生物炭对土壤理化和微生物性质影响研究进展

生物炭是生物质原料限氧热解制备的高度芳香化和富含碳元素的黑色固体物质。生物炭所具有的独特的性质使生物炭在土壤改良方面具有很大的潜力, 已成为当前农业科学领域的研究热点。但是, 生物炭的性质受原料和热解温度的影响。生物炭性质和土壤环境条件的差异可在较大程度上影响生物炭改良土壤的效果。因此, 必须根据土壤的主要障碍因子, 选择合适的生物炭施加方案, 以期得到较好的土壤改良效果。综述了近年来国内外有关生物炭对土壤理化和微生物性质影响的研究进展, 探讨了生物炭改变土壤性质的机制和影响因素, 阐述了生物炭研究和应用中存在的一些问题, 从而为生物炭在农业领域的应用提供一定的思路。     

秸秆生物炭对尼泊金乙酯的吸附特性研究

为促进秸秆的资源化利用,该研究以甘蔗渣、茄子秸秆、玉米芯为材料,采用慢速热解技术于500℃条件下制备甘蔗渣生物炭(SBC)、茄子秸秆生物炭(EBC)、玉米芯生物炭(CBC),检测其去除水中尼泊金乙酯的特性。结果表明:(1)生物炭的制备原料显著影响其对尼泊金乙酯的吸附效果,三种秸秆制备的生物炭对尼泊金乙酯的吸附能力表现为SBC>EBC>CBC;此外,水中尼泊金乙酯的初始浓度、吸附温度和时间等因素均能影响吸附效果。(2)三种生物炭对尼泊金乙酯的去除率随尼泊金乙酯初始浓度的增加而降低,高温有利于吸附;45℃下尼泊金乙酯初始浓度为30mg·L^-1时,甘蔗渣生物炭(SBC)对尼泊金乙酯的去除率最高,达99.7%;反应在最开始的120min内增加迅速,经过270min达到吸附平衡。(3)生物炭对尼泊金乙酯的等温吸附线符合Langmuir模式和Freundlich模式。这为农业秸秆废弃物应用于尼泊金乙酯等有机污染物的去除提供了理论依据。     

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。     

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。     

酸洗处理沙棘籽生物炭对尼泊金乙酯的等温吸附特性研究

为使中药产业废弃物沙棘籽得到资源化利用,本研究采用慢速热解技术于300、400、500℃条件下制备生物炭并用盐酸酸洗处理后得到吸附剂,以去除废水中的尼泊金乙酯。吸附实验结果表明,废水中尼泊金酯的初始浓度、沙棘籽生物炭的制备温度、吸附温度等因素均能影响沙棘籽生物炭对尼泊金酯的吸附效果。3种温度制备的沙棘籽生物炭对尼泊金酯的吸附能力表现为BC400>BC500>BC300。生物炭对尼泊金酯的等温吸附线符合Langmuir模式和Freundlich模式。     

玉米芯低温热解特性研究

针对如何提高农田副产物玉米芯综合利用价值的问题,通过热重分析以及低温热解实验对热解过程中玉米芯组分、产率、热值的变化规律进行研究,得到热解产物的特性及其产率,热值随热解温度、时间的变化规律,为玉米芯的综合利用提供重要的理论依据。实验研究表明,在实际生产应用中应当选择的最佳工艺参数为：30 min、350 ℃,在此条件下热解产物的热值及密度都有较大的提高,生物质炭的产率为69.2%,热值为18.78 MJ/kg,相对于未经处理的玉米芯热值提高了19.7%。     

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。     

不同炭化温度制备的蚕丝被废弃物生物炭对重金属Cd2+的吸附性能

以蚕丝被废弃物为原料,在300、500和700 ℃高温缺氧条件下热解炭化制备成3种生物炭(BC300、BC500和BC700).利用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X-射线衍射仪(XRD)、比表面积分析仪等对其理化性质进行表征,并研究了不同温度下制备的生物炭对溶液中Cd²⁺的吸附特性.结果表明: 随着炭化温度上升,BET比表面积、pH、灰分均增大,生物炭表面形态结构越来越不规则.XRD结果显示:不同温度下获得的生物炭中均含有一定量的方解石,FT-IR光谱图上的峰主要为-OH和方解石典型的吸收峰;pH对生物炭吸附Cd²⁺的影响不大;Langmuir方程能更好地拟合3种生物炭对Cd²⁺的吸附等温过程,其最大吸附量分别为25.61、52.41和91.07 mg·g^-1.3种生物炭对Cd²⁺吸附过程均更符合准二级动力学方程,且BC700对Cd²⁺的吸附效果最佳.进一步研究离子浓度及阳离子共存对BC700吸附Cd²⁺的影响,结果显示: NaCl浓度越高,对Cd²⁺的吸附抑制越明显;共存阳离子中,Ca²⁺和Mg²⁺对Cd²⁺的吸附抑制更明显,而K⁺几乎无影响.因此,以蚕丝被废弃物制备的生物炭作为去除水体中Cd²⁺的吸附剂具有较强的应用潜力.     

不同炭化温度制备的蚕丝被废弃物生物炭对重金属Cd~(2+)的吸附性能

以蚕丝被废弃物为原料,在300、500和700℃高温缺氧条件下热解炭化制备成3种生物炭(BC300、BC500和BC700).利用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X-射线衍射仪(XRD)、比表面积分析仪等对其理化性质进行表征,并研究了不同温度下制备的生物炭对溶液中Cd~(2+)的吸附特性.结果表明:随着炭化温度上升,BET比表面积、pH、灰分均增大,生物炭表面形态结构越来越不规则.XRD结果显示:不同温度下获得的生物炭中均含有一定量的方解石,FT-IR光谱图上的峰主要为-OH和方解石典型的吸收峰;pH对生物炭吸附Cd~(2+)的影响不大;Langmuir方程能更好地拟合3种生物炭对Cd~(2+)的吸附等温过程,其最大吸附量分别为25.61、52.41和91.07 mg·g-1.3种生物炭对Cd~(2+)吸附过程均更符合准二级动力学方程,且BC700对Cd~(2+)的吸附效果最佳.进一步研究离子浓度及阳离子共存对BC700吸附Cd~(2+)的影响,结果显示:NaCl浓度越高,对Cd~(2+)的吸附抑制越明显;共存阳离子中,Cd~(2+)和Mg~(2+)对Cd~(2+)的吸附抑制更明显,而K~+几乎无影响.因此,以蚕丝被废弃物制备的生物炭作为去除水体中Cd~(2+)的吸附剂具有较强的应用潜力.     

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.     

镧改性虾壳低温热解制备的生物炭对池塘养殖废水磷吸附的研究

为提高生物炭对磷的去除效果和将厨余废弃物的资源化利用,文章以废弃虾壳为原料,用NaOH将LaCl₃以La(OH)₃沉淀形式附着在虾壳表面,进行热解得镧改性生物炭(CSLa)。采用XRF、SEM、BET、FTIR和XRD对改性前后的生物炭表征分析。采用吸附等温线模型和吸附动力学模型拟合生物炭的吸磷特征。研究了改性剂用量、初始pH、共存干扰离子对生物炭吸附磷的影响。结果表明镧化合物负载在生物炭表面,对磷吸附能力明显提高,最大理论吸附量为160.51 mg/g,与CS400磷最大吸附量(100.60 mg/g)相比约提高60%。在低浓度或高浓度磷溶液条件下,CSLa对磷吸附量和去除率均高于CS400,在实际水产养殖废水中更实用。吸附过程主要受化学吸附、颗粒内扩散控制。有关机理分析的结论表明表面沉淀作用、静电吸引、配体交换和内层络合作用是CSLa吸附磷的主要机理。CSLa更适合在弱酸性环境中除磷,不过在碱性环境条件下其吸附量也比较高。HCO₃^-和CO₃^2-对CSL...     

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.     

生物炭影响农田温室气体排放的研究进展

针对生物炭在农业生产中对温室气体排放的影响问题,论文综述了近几年有关生物炭对农田生态系统CO2、CH4和N2O三种主要温室气体排放的影响研究,发现生物炭总体上可以减少温室气体的排放,但其实际效果受生物炭种类、土壤理化性质和微生物活性与丰度等多种因素的影响。为此,本文进一步总结了生物炭影响农田系统温室气体排放的作用机理。提出了三条可能机制:(1)生物炭疏松多孔,具有吸附性,依靠自身的吸附作用吸收土壤中的温室气体;(2)生物炭能改变土壤理化性质,使土壤疏松,团聚体和固体物含量提升,抑制土壤矿化,固碳能力提升,吸附性增强;(3)生物炭能改善土壤微生物的生存环境,提高土壤微生物的丰度和活性,微生物活动增强,可以更多地固定土壤中的氮,影响温室气体的排放。通过生物炭途径可助力农业碳减排。     

四种吸附剂材料对镉去除及硬水软化的研究

以核桃壳和杏仁壳为原料, 经高温热解成生物炭再利用酸、碱修饰对其进行改性制备成吸附剂材料, 同时以矿物吸附剂(蛭石)和竹炭作为对比材料, 比较了四种改性吸附剂对镉(Cd), 以及对硬水中钙(Ca²⁺)、镁(Mg²⁺)的吸附性能, 考察了吸附剂投加量对 Cd 去除和硬水软化处理效果的影响, 初步探讨了吸附机制。结果表明: 果壳生物炭经酸碱改性后吸附能力显著提升。竹炭和杏仁壳炭对 Cd 的吸附效果相当(去除率分别为 99.2%, 99.1%), 核桃壳炭次之(93.8%),蛭石对 Cd 的去除受 Cd 浓度影响较大, 而杏仁壳可以净化不同程度 Cd 污染废水。核桃壳和杏仁壳炭对 Ca²⁺和 Mg²⁺的吸附能力强, 二者在最小投加量(1 g)时即可将水的硬度降至饮用水标准值(450 mg·L^-1, 以 CaCO₃计)以下, 对 Ca²⁺、Mg²⁺的去除率最高可达 83.6%, 而竹炭和蛭石对硬...     

生物炭对农田土壤氨挥发的影响机制研究进展

降低土壤氨挥发量是农田生态系统中减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率的关键途径之一。生物炭具有独特的理化性质,施入土壤后可改变土壤理化性状,影响土壤氮素循环,并对农田土壤中氨挥发产生重要的影响。本文首先介绍了稻田和旱田两种土地利用方式下农田氨挥发过程及其影响因素(气候条件、土壤环境、施肥管理等);其次,重点综述了生物炭对农田生态系统氨挥发影响的研究进展,并从物理吸附机制、气液平衡机制、生物化学过程调节机制等方面探讨了生物炭介入下农田土壤氨挥发的响应机制,认为土壤氨挥发减排的响应主要是基于生物炭表面含氧官能团对土壤NH₄⁺和NH₃的吸附作用及促进土壤硝化作用;而生物炭增加土壤氨挥发排放主要与生物炭提高土壤pH值和透气性、增强土壤有机氮矿化微生物活性有关。最后,对生物炭减少土壤氨挥发、提高氮肥利用率的研究方向进行了展望。     

生物炭的稳定性及其对矿物改性的响应机制研究进展

生物炭具有高度的碳素稳定性,是一种能有效缓解温室效应的固碳材料.研发碳素持留率高和稳定性强的生物炭对固碳减排具有重要意义.矿物改性处理能对生物炭的稳定性起调控作用,但目前相关研究并未得到足够重视,相应调控机理尚不十分清楚.本研究首先对生物炭稳定性的评价指标进行了归纳,主要包括H/C原子比、O/C原子比、稳定性系数R₅₀、挥发性物质含量、碳素热失重率、碳素(化学)氧化损失率、微生物矿化量等.其次,在分析生物炭稳定性影响因素(如原料类型、炭化条件、外界环境等)的基础上,综述了矿物改性对生物炭稳定性影响的研究进展,并探讨了稳定性增强和减弱的响应机制,认为生物炭稳定性的增强响应主要是基于矿物本身的物理阻隔作用,以及矿物与生物炭之间通过交互作用形成的有机矿物复合体对生物炭起到的保护作用,在一定程度上抑制生物炭的降解;而生物炭稳定性的减弱响应则主要与特殊矿物组分有关,例如含铁矿物组分在高温下促进生物炭的降解.最后对未来的研究方向进行了展望,以期进一步推动生物炭固碳减排技术的发展,并为获得稳定性更强的生物炭提供技术支撑和理论依据.     

生物质炭添加对杉木人工林土壤原有有机碳矿化的影响

通过培养试验,利用¹³C标记技术研究不同热解温度制备的生物质炭添加对杉木人工林土壤原有有机碳矿化的影响,为生物质资源有效利用和亚热带人工林固碳管理提供科学依据.生物质炭制备材料分别为木荷(阔叶树种)和杉木(针叶树种)凋落物,培养温度为25 ℃,时间为112 d.结果表明: 在整个培养阶段,与对照土壤相比,不同生物质炭添加对土壤原有有机碳矿化的影响均呈现先促进后抑制的规律,具体表现为杉木生物质炭处理仅在培养0～3 d表现为显著促进作用,在7～112 d均呈现为显著抑制作用,而木荷生物质炭处理则在培养0～14 d表现为促进作用,在28～112 d均表现为显著的抑制作用.培养结束时,3种杉木生物质炭(350、550和750 ℃)处理均显著抑制了土壤原有有机碳矿化,2种木荷生物质炭(350和550 ℃)处理也表现为显著的抑制作用.木荷生物质炭和杉木生物质炭的分解率介于0.8%～2.8%,随着热解温度的升高,生物质炭的分解率呈下降趋势,且同一热解温度下木荷生物质炭的分解率显著高于杉木生物质炭.上述结果表明,原材料和制备温度是生物质炭影响土壤原有有机碳矿化和生物质炭分解的重要因素.     

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。     

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。