生物质炭中的污染物含量及其田间施用的环境风险预测

生物质炭在碳固定、污染修复和酸性土壤改良中的应用非常广泛,但对生物质炭中所含污染物的研究甚少,其在田间应用中的环境风险并不清楚。该文选择松针和麦秆为原料,采用不同制备方法,研究了不同条件下获得的生物质炭中的重金属和多环芳烃含量,并初步评估了其田间应用的环境风险。研究表明,不同有机废弃物来源制备的生物质炭中均含有一定量的重金属(0.301～128mg/kg)和多环芳烃(1.48～5.48mg/kg);松针制备的生物质炭中的重金属含量普遍高于麦秆制备的生物质炭,而多环芳烃含量则相反,且高温制备有助于降低生物质炭中的多环芳烃含量;在低施用量的田间条件下,生物质炭的施用不易对土壤造成多环芳烃的环境风险,但在高施用量条件下,生物质炭中含有的多环芳烃容易使土壤中多环芳烃含量达到中度或重度污染的程度;生物质炭中的重金属在土壤中的积累量比较有限,环境风险较小。     

生物炭修复重金属污染农田土壤的机制及应用研究进展

将生物质转化为生物炭并用于重金属污染农田土壤修复中,是有效利用生物质资源、保障粮食安全的有效途径之一。然而,生物炭的应用效率受其特性和土壤环境影响极大。该研究综述了生物炭特性,并探讨了生物质和热解温度对其影响规律,阐明了生物炭对重金属的直接固定作用,以及通过影响土壤p H值、阳离子交换量(Cation Exchange Capacity,CEC)、矿物组分和有机质等,进而间接固定重金属的作用机制。同时,该文系统总结了国内外生物炭在田间试验中的应用,从土壤重金属迁移性和生物有效性、作物累积重金属和作物产量等3个方面阐明了生物炭的应用效果和作用规律。针对田间试验条件区别于室内试验的特殊性,探讨了生物炭施撒方式及用量、施肥等田间管理和气候环境等现场条件对生物炭应用的影响,并对今后完善生物炭在土壤修复中作用机制、扩大研究尺度和长期土壤监测等方面研究进行了展望。     

改性生物炭对重金属污染修复研究进展及其机制分析

土壤重金属污染严重威胁农业安全。近年来,生物炭作为一种土壤重金属污染修复的新型材料受到广大学者的关注,如何通过改性方法强化生物炭吸附能力,提高生物炭的安全性、高效性和环境友好性是近年来的研究热点。论文综述了生物炭的基本特征,改性生物炭的原料来源,常见改性方法,吸附固定重金属的作用机制,并对改性生物炭功能及其应用拓展进行了展望,以期为土壤重金属修复材料的筛选提供理论依据。     

制备条件对生物质炭特性及修复重金属污染农田土壤影响研究进展

生物质炭是生物质废弃物在限氧条件下热解产生的多孔、低密度的富碳材料。前体物质和热解条件在很大程度上决定了生物质炭的表面积和阳离子交换量,影响生物质炭将重金属污染物吸附到其表面的能力,从而影响重金属在农田土壤中的迁移。本文从生物质炭的前体物质种类及热解条件对生物质炭的特性、改良土壤以及修复重金属污染农田土壤的影响等方面进行综述,并提出生物质炭修复重金属污染农田土壤研究的未来发展趋势。     

培养条件下生物炭对土壤锌的吸附作用

将稻壳分别在350℃和550℃热解温度下制备成生物质炭,按土壤质量的1%、3%和5%的添加量施入土壤中,保持一定的土壤含水率,探究施入生物炭的土壤对重金属锌吸附的影响。结果表明,土壤中施入生物炭之后,会提高土壤对重金属的吸附固定能力,生物炭的添加量越高,土壤对锌的最大吸附量越大。在试验开始阶段,随着生物炭的老化,土壤对锌的吸附性能会增强,同时土壤对锌的解吸率降低,随着时间的延长,生物炭与土壤发生的共腐殖化过程,导致土壤对锌的吸附性能逐渐降低,同时土壤对锌的解吸率提高。     

不同生物质炭对海南砖红壤性质及N_2O排放的影响

制备温度及原料影响生物质炭性质,相应影响土壤N_2O的排放,为筛选适宜于海南砖红壤的生物质炭类型,利用室内培养试验,研究海南4种禾本科植物材料在300、500、700℃三种热解温度下制备的12种生物质炭对砖红壤性质及N_2O排放的影响。结果表明:所有生物质炭都能显著增加土壤有机碳、有效磷和速效钾含量,提高土壤pH,加速土壤硝化作用进行;300℃下制备的生物质炭能促进土壤N_2O排放,500℃和700℃下制备的生物质炭则对土壤N_2O排放有明显抑制作用;所有材料中,高温热解温度下由甘蔗渣制备的生物质炭处理土壤的N_2O排放量最低,可能由于甘蔗榨糖后剩下的甘蔗渣以较稳定的碳水化合物为主。综合分析,推荐500℃热解温度下生成的甘蔗渣生物质炭实施土壤改良,更有利于N_2O减排。     

不同温度下海南禾本科类植物材料制备的生物质炭对 砖红壤性质及N2O排放影响

制备温度及原料影响生物质炭性质,相应影响土壤N₂O的排放,为筛选适宜于海南砖红壤的生物质炭类型,利用室内培养试验,研究海南4种禾本科植物材料在300℃、500℃、700℃ 三种热解温度下制备的12种生物质炭对砖红壤性质及N₂O排放的影响。结果表明：所有生物质炭都能显著增加土壤有机碳、有效磷和速效钾含量,提高土壤pH,加速土壤硝化作用进行;300℃下制备的生物质炭能促进土壤N₂O排放,500℃和700℃下制备的生物质炭则对土壤N₂O排放有明显抑制作用;所有材料中,高温热解温度下由甘蔗渣制备的生物质炭处理土壤的N₂O排放量最低,可能由于甘蔗在榨糖后剩下的甘蔗渣以较稳定的碳水化合物为主。综合分析,推荐500℃热解温度下生成的甘蔗渣生物质炭实施土壤改良,更有利于N₂O减排。     

秸秆生物质炭吸附溶液中Cu2+ 的影响因素研究

生物质炭在吸附土壤中重金属和有机污染物方面发挥着重要作用,然而关于生物质炭吸附重金属的影响因素研究较少。以小麦和玉米秸秆为原料制备生物质炭,分析了生物质炭和溶液性质对水溶液中Cu2+吸附的影响。结果表明生物质炭可有效吸附Cu2+,且不易解吸。Cu2+吸附量随pH和Cu2+初始浓度的升高而增加;高温炭对Cu2+的吸附随离子强度增强而增大;柠檬酸抑制低温炭对Cu2+的吸附,而腐植酸促进Cu2+吸附;生物质炭灰分对Cu2+吸附无显著影响。     

生物质炭中多环芳烃的潜在环境风险研究进展

作为土壤改良剂和环境污染修复材料,生物质炭在近年来得以广泛应用。生物质炭制备过程中会产生一定量的多环芳烃(PAHs),对其潜在环境负面效应和风险尚缺乏应有的认识。本文总结了生物质炭中PAHs的形成机理、影响因素(包括原材料、裂解温度、裂解升温速率和保留时间等)、总量和生物有效含量及其分析方法,旨在为生物质炭在环境中的安全应用提供理论依据和技术参考。     

生物炭复配矿物质钝化修复重金属复合污染土壤的研究

选取稻壳生物炭、木屑生物炭、羟基磷灰石及蒙脱石作为钝化材料,按钝化剂5:土壤100的重量比添加到重金属复合污染土壤中,通过测定土壤重金属形态变化,研究了钝化材料修复重金属复合污染土壤的效果及其机理。结果表明:生物炭和矿物质均能有效固定土壤中重金属,其中羟基磷灰石的钝化效果最好,对土壤镉、铜和铅的固定化率分别为76.24%、74.26%和98.13%。蒙脱石的钝化效果最差。添加钝化剂后土壤重金属中的酸可提取态和可还原态向着更加稳定的可氧化态和残渣态转化,土壤重金属活性态比例下降。生物炭复配矿物质处理对土壤重金属的钝化效果介于单一生物炭处理和单一矿物质处理之间。此外,生物炭及矿物质均能有效地提高土壤pH,pH可能是影响土壤修复效果的关键因素。     

生物质炭结构性质及其对土壤有效养分和腐殖质组成的影响

生物质炭是具有高度热稳定性和较强吸附特性的含碳物质,不同来源生物质炭的结构性质可能存在着很大的差异。为此对2种自制的不同来源生物质炭和1种商业黑炭进行了结构表征,并研究了添加生物质炭对土壤有效养分和腐殖质组成的影响。结果表明,不同来源的生物质炭在结构上有明显区别：秸秆生物质炭的芳构化程度和热稳定性最低,脂族性最强;商业黑炭缩合程度和热稳定性最高,脂族性最弱;松枝生物质炭介于二者之间。向土壤中添加秸秆生物质炭和松枝生物质炭培养45d后,土壤有机碳含量、胡敏酸和富里酸含量、有效养分含量都有不同程度的增加,同时胡敏酸的色调系数ΔlgK降低,对土壤有机碳的长期保存有积极意义。     

水洗处理对不同原料生物质炭吸附解吸Cd~(2+)行为的影响

以水稻、小麦、玉米和猪粪为原料,比较秸秆类生物质炭和畜禽粪便类生物质炭对溶液重金属Cd~(2+)的吸附解吸特点及其水溶性盐分含量的影响。结果表明,生物质炭对Cd~(2+)的吸附结果均很好地符合准二级动力学方程和Langmuir方程,猪粪炭的Cd~(2+)最大吸附量达20.7 mg g~(-1),为秸秆炭吸附量的1.37~1.72倍。洗脱去除可溶性盐分显著降低生物质炭对Cd~(2+)的吸附。水洗后秸秆炭对Cd~(2+)的最大吸附量为猪粪炭的2~4.3倍,水稻、小麦、玉米和猪粪炭对Cd~(2+)的最大吸附量分别降低52.6%、72.7%、72.8%和91.9%。洗脱作用提高了生物质炭对Cd~(2+)的解吸率,其中猪粪炭提高幅度最大,由原来的1.76%~7.96%提高到12.00%~27.49%。因此,可溶性盐分在生物质炭吸附Cd~(2+)过程中具有重要作用。所以,在污染土壤治理中需要考虑不同原料的组分差异,以制备高效修复土壤重金属污染的生物质材料。     

钢渣与生物质炭配合施用对红壤酸度的改良效果

采用厌氧热解方法制备污泥生物质炭和花生秸秆炭,研究了钢渣和生物质炭单独施用及配合施用对红壤酸度的改良效果,结果表明,钢渣、花生秸秆炭和污泥生物质炭均含有一定量的碱性物质,向红壤中添加钢渣和生物质炭可以中和土壤酸度,提高土壤pH,增加土壤交换性盐基阳离子含量,降低土壤交换性铝含量.90天培养实验结束时,这3种改良剂分别使土壤pH相对对照提高1.10、0.72和0.48.钢渣与花生秸秆炭配合施用对土壤酸度的改良效果最好,使土壤pH相对对照提高2.14,单施污泥生物质炭的改良效果最小.钢渣和生物质炭含一定量的养分元素,添加钢渣和生物质炭可以同时改善土壤肥力.钢渣含丰富的钙,添加钢渣使土壤交换性钙含量增幅最大,相对对照增加4.5倍;添加花生秸秆炭使土壤交换钾增加最显著,相对对照约增加7倍;污泥生物质炭含丰富的磷,添加污泥生物质炭使土壤有效磷增加最显著,相对对照增加5.4倍.添加钢渣和2种生物质炭均显著提高了土壤交换性镁含量,将钢渣与生物质炭配合施用,土壤交换性镁含量的增幅更大.由于钢渣和2种生物质炭的碱含量和养分含量各有特点,因此可以根据土壤酸度状况和养分含量选择将钢渣与不同生物质炭配合施用,以达到既能最大限度中和土壤酸度又能补充土壤所必需养分的目的.     

生物质炭添加对重金属污染稻田土壤理化性状及微生物量的影响

分析了生物质炭添加对红壤性水稻土理化性状、重金属含量及微生物生物量的影响。通过田间小区长期定位试验,一次性施入不同量生物质炭(0,10,20,30,40t/hm2),于2017年9月采集各处理表层土样(0—15cm),研究土壤理化性状、重金属含量及微生物生物量的变化。结果表明:生物质炭添加对土壤理化性状、重金属含量及微生物生物量均有显著影响。与对照相比,供试土壤的pH、EC和有机质含量随生物质炭添加量的增加而增大,增幅分别为5.11%~18.43%,37.62%~104.31%和1.72%~22.41%,而有效磷和铵态氮含量随生物质炭添加量的增加呈先增大后减小趋势,分别在生物质炭添加量为10t/hm2和30t/hm2时达到最大值。随生物质炭添加量的增加,土壤有效态Cd和有效态Pb含量均呈降低趋势,而土壤有效态As含量呈先增加后减少的趋势,三者均在生物质炭添加量为40t/hm2时达到最小值。土壤微生物生物量碳、氮和微生物商随生物质炭添加量的增加均呈先升高后降低的趋势,均在生物质炭添加量为20t/hm2时达到最大值。相关分析表明,生物质炭添加量分别与土壤有效态Cd和Pb含量之间呈极显著负相关(P0.01);通径分析表明,生物质炭主要是通过直接作用影响土壤有效态Cd含量,而土壤pH、EC、有机质、微生物生物量碳、氮和有效磷主要是通过间接作用影响土壤有效态Cd含量。因此,添加适量生物质炭不仅可以改善土壤重金属污染现状和土壤理化性状,提高土壤养分含量,还可以改良土壤生物学性质,增加土壤微生物量。研究结果可为提高稻田土壤肥力和改善土壤重金属污染状况提供科学依据。     

生物质炭热解炭化条件及其性质的文献分析

【目的】因生物炭具有对土壤固碳减排和作物增产以及环境修复的作用，已受到国内外学者的广泛关注。本文回顾近年来生物质炭性质的相关研究，分析农业应用中生物质炭性质问题，阐述未来生物质炭性质研究发展趋势。【方法】收集了截至2015年12月文献出版物中402篇文献，对数据按生物质炭来源地区、生产 (制备) 条件和性质类别进行分类评价。【结果】1) 目前研究中应用的生物质炭68.2%为实验室制备，商业化生产比例只有22.9%；2) 生物质炭原料以林木为主，占44.3%，其次是农作物剩余物，占38.6%。作物秸秆制备的生物质炭以中国研究最多；3) 制备生物质炭的炭化温度范围在300～700℃ (91.4%)，400～600℃的温度范围以商业化生产中较常用；4) 生物质炭性质测定除总 (有机) 碳外，常测指标还包括pH、电导率、总氮、灰分和比表面积等，潜在污染物指标测定较少，而污泥炭中的重金属及植物源炭的多环芳烃潜在风险仍需研究；5) 生物质炭的研究制备原料基本上取决于该区域内可收集的废弃物，欧美地区主要关注林木生物质炭，亚洲等的发展中国家则着重研究秸秆生物质炭。【结论】与欧美国家相比，发展中国家的生物质炭商品化生产仍较薄弱。不同原料和温度生产的生物质炭性质和功能差别很大，以秸秆为原料、中温炭化的生物质炭各方面性质较为平衡，具备生物质炭大规模产业化的条件。此外，生物质炭性质的测试注重理化性状，对潜在风险污染物的分析普遍不足，亟需开发一个标准来规范生物质炭最小测试指标集和合适的测试方法选择。     

生物质炭和果胶对再生水灌溉下玉米生长及养分、重金属迁移的影响

利用根箱试验方法比较了生物质炭和果胶对再生水灌溉下土壤—植物系统养分和重金属迁移特征的影响及差异性。结果表明,再生水灌溉不利于植物的生长,果胶和生物质炭两个处理相比,虽然植株生长无显著差异,但果胶处理植株的生长状况优于生物质炭处理;再生水灌溉时,果胶处理地上部生物量比对照增加了59.32%。与蒸馏水灌溉相比,再生水灌溉增加了根际土壤pH;灌溉水源相同时,果胶处理根际土壤pH略低于生物质炭处理。生物质炭和果胶都增加了土壤养分的含量,果胶对土壤碱解氮、有效磷和有机质的增加效果优于生物质炭,生物质炭对土壤有效钾的增加幅度大于果胶。生物质炭增加了植株的养分含量,果胶提高了养分的转运能力。生物质炭降低了土壤有效态Fe、Mn、Cu、Ni的含量,果胶增加了土壤有效态Fe、Mn、Cu、Pb、Ni的含量。果胶处理植株根系重金属含量普遍高于生物质炭处理,如蒸馏水灌溉下果胶处理根系Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni含量分别比生物质炭处理增加了165.29%,113.01%,21.16%,92.74%,14.61%,26.86%和53.43%,但Cu、Zn、Pb、Cd、Ni等元素在果胶处理的转运系数最低。该研究可为再生水灌溉下生物质炭和果胶在北方碱性土壤的农业安全利用提供理论依据。     

施加不同种类生物质炭及冻融交替后土壤吸附Cu(Ⅱ)的变化

以棉花和花生秸秆为原料于500℃下限氧慢速热解制备得到两种生物质炭,通过批处理恒温振荡法,探讨了土壤施加不同种类生物质炭及冻融交替后吸附Cu(Ⅱ)的变化。结果表明,Freundlich和Langmuir等温模型均能较好地拟合各处理土壤对Cu(Ⅱ)的吸附,土壤施加棉花和花生秸秆炭后对Cu(Ⅱ)的吸附能力显著提高,吸附能力分别提高了3.8和17.9倍;冻融交替后施加棉花和花生秸秆炭的土壤对Cu(Ⅱ)的吸附能力均降低,吸附能力分别下降了1.6和1.1倍;花生秸秆炭比棉花秸秆炭更适宜作为土壤改良剂修复重金属污染土壤。     

施用生物质炭对红壤有机碳矿化及其组分的影响

采用室内培养试验研究了生物质炭种类、土壤性状和氮肥施用对红壤有机碳矿化及其组分的影响。结果表明,添加生物质炭后红壤中有机碳的矿化速率随添加生物质炭制备温度的增加而下降;在有机质中等的土壤中,添加生物质炭可促进土壤有机碳的矿化;而对于有机质特别低或较高的土壤中,添加生物质炭降低了其有机碳的矿化;施用氮肥可明显增加生物质炭添加土壤中有机碳的矿化。研究认为,生物质炭类型、土壤性状和施用氮肥对添加生物质炭土壤有机碳矿化的影响差异可能与它们对土壤活性有机碳(微生物生物量碳和水溶性碳)的影响不同有关。总体上,施用生物质炭和氮肥若能促进土壤活性有机碳的形成,则相应地其也可促进土壤有机碳的矿化。生物质炭在土壤中的稳定性也受土壤性状和氮素状况的影响。     

铅镉高污染土壤的钝化材料筛选及其修复效果初探

本研究以重金属高污染农田土壤(全Pb含量为1 277 mg/kg,全Cd含量为39.0 mg/kg)为研究对象,通过土培试验和玉米苗期盆栽试验,探讨海泡石、石灰、腐植酸、钙镁磷肥、磷矿粉、生物质炭等常用稳定材料不同剂量及复配组合对高污染土壤重金属的钝化修复效应。土培试验结果表明,石灰对Pb和Cd钝化效果最好,其次是海泡石,但两者表现为较高添加量处理间没有显著差异;而低剂量生物质炭和腐植酸显著增加土壤有效态Pb和Cd含量,高剂量生物质炭具有较好的钝化效果。盆栽试验表明,海泡石与石灰配施钝化效果较好,与对照相比,土壤氯化钙提取态Pb、Cd含量分别降低了97.5%、81.4%;玉米根和地上部Cd含量分别降低48.5%、34.0%,Pb含量分别降低35.6%、29.6%;但海泡石与磷材料配施显著增加玉米根Pb含量,对玉米Cd吸收没有显著影响。以上结果表明,重金属高污染农田土壤添加合适的改良剂,可较大幅度降低土壤重金属有效性和植物重金属吸收性。     

秸秆及生物质炭对砖红壤酸度及交换性能的影响

为合理运用秸秆材料改良热带地区砖红壤,采用室内培养试验研究了玉米秸秆及其制备的生物质炭对海南花岗岩母质发育的砖红壤的酸度和交换性能的影响。试验设单施生物质炭(B)、生物质炭和秸秆混合施用(BCS)、单施秸秆(CS)及对照(CK)共4个处理。结果表明,添加生物质炭和秸秆显著提高土壤p H、CEC、交换性盐基总量和盐基饱和度。秸秆和生物质炭可降低土壤交换性酸,尤其是交换性酸中交换性铝含量更是显著降低,表明生物碳和秸秆施用能够有效降低砖红壤酸度,提高交换性能。不同处理改良效果的大小顺序为CSBCSB。