Cd-As复合污染土壤修复效应及土壤可溶性有机碳含量的影响

为探究虾壳生物炭对Cd、As复合污染土壤的修复效果和作用机制,将小龙虾壳厌氧热解制备成生物炭,通过土壤静态培养实验,在广东酸性和新疆碱性Cd、As复合污染土壤中添加不同剂量的虾壳生物炭(质量比为0.5%、1%和3%),研究虾壳生物炭对土壤理化性质、Cd-As有效性和形态分布特征的影响,同时分析其对土壤可溶性有机碳的影响。结果表明:施加虾壳生物炭可显著提高土壤pH、有机碳、碱解氮、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾、全氮和全磷含量(P0.05),增幅随生物炭添加量的增加而增大。与不加生物炭的对照相比,添加0.5%～3%虾壳生物炭可使酸性土壤有效态Cd含量显著降低15.76%～26.50%,却使有效态As含量增加11.64%～24.53%;而生物炭添加可显著降低碱性土壤中有效态As、Cd含量(P0.05),降幅分别为3.51%～8.12%和4.43%～28.90%。在土壤As、Cd形态分布上,添加虾壳生物炭增加了土壤中钙结合态As的比例,促进了土壤Cd由可交换态向残渣态转化。此外,添加虾壳生物炭显著提高了土壤可溶性有机碳含量,且土壤可溶性有机物的紫外光区吸收强度和芳香化程度有所增强。研究表明,虾壳生物炭可降低碱性土壤中Cd、As有效性,同时提高土壤养分含量,是一种绿色可持续的土壤钝化修复材料,具备碱性土壤Cd、As复合污染修复的潜在应用价值。     

生物炭改性及其在农田土壤重金属修复中的应用研究进展

当前农田土壤重金属污染现象十分严重,给农产品与食品安全带来严重威胁。生物炭因其特殊的结构及表面活性,加之原材料来源广、制备简单且环保,故在农田土壤重金属修复中受到越来越多的关注及应用,但初始生物炭对土壤重金属的固持效果还未达到理想状态。因此,对生物炭进行各种改性以提高其对重金属的固持效率已成为土壤污染修复领域的一个研究热点。综述国内外在生物炭热解前、共热解和热解后(化学浸渍、物理球磨和辐照)等多种改性方法与吸附、络合反应、沉淀等修复重金属机制方面的研究进展;并从改性生物炭的应用对农田土壤中重金属及其他理化性质、生物性状和农作物生长的影响等方面来诠释改性生物炭的研究意义;最后提出了可将生物炭磁性改性与共裂解、球磨改性等技术有机结合,在未来实践中利用磁性技术将施用时间较长、吸附饱和的生物炭进行回收,实现改性生物炭安全、高效、灵活应用,为改性生物炭的后续研究和应用提供理论基础和技术支撑。     

生物质炭对农田土壤的影响

生物质炭具有丰富的孔隙结构和表面性能、巨大的比表面积、植物生长所需营养元素、较高的化学稳定性和较强的阳离子交换能力等特点,因而其在土壤改良、污染物吸附、固碳减排、土壤修复等领域具有特别大的应用前景.该文概述了生物质炭的作用及其研究进展,同时指出,目前生物质炭应用技术的研究还处于起步阶段,生物质炭的研究工作还有待于深入和加强.     

生物炭对镉污染土壤的修复研究

将自制生物炭作为改良剂投入镉污染土壤中培养42 d后进行分析对比,研究镉的形态以及土壤pH值的变化情况,探讨制备条件、投加条件对生物炭修复重金属污染土壤效果的影响及其修复机理。结果表明：400℃热解制备的松木生物炭以2．0％的投加量加入1 mg／kg镉污染土壤,培养42 d可使土壤中可交换态镉含量降低13．52百分点,残留态镉含量升高18．80百分点。     

玉米芯生物炭对大豆的生物学效应

以玉米芯为原材料,采用新型炭化技术制备生物炭,研究了玉米芯炭的结构及理化特性,并通过大田试验研究了玉米芯生物炭对大豆的生物学效应。结果表明,玉米芯在炭化后总孔体积、比表面积、p H、固定碳含量、灰分含量分别提高了5.54、3.74、1、5.03、0.26倍,具有丰富的微孔结构和元素种类。施用玉米芯炭后,大豆株高、地上部干物质积累提高,光合作用、营养生理以及氮、磷、钾养分吸收功能增强,产量与品质明显提高。较高施炭量(1500、3000 kg·hm-2)平均比对照增产10.98%。该玉米芯生物炭结构与理化特性良好,是一种理想的农用生物炭材料,可应用于东北大豆生产。     

生物炭对土壤重金属污染修复研究

土壤污染是我国当前面临的一项严峻的土地利用、粮食安全和生态环境问题,重金属污染由于其稳定性强、不易迁移、难以降解以及含有毒性成分等特点,严重危害土壤系统和生态系统。生物炭由于其自身比表面积、孔隙率较大以及官能团丰富等特点,对土壤重金属污染修复具有显著的效果。研究了生物炭对土壤重金属修复机理,综述了不同生物炭及改性生物炭复合材料对土壤重金属修复和改良情况,并结合实际,提出了加强针对多种重金属污染的生物炭修复技术研究和加强修复土壤重金属污染之后的土地利用研究等展望及建议。     

生物炭介导的连作大豆光合生理代谢及产量响应

为明确生物炭长期存在条件下对连作大豆光合生理和产量的调控效应及作用关系,探讨其应用可行性,采用大田长期定位试验方法,设置CK(施肥,不施炭)、B1(生物炭12 t·hm^-2)、B2(生物炭24 t·hm^-2)和B3(生物炭48 t·hm^-2)4个处理,研究了施用生物炭(9年)对连作大豆进行光合作用的物质基础、生理功能、产物积累以及产量等方面的影响。施用生物炭可提升连作大豆叶绿素含量(Chla、Chlb)、叶面积及叶面积指数,明显增强连作大豆的光合作用能力,其净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、水分利用效率(WUE)明显提高,胞间CO₂浓度(Ci)降低,其中B3处理的Pn、Tr和Gs分别比CK处理提高15.44%、14.98%和117.73%。同时,生物炭介导的连作大豆PSⅡ反应中心内禀光能转换效率(Fv/Fm)、潜在光化学效率(Fv/Fo)及热耗散量子比率(Fo/Fm)提高,进行光合的植物效率提升。生物炭处理的连作大豆可溶性蛋白、可溶性糖、蔗糖含量及叶片干物质量均有不同程度提高,...     

Effect of biochar on grain yield and leaf photosynthetic physiology of soybean cultivars with different phosphorus efficiencies

This study was conducted with two soybean cultivars, Liaodou 13(L13, phosphorus(P)-efficient) and Tiefeng 3(T3, P-inefficient), to investigate the effects of biochar on soybean yield and photosynthetic physiological parameters, at four biochar application rates(0, 1, 5, and 10%, w/w), and two fertilization treatments(0 and 150 kg ha~(–1)). Grain yield, plant biomass, P accumulation, leaf net photosynthetic rate(P_n), chlorophyll index(Chl), nitrogen balance index(NBI), sucrose phosphate synthase(SPS), and sucrose synthase(SS) activities, soluble sugar, sucrose and starch contents, and leaf area duration(LAD) were measured. Biochar had positive effects on P_n, Chl, NBI, SPS, and SS activities, and leaf soluble sugar, sucrose, and starch contents of both genotypes, these effects increased with biochar application rate. L13 benefited more efficiently from biochar than T3 did, as the grain yield of L13 significantly increased by 31.0 and 51.0%, at 5 and 10% biochar, respectively, while that of T3 increased by 40.4 at 10% biochar application rate, as compared with controls. The combined application of biochar and fertilizer boosted the positive effects described, but no difference was found for grain yield in L13 among biochar application rates, while grain yield of T3 continually increased with biochar rate, among which, 1% biochar combined with 150 kg ha~(–1) fertilizer resulted in T3 yield increment of more than 23%, compared with the application of 150 kg ha~(–1) fertilizer alone. Altogether, our results indicated that the application of biochar enhanced carbon assimilation in soybean, resulting in increased biomass accumulation and yield. Differences in genotypic responses to biochar highlight the need to consider specific cultivars and biochar rate, when evaluating the potential responses of crops to biochar.     

不同种类生物炭对土壤重金属镉铅形态分布的影响

为探讨不同生物炭对土壤镉(Cd)、铅(Pb)复合污染的钝化修复效果,在Cd、Pb复合污染的土壤中施加不同种类、添加量的常见农业废弃物与城市污泥制备的生物炭,分析了土壤中Cd、Pb形态分配的变化,结果表明,添加生物炭可以改变土壤的理化性质,4种生物炭均显著提高了土壤的pH值、阳离子交换量和有机质的含量,与1%添加量相比,4%添加量增加幅度更大,pH、阳离子交换量和有机质含量分别比对照增加了2.7%~11.6%、12.7%~54.3%和252.0%~594.8%。4种生物炭不同程度地降低了重金属的弱酸提取态和可还原物质结合态含量,增加了可氧化物质结合态和残渣态的含量。不同种类生物炭相比,棉花秸秆炭对Cd的钝化效果最佳,其次为玉米秸秆、小麦秸秆和污泥生物炭,其中4%棉花秸秆炭处理下弱酸提取态、可还原物质结合态含量分别下降5.2%、25.5%,可氧化物质结合态、残渣态含量分别增加177.8%、166.7%。生物炭添加同样对土壤中Pb表现出了不同程度的钝化效果,不同生物炭对土壤中Pb的钝化能力表现为玉米秸秆炭小麦秸秆炭棉花秸秆炭污泥生物炭。相关分析表明,添加生物炭导致的土壤理化性质的变化可能是导致土壤重金属形态变化的重要原因。本研究结果表明,施用生物炭可有效改变土壤Cd、Pb赋存形态,促进Cd、Pb由生物有效性高的弱酸提取态、可还原物质结合态,向生物有效性低的可氧化物质结合态、残渣态转化,降低其生物可利用性,从而减轻土壤重金属污染危害。     

石灰与生物炭对矿山废水污染农田土壤的改良效应

为研究石灰、生物炭单施和配施对酸性矿山废水污染农田土壤理化性质及作物生长的影响,在云南某酸性矿山废水污染农田,开展石灰（0、1 500、4 500 kg·hm^-2）、生物炭（0、15 000、45 000 kg·hm^-2）单施与配施的大田试验。结果表明：双因素分析表明,石灰和生物炭对土壤pH、速效养分含量、有效态Cd含量、养分含量、产量存在显著的影响,并且二者之间存在显著的交互作用。与不添加石灰和生物炭处理相比,石灰单施升高酸性磷酸酶活性,增加细菌和放线菌数量,降低脲酶活性和碱解N含量;生物炭单施增加真菌和放线菌数量,减少碱解N含量,降低酸性磷酸酶和脲酶活性;石灰、生物炭配施增加微生物数量和碱解N含量,升高脲酶活性,降低酸性磷酸酶活性;石灰、生物炭单施和配施均显著提高土壤pH和速效K含量,增加CEC,显著降低土壤速效P、有效态Cd和玉米植株Cd含量,同时增加玉米生物量、养分含量和产量。相关分析表明,土壤pH值与有效态Cd含量呈极显著负相关;玉米产量与土壤有效态Cd含量呈显著负相关。研究表明,石灰、生物炭单施和配施均能改善酸性矿山废水污染农田土壤理化性质,降低土壤Cd有效性和玉米Cd含量,提高玉米产量,具有明显的土壤改良效应。石灰与生物炭配合施用更佳,其中4 500 kg·hm^-2石灰+45 000 kg·hm^-2生物炭处理效果最好。     

改性生物炭对农田土壤铬形态分布和酶活性的影响

为研究改性牛粪生物炭对土壤铬形态分布和酶活性的影响,以HNO₃改性牛粪生物炭、FeCl₃改性牛粪生物炭和原始牛粪生物炭为研究对象,研究3种改性生物炭对农田土壤铬形态分布、土壤理化特性和酶活性的影响。结果显示:HNO₃改性牛粪生物炭和FeCl₃改性牛粪生物炭相比于原始牛粪生物炭,比表面积、总孔容、微孔比表面积分别提升了2.86 m²·g^-1、0.004 cm³·g^-1、0.01 m²·g^-1和11.09 m²·g^-1、0.013 cm³·g^-1、2.20 m²·g^-1,但平均孔径分别下降了1.28 nm和3.86 nm。与未改性生物炭相比,改性生物炭官能团种类没有变化,但羟基(—OH)、羧基(—COOH)和羰基(C=O)均得到强化。Cr(Ⅵ)吸附试验中,3种生物炭均表现出良好的吸附效果,尤其是FeCl₃改性牛粪生物炭的吸附效果最优,最大吸附量达到15.90 mg·g^-1。土壤培养试验结束时(60 d),添加生物炭的土壤酸可溶态、可还原态和可氧化态铬含量分别比未添加生物炭土壤降低0.97%~2.15%、0.28%~0.94%、4.70%~9.40%。而在添加改性生物炭的土壤中残渣态铬含量(42.3%~45.2%)显著高于添加未改性生物炭的土壤(38.6%)和对照土壤(32.8%)。相关性分析结果表明,生物炭主要通过提高土壤pH、阳离子交换量和有机质含量,促进土壤中的酸可溶态铬向残渣态转化,其中FeCl₃改性牛粪生物炭的促进效果最优。生物炭的添加降低了土壤中铬的毒害作用,同时提升了土壤中脲酶、蔗糖酶和脱氢酶的活性,其中改性生物炭对土壤酶的促进效果优于原始生物炭。研究结果证明改性生物炭可以作为一种低成本、环保的吸附剂来有效修复Cr(Ⅵ)污染土壤。     

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。     

抗盐碱转基因大豆对盐碱土根际土壤化学特性的影响

以抗盐碱转基因大豆及其亲本非转基因大豆为研究对象,采用大田试验方法,对抗盐碱转基因大豆种植后对盐碱土壤化学特性的影响进行研究。结果表明,抗盐碱转基因大豆能够降低盐碱土壤pH值,对盐碱土壤阳离子交换量和总碱度的影响存在一定的时期性,对交换性钠、碱化度和钠吸附比无显著影响。在鼓粒期抗盐碱转基因大豆有提高盐碱土壤速效氮的潜力,在大豆生长旺盛时期能够提高盐碱土壤速效磷的含量。以上说明抗盐碱转基因大豆能够影响土壤的部分化学特性,但短期内对其他化学特性的影响有限。     

长期施用生物炭对土壤中Cd吸附及生物有效性的影响

考察了Cd在长期施用生物炭农田土壤上的吸附及解吸过程,并结合大田试验稻麦轮作结果探究了长期施用生物炭对土壤中Cd有效性的影响。实验结果表明,与对照农田土壤相比,生物炭的施入量越高,土壤对Cd的吸附固定能力越强,这主要是由于生物炭的加入可显著增加农田土壤的pH、阳离子交换量(CEC)和有机质含量。大田数据显示生物炭可降低土壤中Cd的有效性,抑制土壤中的Cd向稻麦中迁移。     

不同植物种植对矿区复垦土壤微生物多样性的影响

利用16S rDNA及Biolog-ECO技术研究不同植物种植下矿区复垦土壤中微生物种属及代谢功能多样性特征,旨在为矿区复垦土壤质量提升与定向培育提供理论基础。结果表明：矿区复垦土壤中微生物多样性在属水平上丰度值较高的为假节杆菌属、芽球菌属、气微菌属、鞘氨醇单胞菌属、类诺卡式属;种植大豆与玉米后,复垦土壤微生物属水平上丰度差异不大,而种植毛苕子、苜蓿与自然恢复下土壤微生物属水平上丰度差异较大;复垦土壤微生物代谢功能主要集中于氨基酸代谢与碳水化合物代谢,土壤中香农-维纳指数差异较大,顺序为毛苕子 > 苜蓿 > 玉米 > 大豆 > 自然恢复;影响矿区复垦土壤代谢功能的碳源主要有糖类中的D-木糖、β-甲基D-葡萄糖苷、葡萄糖-1-磷酸盐、D-纤维二糖,氨基酸类中的L-丝氨酸、L-精氨酸,酯类中的丙酮酸甲酯、D-半乳糖酸γ内酯,醇类中的D-甘露醇,胺类中的N-乙酰基-D-葡萄胺,酸类中的4-羟基苯甲酸、D-半乳糖醛酸。种植毛苕子有利于矿区复垦土壤微生物的碳代谢功能增强,而自然恢复下土壤碳代谢功能较差。总体来看,矿区复垦土壤中种植豆科作物毛苕子可以增加矿区复垦土壤微生物的物种多样性,提高微生物活性,增强微生物代谢功能多样性,使土壤向健康方向发展。     

砷污染土壤不同比例客土对大豆生长和吸收砷的影响

为探究砷污染土壤的客土修复效果,利用在农业部岳阳实验站的微区试验,研究不同客土比例与方式对砷污染土壤的修复效果及其对大豆生长、吸收砷等的影响。结果表明:污染土壤与客土不同比例混合后能使土壤的砷含量不同程度降低,且其含量降幅与客土比例正相关,相应地,大豆对砷的吸收和累积量随客土比例的增加而减少。与对照(即污染土壤)相比较,污染土壤和清洁土壤比例为60∶40时,大豆地上部总生物量(含茎、叶、荚和籽粒)达到最大值,且根、茎、叶、荚和籽粒的砷含量分别比对照降低30.1%、45.3%、39.8%、66.9%和82.8%;其他不同客土比例处理下,大豆各部位的砷含量均与客土比例存在显著的正相关关系。研究表明,合适比例的客土可以降低土壤和大豆砷含量,并促进大豆生长。