秸秆还田对镉污染农田土壤中镉生物有效性的影响

通过温室盆栽试验和土壤培养试验,研究了重金属镉污染水稻土和人为模拟镉污染土壤上不同种类和不同量的作物秸秆还田后,土壤中可提取态镉的动态变化规律以及对白菜生长和吸收重金属镉的影响。结果表明,秸秆还田显著提高了2种镉污染土壤的pH值。镉污染水稻土上还田玉米和菜豆秸秆显著提高了土壤中醋酸铵提取态镉和DTPA提取态镉含量,秸秆还田后2周时醋酸铵提取态镉含量增加了17%~33%,随时间延长,土壤中可提取态镉增加变的不明显。模拟镉污染土壤上还田玉米和菜豆秸秆对土壤中醋酸铵提取态镉和DTPA提取态镉含量影响不明显。镉污染水稻土上秸秆还田量2%时显著降低了白菜体内镉含量,还田菜豆秸秆和玉米秸秆白菜体内镉含量分别降低了18%和27%。还田玉米秸秆影响了白菜生长,降低了白菜的产量;模拟镉污染土壤上还田菜豆秸秆对白菜生长和镉含量影响不明显,但还田2%玉米秸秆降低了白菜生物量,增加了白菜镉含量。     

菌渣生物炭对镉污染土壤性质及小白菜吸收镉的影响

为探讨以菌渣为原料制备的生物炭修复重金属镉污染土壤的可行性。采用盆栽试验,以香菇菌渣生物炭(SC)和平菇菌渣生物炭(PC)为研究对象,设置0.5%,1%,2%的生物炭施用量(w/w,%),研究其对镉污染土壤理化性质、土壤各形态镉分布、小白菜生长及镉吸收的影响。结果表明:施用SC和PC均能显著提高土壤pH和有机质(SOM)含量。与对照相比,2%的生物炭处理,土壤pH分别提高1.05和1.10个单位,SOM含量分别提高80.6%和61.2%。施用SC和PC使土壤可交换态镉降低,而提高残渣态镉含量。相关分析表明,土壤可交换态镉与pH、SOM和蔗糖酶呈显著负相关。与对照相比,2%处理下SC和PC显著降低小白菜镉含量,分别降低57.5%和54.1%;1%用量下小白菜产量分别提高53.4%和41.6%,表明高投加量菌渣生物炭对小白菜生长有不利影响。总体看来,SC和PC均有利于改善土壤性质,减轻镉对植物的毒害,促进小白菜生长。     

稻壳和稻壳生物炭对镉污染土壤肥力及镉有效性的影响

在镉(Cd)污染土壤中添加等碳量的稻壳及稻壳生物炭,研究不同材料对Cd污染土壤理化性质、肥力、酶活性及重金属Cd有效态含量的影响。共设置4个处理组,未被Cd污染土壤(CK)、Cd污染土壤(CD)、添加2%生物炭的Cd污染土壤(BO)、添加等碳量的稻壳Cd污染土壤(DK)。试验结果表明,BO和DK组的土壤总有机碳含量较CD组分别提高10.05%和5.02%,DK组的可溶性有机碳含量在第60 d,比CD组高出43.90%,BO组培养第90 d时,比CD组高13.00%;BO组的碱解氮含量对比CD显著降低,DK组的碱解氮含量对比CD组显著升高。不同处理组对酶活性有不同影响,第45 d时,BO和DK组的脲酶活性较CD组显著提高,分别提高10.14%和8.61%;施加稻壳和稻壳生物炭均能显著提高土壤中的蔗糖酶活性,但BO组显著低于DK组。不同处理对土壤理化性质有不同的影响,DK和BO组均显著提升土壤的孔隙度、初始孔隙比和土壤中砂粒、黏粒的比例;土壤重金属有效态试验结果表明,DK组中Cd污染土壤中的酸可提取态Cd的含量显著降低。对比施入稻壳生物炭,施加稻壳能够短期提升土壤肥力;生物炭和稻壳均能提升土壤的孔隙度和比重,使土壤中的黏粒占比上升;稻壳生物炭及稻壳均能缓解Cd对酶活性的抑制作用;相比生物炭而言,稻壳更能显著降低土壤中酸提取态的Cd含量。     

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。     

不同用量秸秆生物炭对辣椒疫病防控效果及土壤性状的影响

采用盆栽试验研究了不同用量秸秆生物炭对辣椒疫病防控效果及土壤性状的影响,并解析生物炭用量、土壤性状与防控效果之间的关系。结果表明,随着生物炭用量的增加,土壤pH和有机质含量逐步上升,电导率、有效磷和速效钾含量迅速上升,而铵态氮和硝态氮含量变化较小。细菌、真菌及四种功能菌数量随着用量的增加而逐步增加,但辣椒疫霉数量呈现先上升后下降的趋势。土壤酶活性方面,脲酶和β-葡糖苷酶逐步降低,FDA酶和蔗糖酶则先上升后下降。微生物代谢能力、微生物多样性及微生物均匀度均与用量呈倒U型曲线关系,在1.33%用量下获得最高值。DGGE图谱显示,低用量生物炭对微生物区系影响较小,而1.33%和2%用量则能显著改变微生物群落结构。0.33%、0.66%、1.33%和2%用量的防效分别为-9.8%、8.6%、56.7%和35.1%,与用量也呈倒U型曲线关系,1.33%生物炭用量对辣椒疫病的防效最好。一定范围内防效随生物炭用量的增加而增加,这可能是因为生物炭对土壤性状的改善作用,而随后防效下降,则与高用量生物炭对土壤性状产生的负面影响有关。     

生物炭对复合污染土壤—作物中镉砷累积和转运的影响

针对镉砷复合污染土壤中小麦籽粒重金属积累问题,采用生物模拟方法,以镉砷复合污染区土壤为研究对象,探究杏核生物炭(C1和C2分别表示3%和6%生物炭添加量)对复合污染土壤—小麦/玉米系统中镉砷累积和转运的影响。结果表明：添加生物炭(C1、C2)显著降低了小麦季根际/非根际土壤Cd、As有效性,并且小麦籽粒中Cd、As含量分别比CK平均降低19.25%和50.70%,但前者差异不显著。对玉米而言,生物炭C1、C2处理显著降低穗中Cd和As含量,降幅分别为85.67%,61.28%和98.36%,96.48%;此外,施用生物炭显著降低了小麦—玉米体系中镉砷的转运和累积,但对小麦镉由秸秆向籽粒转运及籽粒中镉累积的影响未达显著水平。总之,添加3%生物炭可降低小麦籽粒和玉米穗中镉、砷含量,且对玉米穗中重金属镉、砷降低效果更明显,综合分析生物炭对镉、砷在复合污染石灰性土壤—小麦/玉米体系中迁移和累积的阻控效应,推荐施用3%生物炭为宜。     

石灰与生物炭配施对不同浓度镉污染土壤修复

通过室内培养试验,研究生物炭与石灰不同用量配施对镉污染土壤pH和镉赋存形态的影响。结果表明,生物炭与石灰配施能够明显提高污染土壤pH,且随着施入量的增加pH提升效果显著。随着石灰和生物炭配施用量的增加,土壤交换态镉降低比例逐渐增大。培养60天后,镉污染浓度为5mg/kg的土壤交换态镉含量同对照处理相比依次减少36.80%,49.12%和57.38%;而土壤镉污染浓度为20mg/kg的土壤交换态镉含量较对照相比分别降低29.27%,31.68%和39.03%。2个浓度中土壤碳酸盐结合态镉、铁锰氧化物结合态镉和有机结合态镉均有所增加,残渣态镉虽有所增加,但在不同浓度之间存在差异。总体来看,本试验用量条件下,石灰和生物炭配施对污染浓度为5mg/kg的土壤镉钝化效果优于污染浓度为20mg/kg的土壤。     

生物炭与叶面硒肥联合施用对生菜吸收镉及土壤镉形态的影响

  目的  为探明生菜吸收富集镉的能力对生物炭与叶面硒肥的响应程度,抑制有毒有害元素镉的吸收。  方法  通过盆栽试验,以生菜为研究对象,在镉污染土壤中添加生物炭,并在生菜叶片上喷硒处理,探索了生物炭与叶面喷硒的联合施用对镉污染土壤理化指标（pH和有机碳）和土壤不同形态镉含量以及对生菜镉吸收累积的影响。  结果  ① 土壤中添加生物炭与叶面硒肥都可以有效降低生菜可食部镉含量,其中喷施低浓度硒的效果更好。当生物炭添加量为30 g kg?1,叶面喷硒浓度为1 mg L?1时,生菜地上部镉含量由0.314 mg kg?1降至0.049 mg kg?1,低于国家食品安全标准（GB 2762—2017）中规定的叶菜类镉限量值0.20 mg kg?1。② 镉胁迫下,添加生物炭与叶面硒肥的交互作用对生菜镉含量和镉富集与转运能力均产生了显著性的影响,相对于生菜根部镉含量,添加生物炭的效应高于叶面硒肥的效应,而对于地上部镉含量,叶面硒肥的效应高于添加生物炭的效应。③ 生物炭添加可通过改善土壤pH和有机碳含量降低酸可提取态、可还原态、可氧化态镉的比例,增加残渣态镉的比例,从而有效地降低生菜对土壤中镉的吸收累积,减少生菜中镉含量。  结论  综合来看,生物炭与叶面硒肥联合施用可以降低生菜镉含量,其效果明显高于两者单独施用的效果,为无公害蔬菜的种植提供理论指导。     

生物炭对干旱区绿洲农田土壤呼吸的影响

为探究不同粒径秸秆生物炭添加对绿洲农田土壤CO2排放及Q10的影响,以新疆典型绿洲农田土壤灰漠土为供试材料,采用室内土柱培养的方法,研究添加＞5、1～5、0.25～1和＜0.25mm共4种粒径棉花秸秆生物炭和葡萄藤生物炭对农田土壤CO2释放的影响。结果表明：（1）试验周期内（0～85d）,添加生物炭处理土壤呼吸速率呈先增加后降低的趋势,前10d土壤呼吸增速较高;添加生物炭的土壤呼吸速率（1.27μmol·m-2·s-1）高于不添加生物炭的对照处理（1.01μmol·m-2·s-1）,棉花秸秆生物炭处理土壤呼吸速率（1.43μmol·m-2·s-1）高于添加葡萄藤生物炭处理（1.08μmol·m-2·s-1）。培养期内土壤CO2累积过程符合一级反应动力学方程,生物炭添加改变了土壤CO2潜在排放量、周转速率和半周转期。（2）添加棉花秸秆和葡萄藤两种生物炭处理与土壤CO2累积排放量（y）分别符合y=7.51x+88.53和y=2.68x+75.85的线性关系（x为生物炭粒径）。（3）添加生物炭处理土壤呼吸速率与空气温度和土壤温度显著相关,棉花秸秆生物炭处理土壤呼吸速率与温度的相关性高于葡萄藤生物炭处理,土壤温度敏感系数随粒径的减小而增加。综合土壤呼吸速率和温度敏感系数考虑,建议绿洲农田施用1～5mm中等粒径生物炭。     

煤矿区复垦土壤中秸秆和生物炭的分解特征

[目的]研究煤矿区不同复垦年限土壤中秸秆和生物炭的分解特征及其影响因素,为资源合理利用和矿区土壤培肥提供理论依据.[方法]依托山西煤矿复垦区试验基地,在复垦年限为1年(复垦初期阶段,R1)、10年(复垦中期阶段,R10)和30年(复垦长期阶段,R30)的土壤中进行了有机物料填埋试验.供试有机物料包括:玉米秸秆(MS)、...     

改性油菜秸秆生物质炭吸附/解吸Cd2+特征

该研究选用蒸汽爆破油菜秸秆,对其进行羟基磷灰石和KMnO4浸渍处理,再用壳聚糖和NaOH溶液改性所获得的生物质炭改性,以比较表面特性变化和吸附/解吸Cd~(2+)的特征。结果表明,改性处理可有效地在生物质炭表面负载相应官能团,如羟基磷灰石处理使生物质炭表面磷酸盐增多,比表面积提高至225.68 m2/g;而壳聚糖、KMnO4和NaOH处理,则引入了-NH2和-OH、-COOH等酸性含氧官能团。尽管改性生物质炭表面电荷减少,但Cd~(2+)吸附容量却提高了13%～315%,其吸附行为可用Langmuir等温吸附式拟合,并符合Pseudosecondorder吸附动力学方程。改性后,生物质炭对Cd~(2+)的吸附主要为专性吸附,其初始吸附速率提高了65%～379%,而解吸率降低了17%～91%,表明对Cd~(2+)的吸附更快且更加稳定,具有良好的应用潜力。     

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。     

秸秆生物碳质吸附剂的制备及其吸附性能

为了开辟一条废弃生物质材料利用的新途径,该研究以小麦秸秆为生物质材料,通过中低温区间限氧升温熔融碳化方法制备生物碳质吸附剂,并以铜离子为例,研究吸附剂对废水中重金属的吸附性能。结果表明：在中低温区间（200～500℃）制备的吸附剂产率高、能耗小、制备工艺简单、吸附速率快、达到平衡时间短,最慢的吸附剂（P200）需要3 h达到吸附平衡,最快的吸附剂（P500）仅需0.5 h就达到吸附平衡。30℃时吸附剂P500对铜离子的饱和吸附量为11.19 mg/g。吸附动力学过程符合Lagergren准二级反应动力学模型,吸附等温线符合Langmuir方程,分离因子RL值在0～1之间,为有利吸附。扫描电镜分析显示,随着碳化温度的升高,秸秆的微孔变形程度加剧,增大了表面粗糙程度,孔道效应更易发挥,从而提高吸附性能,为生物质吸附剂的工程应用提供参考。     

Short-term effects of raw rice straw and its derived biochar on greenhouse gas emission in five typical soils in China

Abstract

A short-term study was conducted to investigate the greenhouse gas emissions in five typical soils under two crop residue management practices: raw rice straw (Oryza sativa L., cv) and its derived biochar application. Rice straw and its derived biochar (two biochars, produced at 350 and 500°C and referred to as BC350 and BC500, respectively) were incubated with the soils at a 5% (weight/weight) rate and under 70% water holding capacity for 28 d. Incorporation of BC500 into soils reduced carbon dioxide (CO₂) and nitrous oxide (N₂O) emission in all five soils by 4?40% and 62?98%, respectively, compared to the untreated soils, whereas methane (CH₄) emission was elevated by up to about 2 times. Contrary to the biochars, direct return of the straw to soil reduced CH₄ emission by 22?69%, whereas CO₂ increased by 4 to 34 times. For N₂O emission, return of rice straw to soil reduced it by over 80% in two soils, while it increased by up to 14 times in other three soils. When all three greenhouse gases were normalized on the CO₂ basis, the global warming potential in all treatments followed the order of straw > BC350 > control > BC500 in all five soils. The results indicated that turning rice straw into biochar followed by its incorporation into soil was an effective measure for reducing soil greenhouse gas emission, and the effectiveness increased with increasing biochar production temperature, whereas direct return of straw to soil enhanced soil greenhouse gas emissions.     

磁性玉米秸秆生物炭对水体中Cd的去除作用及回收利用

以农田生态系统废弃农作物秸秆资源化利用为前提,以生物炭去除水体重金属镉(Cd)污染及其回收利用为目的,该文以500℃裂解的原始玉米秸秆生物炭(MSB,maize straw biochar)和磁性玉米秸秆生物炭(MMSB,magnetic maize straw biochar)试验材料,在2种生物炭的表面性状进行表征的基础上,探究了不同吸附条件下生物炭对污染水体中Cd(Ⅱ)的吸附去除作用及其回收利用的可能性。结果表明:MSB和MMSB对Cd(Ⅱ)的吸附量在pH值为5时达到最大,其最大吸附量分别为27.52和33.45 mg/g;当MSB和MMSB添加量为1.4和0.8 g/L时,对Cd(Ⅱ)的去除率分别可达85.15%和95.48%;Langmuir方程能更好地模拟等温吸附行为,MSB和MMSB达到平衡时的最大吸附容量分别为26.03和43.45 mg/g,趋近实际值;动力学数据与二级动力学方程拟合度更高,MSB和MMSB的平衡吸附量Qe理论值分别为13.42和24.31 mg/g;MMSB对其表面吸附Cd(Ⅱ)的解吸率均显著低于MSB。磁性生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附效率和固着能力增强可能与其较高的pH值、更大的比表面积、更多的极性含氧官能团有关。此外,在外部存在磁场的情况下,磁性生物炭可以通过磁力作用加以回收再利用。研究成果对促进农业废弃物的资源化利用以及水体环境中重金属净化技术的进步均有重要意义。     

生物炭对向日葵秸秆热解特性及气体产物影响

为了研究生物炭对向日葵秸秆热解的影响,以向日葵秸秆为原料,基于TG-FTIR研究生物炭添加前后向日葵秸秆热解特性与气体产物的变化。结果表明,与向日葵秸秆相比,混合样品主热解区间由276~349℃变得更长,并且发生不同程度的偏移,热解活化能不同程度降低,由60.21降到38.07~50.35 kJ/mol,呋喃类、酸类、含羰基类化合物、芳香醛类、CO、CH4等产物吸光度值存在差异。随着添加500℃制备生物炭比例增加,混合样品热解的活化能减小,释放气体产物中芳香醛类释放量增量减少,CO与CH4释放量降低。添加不同制备温度的生物炭,混合样品热解产生呋喃类、酸类、含羰基类化合物释放量均有所降低;添加500和700℃制备的生物炭,混合样品热解气体产物中芳香醛类增加。添加900℃制备的生物炭,向日葵秸秆热解气体产物中CO产量增加。该研究为向日葵秸秆的有效利用提供理论基础和技术支撑。     

不同温度下水稻秸秆多孔生物炭结构与电化学性能

针对一步热解活化技术制备的秸秆多孔生物炭的表面活性位点偏少、孔隙结构不发达和电化学性能欠佳的问题,该研究以水稻秸秆微波磷酸水热炭为前驱体,开展500～900 ℃下多孔生物炭的制备试验,探讨不同温度下多孔生物炭的结构及电化学性能。结果表明,随着活化温度的升高,水稻秸秆多孔生物炭产率由50.31%降低到33.47%,800 ℃多孔生物炭的C含量最高,为74.09%。多孔生物炭表面上含有的-OH、C-O-C等含O基团和吡啶氮、吡咯氮、石墨氮和氮的氧化物等含N基团,有利于其在电解质中的润湿性,降低离子转移电阻。随着活化温度的升高,多孔生物炭的碳的无序度和缺陷程度先增加后降低。800 ℃多孔生物炭的表面缺陷较多,其比表面积为1 002.20 m2/g,总孔体积最大为0.79 cm3/g,中孔体积率为45.57%。在三电极的KOH电解质体系下,800 ℃多孔生物炭电极的比电容最大,倍率性能较好,电阻较小,且其在1 A/g电流密度下的比电容为312.81 F/g。800 ℃多孔生物炭制备的对称电容器在228 W/kg功率密度下的能量密度达到10.73 W·h/kg,且在10 A/g电流密度和5 000次循环充放电后,其比电容保持率为95.82%。     

稻草及其制备的生物质炭对土壤团聚体有机碳的影响

向土壤中添加生物质炭已被认为是改善土壤质量,增加碳吸存的有效措施。通过模拟实验,利用同位素δ13C标记技术,研究稻草及其制备的生物质炭添加对土壤团聚体有机碳的影响。结果表明：稻草和生物质炭对土壤团聚体中新形成碳和原有机碳的影响截然不同。培养112 d,来自稻草或生物质炭的新碳主要进入到中团聚体（50 ~ 250 μm）中,比例为70.3% ~ 75.3%。与对照土壤相比,稻草添加显著促进了大团聚体（250 ~ 2 000 μm）原有机碳的分解（p <0.05）,但对中团聚体和微团聚体（<50 μm）原有机碳的影响并不明显,而生物质炭添加（SB250和SB350）则对大团聚体和中团聚体原有机碳没有显著影响,但SB250处理（土壤中加入250℃热解制备的生物质炭）显著抑制了微团聚体原有机碳的分解（p <0.05）,而SB350处理（土壤中加入350℃热解制备的生物质炭）的则无影响。对于同一粒级团聚体,稻草与生物质炭处理的区别,主要体现在新碳分配上,而对原有机碳的影响并不显著。     

Effect of wheat and rice straw biochar produced at different temperatures on maize growth and nutrient dynamics of a calcareous soil

The objective of this work was to study the effect of different biochar on alkaline calcareous soil, inherently low in soil organic carbon and fertility. Experiments were conducted in laboratory and greenhouse. Biochar was produced from wheat and rice straws at pyrolysis temperatures of 300°C, 400°C and 500°C (denoted as WSB300, WSB400, WSB500, RSB300, RSB400 and RSB500, respectively). In the first experiment, soil was incubated with biochar (1.0 % w/w) for up to 50 weeks. The results indicate that, WSB300 caused a significant decrease in soil pH and increased the CEC and nutrients (N, P and K) after 50 weeks of incubation. In the second experiment, maize plants were grown in pots containing calcareous soil amended with WSB and RSB for 60 days the results revealed that the application of WSB300 caused a significant increase in shoot (36%) and root (38%) dry matters over the respective control. Moreover, the highest nutrient concentrations (N and P) in shoot and root were observed with the WSB300 compared to other treatments. Therefore, it is concluded that application of wheat straw biochar produced at low temperature (WSB300) could be successfully used to improve soil properties and growth of plants in calcareous soils.     

土壤镉吸附的研究进展

综述了土壤镉吸附的机理和土壤pH、有机质含量、粘粒矿物类型及含量、土壤溶液中竞争性阳离子、共存阴离子、土壤温度等土壤性质对土壤镉吸附的影响；总结了土壤镉的吸附量随土壤pH增加、温度升高及有机质、铁锰氧化物和粘土矿物含量增加而增加的机理；竞争性阳离子的存在抑制镉的吸附，土壤溶液中共存阴离子对镉吸附的影响取决于阴离子种类和土壤类型。