玉米秸秆牺牲剂对TiO2/Pt/生物炭光催化水制氢性能的影响

采用光沉积法、水热合成法制备出TiO2/Pt/生物炭复合光催化剂,以玉米秸秆悬浮液作为牺牲剂,考察了不同质量分数玉米秸秆对光催化分解水制氢性能的影响。通过X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy,TEM）、X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）和紫外可见漫反射光谱（UV-Visible diffuse reflectance spectra,UV-Vis DRS）等表征手段进一步论证了复合催化剂结构特征。结果表明,随着玉米秸秆质量分数的增大,光催化体系的制氢量展现出先增大后降低的变化趋势。当玉米秸秆质量分数为30%时,TiO2/Pt/生物炭复合材料制氢性能最佳,制氢速率达到225 μmol/(g·h),是单纯TiO2/Pt的11.2倍。其原因在于玉米秸秆分子组成中含有大量的醛基自由基,在光催化过程中被激发,与空穴发生氧化反应,提高了光催化制氢效率。此外,TiO2/Pt/生物炭光催化制经过5次重复利用后,制氢量仍为900 μmol/g,具有较高的光稳定性。     

小麦秸秆生物质炭对碱性土壤中油菜生长和镉吸收的影响

为探讨小麦秸秆生物质炭对镉（Cd）污染碱性土壤的修复效果,采用序批式吸附试验和Cd污染土壤盆栽试验,研究了小麦秸秆生物质炭施用（1%,m/m）对碱性土壤吸附Cd的影响,以及对Cd污染土壤中油菜生长和Cd吸收的影响。结果表明：Cd在生物质炭上的吸附等温线非线性较强,生物质炭对Cd的表面吸附起主导作用,Cd在生物质炭上的分配系数（K_d）是在土壤上的1.5~3.0倍。生物质炭施用可促进土壤对低浓度Cd的吸附,0.1 mg·L^-1平衡浓度下K_d值提高了19.5%;生物质炭施用可抑制土壤对高浓度Cd的吸附,在10 mg·L^-1条件下K_d值降低了37.2%。生物质炭施用对土壤pH值影响不显著,但缓解了Cd污染对油菜生长的抑制作用,油菜生物量最高提高了45.0%,也抑制了油菜对Cd的富集,油菜富集Cd的量最高降低了40.6%;CaCl₂、Mg（NO₃）₂、NH₄OAC、HCl、DTPA和BCR1作为提取剂提取出土壤中Cd的量与油菜地上部分吸收Cd的量相关性较强（线性回归方程决定系数R²> 0.8）,而Mg（NO₃）₂萃取出土壤中Cd的量更能预测油菜地上部分吸收Cd的量。研究表明,小麦秸秆生物质炭有利于降低碱性土壤中Cd的生物有效性,但并非通过提高土壤pH值和吸附能力来实现。     

秸秆生物质炭对稻田土壤剖面N2O和N2浓度的影响*

氧化亚氮（N2O）和氮气（N2）是淹水稻田土壤剖面反硝化过程的重要气态产物,可通过土水界面向大气排放,也可随水向下淋溶。秸秆生物质炭施入稻田后会改变土壤理化及微生物学性质,影响反硝化过程及N2O和N2产排。本研究依托2010年夏建立的连续秸秆生物质炭还田的稻麦轮作农田试验,通过埋设淋溶管收集土壤剖面溶液,采用气相色谱和膜进样质谱分别定量溶液中N2O和exN2（反硝化产生N2量）,观测了2018和2019年水稻季不同秸秆生物质炭施用量（CK：每季0 t·hm-2;1BC：每季2.25 t·hm-2;5BC：每季11.3 t·hm-2;10BC：每季22.5 t·hm-2）下0~1 m土壤剖面溶液中N2O和exN2浓度的时空变化,评估了长期施用秸秆生物质炭对稻田土壤剖面反硝化作用及其主要气态氮产物exN2随水流失的影响。结果表明,两个稻季CK处理N2O浓度以60 cm处较高,exN2浓度则随土壤深度增加呈降低趋势。秸秆生物质炭处理能降低剖面N2O和exN2浓度,以10BC处理最为明显。其中,N2O浓度降低以60 cm处较大,exN2浓度降低随土壤深度增加而加大。施用秸秆生物质炭对土壤剖面溶液无机氮（NO3-+NH4+）含量无明显影响,但5BC和10BC处理增加了可溶性有机碳（DOC）和溶解氧（DO）浓度以及氧化还原电位（Eh）。CK处理下土壤剖面溶液N2O和exN2浓度变化与DOC、硝态氮（NO3-）及DO有关;秸秆生物质炭处理下则主要受DO和Eh控制。exN2淋溶量（按1 m深度计算）CK处理下为2.3 ~5.5 kg·hm-2,相当于无机氮和有机氮（DON）淋溶量的32%~34%,5BC和10BC处理则降低为1.7 ~3.7 kg·hm-2和1.1~1.9 kg·hm-2,上述结果表明,反硝化产生N2随水淋溶量不容忽视,秸秆生物质炭还田可改善淹水稻田土壤剖面的通气状况,增加DO,提高Eh,进而有效减少深层反硝化及其主要气态产物exN2随水流失的风险。     

氮肥减量配施生物炭对稻田有机碳矿化及酶活性影响

氮肥减量配施生物炭对于提升土地生产力、提高土壤碳汇能力以及缓解气候变暖具有重要意义。依托大田试验,设置5个氮肥用量梯度(T0～T4):100%化肥氮,90%化肥氮,80%化肥氮,70%化肥氮,60%化肥氮,采用等氮原则,氮肥减少量用等氮量生物炭替代,以不施肥为对照(CK),结合室内矿化培养,揭示稻田有机碳矿化及酶活性对氮肥减量配施生物炭的响应。结果表明:与T0处理相比,T3处理(70%化肥氮+7.5 t/hm~2生物炭氮)土壤全氮,碱解氮及速效磷依次显著提高了6.67%,8.36%及30.94%(P0.05),T4处理的速效钾含量最高,显著提高了23.78%(P0.05)。氮肥减量配施生物炭可有效提升土壤有机碳(SOC)含量,且随配施生物炭比例的增大而增大;与矿化前相比,各处理矿化后SOC,微生物量碳(MBC)及微生物熵(qMB)依次下降1.39～1.75 g/kg, 24.62～67.57 mg/kg及0.13%～0.32%(P0.05)。SOC矿化速率在培养的第1天达到峰值,第1阶段(第1～6天)迅速下降,第2阶段(第6～30天)缓慢下降,第3阶段(第30～45天)矿化速趋于平稳,矿化速率与培养时间呈对数函数关系(P0.01)。培养结束时SOC累积矿化量和累积矿化率的变化范围分别为1.39～1.75 g/kg和6.02%～8.43%,均以T3处理最低。与CK和T0处理相比,T3处理的过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性最高,T1处理的酸性磷酸酶活性最高。水稻产量以T3处理(7.37 t/hm~2)最高,比T0处理增产39.58%(P0.05)。综上,氮肥减量30%配施生物炭可明显提高土壤肥力,减少SOC矿化,增加土壤固碳,提高土壤酶活性及水稻产量。     

水洗处理对秸秆生物质炭吸附解吸Cd2+和Pb2+的特性影响

水洗处理在不影响生物质炭性质的前提下,可以去除附着在其表面的热解副产物,从而保证对重金属离子的去除能力。以小麦和玉米秸秆为原料,比较两种秸秆类生物质炭对溶液Cd2+和Pb2+的吸附解吸特点及其水溶性盐分含量的影响。结果表明,小麦和玉米秸秆生物质炭对Cd2+和Pb2+的吸附过程均更好地符合准二级动力学方程和Langmuir方程。小麦秸秆生物质炭对Cd2+和Pb2+的最大吸附量达12.82 mg g?1和9.91 mg g?1,为玉米秸秆吸附量的1.31 ~ 1.76倍和1.06 ~ 1.53倍。洗脱水溶性盐分可以降低生物质炭对Cd2+和Pb2+的吸附,水洗后小麦秸秆和玉米秸秆生物质炭对Cd2+的最大吸附量分别降低42.36%和60.13%,对Pb2+的最大吸附量分别降低29.47%和62.72%。水洗处理提高了两种秸秆生物质炭对Cd2+和Pb2+的解吸率,其中小麦秸秆生物质炭提高幅度较大,由原来对Cd2+的解吸率为1.84% ~ 13.05%提高到7.88% ~ 20.19%,对Pb2+的解吸率为1.57% ~ 11.82%提高到6.34% ~ 16.94%。因此,可溶性盐分在秸秆生物质炭吸附Cd2+和Pb2+的过程中具有重要作用,该研究结果将为制备高效修复重金属污染土壤的生物质材料提供技术支撑。     

炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响

为探究炭肥比和膨润土粘结剂对生物炭基肥理化及缓释特性的影响,以生物炭为基底,分别制备了炭肥比1:4,膨润土粘结剂质量分数为20%、15%、10%、5%和粘结剂质量分数10%,炭肥比为1:6、1:5、1:4、1:3的柱状尿素和氯化钾生物炭基肥颗粒,分析了生物炭基肥颗粒的理化及缓释特性。结果表明,在炭肥比为1:4条件下,膨润土粘结剂质量分数越高,生物炭基肥微观结构越紧密,力学和缓释特性越好,质量分数为20%时,氯化钾和尿素生物炭基肥平均抗压强度分别为286.78和281.27 N,前3天养分淋出率分别为45.53%和36.87%。在膨润土粘结剂质量分数为10%条件下,炭肥比越高,生物炭基肥缓释性能越好,炭肥比为1:3时,氯化钾和尿素生物炭基肥前3天养分淋出率分别为42.06%和40.32%。同时,氯化钾生物炭基肥表面孔隙先增后减,炭肥比为1:6和1:3的平均抗压强度分别为271.25和282.42 N。尿素生物炭基肥内部结构中孔隙变多,炭肥比为1:6时,平均抗压强度为最大值267.84 N。综合考虑,满足中等肥料浓度要求时,膨润土粘结剂质量分数为20%、炭肥比为1:4或膨润土粘结剂质量分数为10%、炭肥比为1:3的生物炭基肥成型配方较优。     

生物炭对不同酸化水平稻田土壤性质和重金属Cu、Cd有效性影响

针对南方稻田土壤酸化严重,导致养分流失有毒重金属活化,严重影响稻米质量安全的重大现实问题。以水稻秸秆和谷壳等农业废弃物为原料制备生物炭(分别记为RSC和RHC),研究不同原料生物炭对酸化土壤改良及其对重金属有效性的影响。设置3个生物炭用量(0,20,50 g/kg,分别记为CK、C1、C2),4种土壤酸化水平(pH 4.01,4.25,4.33,4.58,分别记为L1、L2、L3、L4),生物炭与重金属污染土壤共同培养60天后测定土壤pH、全氮、有机质、有效磷、速效钾和有效态Cu、Cd含量。结果表明:RSC对酸化土壤pH的改良效果明显优于RHC,且施炭量越高提高幅度越大,RSC的C2处理使4种酸度水平的土壤pH分别提高了0.68,0.97,1.29,1.71个单位。2种生物炭均能提高土壤的全氮、有效磷、速效钾和有机质含量,其中各施炭处理有机质显著提高,尤以速效钾的增幅最为显著,RSC对4种养分的提高均优于RHC。RHC对土壤有效态Cu含量无显著影响;RSC的C2较C1处理更能降低土壤中有效态Cu含量,使4种酸度水平的土壤分别降低了13.62%,6.57%,4.36%,7.88%。RHC处理的L3、L4土壤中有效态Cd含量显著降低,最大分别降低了13.79%,19.23%。RSC使4种酸度土壤有效态Cd含量最大分别降低了20.00%,25.81%,20.69%,19.23%。相关分析表明,土壤pH与有效态重金属含量呈显著负相关关系。水稻秸秆炭用于改良酸化土壤、降低重金属Cu和Cd有效性的效果更佳,且降低污染土壤中Cd的有效性较Cu好;生物炭对酸化程度越低的土壤pH和有效磷含量的提高以及有效态Cd含量的降低效果较好,而有效态Cu含量的降低效果则在酸化程度越高的土壤中表现更佳;土壤pH是生物炭调控重金属Cu、Cd有效性的主要影响因素。     

生物炭对水稻-再生稻体系吸收土壤中Cd和Pb的影响

以矿区周边Cd—Pb复合污染的农田土壤为供试材料,设置0,2.5%和5%(w/w)3个生物炭添加处理,通过盆栽试验探讨生物炭对再生稻吸收土壤中Cd和Pb的影响。结果表明,生物炭施加提高土壤pH和有机质含量,使Cd和Pb从移动性较强的弱酸提取态转化为较稳定的可还原态,且土壤CaCl2提取的有效态Cd和Pb含量分别降低33.23%~53.23%和66.52%~91.45%。同时,生物炭抑制Cd在头季和再生季水稻叶到糙米中的迁移,降低Pb从茎到叶和糙米的迁移,从而减少Cd和Pb在糙米中的累积;在5%生物炭处理下,再生季糙米Cd含量为0.15mg/kg,低于食品安全国家标准限量值(0.2mg/kg);Pb含量比对照处理降低68.18%。此外,再生季糙米中Cd和Pb含量低于头季稻糙米中相应的含量。因此,生物炭可以抑制Cd和Pb在再生稻体内的累积,降低糙米的重金属污染风险。     

棉秆热解分级冷凝产物改良盐碱土效果

为揭示分级冷凝热解液对盐碱土的改良作用,该研究以三级冷凝方式作为棉秆热解液精制方法,分析分级冷凝对产物组成影响;在此基础上,利用盆栽试验,以不同热解温度下获得的棉秆分级冷凝第3级产物稀释不同倍数后施入盐碱土,考察分级冷凝第3级产物对于小白菜生长、土壤pH值、全盐量、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、有机质,碱解氮、速效磷和速效钾的影响。结果表明：1）分级冷凝可以达到棉秆热解液从源头分离的目的,实现酚类与酸类物质的粗分离,分级冷凝第3级产物的酚类与酸类物质浓度分别为单级产物的0.50～0.55与1.21～1.35倍。2）灌施分级冷凝第3级产物可以显著促进小白菜的萌发与生长（P<0.05）,热解温度与稀释倍数均会影响促进作用。中温热解以及较大的稀释倍数对种子萌发更有利,500℃热解获得分级冷凝第3级产物稀释600倍灌施时,小白菜的长势最好,发芽率、株高与株质量分别提高32.12%、95.11%与120.03%,丙二醛含量降低48.39%。3）灌施分级冷凝第3级产物会显著影响土壤酶活性,除稀释50倍时降低土壤脲酶与碱性磷酸酶活性外,其他稀释倍数下土壤中酶活性显著增加（P<0....     

生物炭连续施用对油菜产量及旱地红壤溶解性有机碳光谱特征的影响

【目的】揭示生物炭连续添加对旱地红壤溶解性有机碳的影响。【方法】通过定位试验,探讨了低剂量(0.75～1.5 t hm^-2)生物炭连续施用7年后油菜产量、土壤理化性质和溶解性有机碳荧光光谱组分及参数变化特征。【结果】与对照(CK)相比,生物炭施用降低了土壤交换性Al3+含量(0.69～0.87 cmol kg^-1),提高了土壤pH(0.13～0.21个单位)、有机质含量(11.7%～18.1%)和可溶性碳含量(127.5%～127.8%);油菜单株角果数提高了39.8%～45.2%,油菜产量增加了3.5%～20.3%,其产量随着生物炭添加量呈递增趋势。连续施用生物炭有利于增加溶解性有机碳中类酪氨酸和类富里酸的比例,且显著降低了微生物代谢产物的比例。与CK相比,连续施用生物炭后土壤溶解性有机碳荧光指数降低了4.4%～10.6%,新鲜度指数降低了17.4%～18.4%,自生源指数降低了0.26(22.6%),而腐殖化指数增加了1.2%～5.1%。相关分析表明溶解性有机碳与pH呈显著正相关,而与交换性Al3+呈显著负相关;微生物代谢产物与pH呈显著...