果菜秸秆生物炭吸附设施土壤硝态氮性能与机制研究

在农业生产中,过量偏施氮肥导致的硝酸盐富集是次生盐渍化、酸化等土壤障碍的重要诱因。生物炭因良好的吸附特性逐渐成为缓解盐渍化的土壤调理剂,但果菜秸秆生物炭对硝酸盐等离子的吸附研究鲜见报道。以甜椒、番茄和茄子3种果菜秸秆为原料热解制备生物炭,进行硝态氮吸附试验。通过扫描电镜（SEM）和傅里叶近红外光谱（FTIR）等技术对生物炭吸附前、后表面形貌、官能团等进行表征分析,利用吸附动力学模型和等温吸附模型等进行拟合分析,综合模型参数和形貌表征解析果菜秸秆生物炭的吸附性能和机制。研究结果表明,3种果菜秸秆生物炭对硝态氮均具有一定吸附能力,茄子秸秆生物炭吸附能力最强,最大理论平衡吸附量为114.788mg/g,其次为番茄（29.736mg/g）和甜椒（9.759mg/g）;茄子和甜椒秸秆生物炭吸附性能优于玉米、稻壳等大田作物秸秆生物炭,吸附过程符合准二级动力学模型,受化学键吸附、表面吸附和内扩散吸附过程的控制,番茄秸秆生物炭吸附过程符合准一级动力学模型,主要为物理吸附;FTIR分析显示,3种生物炭均含有羟基、甲基、亚甲基、羧基和羰基官能团,除此之外,甜椒和茄子秸秆生物炭还含有醚键,番茄秸秆生物炭含有醇羟基。因此,3种果菜秸秆生物炭对硝态氮均具有吸附能力,茄子秸秆生物炭吸附能力最强,受孔隙填充、官能团和络合作用等多种理化机制的影响,具有消减土壤次生盐渍化的潜力。本研究对盐渍化土壤修复和果菜秸秆资源化利用具有理论意义。     

生物炭吸附去除溶液中硝态氮研究综述

近年来,生物炭对减少水体环境中的硝酸盐污染、土壤氮素淋溶损失等问题的研究正日益受到国内外研究者的关注。通过对目前国内外生物炭对NO-3-N的吸附研究文献进行总结分析,得出了生物炭对NO-3-N的吸附机理及其影响吸附效果的因素等,指出生物炭对吸附NO-3-N的可行性,并提出未来该研究领域中尚存的薄弱环节包括吸附机理的模型建立、工业水处理的应用研究、提高吸附效率的改性方法、生物炭吸附材料的解吸及再生利用、对土壤理化性质的影响及其作用机理等。     

纳米生物炭对铵态氮的吸附-解吸效果研究

为研究纳米生物炭对铵态氮的吸附-解吸效果,以稻草秸秆为原料制得本体生物炭,并采用球磨法制备纳米生物炭,通过室内吸附-解吸试验与模型模拟相结合的方法开展研究。结果表明：相对于本体生物炭,纳米生物炭对铵态氮的吸附-解吸效果均表现出极显著的优势。纳米生物炭对铵态氮的吸附量随其投加量和初始溶液氮浓度的增大呈增加趋势,随后趋于平衡;其在pH为7的条件下对铵态氮的吸附效果最好;吸附时间为210 min时,吸附反应达到动态平衡。纳米生物炭对铵态氮的最大吸附量为6.91 mg/g,是相同条件下本体生物炭吸附量的2倍。纳米生物炭对铵态氮的吸附等温线和吸附动力学过程更适合用Langmuir方程和准二级动力学方程描述。纳米生物炭在解吸时间为240 min时,解吸反应达到动态平衡。纳米生物炭最大解吸量为6.051 mg/g,是相同条件下本体生物炭解吸量的1.9倍。准二级动力学方程能更好地描述纳米生物炭对铵态氮的动态解吸过程。纳米生物炭对铵态氮的吸附主要为单分子层吸附,以化学吸附方式为主,解吸过程可以看作是吸附反应的逆向过程。研究结果可为田间施用纳米生物炭减少氮素流失、提高氮肥利用率提供理论依据。     

生物炭对咸淡轮灌下盐渍土盐分分布和玉米生长的影响

为探究生物炭对咸淡交替灌溉下滨海垦区土壤盐分分布以及不同生育期玉米生理生长的影响,采用江苏省滨海垦区土壤开展玉米盆栽试验。设立不同生物炭与土壤炭土质量比(0、5%)处理,采用3种矿化度(1、3、5 g/L)微咸水在3个不同生育期(壮苗期、拔节抽雄期、灌浆期)进行咸淡交替灌溉("咸淡淡"、"淡咸淡"、"淡淡咸"),同时进行室内生物炭Na+吸附试验,研究不同矿化度下生物炭Na+吸附能力变化。结果表明:微咸水灌溉增加土壤析出液含盐量,且增长幅度随矿化度增加而加大,较高土壤含盐量引起的盐胁迫使得玉米光合参数与叶绿素含量在其盐分抗性较弱的营养阶段下降明显。"淡咸淡"的交替灌溉模式下株高和叶面积下降幅度较大,显著影响玉米生长。高矿化度下生物炭的Na+吸附能力显著提高。生物炭能缓解微咸水灌溉条件下土壤盐分表聚现象,减轻玉米受盐胁迫的程度,玉米各生长阶段光合参数与叶绿素含量以及株高和叶面积均有所增加,在高矿化度微咸水处理下效果尤为显著。施加生物炭后,玉米叶水势负值水平与叶片Na+/K+比均降低,说明生物炭可改善植物叶片水分状况并缓解盐胁迫造成的离子毒害。"咸淡淡"、"淡咸淡"交替灌溉模式不利于玉米生长,导致干物质质量和产量大幅下降,"淡淡咸"灌溉模式下玉米产量最高;生物炭通过促进玉米光合作用、减轻水分胁迫、避免离子毒害,最终提高收获指数。研究表明,生物炭能有效调控土壤盐分,抑制土壤次生盐渍化,有利于滨海垦区土地开垦;同时,相同微咸水轮灌模式下,施加生物炭可减轻玉米敏感期的盐分胁迫影响。     

水炭运筹对寒地黑土区稻田土壤肥料氮素残留的影响

为揭示水炭运筹下肥料氮素在稻田土壤中的残留情况,采用田间小区试验与微区试验相结合的方法,应用15N示踪技术,以传统淹水灌溉作为对比,研究水分管理模式和生物炭施用量二因素全面试验构成的不同水炭运筹模式下水稻收获后基肥、蘖肥、穗肥和肥料整体在稻田土壤中的残留情况,以及各阶段施用的肥料氮素残留在不同深度土层的分布规律。试验结果表明,稻作浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下施用的氮肥在稻田土壤中的总残留率为28.16%~34.42%,其中基肥、蘖肥和穗肥氮素的残留率分别为27.53%~41.35%、34.32%~43.50%和11.58%~25.67%。当生物炭施加量在0~12.5 t/hm^2时,水稻收获后两种灌溉模式下基肥和蘖肥氮素在土壤中的残留量均随着生物炭施入量的增加而增大,而穗肥氮素在土壤中的残留量随生物炭施入量的增加而减小,相同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式各阶段肥料氮素在土壤中的残留率显著高于传统淹水灌溉(P<0.05),且两种灌溉模式肥料氮素在相同土层深度中的残留量差异显著(P<0.05),不同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式各阶段施用的氮肥在稻田0~20 cm土层中的残留量均高于传统淹水灌溉,而在40~60 cm土层的残留量均低于传统淹水灌溉;施加25 t/hm^2生物炭时,对稻作浅湿干灌溉模式的基肥、蘖肥和穗肥氮素在稻田土壤中的残留产生负效应。合理的水炭运筹模式能够增加耕层土壤(0~20 cm)肥料氮素残留量,减少肥料氮素损失,抑制肥料氮素向深层土壤运移,降低残留在土壤中的肥料氮素对稻田生态环境造成污染的风险。     

生物炭对不同坡度坡耕地土壤水动力学参数的影响

在3种地形坡度条件下,开展了施加生物炭后连续两年的土壤水动力学效应试验研究,探究不同坡度坡耕地施加生物炭当年和次年对土壤水分常数、土壤水分特征曲线、比水容量、非饱和导水率K(h)和非饱和扩散率D(θ)的影响。结果表明:施用生物炭当年和次年均使土壤田间持水率和饱和含水率增大,且随坡度增加其增率变大,生物炭因子两年内对土壤水分常数的影响显著(P <0. 015),而坡度因子影响不显著(P> 0. 05),即生物炭因子作用更明显;施用生物炭两年内,在各个土壤吸力条件下土壤含水率均增大,土壤持水性增强,且同地形坡度呈正相关关系、同年限呈负相关关系;生物炭在两年内均增大土壤比水容量,使其供水能力加强,最大增量1. 830 207×10^-3cm^3/cm^4;地形坡度对K(h)无明显影响,但施加生物炭可使K(h)增大,土壤导水性增强,2016、2017年K(h)最高分别增加239. 61%、164. 04%;施加生物炭可降低D(θ),抑制土壤水分的水平运动,随地形坡度增加抑制效果增强。生物炭施用当年对各土壤水动力学参数的影响大于施用次年。研究结果可为东北黑土区坡耕地农业水土保护和利用提供理论依据。     

生物炭对微润灌土壤水分运动的影响

生物炭可以改善土壤的持水能力,通过室内土箱模拟试验,研究了不同生物炭添加量对微润灌累计入渗量、湿润锋运移距离和湿润体含水率的影响。结果表明,添加生物炭能显著降低微润灌累计入渗量,抑制微润灌土壤水分的向上运移,促进微润灌土壤水分的侧向和向下运移。土壤中添加生物炭后,提高了微润灌湿润土壤的含水率,且随着生物炭添加量的增加而增大。生物炭改良土壤后可以提高微润灌的节水能力。     

农田大孔隙对土壤水运动和溶质运移的影响研究

通过农场原状土和回填土试验地块比较试验 ,研究了天然土壤中的大孔隙对水分和溶质在土壤中迁移的影响。运用水分及污染物耦合数值计算模型 ,分别模拟计算了水分及保守性污染物质在原状土和回填土中的迁移规律 ,模型参数反映二试验地块不同土壤结构特征 ,数值计算成果得到了试验资料的验证     

生物炭对东北草甸黑土水分运动参数的影响

为探明添加生物炭对东北草甸黑土水力学特性的影响,研究了以5种生物炭体积比(0、2%、4%、6%、8%)施入土壤后的土壤水分运动参数。采用土壤的VAN GENUCHTEN模型和MUALEM理论,推导出添加生物炭土壤的水分特征曲线、相对导水率和水分扩散率方程,并用试验校验理论推导结果。理论和试验结果表明,添加生物炭土壤的饱和度随基质吸力的变化接近无添加的土壤;当基质吸力低于2 000 cm时,添加生物炭能够大大提高土壤的含水率,当基质吸力高于8 000 cm时,土壤的含水率不一定增加;水平土柱吸渗试验表明,生物炭能够抑制土壤水分的水平扩散;数值模拟降雨后的土壤含水率与田间实测数值相比误差小于13.3%。研究可为东北黑土区农业水土保护和利用提供理论依据。     

3,5,6-三氯-2-吡啶醇在紫色土中的吸附特征与参数估计

通过批量平衡实验和土柱实验获得了3,5,6-三氯-2-吡啶醇(简称TCP)在紫色土土壤中的吸附特征,并应用模型对上述吸附过程进行模拟。其中,吸附动力学参数通过准一阶、准二阶动力学方程、Elovich模型和粒子扩散模型反演;等温吸附参数应用Freundlic、Langmuir和Linear模型反演;土柱实验中的吸附参数基于Thomas与YoonNelson模型反演。结果表明:TCP在紫色土中的吸附动力学过程包含快速的表面物理吸附和慢速的内部化学扩散2个阶段,且粒子扩散模型表现最好。等温吸附过程可以通过Freundlic模型描述(R~2=0.94),获得的吸附容量常数K_f为0.79 mL/g,吸附水平较小说明TCP在紫色土中具有较大的迁移风险。TCP在土柱中达到平衡需要的时间约为1 215 min,土壤对TCP的吸附率为10.65%。Thomas与Yoon-Nelson模型能够较好地模拟TCP在紫色土中的动态吸附曲线(R~2≥0.84),获得的平衡浓度q0为0.008 6 mg/g。     

不同改性方法对污泥生物质炭磷吸附能力的影响研究

为了给市政污泥寻找一种合适的处理方法,以市政污泥为原材料,用热解和氯化镧改性两种方法制备生物质炭材料,用于处理含磷废水。探析了pH值、磷初始浓度以及干扰离子对污泥生物质炭除磷效果的影响,并讨论了污泥生物质炭磷吸附的热力学过程。结果表明：氯化镧改性污泥生物质炭对磷的最大平衡吸附量为58.76 mg·g^-1,是热解污泥生物质炭磷最大吸附量(5.50 mg·g^-1)的近11倍;热解污泥生物质炭磷吸附的最适pH值为6.0～10.0,而氯化镧改性污泥生物质炭磷吸附的最适pH值为4.0～6.0。Langmuir等温吸附模型能够很好地拟合热解污泥生物质炭吸附磷的热力学过程(R²=0.9436),Freundlich等温吸附模型能很好地拟合氯化镧改性污泥生物质炭吸附磷的热力学过程(R²=0.9652)。氯化镧改性污泥生物质炭对磷吸附有较高的选择性,当干扰阴离子Cl^-、NO₃^-和SO₄^2-在很高浓度(0.5 ...     

生物炭对东北草甸黑土水力特性影响的数值化研究

为探究生物炭对东北草甸黑土水力学特性的影响,建立适用于添加生物炭后的土壤模型,以5种生物炭体积比(0、2%、4%、6%、8%)施入土壤,对土壤水分运动参数进行了试验和数值分析研究。结果表明,添加生物炭后土壤持水能力的增加主要是生物炭大于2 200 cm吸力范围持水能力的提升,土壤导水性能的改善是由于生物炭在小于35.82 cm吸力段具有良好的导水特性。饱和导水率试验结果表明,添加生物炭后土壤的饱和导水率接近于生物炭层状分布的理论结果,最大偏差为8.9%。采用毛细管模型模拟了添加生物炭的土壤在渗水24 h后的水分分布情况,模拟计算的饱和度与实际测量值相比偏低11%左右,这说明毛细管模型很好地导出添加生物炭后土壤的非饱和导水特性。该研究结果可为不同生物炭施加量、施加面积、地势、渗透时间的土壤水力学特性研究提供方法与保障。     

水分调节对施用生物炭土壤重金属Cu形态的影响研究

为研究生物炭、水分调节措施对污染土壤重金属有效性的影响,从而为利用水分调节措施进一步提高生物炭修复重金属污染土壤效果提供理论依据,以施用生物炭的重金属污染土壤为研究对象,研究了水分调节对施用生物炭土壤重金属形态的影响。研究结果表明：增加土壤水分含量,可以降低施用生物炭土壤可交换态重金属铜含量,促进可交换态重金属铜向可氧化态、可还原态铜转化;尤其是在100%田间持水量条件下,供试土壤可交换态重金属铜含量比对照低18.52%、可氧化态铜比对照增加17.48%、可还原态铜比对照高16.64%,与对照相比均差异显著（P<0.05）,而残渣态与对照相比差异不明显。由此表明,利用水分调节措施可降低施用生物炭土壤可交换态重金属含量,降低土壤重金属生物毒性,提高生物炭对重金属污染土壤的修复效果。     

农田大孔隙对土壤水运动和溶质运移的影响研究

通过农场原状土和回填土试验地块比较试验，研究了天然土壤中的大孔隙对水分和溶质在土壤中迁移的影响。运用水分及污染物耦合数值计算模型，分别模拟计算了水分及保守性污染物质在原状土和回填上中的迁移规律，模型参数反映二试验地块不同土壤结构特征，数值计算成果得到了试验资料的验证。     

生物炭配施沼液对淋溶状态下土壤养分的影响

为探讨生物炭配施沼液对土壤养分淋失的影响,通过室内土柱试验,采用三因素三水平正交试验方法,系统研究了生物炭添加量、淋溶强度、沼液施加量对土壤养分淋失及土壤养分垂直分布的影响规律。结果表明,土壤养分淋失主要集中在前8次,后期淋失量均维持在较低水平并趋于稳定。各因素对氨态氮、速效磷、速效钾淋失的影响由大到小依次为淋溶强度、生物炭添加量、沼液施加量,而对硝态氮淋失量的影响由大到小依次为生物炭添加量、沼液施加量、淋溶强度。添加生物炭能明显减少养分淋失,且添加生物炭的0～20cm深度土壤的养分明显高于未添加生物炭的20～40cm土壤,各因素对氨态氮、硝态氮、速效钾在土壤中的含量影响差异显著,而对速效磷的影响则无显著差异。     

基于响应曲面分析的生物炭制备及其对重金属吸附作用研究

选取典型农作物废弃物——水稻秸秆为生物质炭原料,采用响应曲面分析方法,研究生物炭对农田土壤典型重金属污染物Cd~(2+),Cu~(2+),Zn~(2+)的吸附作用。结果表明:Cd~(2+),Cu~(2+),Zn~(2+)的吸附率与生物炭的碳化温度有着明显的二次抛物线关系;Cd~(2+),Zn~(2+)的吸附率与生物炭的碳化时间也有着明显的二次抛物线关系,但Cu~(2+)的吸附率随生物炭的碳化时间增加而提高。根据不同碳化条件对重金属总体吸附效果的响应曲面可以预测,最佳模型的碳化条件为碳化时间3 h、碳化温度447℃。     

生物炭对黑土区土壤水分扩散与溶质弥散持续效应研究

为探究施用生物炭对黑土区坡耕地土壤水分扩散和溶质弥散的持续效应,于2016—2019年在1.5°、3°、5°的径流小区开展了生物炭持续效应试验,分析了单次施加生物炭对土壤容重、孔隙度、有机质含量、Boltzmann变换参数ξ、非饱和土壤水分扩散率D(θ)、非饱和土壤水动力弥散系数Dsh(θ)的持续作用。结果表明：土壤中单次添加生物炭后的4年内均可显著降低土壤容重、提高土壤孔隙度、增加土壤中有机质含量,且各指标变化率均随坡度增大、施炭年限延长而减小;坡度、年份、是否施用生物炭3个因素中,对土壤容重、孔隙度、有机质含量影响程度最大的均为是否施用生物炭;施用生物炭增大了ξ,且ξ随坡度增加、施炭后年限延长逐年减小。2016—2019年D(θ)与Dsh(θ)均随土壤含水率的增加而迅速增加。当土壤含水率小于等于042cm3/cm3时,生物炭抑制土壤水分扩散;当土壤含水率大于0.42cm3/cm3时,生物炭促进土壤水分扩散。当土壤含水率小于等于0.36cm3/cm3时,生物炭抑制土壤中NaCl溶液的弥散;当土壤含水率大于0.36cm3/cm3时,生物炭可以促进土壤中NaCl溶液的弥散。试验区θ处于0.20~0.35cm3/cm3,故施用生物炭对水分扩散、NaCl溶液弥散均具有抑制效果,且生物炭对水分扩散和溶液弥散抑制效果均随坡度增加、施炭后年限延长而减弱。     

藻类作为生物肥料的现状与展望

生物肥料是一种可持续发展的农业实践,使用生物肥料可增加土壤养分含量,从而提高生产力。藻类被用于改善土壤肥力,能够提高农作物质量和产量,并被确定为绿色无污染的环境友好型生物基肥料。研究结果表明,在黏土和沙质土壤中添加马尾藻和江蓠等海藻可影响土壤肥力指标的变化,在土壤中添加海藻调理剂可提高土壤有机质含量,使土壤pH值恢复正常,降低土壤C/N比。同时,藻类微生物可通过生物吸附方式去除重金属。总体而言,藻类是理想的生物肥料,可取代对土壤造成污染的无机和有机肥料。     

生物炭对设施连作土壤真菌群落结构与多样性的影响

为分析设施连作土壤中真菌群落结构对生物炭的响应,以缓解设施连作障碍及扩大生物炭在设施连作栽培中的应用,依托温室盆栽试验,以“德尔3号”嫁接黄瓜为试验材料,分别取连作20、15、10、5、1、0年（对照）蔬菜土壤,通过添加一定量（20 t/hm²）的生物炭处理后,研究生物炭调控对连作土壤中真菌群落结构及多样性的影响。试验结果表明：不同年限的连作土壤添加一定量生物炭处理后,增加了担子菌门（Basidiomycota）及接合菌门（Zygomycota）在土壤中的比例,在一定程度上降低了土壤中壶菌门（Chytridiomycota）及其他未知菌门的比例,并且以连作15年蔬菜土壤（L15J）表现最为明显;显著提高土壤中真菌丰度,以连作15年蔬菜土壤（L15J）及种植1年蔬菜土壤（L1J）表现最为明显;同时提高了连作20年（L20J）土壤中真菌的多样性;各处理在200～400个OTUs时有大量真菌的新物种出现,以连作20年（L20J）土壤的真菌物种种类最多。研究表明,不同连作年限土壤中施入一定量的生物炭,增加了有益真菌菌群在土壤中的比例,提高了土壤中真菌丰度及多样性。     

Cr(Ⅵ)在碱性土壤中的吸附解吸规律的研究

为进一步研究Cr(Ⅵ)在碱性土壤中的吸附解吸规律,选用武汉东西湖区蔬菜基地的土壤进行土柱的吸附解吸动态试验。通过试验发现,通入溶液的流速越快,穿透时间以及达到吸附饱和的时间就越早,而初始溶液浓度的增加也会适当缩短整个吸附饱和的过程。吸附率随流速的下降而增加,在相同初始浓度的条件下,较低的流速具备更高的吸附效率。而初始浓度及流速对解吸过程的影响并不明显,Cr(Ⅵ)在碱性土壤解吸过程中伴有明显的拖尾现象。吸附穿透曲线均可以利用Thomas模型和Yoon-Nelson模型来进行计算分析,利用Thomas模型求得饱和吸附量q0以及吸附速率常数kth;利用Yoon-Nelson模型得到流出液浓度达到初始浓度50%的时间τ,从而对Cr(Ⅵ)在该碱性土壤中的吸附过程进行预测分析,为减少土壤重金属污染提供理论参考。