玉米芯热解制备多孔炭材料的研究进展

玉米芯作为典型的农业废弃物,是制备生物炭材料的优质原料之一。文章以玉米芯为研究对象,综述了玉米芯热解制备生物炭的研究进展,并对热解制备的玉米芯基生物炭理化特性的影响因素进行了分析,主要包括热解制备过程中的热解方式、热解温度、升温速率及改性方法等因素。研究表明,不同制备条件和改性方法对玉米芯生物炭的理化性质有着显著的影响。文章还对玉米芯生物炭的制备进行了展望,以期为玉米芯生物炭的规模化制备和利用提供借鉴与指导。     

生物炭对农田土壤微生物生态的影响研究进展

生物炭作为新型土壤改良剂在国内外环境科学等领域受到广泛的关注.关于生物炭对土壤理化性质的改良研究较早,目前虽然已深入到土壤微生物生态的领域,但是大多数将土壤理化性质与土壤微生物生态分开考虑,缺乏对二者相互作用的系统评述.本文总结了施用生物炭后土壤理化性质的改变与土壤微生物群落变化之间的相互关系:生物炭不仅能够提高土壤pH值、增强土壤的持水能力、增加土壤有机质等,而且会影响土壤微生物的群落结构、改变细菌和真菌的丰度;施用生物炭后,土壤环境和土壤微生物之间互相影响互相制约,共同促进了土壤微生物生态系统的改良.本文旨在为生物炭改良农田土壤微生态的深入研究提供新的思路,从生态系统的角度促进生物炭环境效应影响的研究,使生物炭的应用更具有科学性和有效性,并对生物炭在相关领域的应用进行了展望.     

生物炭对污染物的土壤环境行为影响研究进展

近年来,生物炭已成为农业、生态修复和环境保护领域的研究热点。一般认为,生物炭具有改善土壤质量、增加土壤碳汇、减少大气CO2浓度以及修复污染环境等功能。大量的生物炭施用到土壤后会改变土壤性质,影响重金属和有机污染物在土壤中的环境行为以及它们在环境中的归趋。本文就生物炭对土壤中重金属的吸附-解吸、在土壤中的形态转化、在土壤-植物系统中迁移行为、对有机污染物的吸附挥发及生物有效性进行了概述;在此基础上,扼要分析了当前生物炭应用存在的环境风险等问题,并从生物炭在土壤中的迁移转化及其归趋、生物炭的长期环境效应以及生物炭应用方向等方面进行了展望。     

生物炭介导植物病害抗性及作用机理

生物炭是生物有机材料在缺氧或限氧条件下经高温热裂解后生成的固体产物，在固碳减排、污染修复、土壤改良等方面具有较大的应用潜力。研究表明，生物炭在植物病害胁迫中也起重要的抗性作用。综述了国内外关于生物炭缓解植物病害的相关研究，重点介绍了生物炭在降低病害和提高植物抗性方面的作用机理。生物炭通过诱导植物增强系统抗性，改良土壤理化特性，改变土壤微生物群落结构，增加土壤有益微生物类群的丰度和活性，吸附病原菌及其产生的有毒物质等来降低病原菌对寄主植物的侵害作用，从而促进植物生长和增强植株抗病性。生物炭对病害的抗病效果与生物炭的原料类型、用量、土壤及病害类型等有关。未来的研究应重点应围绕"生物炭-土壤-植物病害"体系，借助组学手段，深入研究生物炭介导植物病害的分子机理。     

生物炭在土壤中的生态效应研究进展

生物炭是一类具有比表面积大、疏松多孔、含碳量极高的固体物质, 近年来, 作为一种新型的环境材料受到广泛的关注。然而, 由于原料种类、制备工艺等诸多因素的影响, 生物炭的应用对土壤生态系统的影响表现复杂多样。在此综述了不同原料制备的生物炭的理化特征, 总结了生物炭对土壤生态系统中植物、土壤动物、土壤微生物生态的影响, 最后针对生物炭的土壤生态效应研究提出展望, 为生物炭正向调控土壤生态系统以及生物炭的合理应用提供参考。     

生物质炭生物与非生物氧化特性研究进展

生物质炭是由植物生物质热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。生物质热解炭化还田能否成为人类应对全球气候变化的重要途径直接取决于其在土壤生态系统中的稳定性。生物质炭稳定性的研究对科学计算和评估土壤生态系统生物质炭输入的碳固持与减排作用具有重要现实意义。重点概述了土壤生态系统生物质炭生物与非生物氧化特性、影响因素及其机理研究进展,并对生物质炭在土壤环境中的稳定性预测模型研究进行了分析。在此基础上,今后需针对不同类型旱地土壤生态系统和不同类型稻田土壤生态系统生物质炭稳定性及其机理开展研究,并进一步开展土壤生态系统生物质炭稳定性预测模型研究。     

生物炭及秸秆对水稻土各密度组分有机碳及微生物的影响

生物炭被认为是土壤碳封存的有效手段,但是关于生物炭对土壤不同密度组分有机碳影响的研究报道很少。以南方稻麦轮作区水稻土为研究对象,通过田间小区试验研究了不施有机物(CK)、玉米秸秆还田(CS)、施用300℃热解生物炭(300BC)、施用400℃热解生物炭(400BC)和施用500℃热解生物炭(500BC)处理对土壤轻重组分质量比例,土壤轻重组分有机碳和土壤微生物的影响。结果表明:1)施用生物炭显著提高了土壤轻组的质量比例和土壤轻组有机碳含量,轻组有机碳含量为500BC400BC300BCCSCK,对重组有机碳影响不显著,但重组有机碳在土壤中占重要比例;2)施加生物炭后土壤微生物量相比对照也有提高,但是与施加秸秆处理相比,微生物量提高幅度较小。研究表明,生物炭能提高土壤有机碳含量,尤其提高了土壤轻组有机碳的累积,但由于生物炭特殊的芳烃结构,其轻组组分化学性质稳定,这与传统的土壤有机碳轻组理论不同。与秸秆处理相比,生物炭处理具有较低的土壤微生物量与微生物商,有利于土壤碳的固定。     

生物质炭对土壤氮素循环的影响及其机理研究进展

生物质炭因其特殊的理化性质,具有改良土壤、持留养分、提高肥力及增加土壤碳库贮量的作用,成为土壤生态系统生物地球化学循环和农业固碳减排领域的研究热点.作为一种人为输入的新材料,生物质炭将直接或间接地参与土壤氮素物质的周转,进而对土壤生态系统功能产生深远的影响.本文综述了生物质炭输入对土壤生态系统氮素循环的影响研究,重点概述了生物质炭对土壤氮素物质吸附作用以及硝化作用、反硝化作用和固氮作用等生物化学过程的影响,并对其潜在的机理进行了分析.在此基础上,对今后生物质炭与土壤氮素循环的相互作用进行了展望.     

玉米秸秆生物炭制备及结构特性分析

为了高效、经济、环保地解决华北平原地区玉米秸秆处置问题并寻求有效途径,该研究以玉米秸秆为原料,采用限氧裂解法在不同温度(200℃、300℃、400℃、500℃)下制备生物炭,并对生物炭的热解动力学、结构形貌、元素组成、比表面积、孔径分布、官能团等理化特征进行了分析表征。结果表明:不同裂解温度制备的生物炭具有不同的差热曲线,其官能团的组成也存在差异,这表明了样品中不同生物质的热解反应过程。随着热解温度的升高,生物炭产率、氢和氧含量下降,同时H/C和(O+N)/C比值也降低,而碳和氮含量却升高,说明生物炭芳香性增强,亲水性和极性减弱,性质趋于稳定。生物炭热重曲线和差热曲线分为三个过程,热解温度高时失重比例低,曲线趋向平缓。生物炭的比表面积、微孔比表面积、中孔体积和微孔体积随着热解温度的升高而增大,但最可几孔径却减小,吸附能力增强。综上所述,400℃的温度制备生物炭,其产率相对较高、结构最稳定、吸附性能最佳,有助于最大程序的利用农业废弃物资源、降低耗能,提高农产品附加值。     

施用生物炭对土壤动物群落的影响研究进展

土壤动物是土壤生物群落不可或缺的组成部分,是调控土壤生态过程重要的生物驱动因子。探明向土壤中施加生物炭对土壤动物群落的影响及二者之间的相互关系,对深刻认识土壤生态系统的运行机制、评价土壤生态服务功能具有重要意义。本文综述了施用生物炭对土壤动物群落的影响及机制,包括生物炭原料、制备温度、施用量的差异对土壤动物群落造成的直接影响,及以生物介导(改变植物生理特性、提高微生物数量)和非生物介导(土壤理化性质的改变)环境条件的改变对土壤动物群落造成的间接影响。低量生物炭添加下(生物炭与土壤质量比＜5%),对土壤动物的生长繁殖和行为活动起促进作用,若施炭量过高(＞10%),则会产生毒害;土壤动物的行为活动也会影响生物炭的稳定性。未来应该加强长期田间定位、时空变异性、多学科交融和分析预测等方面的研究。     

土壤呼吸对秸秆与秸秆生物炭还田的响应及其微生物机制

土壤呼吸释放CO_2是温室气体排放的重要途径之一,减少土地利用中温室气体排放、增强土壤碳汇聚能力对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物炭具有改善土壤理化性质、增加作物产量、调节土壤微生物性质等特性。本研究采用室外盆栽的方式,以地肤草为目标植物,研究了芦苇、水稻、互花米草三种农林秸秆及其秸秆生物炭还田对土壤的改良效应,以及对土壤呼吸的影响及其微生物机制。结果表明:秸秆及其秸秆生物炭均可改善土壤肥力,促进植物生长,且生物炭改良效果略好于秸秆直接还田。但秸秆生物炭还田的土壤呼吸显著低于秸秆直接还田,其中芦苇生物炭最低。秸秆直接还田可促进土壤β-糖苷酶、脱氢酶和活性微生物量等微生物活性指标,从而促进土壤呼吸,增加土壤CO_2的释放,而生物炭还田对土壤微生物活性无显著的促进作用,反而有一定的抑制作用,这可能是由于生物炭中易降解有机物含量很低,可降解性较低的缘故。     

不同改良剂对黄土高原丘陵区山地果园土壤质量的影响

土壤质量是影响黄土高原丘陵区山地果园健康可持续发展的关键因素之一。针对黄土高原目前存在的土壤保水能力差,肥力低及微生物群落结构单一等问题,选取保水剂、生物炭和植物根际促生菌三种改良剂,研究其对土壤质量的影响。研究设置5个处理,分别为：生物炭处理(BC),施用量为5%;枯草芽孢杆菌处理(PGBS),施用量为0.25%;胶质芽孢杆菌处理(PGBM),施用量为0.25%;腐殖酸型保水剂处理(SAP),施用量为0.1%,不施用土壤改良剂作为对照(CK)。通过主成分分析法和最小数据集法筛选出相关指标,分别与对照处理(CK)进行对比,并进行综合评价。结果表明：土壤全氮、速效磷、β-1,4-葡萄糖苷酶、真菌Chao1指数、纤维素酶和细菌Chao1指数对土壤质量的影响较大;同时土壤改良剂的施用可以明显提高果园土壤质量。通过综合评价,发现不同改良剂改善土壤质量效果为：生物炭(BC)>保水剂(SAP)>枯草芽孢杆菌(PGBS)>胶质芽孢杆菌(PGBM)。综合考虑土壤质量和改良成本,保水剂在黄土高原山地果园土壤改良方面的适用性最好,若农林废弃物可资源化则生物炭在黄土高原土壤改良方面具有很大的应用潜力。     

生物炭对土壤氮循环的影响研究进展

在定性资料调研的基础上,基于ISI Web of Science数据库,采用文献计量学方法,针对"生物炭对土壤氮循环的影响"及其分支技术进行文献检索、数据整理、分类以及主题分析,从国际整体研究态势和分支技术主题两个角度探讨了目前国内外生物炭影响土壤氮循环方面的研究进展,并从生物炭对土壤N_2O排放、肥料利用率、硝化速率、NH_4~+/NH_3吸附、NO_3~-吸附以及土壤微生物氮素固持等6个方面的影响进行了详细论述。近年来,生物炭对土壤氮循环的影响研究急剧增温,发文量逐年增加,截止2014年6月,SCI数据库中共检索到2468篇论文。其中,期刊论文2188篇、综述性论文93篇,其它类论文177篇。美国、加拿大、英国等欧美国家在该领域的研究中占有明显优势,而自2010年以来,中国已成为该领域全球第一的年发文大国。发文热点主要集中在生物炭对土壤N_2O排放和对氮肥利用率的影响2个方面,占总发文量的73.7%。从6个方面的分支技术主题来看,生物炭的影响作用争议性较大。大部分研究认为,生物炭能够抑制土壤N_2O排放、提高氮肥利用率、促进土壤硝化速率、提高土壤对NH_4~+/NH_3和NO_3~-的固持作用以及土壤微生物氮素固持作用等,但也有研究表明生物炭会促进土壤N_2O排放、抑制土壤硝化速率,且不具备NO_3~-固持能力。这主要与生物炭的类型、老化过程,以及土壤类型及其含水孔隙率等密切相关。总之,探讨了生物炭对土壤氮循环影响的研究动态、热点及主要结论,为深入了解生物炭对土壤理化特性影响的作用机制提供了一定研究思路,为生物炭的农业应用提供了一定借鉴和参考。     

生物炭影响作物生长及其与化肥混施的增效机制研究进展

利用秸秆型生物炭进行还田改土不仅具有提升作物产量的潜力,而且能够产生明显的环境效益,现已成为当今国内外农业领域的研究热点.本文综述了近年来国内外有关生物炭添加影响作物生长的分子调控机制研究,尤其关注了生物炭与作物根系的互作效应;介绍了生物炭与化肥混施的生物学效应及可能的增效机制;展望了今后的研究方向,以期促进我国相关领域的研究.国内外的最新研究表明:生物炭土壤添加改善植物生长的关键是生长素相关信号转导分子,通过促进植物细胞扩增、细胞壁松弛、水及营养的转运等相关基因的表达,有利于植物的新陈代谢及生长.生物炭及其与根系的相互作用能够直接或间接地影响土壤物理、化学、生物因子,从而在炭、肥互作增效过程中起主导调控作用.     

生物炭对杉木人工林土壤养分、酶活性及细菌性质的影响

为了探究添加生物炭对南方红壤杉木人工林土壤养分含量、酶活性及细菌丰度和群落结构及多样性的影响,分析三者之间的作用机制,基于高通量测序技术,通过添加不同生物炭对人工杉木林土壤环境中细菌群落进行培养和测定,同时挑选与土壤C、N循环相关的4种酶,分析4种酶与土壤养分含量及土壤细菌相对丰度的关系。结果表明:添加生物炭总体使得土壤pH值,全磷、有效磷、速效钾等含量有所提高,同时促进土壤-α-葡萄糖苷酶、土壤-β-葡萄糖苷酶及脲酶的活性,对过氧化氢酶的影响不显著;由于生物炭制备原料不同,其自身性质和物质含量也存在差异,因此杉叶炭对土壤养分的提高量大于木屑炭,而木屑炭处理的土壤全碳含量高于杉叶炭;低添加量生物炭对参与碳循环的土壤葡萄糖苷酶活性提高程度大于高添加量生物炭,而与氮循环有关的土壤脲酶活性随着生物炭添加量的增加而提高,尤其3%BL600处理对土壤脲酶影响十分显著;向土壤添加杉叶炭能够提高土壤细菌丰度,而木屑炭降低了土壤细菌丰度,低温炭大于高温炭;添加生物炭对土壤pH值,全碳、全磷、有效磷、速效钾含量等具有直接影响,土壤组分和性质对不同细菌种群生活习性与功能产生不同的影响,土壤酶活性与土壤细菌存在密切的联系,细菌丰度的变化又会引起土壤酶活性的改变,因此土壤酶活性和细菌群落相对丰度对添加生物炭的响应存在一定的相关关系。     

不同改良剂对珊瑚砂理化性质和氮素固持的影响

高碱环境和土壤养分的匮乏严重限制了我国热带珊瑚岛土壤环境下植物的生长适应能力,因此,珊瑚砂改良对促进珊瑚岛植被恢复,维持珊瑚岛生态环境可持续健康发展具有重要意义。该研究通过室内土柱模拟试验,对比了同一梯度下4种常用土壤改良材料(蛭石、珍珠岩、生物炭和钙基膨润土)对珊瑚砂理化性质、氮素淋溶以及总氮含量的影响。结果表明,与对照(CK)相比,施用生物炭使珊瑚砂pH显著降低1.4%,钙基膨润土、生物炭和蛭石能够显著提高珊瑚砂的阳离子交换量至CK的24.21、10.43和9.43倍。同时,施用生物炭、钙基膨润土和蛭石并不能降低以硝态氮形式为主的氮素淋失,但是能显著减少其他途径的氮素损失,从而达到促进珊瑚砂氮素固持的效果,3种改良剂施用下的珊瑚砂总氮损失相较于CK分别降低了40.92%、27.32%和25.09%。因此,施用生物炭、钙基膨润土和蛭石均能有效提高珊瑚砂土壤质量,对改良珊瑚砂和热带珊瑚岛植被恢复具有重要意义,其中生物炭的改良效果最为显著,是改良珊瑚砂的理想材料。     

生物炭对土壤水分蒸发的影响

为确定干旱区生物炭的合理施用量及其对土壤水文过程的影响,采用室内土柱试验,研究了3种生物炭添加量(5%、10%和15%)和4种生物炭类型(d<0.25 mm竹炭、0.25 mm<d<1 mm竹炭、d<0.25 mm木炭和0.25 mm <d<1 mm木炭;d为粒径)对地下水补给、土壤持水能力、土壤水分上升运动和蒸发的影响.结果表明: 生物炭对地下水补给、土壤持水能力、土壤水分上升运动和蒸发都有明显影响,但生物炭原料和粒径不同,其影响效果不同;随生物炭施加量的升高,地下水对土壤补给量增大;添加生物炭可提高土壤持水能力,促进土壤水含量的上升速度,其中,添加竹炭效果大于木炭,小粒径生物炭大于大粒径生物炭;生物炭添加量较低(5%)时能有效抑制土壤蒸发,但添加量过高则可能促进土壤蒸发.干旱地区土壤适当施用生物炭可提高土壤保墒能力.     

生物炭施用的固碳减排潜力及农田效应

气候变暖及粮食安全是保证人类可持续发展的重要课题。生物炭具有较高的稳定性、较高碳含量等特点,能增加土壤碳储量,提高土壤物理及化学性质,提高农田产出,能应对高温胁迫及土壤退化双重压力,具有一举多赢的生态环境效益,在缓解温室效应及粮食危机方面展现出巨大的潜力。综合前人研究成果,分析了生物炭固碳减排潜力及农田效应影响因素(包括:生物炭原料、制备温度、施用量、土壤类型等)。综合固碳减排及提高产出两方面因素,提出了较合适的生物炭施用标准,即300—700℃制备的农林废弃物生物炭,且施用量不超过5%。对生物炭固碳减排及田间效应领域未来的研究方向进行了展望。     

生物炭添加对土壤呼吸和有机碳含量的影响

以菜地和果园土壤为研究对象,通过室内培养实验,向土壤中分别添加不同材料制备的生物炭(马尼拉草、阔叶和竹叶),热解温度为350℃,研究不同材料制备生物炭添加对土壤呼吸和有机碳含量的影响.结果表明：不同生物炭施入土壤后,土壤 CO 2释放速率总的趋势是前期分解速率快,后期缓慢.在整个培养过程中(28 d),随着培养时间的延长,土壤 CO 2释放速率下降趋势逐渐降低.在不同土壤培养条件下,均是添加阔叶生物炭后土壤 CO 2-C 累计释放增多,果园和菜地土壤 CO 2-C 累计分别达到482．57和424．72 mg·kg-1.添加不同的生物炭均能提高土壤有机碳含量,但只有添加阔叶生物炭之后,差异才会达到显著(P ＜0．05).研究结果为正确利用生物炭和评价其在土壤碳库作用提供科学依据.     

土壤生物质炭环境行为与环境效应

生物质炭具有高度稳定性和较强的吸附性能,可从气候、地质等多方面对环境产生影响,在全球气候变化、碳生物地球化学循环以及环境系统中发挥着非常重要的作用,长期以来成为国内外大气科学、地质学和环境科学领域研究的热点.作为土壤腐殖质中高度芳香化结构组分的可能来源,生物质炭对增加土壤碳库贮量、提高土壤肥力以及维持土壤生态系统平衡意义重大.本文重点概述了生物质炭特性、生物质炭生物与非生物氧化机理、生物质炭对全球气候变化的影响以及土壤生物质炭环境效应等方面的国内外研究进展,并对今后生物质炭在土壤生态系统中的环境行为和环境效应研究进行了简要的展望.