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生物炭复合肥料的制备及其对农田土壤镉污染修复效应

生物炭复合肥料的制备及其对农田土壤镉污染修复效应

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作者：魏张东河南大学

学位级别：硕士

土壤镉污染不仅会影响土壤生态系统,抑制植物生长发育,降低作物产量和品质,而且极易通过食物链积累威胁人体健康。联合国环境规划署于1984年明确将镉列为当前最重要的一种农业环境污染物。随着土壤镉污染日益加剧以及人民安全粮食的需... 详细信息

土壤镉污染不仅会影响土壤生态系统,抑制植物生长发育,降低作物产量和品质,而且极易通过食物链积累威胁人体健康。联合国环境规划署于1984年明确将镉列为当前最重要的一种农业环境污染物。随着土壤镉污染日益加剧以及人民安全粮食的需求持续增加,寻找一种低成本高效率有肥力的农田土壤钝化技术成为近年来的研究热点。生物炭及其复合材料具有丰富的活性官能团、复杂的孔隙结构、较大的比表面积和阳离子交换量等特点为其钝化土壤重金属和改善农田肥力提供了可能。本文利用玉米秸秆生物质、硅藻土、重过磷酸钙和尿素按照一定比例(生物质:硅藻土:重过磷酸钙=5:1:1和生物质:硅藻土:重过磷酸钙=10:1:1)制备成B5PNx系列、B10PNx系列生物炭复合肥料,并分析其理化性质和微观结构。基于土壤室内培养实验和田间玉米种植实验研究了生物炭复合肥料对镉污染土壤的钝化改良效果和对玉米生长的影响。主要研究内容及成果如下:(1)生物炭复合肥料的基本理化性质和微观结构。相比单一生物炭Bx,B5PNx系列属于中性材料(pH:6.91.14),B10PNx系列为弱碱性材料(pH:8.01.74)。基于官能团分析,B5PNx系列和B10PNx系列比Bx具有更多的脂肪族C-O拉伸、Si-O-Si、PO、氨基等活性官能团。制备的B5PNx和B10PNx生物炭复合肥料属于介孔结构(2nm生物炭。与单一生物炭Bx相比,B5PNx和B10PNx系列生物炭复合肥料中具有较高的P、N、Si元素含量。基于SEM微观结构显示,B5PNx和B10PNx主要表现为尺寸较为均匀的鱼鳞层状结构和蜂窝骨状结构相互无序排列,明显区别于Bx生物炭的片状结构。(2)基于室内土壤培育实验开展了生物炭复合肥料对土壤Cd的钝化效应研究。结果表明:随着热解温度升高,生物炭复合肥料对土壤Cd的钝化效果逐渐增强。当热解温度为600℃时,对土壤Cd的平均钝化率最高(34.02%)。不同原料配比下,B5PNx系列对土壤Cd的钝化效果最好,其钝化率平均为34.43%。随着投加量的增加生物炭材料对土壤的钝化率随之升高,投加量为3%时,生物炭复合肥料B5PN对镉的平均钝化率为41.2%,是单一生物炭平均钝化率的1.45倍。基于性能表征和钝化效果分析,生物炭复合肥料对土壤镉的钝化机理主要是通过复合硅藻土、重过磷酸钙、尿素等材料增加其表面官能团(硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等)和表面矿物质(磷酸根、碳酸根等),使其与土壤中镉离子发生络合、沉淀等化学作用,进而改变土壤中镉的形态,使镉发生钝化;同时,生物炭复合肥料复杂的孔洞结构提供了更多的阴影孔和吸附位点,可以进一步锁住镉,提高生物炭复合肥料钝化镉的稳定性。(3)基于田间微区实验分析生物炭复合肥料对土壤和作物系统的环境效应。结果表明,随着生物炭复合肥料施用量的增加,田间土壤中镉有效态含量与土壤镉全量的比值(有效态占比)显著降低,当施加量为1800 kg·ha时土壤中镉有效态占比最低(31.43%)。不同原料配比下,施加B5PNx系列生物炭材料时,农田土壤平均Cd有效态占比最低(33.15%)。不同热解温度下,施加600℃制备生物炭材料时,农田土壤平均Cd有效态占比最低(34.68%)。同时,施加生物炭复合肥料显著提高了农田土壤有机质和阳离子交换量。B5PN生物炭复合肥料按照1800 kg·ha施用后,农田土壤有机质含量和阳离子交换量分别为2.89%和12.93cmol·kg,分别是施用Bx系列土壤有机质(2.21%)和阳离子交换量(10.76cmol·kg)的1.3倍和1.2倍。(4)基于田间微区实验分析生物炭复合肥料对土壤-作物系统中镉的生物有效性。与对照相比,不同施加量(450 kg·ha、900 kg·ha、1800 kg·ha)处理的玉米籽粒镉含量分别降低了16.67%、26.19%、30.95%。不同原料配比(Bx、B5PNx、B10PNx)处理的玉米籽粒镉含量分别降低了23.38%、21.43%、26.19%。不同热解温度(300℃、450℃、600℃)处理的玉米籽粒镉含量分别降低了16.67%、21.43%、33.33%。与Bx生物炭相比,施用生物炭复合肥料后显著降低了玉米籽粒镉富集系数。施用B5PNx复合肥料的玉米籽粒平均富集系数为0.34%,比施用Bx生物炭后玉米籽粒的平均富集系数(0.38%)降低了10.53%。其中以生物炭复合肥料施加量为1800kg·ha的处理效果最好。基于生物炭材料的性质、室内培育实验和田间试验的结果,当生物质与硅藻土、重过磷酸钙质量之比为5:1:1,热解温度为600℃时制备的B5PN生物炭复合肥料对土壤和作物系统环境效应最好。因此,本研究初步确定生物炭复合肥料的制备条件为玉米秸秆生

关键词：生物炭复合肥料钝化镉玉米

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新型生物炭复合肥料对农田土壤-小麦系统重金属污染的钝化效应研究

新型生物炭复合肥料对农田土壤-小麦系统重金属污染的钝化效应研究

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作者：裴锦程河南大学

学位级别：硕士

土壤重金属污染是一个严重的全球性问题,对农作物生产和人类健康造成了严重安全隐患。为了提供一种能够高效固定土壤重金属且具有肥力效应的成本较低的土壤修复剂,本研究选取玉米秸秆生物质、硅藻土、重过磷酸钙和尿素为原料,在不同热... 详细信息

土壤重金属污染是一个严重的全球性问题,对农作物生产和人类健康造成了严重安全隐患。为了提供一种能够高效固定土壤重金属且具有肥力效应的成本较低的土壤修复剂,本研究选取玉米秸秆生物质、硅藻土、重过磷酸钙和尿素为原料,在不同热解温度(300℃、450℃和600℃)和混合比例(5:1:1:x和10:1:1:x)下制得3种单一生物炭(Bx)和6种新型的生物炭复合肥料(BCF)。通过小麦田间试验研究4种施肥量下(450 kg?ha、900 kg?ha、1800 kg?ha和无施加处理(CK)),10种不同施肥处理(3种单一生物炭(Bx)、6种BCF和N-P-K化肥(FK))对农田土壤-小麦系统的重金属生物有效性及小麦生长发育的影响。研究了在施加不同肥料后土壤的p H、CEC和有机质等土壤理化性质的变化。并结合Boehm酸性官能团滴定法、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外光谱分析仪(FTIR)和比表面积及孔隙度分析仪表征分析生物炭复合肥料的理化性质并对其钝化机理进行探索分析。研究结果如下:(1)生物炭材料的比表面积及总孔隙体积均随着热解温度的升高而显著增加,表面结构的破碎程度也随温度升高而逐渐增强,而表面的酸性官能团含量和平均孔径均显著降低。相比于单一生物炭,经硅藻土、重过磷酸钙等改性处理之后的BCF表面上出现了一些新官能团,如N-H、PO、Si-O-Si和Si-H等官能团。经过改性处理之后,BCF的比表面积、总孔隙体积以及酸性官能团含量相比于同一热解温度制备的单一生物炭均显著增加,并呈现出更多的微孔结构。(2)通过小麦大田研究可知,在单一生物炭和生物炭复合肥料的改良下,农田土壤的基本理化性质得到了显著改善。单一生物炭(Bx)和生物炭复合肥料(BCF)都可以起到提高和改善土壤p H、CEC、SOM的作用。生物炭肥料对土壤基本理化性质的提升效果随着施加量增加和热解温度的升高而提高。当B600的施肥量为1800 kg·ha时,该处理下的土壤p H和SOM含量具有最大的提升效果,相比于CK和FK组土壤p H分别提高了0.235和0.535个单位,土壤的SOM含量分别提高了23.01%和29.50%。当施肥量为1800 kg·ha时,添加生物炭复合肥料B5PN600对土壤SOM含量也具有显著的提升的作用,相比于CK组和FK组土壤SOM含量分别提高了8.68%和14.42%。此外,B5PN600在1800 kg·ha的施肥水平下对土壤CEC含量的提升效果最为显著,相比于CK组和FK组分别提高了14.59%和14.61%。(3)Bx和BCF都可以有效的降低农田土壤中Cd、Zn、Pb有效态的占比。在450kg·ha～1800 kg·ha的施肥条件下,B5PNx系列生物炭复合肥料对土壤Cd、Zn、Pb均具有最显著的钝化效果,且其钝化重金属的效果随着施肥量的增加和自身热解温度的升高而不断提高。在1800 kg·ha的施肥条件下,经B5PN600处理的土壤Cd、Zn、Pb有效态占比最低,分别显著低于CK组和FK组的16.16%和16.24%、9.13%和9.47%以及11.24%和11.66%。(4)通过小麦大田研究可知,单一生物炭(Bx)和生物炭复合肥料(BCF)作为外源营养源,提供了小麦生长所需的Si、P、N等外源营养物质,促进了小麦的生长发育,显著提高了小麦产量。在所有施肥处理中,B5PNx系列的生物炭复合肥料对小麦的生长促进效果最为显著,其促进效果随着热解温度和施加量的增长而不断提高。当B5PN600的施加量为1800 kg·ha时,该处理下的小麦籽粒重、小麦千粒重及生物量均为最大值,相比于CK组和FK组分别增加了38.11%和16.22%、10.96%和6.38%、32.52%和24.58%。(5)施加BCF和单一生物炭均显著降低了小麦各组织重金属的含量(p生物炭复合肥料的施肥量为1800 kg·ha时,该处理下的小麦根部Cd、Zn、Pb含量分别显著降低了43.19%、22.03%和48.63%,该处理下的小麦籽壳Cd、Zn、Pb含量分别显著降低了24.30%、36.59%和14.01%,并且该处理下的小麦籽粒含量分别显著降低了26.58%、18.10%和34.27%。与FK组相比,当B5PNx系列生物炭复合肥料的施肥量为1800 kg·ha时,该处理下的小麦根部Cd、Zn、Pb含量分别显著降低了32.21%、18.44%和33.63%,该处理下的小麦籽壳Cd、Zn、Pb含量分别显著降低了17.50%、32.22%和13.79%,并且该处理下的小麦籽粒含量分别显著降低了26.5

关键词：生物炭复合肥料钝化生物有效性小麦重金属富集

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