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芦竹生物炭对农业土壤环境的影响

郑浩  
【摘要】:生物炭(biochar)是由生物质在完全或部分缺氧的条件下热解(700°C)形成的一种固态的难熔的、稳定的、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气中的二氧化碳(CO2)的能力,生物炭的研究已引起了全球科学家和政策制定者们的广泛关注。本文针对生物炭研究中对生物炭自身养分研究的不足、以及制约农业发展的土壤N素淋失和农田土壤氧化亚氮(N_2O)排放等问题,以湿地植物芦竹为原料制备生物炭,研究了热解温度对生物炭养分特性及不同温度生物炭对土壤N素淋失及N_2O排放的影响,并就相关机理进行了初步探讨。现代农业生产中,除了土壤养分尤其是N素的科学管理外,土壤外源污染物的控制和治理也是确保农业健康持续发展必不可少的措施,因此,针对农业环境中出现的新兴污染物磺胺类抗生素磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole,SMX)及其对环境生物具有潜在的毒性且最终可能通过食物链和饮用水进入人体等问题,研究了不同温度芦竹生物炭对SMX的吸附特性及内在机制。本研究结果为生物质资源化利用和农业土壤养分资源管理提供了重要的数据和理论支持,为农业环境中污染物的管理和风险评估提供了重要数据支持,为构建生物质综合开发利用新模式,走一条中国特色的低碳经济之路,最终实现向以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式的成功转变具有重要意义。主要研究结果如下: (1)选择典型性、代表性的湿地植物芦竹为原料制备生物炭,研究热解温度(300~600°C)对生物炭基本特性的影响。研究结果表明:随着热解温度的升高,生物炭的产率降低;含碳(C)量增加,氢(H)和氧(O)含量减少;pH和灰分含量增加;表面总酸性官能团含量减少。 (2)研究了热解温度对生物炭氮(N)、磷(P)和钾(K)可利用性及释放的影响。研究结果表明:随着热解温度的增加,生物炭中更多的N发生挥发损失,残余的N转变为杂环氮,可利用性N含量减少。热解过程中,P和K未发生损失。高温生物炭中P与Ca和Mg等元素结合转化为水溶性较弱的矿物,导致可利用性P含量减少。 (3)研究了不同温度的生物炭对NH_4~+、NO_3~-和PO_4~(3-)的吸附能力,研究结果表明:相对于高温生物炭,低温生物炭(≤400°C)对NH_4~+具有较强的吸附能力,而对NO_3~-没有吸附。NO_3~-只在高温生物炭(≥500°C)上有较少的吸附。由于芦竹生物炭P的释放较多,因此,芦竹生物炭对PO_4~(3-)没有明显吸附。 (4)通过实验室土柱淋溶和盆栽试验,研究了生物炭对不同N肥处理的土壤中N的淋失、持留及N的生物有效性。结果表明:生物炭的添加显著减少了NH_4~+-N和NO_3~--N处理的土壤中NO_3~--N的淋失。对于植物-土壤-生物炭系统中,生物炭有效减少了NH_4~+-N和NO_3~--N的淋洗。生物炭对土壤中N淋失的减少主要归因于生物炭引起的土壤WHC的增加、生物炭对NH_4~+的吸附以及N固定作用的增强。生物炭促进了玉米的生长,增加了N的利用有效性,而减少了N的吸收有效性,表明玉米对N的生物有效性增强。因此,土壤中添加芦竹生物炭可以减少N的淋失,增加土壤N的持留,增强N的生物有效,从而可减少作物生长对N的需求。 (5)针对生物炭抑制土壤N_2O释放的研究中内在机制的缺乏,本研究采用室内模拟培养实验,研究了芦竹生物炭(200~600°C)对农业土壤N_2O释放的影响,并初步探索了其内在机制。结果表明:芦竹生物炭可以有效降低农业土壤N_2O的排放,且高温生物炭对N_2O的释放具有较强的抑制效果(除200°C)。不同温度生物炭对土壤N_2O释放抑制的内在机理不相同。对于较低温生物炭(350~400°C),多环芳烃(PAHs)的存在是N_2O释放减少的主要原因。对于高温生物炭(500~600°C),PAHs的存在只是N_2O减少的原因之一,其他机理如N_2O在生物炭上的吸附、生物炭引起的土壤氧扩散增强等也可能存在。酚类物质(PHCs)含量高的生物炭(200~300°C)对N_2O具有较强的抑制效果,无PHCs的低温生物炭对N_2O也具有很强的抑制效果,然而,其内在机理仍然不清楚。 (6)针对农业土壤环境中出现的新兴污染物磺胺类抗生素极其潜在的环境风险,本研究通过吸附实验,研究了生物炭SMX的吸附,结果表明:与分配作用相比,SMX在芦竹生物炭上以吸附作用为主,分配作用较弱,且整体的吸附能力依赖于SMX的浓度和溶液pH。SMX浓度较低时,随着热解温度的升高,生物炭的吸附能力增加,当SMX浓度较高时,则相反。不同温度生物炭中的矿物组分对SMX的吸附贡献不同,低温生物炭中,矿物组分促进SMX的吸附,而高温生物炭中矿物组分的存在抑制SMX的吸附。这主要是由于不同温度生物炭中矿物形态不同而引起的。因此,芦竹生物炭具有修复SMX污染的土壤的潜力。


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