生物炭概念的内涵及语词辨析

多年来国内学术界对英文词汇biochar的中文应表述为"生物炭"还是"生物质炭"存在争议.本文根据逻辑学关于概念及语词、定义及划分的基本方法,试图剖析生物炭(生物质炭)概念的内涵与语词的混乱现象,澄清当前生物炭定义及划分等方面存在的逻辑问题,旨在深入理解生物炭的专业术语、促进科学知识的传播和科技成果的推广应用.     

不同来源生物质废弃物热解炭化农业应用潜力分析:生物质炭产率、性质及促生效应

  【目的】  中国农业生物质废弃物种类多、数量大,且存在病原菌、农药和抗生素残留等潜在生态和环境风险。热解炭化作为一种废弃物的安全处理方法,其生物质炭的循环得率、性质及其土壤改良和促进作物生长的效应还需系统的比较研究。  【方法】  本研究选取作物生产来源的原生生物质、养殖业来源的次生生物质、食品加工处理的残余生物质等共26种生物质废弃物原料,在同一条件下炭化,分析不同来源原料热解后生物质炭产出率与性质。以小白菜 (Brassica campestris L. ssp.) 为试材进行盆栽试验,研究生物质炭对作物生长及土壤改良效应,进而评估这些废弃物炭化农业循环的应用潜力。  【结果】  供试26种废弃物炭化后的生物质炭产出率介于22%～71%,有机碳循环回收率介于22%～81%,氮素循环回收率介于21%～67%。26种废弃物生物质炭的pH和阳离子交换量差异较小 (变异系数10%左右),总有机碳、氮、水分、灰分含量等差异较大,变异系数在60%～70%;而不同原料生物质炭的电导率和溶解性有机碳含量变化极大,变异系数大于90%。生物质炭盆栽试验中,生物炭添加1%,小白菜生物量提升效应介于–34%～314%,变异系数大于100%;小白菜品质提升效应介于–14%～228%,变异系数为59%;土壤肥力提升效应介于20%～360%,特别是土壤有效磷含量提升幅度在0～24倍,均值为359%。同时,生物质炭产出率与生物质炭中灰分呈显著正相关,生物质炭的碳氮回收率与原料中碳氮含量呈显著正相关;不同原料热解炭化的质量回收率、碳氮回收率与小白菜产量及品质等指标间变化差异较大,在小白菜产量效应和品质效应间,部分生物质炭存在抵消作用,而另一部分生物质炭表现为协同作用。  【结论】  综合考虑热解炭化的生物质炭化循环率及碳氮回收循环率和土壤质量–植物生长协同提升效应,供试26种原料中,蚕砂、稻壳牛粪、骨粉、双孢菇渣、兔粪、羊粪和玉米渣的炭化循环率和土壤质量–植物生长协同提升幅度较高 (> 50%),为优先炭化农业利用的生物质废弃物;而木糖渣、稻壳粉、椰渣、高粱酒渣、核桃皮、蚓粪和红茶渣等废弃物热解炭化,因炭化循环率较低,或者土壤质量–植物生长提升的不一致效应,认为不宜炭化农业利用;而其余废弃物热解炭化后的效应介于上述两类之间,具有较高的炭化循环率和一定程度的土壤质量–植物生长协同提升效应,属于可炭化农业利用的生物质废弃物。     

生物炭强化有机废弃物厌氧发酵技术研究

厌氧发酵是中国有机废弃物处理的重要技术途径,但利用厌氧发酵技术在高负荷条件下处理有机废弃物过程中,因有机酸、氨氮等抑制性物质作用,易导致厌氧发酵运行不稳定,处理效率不高等问题。生物炭是生物质材料在无氧或缺氧条件下经高温热解形成的多孔径碳质材料,具有比表面积高,孔隙结构复杂,表面活性基团丰富和导电性强等特性,并被广泛用于厌氧发酵技术研究。近年来国内外研究表明,生物炭能有效强化厌氧发酵,提高厌氧发酵过程中有机废弃物的处理效率。然而,对于生物炭强化厌氧发酵技术途径,目前仍未见系统的梳理和报道。该文对生物炭材料的化学组成、孔隙结构、表面官能团关键因素及生物炭强化厌氧发酵技术的重要途径进行了系统分析和归纳,从生物炭材料的理化性质出发,阐述了生物炭对于厌氧发酵技术的强化效果及强化途径,强化途径主要包括:提升系统缓冲能力、微生物载体作用和强化电子传递等,在此基础上提出了今后生物炭强化有机废弃物厌氧发酵技术的重点研究内容和方向,为开发厌氧发酵强化技术提供指导。     

曝气量与辅料粒径对餐厨废弃物辅热生物干化的影响

为解决餐厨废弃物生物干化处理周期长、脱水效率低的问题,该研究分别设置3个不同曝气量（0.4、0.6和0.8 L/(min·kg)）和不同辅料粒径（粗粒径>15.0 mm、细粒径<5.0 mm和混合粒径5.0～15.0 mm）进行析因试验,探究其对餐厨废弃物生物干化效果的影响。研究结果表明,相较于粒径而言,曝气量对于辅热生物干化温度变化和除水影响更大。0.6 L/(min·kg)曝气下升温速度较快,高温期持续时间更长,有效积温更高。除0.4 L/(min·kg)和细粒径处理,其他处理辅热生物干化过程高温期均超过7 d;0.8 L/(min·kg)和细粒径处理的除水效果最好,生物干化指数最高为4.0,最终含水率为17.0%,水分去除率为95.8%。能量和水分平衡计算表明：辅热生物干化过程中,主要的除水方式为蒸发除水,占总除水量40%～80%;主要能量来源为生物产热（63.0%～76.0%）,能量损失主要有蒸发潜热（26.0%～46.5%）和反应器热损失（28.3%～49.4%）,0.8 L/(min·kg)和细粒径处理的能量利用效率最高为65.1%。经过16 d辅热生物干化,除0.4 L/(min·kg)和细粒径处理pH值与发芽指数不能满足腐熟标准,其他处理均能完全腐熟,可满足有机肥标准。     

生物质炭-木醋液包衣剂对玉米幼苗生长及抗氧化酶活性的影响

以玉米生物质炭-木醋液制成的包衣剂和以活性成分为11.2%福美双、8.0%克百威和0.8%三唑酮的常规包衣为处理,以未包衣为对照,通过发芽试验和盆栽试验研究生物质炭-木醋液制成的包衣剂对玉米种子的发芽、幼苗生长及抗氧化酶活性的影响。发芽试验结果表明:生物质炭-木醋液包衣处理下的玉米种子活力指数较常规包衣和未包衣分别显著提高了35.6%和47.8%;但对种子发芽势、发芽率影响不显著。盆栽试验结果表明:在玉米出苗第30 d,生物质炭-木醋液包衣处理对玉米幼苗的株高、叶面积及叶鲜重较未包衣分别显著提高26.4%、48.9%、19.8%,而较常规包衣处理分别提高14.0%、11.6%、16.2%;在玉米整个幼苗期,与未包衣及常规包衣相比,生物质炭-木醋液包衣显著提高了地上部过氧化氢酶活性,增加幅度分别达15.9%~40.1%和7.8%~21.4%;除玉米出苗第20 d外,生物质炭-木醋液包衣较未包衣及常规包衣均显著降低玉米地上部丙二醛含量,降低幅度分别在19.4%~42.1%和16.9%~20.8%。此外,生物质炭-木醋液包衣处理对玉米幼苗地下部含氮量较未包衣及常规包衣分别显著增加了27.3%和13.8%,但对玉米磷和钾含量影响不显著。由此可见,玉米秸秆生物质炭与木醋液制成的种子包衣剂在农业生产中具有一定的推广潜力。     

生物炭-铁锰氧化物复合材料制备及去除水体砷(Ⅲ)的性能研究

采用浸渍法制备了4种不同的生物炭-铁锰氧化物复合材料(F_1M_1BC_(10),F_1M_3BC_(20),F_1M_4BC_(25),F_3M_1BC_(20)),采用SEM,XPS和FTIR表征方法分析了几种复合材料与生物炭表面性质的差异,比较了4种不同配比生物炭-铁锰氧化物复合材料对砷(Ⅲ)去除性能,分析了不同投加量的吸附材料对砷(Ⅲ)去除效率及吸附量的差异。结果表明,与生物炭相比,炭、铁和锰不同配比的生物炭-铁锰氧化物复合材料比表面积明显增大,由61.0 m~2·g~(-1)增加到208 m~2·g~(-1),孔径变小,由23.7 nm下降到2.76 nm;碱性官能团含量明显增加;材料表面形成了MnOx、FeOx。与生物炭相比,4种生物炭-铁锰氧化物复合材料对砷(Ⅲ)的动力学吸附量大小与去除率顺序依次为F_1M_4BC_(25)F_1M_3BC_(20)F_1M_1BC_(10)F_3M_1BC_(20)BC。F_1M_4BC_(25)(m铁∶m锰∶m炭=1∶4∶25)是去除砷(Ⅲ)最优的复合材料,在用量为0.016 g·m L~(-1)时,对砷(Ⅲ)的去除率可达82.6%,是生物炭去除率的2.3倍。研究表明,生物炭-铁锰氧化物复合材料是一种潜在的去除水体砷污染的炭基材料。     

生物质炭对磺胺类抗生素在坡耕地紫色土中吸附-解吸及淋溶过程的影响

吸附-解吸是影响抗生素类污染物在土壤中迁移转化及生物有效性的重要过程,本文以川中丘陵区坡耕地紫色土为研究对象,通过批量平衡实验和柱实验研究生物炭施用（投加量0(B0)、39.75 (B1)t/hm2和198.75 (B2) t/hm2）及田间老化作用（夏季干湿交替）对三种典型磺胺类抗生素（磺胺嘧啶（SD）、磺胺二甲基嘧啶（SM2）及磺胺甲恶唑（SMZ））在紫色土中的吸附-解吸和淋溶行为的影响。结果表明：在几种处理中,三种磺胺类抗生素吸附强弱的顺序都表现为SD>SMZ>SM2;与B0处理相比,添加生物炭能增加土壤对三种抗生素的吸附能力,其中SM2的吸附显著增加（P<0.05）,但这种促进作用在经过老化过程后有所减弱。在解吸过程中,三种抗生素的Freundlich常数Kf大小顺序为SD>SMZ>SM2,表明SD在土壤中吸附容量最大且不易解吸,其次是SMZ和SM2;相应的迟滞系数H大小顺序为SD相似文献   

生物炭-凹凸棒土复合材料对水稻土锌镉的钝化及土壤养分和酶活性的影响研究

为了比较生物炭、凹凸棒土以及生物炭-凹凸棒土复合材料3种钝化剂对锌镉复合污染水稻土的钝化修复效果,本研究利用傅立叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、比表面积表征(BET)和扫描电镜(SEM)等技术手段对稻壳生物炭和凹凸棒土样品进行表征,并采用土培试验研究稻壳生物炭、凹凸棒土及生物炭-凹凸棒土复合材料对实际重...     

化肥氮减量配施生物炭和菜籽饼对玉米-白菜养分吸收、氮素利用及产量的影响

为探究化肥氮减量20%配施生物炭和菜籽饼在贵州黄壤区轮作玉米-白菜生产中的增产增效作用,采用盆栽试验,研究了不施肥(CK)、常规化肥(CF)、化肥氮减量20%配施生物炭(RF+B)、化肥氮减量20%配施菜籽饼(RF+O)及化肥氮减量20%配施生物炭和菜籽饼(RF+BO)对玉米和白菜干物质量、养分吸收量、氮素利用效率及产量的影响。结果表明:3种配施处理中RF+BO处理的总体效果最佳,RF+BO处理能满足玉米和白菜生育期养分的需求,有效提高氮、磷、钾养分的吸收量,与CF处理相比,其玉米氮、磷和钾养分吸收量分别提高27.59%、37.21%和30.34%,白菜氮、磷和钾养分吸收量分别提高26.64%、35.56%和33.44%;RF+BO处理有利于提高玉米和白菜当季氮素利用效率,就氮肥贡献率、农学效率、偏生产力和氮素表观利用率而言,与CF处理相比,玉米季分别提高1.64%、9.88%、8.36%和26.21%,白菜季分别提高2.99%、35.70%、33.71%和31.78%;增产效果显著,玉米和白菜较CF处理分别增产9.72%和39.26%。综上,化肥氮减量20%配施生物炭和菜籽饼可为贵州黄壤区玉米-白菜的化肥减量增效施肥技术提供理论依据。     

农业废弃物资源化利用技术综合评价指标体系与方法

农业废弃物资源化利用技术综合评价是现代农业产地环境保护技术优选和集成的重要内容。为了构建中国农业废弃物资源化利用技术综合评价的指标体系和方法,该文采用文献分析的研究方法,基于自然—经济—社会复合生态系统理论,提出了农业废弃物资源化利用技术综合评价指标体系的构建思路,并建立了一套包括4级37个指标的综合评价指标体系。在论述农业废弃物资源化利用综合评价的实施过程基础上,提出了4层次的农业废弃物资源化利用技术的评价模式,该模式具有全面性、定量与定性相结合的特点。研究结果为评价、筛选、集成和推广农业废弃物资源化利用技术提供方法学依据。     

蔬菜废弃物与畜禽粪便联合好氧发酵挥发性有机物排放特征

为研究蔬菜废弃物与畜禽粪便联合好氧发酵过程产生的挥发性有机物(volatile organic compound,VOCs)及主要致臭物质,开展了蔬菜废弃物与畜禽粪便联合好氧发酵试验,采用气相色谱-质谱法和三点比较式臭袋法分析了好氧发酵升温、高温和降温阶段产生的VOCs种类和浓度及臭气浓度。结果表明,蔬菜废弃物与畜禽粪便联合好氧发酵过程共检出34种VOCs,其中芳香烃类化合物11种、烷烃7种、含硫化合物4种、酮类4种、卤烃类化合物3种、醇类2种、酯类2种、醛类1种;发酵升温期臭气浓度最大,达72 443,而在降温期产生的VOCs种类最多为29;在联合好氧发酵过程中主要致臭物质为甲硫醚、二甲二硫醚、二硫化碳、NH3和H2S,羰基硫、乙醛和苯乙烯仅在高温期产生且浓度较高;根据嗅阈值比值大小与最大浓度,需重点监测和控制恶臭物质的顺序是二甲二硫醚H2SNH3甲硫醚。该研究结果为蔬菜废弃物与畜禽粪便联合好氧发酵过程中恶臭物质的监测和控制策略研究提供理论依据。     

典型农业生物炭理化特性及产品质量评价

生物炭能修复土壤、替代化石燃料、吸附水土气中的环境污染物等,应用潜力较大,但目前生物炭存在质量差异大、测试指标及方法不明确等问题,该文以农作物秸秆及农产品加工副产物为原料生产的生物炭为研究对象,系统梳理了生物炭物理、化学、热化学、表面化学等特性及有毒污染物。归纳提出了肥料炭、能源炭、活性炭等不同应用方向的生物炭主要指标、质量要求及测定方法。建议尽快制定生物炭质量评价标准体系,针对肥料炭、能源炭、活性炭等不同应用方向的提出生物炭的质量分级标准,制定和完善各个指标试验方法,为加快推进生物炭产业化应用提供技术支撑。     

低温水热法制备竹生物炭及其对有机物的吸附性能

竹是一类常见的生物质资源,竹加工中产生的废弃物是制生物炭的理想原料。该研究采用水热炭化法,在较低的水热温度下制备竹生物炭,并通过Na OH浸泡和N2氛围下高温煅烧2种方法,对竹生物炭进行进一步改性,所得产品用于去除水溶液中2-萘酚和刚果红。结果显示:仅采用水热炭化得到的竹生物炭产品得率大于54%,表面官能团丰富,均能吸附水溶液中的2-萘酚和刚果红,其中160℃3 h下制备的样品对2-萘酚吸附效果最好,200℃7 h下制备的样品对刚果红吸附效果最好;改性处理会降低终产品得率并影响表面官能团,Na OH浸泡改性处理能增加竹生物炭对2-萘酚和刚果红的吸附容量,N2氛围下高温煅烧改性则不能提高竹生物炭对这2种物质的吸附效果。研究结果可为废弃生物质制炭及生物炭在水污染物吸附分离中的应用提供参考。     

Comparison of nitrogen mineralized under anaerobic and aerobic conditions for some agricultural and forest soils of washington

Abstract

Seven agricultural soils and eight forest soils from Washington state were tested for mineralizable nitrogen using both anaerobic and aerobic incubation procedures. Each procedure had been used previously to. develop nitrogen indices for agricultural and forested ecosystems. Forest soils mineralized less nitrogen under anaerobic than aerobic conditions, while the opposite was true for agricultural soils. There were statistically significant correlations between the two methods for each of the time periods tested. Experimental variations were consistently lower than previously reported.     

生物炭生产与农用的意义及国内外动态

近年来,生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视。生物炭在土壤中能够保持数百年至数千年,实现碳的封存固定,生物炭还可以改善土壤理化性质及微生物的活性,培肥土壤肥力,延缓肥料养分释放,降低肥料及土壤养分的损失,减轻土壤污染。生物质的热裂解及气化均可产生生物炭,但是慢速热裂解和热水炭化工艺的生物炭产率最大,同时还可获得生物油及混合气,生物油及混合气可升级加工为氢气、生物柴油或化学品,这有助于减轻对化石能源或原料的依赖。生物炭的生产及农用是碳减排的过程,废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多赢的。国外在废弃生物质热裂解生产生物炭及农用方面做了许多研究工作。中国在生物质热裂解获得生物能源方面做了较多工作,但对生物炭的生产及农用重视不够。今后,中国应以废弃生物质生产生物炭,并将生物炭农用作为生物能源、环境及农业可持续发展的战略。     

N mineralization and nitrate leaching from vegetable crop residues under field conditions: a model evaluation

Six different vegetable crop residues were incorporated in the field and N mineralization from the residues and from an unamended plot was followed over 4 months by periodically monitoring mineral N contents of the soil. The crop residues were also fractionated according to a modified Stevenson chemical fractionation. Nitrogen mineralization parameters of the first order kinetic model N(t)=N_A(1−e^−kt) were derived from the chemical fractionation data. The first order model was used in combination with a model describing the temperature dependence of N mineralization and a simple leaching model to predict N mineralization rates and nitrate redistribution after crop residue incorporation under field conditions. Comparison of predicted and measured mineral N contents in the upper soil layer (0–30 cm) before the start of leaching showed that the model was able to predict N mineralization from both soil organic matter and crop residues under field conditions. From the onset of leaching, mineral N contents were slightly overestimated in the upper layer and underestimated in the lower soil layers. Although the Burns leaching model underestimated the leaching rate, the general pattern of nitrate movement was simulated satisfactorily. Statistical analysis using the variance ratio test yielded small but significant F values, indicating that the model can still be improved. The modelling efficiency was rather high and the coefficient of residual mass very close to zero. Linear regression between measured and simulated nitrate contents over the whole profile (0–120 cm) for all samplings yielded Y=9.6+0.876X (r=0.94***) with all deviations smaller than 25 kg N ha⁻¹. Total N mineralization ranged from 48 kg N ha⁻¹ for the control plot to 136 kg N ha⁻¹ for the plots with cauliflower residues and cumulative leaching losses from 26–66 kg N ha⁻¹, with most of the mineral N left in the 60–120 cm layer. These results show that N losses by leaching in winter can be high when vegetable crop residues are incorporated, even when there is little mineral N in the soil at the time of incorporation.     

Occurrence and distribution study of residues from pesticides applied under controlled conditions in the field during rice processing

The results of an experiment to study the occurrence and distribution of pesticide residues during rice cropping and processing are reported. Four herbicides, nine fungicides, and two insecticides (azoxystrobin, byspiribac-sodium, carbendazim, clomazone, difenoconazole, epoxiconazole, isoprothiolane, kresoxim-methyl, propanil, quinclorac, tebuconazole, thiamethoxam, tricyclazole, trifloxystrobin, λ-cyhalotrin) were applied to an isolated rice-crop plot under controlled conditions, during the 2009-2010 cropping season in Uruguay. Paddy rice was harvested and industrially processed to brown rice, white rice, and rice bran, which were analyzed for pesticide residues using the original QuEChERS methodology and its citrate variation by LC-MS/MS and GC-MS. The distribution of pesticide residues was uneven among the different matrices. Ten different pesticide residues were found in paddy rice, seven in brown rice, and eight in rice bran. The highest concentrations were detected in paddy rice. These results provide information regarding the fate of pesticides in the rice food chain and its safety for consumers.     

农林生物质制备铁炭复合材料及其环境污染治理应用的研究进展

以农林生物质为原材料,通过加入铁磁性助剂制备铁炭复合材料是农林生物质高值化利用和受污染水体及土壤治理的重要途径。铁炭复合材料具有高比表面积、丰富表面官能团和优异吸附性能,能够通过表面物理吸附和氧化还原作用,快速吸附污水中的重金属离子,并在外部磁场的吸引下实现快速分离回收和循环使用。该研究论述了不同制备方法的铁炭复合材料及其材料性能,对其去除有机染料污染物、治理污水和土壤重金属的研究现状及发展动态进行了分析和讨论。在此基础上,结合铁炭复合材料的结构发育机理和污水治理及土壤改良的产业发展现状,提出了兼顾低成本、易合成、高效益的复合材料制备方式建议,以期为其在环境污染治理中的广泛应用提供理论和实践参考,进而推动农林生物质资源化高值利用,助力生态环境的绿色低碳高质量发展。     

Effect of chemical composition on the release of nitrogen from agricultural plant materials decomposing in soil under field conditions

Summary In two field experiments, plant materials labelled with ¹⁵N were buried separately within mesh bags in soil, which was subsequently sown with barley. In the first experiment, different parts of white clover (Trifolium repens), red clover (T. pratense), subterranean clover (T. subterraneum), field bean (Vicia faba), and timothy (Phleum pratense) were used, and in the second, parts of subterranean clover of different maturity. The plant materials were analysed for their initial concentrations of total N, ¹⁵N, C, ethanol-soluble compounds, starch, hemicellulose, cellulose, lignin, and ash. After the barley had been harvested, the bags were collected and analysed for their total N and ¹⁵N. In the first experiment the release of N was highest from white clover stems + petioles (86%) and lowest from field bean roots (20%). In stepwise regression analysis, the release of N was explained best by the initial concentrations of lignin, cellulose, hemicellulose, and N (listed according to decreasing partial correlations). Although the C/N ratio of the plant materials varied widely (11–46), statistically the release of N was not significantly correlated with this variable. The results of the second experiment using subterranean clover of different maturity confirmed those of the first experiment.