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生物炭基调理剂对土壤氮磷的持留性能及对水体磷酸盐的吸附作用研究

周俊杰  
【摘要】:当前农业面源污染领域面临的一个重大问题是如何减少土壤和水体中的氮磷流失,而磷素是产生富营养化的首要控制因子,因此开发用于阻控磷素流失的调理剂已成为面源污染的研究热点。本文以开发新型的面源调理剂为目标,首先选取秸秆生物质炭和两种常用的土壤调理剂(阴离子型聚丙烯酰胺、泥炭土)组合,通过温室淋溶实验探究了生物质炭和土壤调理剂组合对两种淋溶方式下盆栽土壤水分和氮磷持留性能的影响,遴选出上述调理剂用于磷素持留的最优组合,然后将生物质炭和调理剂的最优施用配比应用于3种土壤的磷素持留中。之后对生物质炭和调理剂联合施用的工艺生产过程进行优化探究,从而制备出两种前体物质来源(秸秆生物质炭和羊粪生物质炭)和调理剂复配的复合炭基调理剂(PSBC和PMBC),并探究了炭基调理剂对磷酸盐的吸附性能和吸附行为。主要研究结论如下:(1)温室淋溶实验中,三种调理剂对淋溶液体积的影响显著性排序为PAM泥炭土生物质炭,其中PAM的影响是极显著的。喷灌和滴灌两种灌溉方式下,用于土壤水分持留的三种调理剂的最佳施用水平组合分别为:2 g.kg~(~(-1))的PAM,20g·kg~(~(-1)) 的泥炭土,lOg·kg~(~(-1))的生物质炭;以及 2 g·kg~(~(-1)) 的 PAM,10 g.kg~(~(-1))的泥炭土,40g·kg~(~(-1))的生物质炭。(2)对于磷素截留,调理剂组合为P_2S_2B_3(2g·kg~(-1)的PAM,10g·kg~(-1)泥炭土,40g·kg~(-1)的生物质炭)在两种灌溉模式下均能取得最佳的累计磷素截留效果,喷灌条件下其累计截留磷素11.88mg·kg~(-1);滴灌条件下其累计磷素截留量为7.47mg·kg~(-1)。对于氮素截留,基质组合P_2S_3B_1(2g·kg~(-1)的PAM,20 g·kg~(-1)的泥炭土,1Og·kg~(-1)的生物质炭)在两种灌溉模式下均能取得最佳的累计氮素截留效果,喷灌条件下累计氮素截留量为83.12mg·kg~(-1);滴灌条件下累计氮素截留量为 50.09 mg.kg~(-1)。(3)三种土壤调理剂对磷素的持留效果存在着一定的差异,其对磷素的持留能力顺序为:PAM生物质炭泥炭土,总体上2g·kg~(-1)的PAM和40g·kg~(-1)的生物质炭联用对磷素的截留具有较好的协同作用。SEM结果表明,增施PAM有助于增加土壤团聚体的数量,从而增强土壤的持水性。同时,PAM和生物质炭的联合施用有助于增加大于2mm的水稳性土壤团聚体的含量(p0.05),从而增大土壤的孔隙体积,并增强其对磷的持留效果。(4)土柱淋溶实验中,单独施加生物质炭或生物质炭与PAM耦合配施均增加了淋溶液pH(p0.05)。首次淋溶时,4%的秸秆生物质炭和粪源生物质炭单独施用于3种土壤中均不同程度地增加了各自的淋溶液总磷浓度,而后趋于降低。而4%的两种生物质炭与0.2%的PAM耦合配施均不同程度地降低了 3种土壤淋溶液总磷浓度(p0.01),其降低幅度分别为31.1%~61.8%,31.6%~50.0%和 30.5%~47.9%。(5)基于两种生物质炭和调理剂的复配,在最佳正交条件下(生物质炭与PAM配比为20:1、制备温度为110℃和生物质炭目数为300目)制备了炭基调理剂,结果表明,两种炭基调理剂具有较高的比表面积和总的孔隙体积,其对磷的吸附也表现出比生物质炭更好的性能。由秸秆生物质炭和羊粪生物质炭分别和PAM调理剂复配的两种炭基调理剂对磷的平衡吸附量分别为22.41 mg P·g~(-1)和12.08mgP·g~(-1),其吸附动力学行为更符合准二级动力学模型,等温吸附数据符合Freundlich等温吸附模型,吸附过程是由化学吸附所主导的。FTIR分析表明,两种生物质炭和炭基调理剂对磷素的吸附是由化学吸附主导的表面吸附过程,并且含氧官能团起到了重要的贡献,同时,羟基的存在促进了其对磷的吸附过程。此外,本研究表明,几种生物质炭和炭基调理剂对磷的吸附与pH值是高度相关的,钙离子的存在会增强炭基调理剂对磷的吸附容量。


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