蘆竹生物炭對農業(yè)土壤環(huán)境的影響.pdf

1、生物炭（biochar）是由生物質在完全或部分缺氧的條件下熱解（<700℃）形成的一種固態(tài)的難熔的、穩(wěn)定的、高度芳香化的富含碳的材料。由于其具有改良土壤和封存大氣中的二氧化碳（CO2）的能力，生物炭的研究已引起了全球科學家和政策制定者們的廣泛關注。本文針對生物炭研究中對生物炭自身養(yǎng)分研究的不足、以及制約農業(yè)發(fā)展的土壤N素淋失和農田土壤氧化亞氮（N2O）排放等問題，以濕地植物蘆竹為原料制備生物炭，研究了熱解溫度對生物炭養(yǎng)分特性及不同溫度生

2、物炭對土壤N素淋失及N2O排放的影響，并就相關機理進行了初步探討。現(xiàn)代農業(yè)生產中，除了土壤養(yǎng)分尤其是N素的科學管理外，土壤外源污染物的控制和治理也是確保農業(yè)健康持續(xù)發(fā)展必不可少的措施，因此，針對農業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)的新興污染物磺胺類抗生素磺胺甲惡唑（sulfamethoxazole，SMX）及其對環(huán)境生物具有潛在的毒性且最終可能通過食物鏈和飲用水進入人體等問題，研究了不同溫度蘆竹生物炭對SMX的吸附特性及內在機制。本研究結果為生物質資源化利用

3、和農業(yè)土壤養(yǎng)分資源管理提供了重要的數(shù)據和理論支持，為農業(yè)環(huán)境中污染物的管理和風險評估提供了重要數(shù)據支持，為構建生物質綜合開發(fā)利用新模式，走一條中國特色的低碳經濟之路，最終實現(xiàn)向以低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟模式的成功轉變具有重要意義。主要研究結果如下：
　?。?）選擇典型性、代表性的濕地植物蘆竹為原料制備生物炭，研究熱解溫度（300~600℃）對生物炭基本特性的影響。研究結果表明：隨著熱解溫度的升高，生物炭的產率降低；含

4、碳（C）量增加，氫（H）和氧（O）含量減少；pH和灰分含量增加；表面總酸性官能團含量減少。
　　（2）研究了熱解溫度對生物炭氮（N）、磷（P）和鉀（K）可利用性及釋放的影響。研究結果表明：隨著熱解溫度的增加，生物炭中更多的N發(fā)生揮發(fā)損失，殘余的N轉變?yōu)殡s環(huán)氮，可利用性N含量減少。熱解過程中，P和K未發(fā)生損失。高溫生物炭中P與Ca和Mg等元素結合轉化為水溶性較弱的礦物，導致可利用性P含量減少。
　　（3）研究了不同溫度的生物炭

5、對NH4+、NO3-和PO43-的吸附能力，研究結果表明：相對于高溫生物炭，低溫生物炭（≤400℃）對NH4+具有較強的吸附能力，而對NO3-沒有吸附。NO3-只在高溫生物炭（≥500℃）上有較少的吸附。由于蘆竹生物炭P的釋放較多，因此，蘆竹生物炭對PO43-沒有明顯吸附。
　?。?）通過實驗室土柱淋溶和盆栽試驗，研究了生物炭對不同N肥處理的土壤中N的淋失、持留及N的生物有效性。結果表明：生物炭的添加顯著減少了NH4+-N和NO3

6、--N處理的土壤中NO3--N的淋失。對于植物-土壤-生物炭系統(tǒng)中，生物炭有效減少了NH4+-N和NO3--N的淋洗。生物炭對土壤中N淋失的減少主要歸因于生物炭引起的土壤WHC的增加、生物炭對NH4+的吸附以及N固定作用的增強。生物炭促進了玉米的生長，增加了N的利用有效性，而減少了N的吸收有效性，表明玉米對N的生物有效性增強。因此，土壤中添加蘆竹生物炭可以減少N的淋失，增加土壤N的持留，增強N的生物有效，從而可減少作物生長對N的需求。<

7、br>　?。?）針對生物炭抑制土壤N2O釋放的研究中內在機制的缺乏，本研究采用室內模擬培養(yǎng)實驗，研究了蘆竹生物炭（200~600℃）對農業(yè)土壤 N2O釋放的影響，并初步探索了其內在機制。結果表明：蘆竹生物炭可以有效降低農業(yè)土壤N2O的排放，且高溫生物炭對N2O的釋放具有較強的抑制效果（除200℃）。不同溫度生物炭對土壤 N2O釋放抑制的內在機理不相同。對于較低溫生物炭（350~400℃），多環(huán)芳烴（PAHs）的存在是N2O釋放減少的主要

8、原因。對于高溫生物炭（500~600℃），PAHs的存在只是N2O減少的原因之一，其他機理如N2O在生物炭上的吸附、生物炭引起的土壤氧擴散增強等也可能存在。酚類物質（PHCs）含量高的生物炭（200~300℃）對N2O具有較強的抑制效果，無PHCs的低溫生物炭對N2O也具有很強的抑制效果，然而，其內在機理仍然不清楚。
　?。?）針對農業(yè)土壤環(huán)境中出現(xiàn)的新興污染物磺胺類抗生素極其潛在的環(huán)境風險，本研究通過吸附實驗，研究了生物炭SMX

9、的吸附，結果表明：與分配作用相比，SMX在蘆竹生物炭上以吸附作用為主，分配作用較弱，且整體的吸附能力依賴于SMX的濃度和溶液pH。SMX濃度較低時，隨著熱解溫度的升高，生物炭的吸附能力增加，當SMX濃度較高時，則相反。不同溫度生物炭中的礦物組分對SMX的吸附貢獻不同，低溫生物炭中，礦物組分促進SMX的吸附，而高溫生物炭中礦物組分的存在抑制SMX的吸附。這主要是由于不同溫度生物炭中礦物形態(tài)不同而引起的。因此，蘆竹生物炭具有修復SMX污染的