Biochar derived from dairy cattle carcasses as an alternative source of phosphorus and amendment for soil acidity

Two pot experiments were conducted to evaluate biochar derived from dead dairy cattle as a mineral fertilizer, especially phosphorus (P) fertilizer, and to clarify the effect of particle size of biochar on plant growth (Zea mays L.) and P uptake. To produce the biochar, body parts of dead cattle were placed in a charring chamber and allowed to char at 450°C for 4 h. The biochar was of high pH and rich in major plant nutrients, especially P. Application of fine biochar (< 1 mm) increased P uptake by the corn plants grown in soil of low available P status. As a result, plant growth was improved following biochar application and dry matter production was also increased. The effect of the biochar application on the P uptake and plant growth was promoted by the application of mineral nitrogen (N) fertilizer. Soil analysis after harvest indicated that the biochar application increased soil pH, available P and exchangeable calcium (Ca) and magnesium (Mg) compared with the soil before seeding, while soil available N and exchangeable potassium (K) were considerably decreased. The decrease in the soil available N was incomprehensible, because the result of the mass balance given by the difference between input as the applied N from the biochar and fertilizer N and output as the N uptake by the plants was positive. We observed a similar result in the mass balance of K to the case of N. The medium (2–4 mm) and coarse (> 4 mm) grade biochar did not significantly affect plant growth, because P uptake was not, or was only slightly, increased by the application of these biochars. Dissolution of P from the coarser biochars was probably slower than that of the fine biochar. The lower dissolution of P from the medium and coarse biochars was supported by the lower P absorption efficiency of these biochars compared with that of the fine biochar and superphosphate. The effect of fine biochar on plant growth and P uptake was similar to that of superphosphate. We can therefore conclude that fine biochar derived from cattle carcasses is an effective source of P fertilizer and amendment for soil acidity. The N and K contents in the biochar, although relatively high, cannot be relied upon as a mineral fertilizer. Further studies are needed to assess whether the N and K contents of the biochar indicate it can be regarded as a useful fertilizer.     

铁改性生物炭促进土壤砷形态转化抑制植物砷吸收

通过盆栽试验研究了不同砷污染水平(10、20、40和80 mg/kg)下,添加不同量(10、20和40 g/kg)改性前后的生物炭对土壤砷形态及植物吸收砷规律的影响。该文以棉花秸秆生物炭及改性生物炭(棉花秸秆生物炭与Fe Cl3?6H2O按质量比为20∶1)为试材,小白菜为供试植物。结果表明:生物炭(10~40 g/kg)和改性生物炭(10 g/kg)能促进小白菜的生长,在添加量分别为20和10 g/kg时生物量最大,其最大值分别为8.26和6.68 g/盆,改性生物炭在添加量为10 g/kg时高于对照组和等量未改性生物炭处理组。在砷质量分数为10和20 mg/kg的基础上,添加生物炭(10~40 g/kg)后,土壤中砷主要以残渣态形式存在;水溶态砷分别增加了0.22%~3.36%和0.96%~3.70%;改性生物炭添加对土壤砷质量分数为10 mg/kg时水溶态砷无明显影响,土壤砷质量分数为20 mg/kg时,添加改性生物炭(10~40 g/kg)后水溶态砷减少了0.12%~0.58%。在高浓度(40和80 mg/kg)砷土壤中,水溶态砷含量随着土壤中砷含量的增加而增大;添加生物炭(10~40 g/kg)后,土壤中水溶态砷分别增加了0.21%~1.56%和2.11%~8.94%,但砷主要以铝形砷形式存在,残渣态砷次之。各处理组小白菜可食部分和根部砷质量分数在添加10~40 g/kg生物炭后的变化规律不尽相同,等量的改性生物炭添加后,可食部分由18.28 mg/kg显著降低至2.66 mg/kg(P0.05),根部从133.99 mg/kg显著降低至20.21 mg/kg(P0.05)。改性生物炭与未改性生物炭相比,改性生物炭能降低土壤中水溶态砷的含量及对小白菜吸收砷有显著的抑制作用。因此,该研究可为改性生物炭在含砷土壤的修复应用中提供数据支撑与理论基础。     

有机胺改性生物质焦改善SO2的吸附性能

为改善生物质焦的吸附性能,以玉米芯为原料,在N2和CO2气氛下以"一步法"制备活性焦,再经有机胺甲醇溶液浸渍,获得改性生物质焦。在120℃下研究改性焦的SO2吸附特性,获得吸附穿透曲线和吸附量,并对脱硫前后固体焦颗粒的理化结构及元素组成进行分析,探讨浸渍剂浓度对改性生物质焦理化特性及其SO2吸附性能的影响。结果表明,随着有机胺浓度的增加,焦炭表面氮含量和表面官能团数量明显增加,但孔隙结构恶化,而SO2吸附出现先降后增的趋势,CC850-10%的饱和吸附量达156.22 mg/g,相较于前驱体的57.78 mg/g,吸附性能显著提升。有机胺浸渍改性通过增强化学吸附作用,可有效改善生物质焦的吸附性能。研究结果对于生物质焦应用于烟气净化技术具有参考价值。     

生物炭对玉米茎秆性状及产量的影响

通过田间试验研究了生物炭不同施用量(0、10、20、40、80 t/hm2)对玉米茎秆中的钾含量、茎秆形态特征、茎秆质量性状及产量的影响。结果表明：土壤中施加生物炭能够促进玉米茎秆各节的钾含量,并且生物炭的施入矮化了蜡熟期玉米茎基部3~5节的节间长,增大了玉米茎粗,增强了茎秆弹力和茎秆外皮穿刺力,增加了茎秆干物质积累,使茎秆粗壮、坚韧。随着生物炭施用量增加对玉米茎秆钾含量、茎秆性状及产量的影响均表现出先增大后降低的趋势。施炭量40 t/hm2为最优施用量,产量达13261 kg/hm2,较对照提高了25.99％。当施炭量为80 t/hm2时茎秆中的钾含量、茎秆形态特征、茎秆质量性状及产量的提高幅度略有下降。     

生物炭对引黄灌区水稻产量和氮素淋失的影响

为解决宁夏引黄灌区稻田因过量施肥导致的土壤质量降低和养分淋失加剧问题,通过田间小区试验研究了施用外源生物炭对水稻产量、氮素淋失和平衡特征的影响。结果表明:同等施氮条件下,施用生物质炭对水稻子粒产量有显著的影响,生物炭用量达13 500kg/hm~2时水稻增产显著。施用生物炭也提高了氮肥利用率,施用生物炭9 000kg/hm~2和13 500kg/hm~2处理,氮肥利用率分别提高了6.7和7.8个百分点。田面水中总氮(TN)浓度和土体中TN淋失量随着生物炭用量的增加而降低,TN淋失量降幅在8.03%~13.36%之间,施用生物炭处理的氮素表观损失量分别降低了11.8%~45.2%。综合考虑引黄灌区水稻产量和环境效益,生物炭施用量控制在9 000~13 500kg/hm~2效果最佳。     

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。     

棉纤维生物炭对稻田土壤及水稻Cd含量的影响

为生物炭应用于农田Cd污染的控制及治理提供相关科学依据,研究通过根箱试验,研究棉纤维生物炭对水稻根际和非根际土壤可交换态和不可交换态Cd含量及水稻植株中Cd分配的影响。研究表明:随着棉纤维生物炭的施用量增加,根际和非根际土壤可交换态Cd含量都呈下降趋势,同时不可交换态Cd含量都呈上升趋势。随着棉纤维生物炭的施用量增加,非根际土壤pH值呈逐渐上升趋势。非根际土壤pH值与可交换态Cd含量之间存在显著负相关关系,与不可交换态Cd含量之间存在显著正相关关系。可见,施用棉纤维生物炭可在一定程度上提高非根际土壤pH值,进一步降低了非根际土壤可交换态Cd含量;而根际土壤可交换态Cd含量的下降,主要受棉纤维生物炭的理化性质影响,受土壤pH值影响不大。随着棉纤维生物炭的施用量的增加,水稻各部位Cd含量及累积量都呈现下降趋势,其中籽粒Cd含量的下降幅度最大,为36.57%,根的Cd含量的下降幅度最小,为12.56%。由于茎鞘的生物量和Cd含量都较大,茎鞘中Cd累积量最高,平均为25.44μg plant^-1,是籽粒的2.85倍。因此,在进行农田土壤Cd修复的同时,除了要关注农产品Cd污染,还要考虑如何妥善处理大量的富集Cd的农业废弃物,避免产生二次污染风险。     

大豆秸秆生物炭对铅锌尾矿污染土壤的修复作用

采用盆栽空心菜的方法,研究了大豆桔杆生物炭对铅锌尾矿污染土壤的修复作用。污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd含量分别为50,400,1 119,3.4mg/kg。结果表明:土壤无论是否受到铅锌尾矿污染,添加3%生物炭(w/w)均能显著提高土壤pH;3%生物炭能够抑制铅锌尾矿污染导致的土壤pH降低。大豆桔杆生物炭对尾矿污染土壤和未污染土壤中重金属有效态的影响不同,与未污染土壤相比,3%生物炭的钝化作用不能抵消铅锌尾矿污染导致的重金属有效态含量的增加。铅锌尾矿污染抑制空心菜生长;施加3%生物炭可以消除铅锌尾矿污染对空心菜生长的抑制作用。生物炭显著降低污染土壤空心菜根部重金属含量,而对地上部分的影响,不同元素表现出不同的特点;3%生物炭能够阻控铅锌尾矿污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd向空心菜地上部迁移富集。大豆桔杆生物炭对空心菜吸收重金属的影响,在铅锌尾矿污染土壤和未污染土壤上表现不同,存在元素之间的拮抗作用以及由于生物炭提高空心菜生物量所产生的稀释作用。在研究设置条件下,与未污染土壤相比,从空心菜生物量和可食部分吸收重金属含量来评价,施加3%大豆桔杆生物炭可以修复铅锌尾矿导致的土壤污染。     

生物炭对滨海盐渍土理化性质及玉米幼苗抗氧化系统的影响

以黄河三角洲典型盐化潮土为供试土壤,设置12.5,25.0,50.0,100 g/kg 4个梯度生物炭添加量,通过盆栽试验研究不同添加量下生物炭对滨海盐渍土理化性质及玉米幼苗抗氧化系统的影响。结果表明:(1)与对照相比,随着生物炭添加量的增加,盐渍土的电导率、速效磷、速效钾、阳离子交换量及易氧化有机碳的含量呈现显著增加的趋势;不同生物炭添加量下,盐渍土的pH、碱解氮含量略有下降,但各添加量处理间差异不显著;而生物炭对盐渍土可交换态钠含量无显著影响。(2)添加适量生物炭(12.5,25.0,50.0 g/kg)可显著提高玉米幼苗叶片抗氧化酶活性和根系活力,并降低叶片超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量,从而改善玉米幼苗的生理性状;然而,较高的生物炭添加量(100 g/kg)对幼苗抗氧化系统产生不良影响,造成植物体内活性氧的累积。因此,添加适量生物炭可以改善滨海盐渍土的理化性质,并在一定程度上有效改善盐胁迫下玉米幼苗的生理特性,但较高用量对作物抗氧化系统具有抑制作用。     

秸秆直接还田与炭化还田对潮土硝化微生物的影响

为比较秸秆直接还田和炭化还田对黄淮海平原小麦/玉米轮作体系典型潮土硝化作用及硝化微生物群落的影响,设置4个处理:全量小麦秸秆还田(S)、全量秸秆炭化还田(B)、半量秸秆半量生物质炭还田(SB)和不进行秸秆或生物质炭还田的对照(CK),连续进行3 a田间试验。对小麦、玉米两个生长季土壤理化性质进行分析,用末端限制性片段长度多态性(Terminal-restriction length polymorphism,T-RFLP)技术和克隆文库技术对氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)群落结构和多样性进行分析。结果表明,在小麦季,与S处理相比,B处理显著降低了土壤容重,提高了土壤pH、有机碳(SOC)和速效钾(AK)含量(P0.05),但并未显著影响土壤水分、铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)含量;B和SB处理的硝化潜势(Potential nitrification rate,PNR)分别为0.58、0.49μg·h~(-1)·g~(-1)(以NO_2~-计,下同),显著高于CK,与S处理(0.40μg·h~(-1)·g~(-1))差异不显著。玉米季,B处理显著提高了土壤水分、SOC和AK(P0.05),各处理玉米季的PNR整体低于小麦季,B处理最高(0.27μg·h~(-1)·g~(-1)),显著高于CK和S处理(P0.05)。小麦季PNR分别与AK、NH_4~+浓度和土壤容重显著相关(P0.05),与AOA和AOB群落组成均无显著关系;玉米季PNR仅与理化因子SOC显著相关,但该季节PNR与AOB群落结构显著相关。冗余分析(RDA)表明,土壤SOC、容重、pH和AK是显著影响硝化微生物群落结构的主要因子,对AOA和AOB群落结构总变异的解释量分别为76.4%和75.5%。系统发育树分析表明,AOA大部分属于土壤古菌Group1.1b,AOB多属于亚硝化螺菌Nitrosospira簇3。综上,与秸秆直接还田相比,炭化还田提高土壤硝化活性,改善部分土壤理化性质,引起土壤硝化微生物群落结构变化。