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不同改性生物炭对稻田氮素损失及水稻产量的影响

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中国环境科学 2024年

作者：衣本骥刘畅韩宏伟张丰陈涛涛孟军迟道才沈阳农业大学水利学院沈阳农业大学国家生物炭研究院农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室

为进一步挖掘稻田生态系统生物炭增效、节肥和减排潜力，以无生物炭为对照(CK)，设置玉米秸秆生物炭(B)、酸化生物炭(BpH)、氮负载生物炭(BNH4)、铁改性生物炭(BFe)和钙改性生物炭(BCa)6个处理，通过2年试验，对生物炭阳离子交换量(CEC... 详细信息

为进一步挖掘稻田生态系统生物炭增效、节肥和减排潜力，以无生物炭为对照(CK)，设置玉米秸秆生物炭(B)、酸化生物炭(BpH)、氮负载生物炭(BNH4)、铁改性生物炭(BFe)和钙改性生物炭(BCa)6个处理，通过2年试验，对生物炭阳离子交换量(CEC)、含氧官能团以及其处理下水稻产量、氮素提取、氨挥发、氮素淋失和土壤氮残余等进行了研究。结果表明：与B相比，BpH、BNH4和BFe可显著提升生物炭CEC(53.9%、29.6%和28.2%)，且4种改性处理均可显著提升生物炭-COOH、-OH、C=O、O-H等含氧官能团浓度，增强生物炭吸氮能力。全生育期累积氨挥发在9.1～19.9 kg·hm-2(2021)和8.5～13.7 kg·hm-2(2022)之间，除BNH4降氨效果明显(44.6%)外，其他处理第1年对氨挥发无显著影响；而BCa、BNH4和BFe在第2年均显著降低氨挥发，较CK分别降低33.5%、37.5%和37.8%。4种改性生物炭连续2年，较CK降低氮素淋失19.0%和35.2%(BpH)、15.0%和21.0%(BCa)、11.3%和28.7%(BNH4)、12.6%和29.0%(BFe)。B在第1年对产量无显著影响，但老化1年后增产显著(8.8%)；BpH和BNH4连续2年均有增效，分别增产19.7%和12.2%(2021)，11.5%和5.8%(2022)。2年中，BpH、BCa和BNH4均显著降低了活性氮排放，降幅为23.4%、21.8%和42.3%(2021)和23.5%、30.5%和35.5%(2022)；BFe在第1年提升活性氮排放25.9%；第2年降低35.6%。不同生物炭处理第1年土壤矿化氮残余无显著差异；但BCa、BNH4和BFe第2年增效显著。同时考虑增产、活性氮减排和矿化氮可持续性，BpH和BNH4取得了综合最佳效果，同CK相比，可降低氨挥发23.4%和42.3%(2021)、23.5%和35.5%(2022)，铵态氮淋失18.9%和10.6%(2021)、35.4%和29.0%(2022)，硝态氮淋失15.6%和14.7%(2021)、24.5%和23.4%(2022)，氮素积累提高1.1%和13.4%(2021)、14.8%和4.3%(2022)以及矿化氮残余提高1.3%和15.0%(2021)、12.2%和17.9%(2022)，最终增产19.7%和12.2%(2021)、11.5%和5.7%(2022)。

关键词：不同改性生物炭田面水氨挥发淋溶水稻产量氮素去向

一株霍氏肠杆菌对四环素的降解作用及其降解产物的毒性评估

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微生物学报 2024年第3期64卷 826-839页

作者：王思宇葛紫怡陈义轩朱晓琳刘赛男孟军沈阳农业大学国家生物炭研究院农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室辽宁沈阳110866 辽宁省恒润农业有限公司辽宁海城114200

【目的】抗生素作为新兴污染物,已经引起社会的极大关注。针对四环素有效降解菌株缺乏这一现状,本研究旨在筛选和鉴定具有降解四环素功能的菌株,分析其降解特性和降解作用类型、初步探讨其降解活性物质定位并评估其降解产物的生理毒性... 详细信息

【目的】抗生素作为新兴污染物,已经引起社会的极大关注。针对四环素有效降解菌株缺乏这一现状,本研究旨在筛选和鉴定具有降解四环素功能的菌株,分析其降解特性和降解作用类型、初步探讨其降解活性物质定位并评估其降解产物的生理毒性。【方法】以四环素为唯一碳源,从受四环素污染的猪场污泥中筛选四环素降解菌株;结合菌落形态学特征、生理生化特征、扫描电镜观察和16S rRNA基因测序鉴定菌株,通过不同外源碳、pH及去除动力学阐明菌株对四环素的降解特性,提取菌株不同成分探讨其去除四环素的作用类型,并进一步从细胞内液和细胞外液开展生物降解的活性物质定位,最后评估降解产物的生理毒性。【结果】筛选鉴定得到一株霍氏肠杆菌(Enterobacter hormaechei)MEH2305,pH为7.0和添加10 g/L外源碳胰蛋白胨是其发挥降解作用的最适条件。MEH2305通过非生物降解和生物降解的共同作用,在培养第7天对四环素总去除率达到68%(对土霉素和盐酸强力霉素去除率分别为53%和56%),其分泌的细胞内液和细胞外液对四环素的去除率分别为40.77%和31.18%。同时,与未经MEH2305处理的四环素对照组比较,MEH2305降解四环素的产物对革兰氏阴性大肠杆菌(Escherichia coli)K88和革兰氏阳性枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)168的生理毒性作用显著降低。【结论】MEH2305可以作为一株潜在的有效且安全的四环素降解菌株,应用于抗生素的环境治理领域。

关键词：四环素霍氏肠杆菌生物降解生物吸附生理毒性

壳聚糖-生物炭对典型抗生素在单一和复合溶液中的吸附行为与机理

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农业环境科学学报 2024年第9期43卷 2080-2092页

作者：苏旭王宣茗王思宇葛紫怡文中华王江南袁鹤翀杨雯孟军沈阳农业大学农学院沈阳110866 沈阳农业大学国家生物炭研究院沈阳110866 农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室沈阳110866

本研究选择壳聚糖作为改性剂对水稻秸秆生物炭进行改性,通过批量吸附试验探究了原始生物炭(BC)和壳聚糖-生物炭复合材料(CHBC)对溶液中单一或复合存在的典型抗生素四环素(TC)或磺胺甲噁唑(SMX)的吸附性能,并结合多种表征技术探究其对抗... 详细信息

本研究选择壳聚糖作为改性剂对水稻秸秆生物炭进行改性,通过批量吸附试验探究了原始生物炭(BC)和壳聚糖-生物炭复合材料(CHBC)对溶液中单一或复合存在的典型抗生素四环素(TC)或磺胺甲噁唑(SMX)的吸附性能,并结合多种表征技术探究其对抗生素的吸附机理。结果表明:壳聚糖增加了生物炭表面氨基(-NH_(2))、羟基(-OH)和羧基(-COOH)等活性官能团,显著提升了生物炭对抗生素的吸附能力,其中CH_(1)BC(即壳聚糖与生物炭初始质量比为1∶1)展现出最佳的吸附性能,它对TC和SMX的最大吸附量较BC提升了2.63倍和3.74倍。随着溶液pH的增加,生物炭对抗生素的吸附量逐渐下降,这是由于随pH增加,生物炭和抗生素表面负电荷增多,使它们之间的静电排斥作用增大所导致的。此外,随着溶液温度的升高,生物炭对抗生素的吸附量也增加,热力学分析表明CH_(1)BC吸附抗生素的过程是自发吸热易发生的。生物炭对抗生素复合溶液的吸附试验结果表明,BC和CH_(1)BC对复合溶液中TC与SMX的吸附量较单一溶液中有所下降,其中,TC的吸附量下降较少,而SMX的吸附量下降尤为显著,说明TC与SMX在生物炭上的吸附存在竞争关系,且TC的吸附优先级更高,这主要是TC与SMX自身的分子结构、pKa和溶解性不同造成的。通过对吸附后的生物炭再次表征证明了氢键作用和π-π作用是壳聚糖生物炭吸附抗生素的主要机理。

关键词：生物炭改性抗生素吸附多元溶液废水治理

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生物炭基产品及其对土壤培肥改良效应的研究进展

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植物营养与肥料学报 2024年第7期30卷 1396-1412页

作者：兰宇孟军韩晓日陈温福沈阳农业大学农学院辽宁沈阳100866 沈阳农业大学土地与环境学院辽宁沈阳100866 沈阳农业大学国家生物炭研究院/农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室辽宁沈阳100866

生物炭疏松多孔,具有很强的吸附和抗分解能力,其在农业中的应用不仅实现了秸秆资源的有效利用,还对改良土壤、减少化肥使用、增强土壤固碳能力和降低温室气体排放具有重要意义。然而,生物炭直接用作肥料时,由于其养分含量相对较低,运输... 详细信息

生物炭疏松多孔,具有很强的吸附和抗分解能力,其在农业中的应用不仅实现了秸秆资源的有效利用,还对改良土壤、减少化肥使用、增强土壤固碳能力和降低温室气体排放具有重要意义。然而,生物炭直接用作肥料时,由于其养分含量相对较低,运输和储存成本较高,加之易引起粉尘污染等问题,限制了其在农业中的广泛应用。近年来,将生物炭作为载体或特定功能组分,开发新型土壤培肥改良产品及配套技术,成为推动可持续农业发展的重要方向。通过养分合理组配和控制释放,生物炭基产品不仅能改善土壤结构、提高养分利用率,还能缓解土壤障碍、改善作物生长条件,已成为当前本领域研究热点。本文综述了生物炭基产品的类型、制备工艺、性能评价和在土壤改良与培肥中的应用,指出其对提升土壤质量、促进作物增产和环境保护具有显著效果,未来需加强新材料和技术研发,完善检测标准,加快示范推广,并关注其长期应用的生态环境效应。

关键词：炭基肥炭基调理剂制备工艺评价体系长期环境效应

长期施用生物炭对棕壤养分及腐殖质组分的影响

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中国农业科学 2024年第13期57卷 2612-2622页

作者：王庆阳曹殿云王迪詹增意贺婉莹孙强陈温福兰宇沈阳农业大学农学院/农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室/辽宁省生物炭专业技术创新中心/辽宁省生物炭技术工程实验室

【目的】研究长期施用生物炭对棕壤养分含量及腐殖质组分含量的影响，为评价生物炭在提高土壤肥力水平和调控土壤腐殖质组成及稳定性方面的长效作用提供科学依据。【方法】以生物炭田间定位试验为基础，采用随机区组设计，设置4个施炭... 详细信息

【目的】研究长期施用生物炭对棕壤养分含量及腐殖质组分含量的影响，为评价生物炭在提高土壤肥力水平和调控土壤腐殖质组成及稳定性方面的长效作用提供科学依据。【方法】以生物炭田间定位试验为基础，采用随机区组设计，设置4个施炭量处理：0（CK）、15.75 t·hm-2（BC1）、31.50 t·hm-2（BC2）和47.25 t·hm-2（BC3），分别测定生物炭施用4年和8年后土壤有机碳（SOC）、氮磷钾速效养分、氮磷钾全量养分以及土壤富里酸（FA）、胡敏酸（HA）和胡敏素（HM）含量。【结果】施用生物炭可提高SOC含量，BC1、BC2、BC3处理SOC含量较CK处理提高了37.35%—72.97%。施用生物炭显著提高了土壤速效钾（AK）含量，与CK处理相比，BC1、BC2和BC3处理土壤AK含量较CK处理分别提高了11.67—14.00、19.33—22.33和12.33—35.33 mg·kg-1。施用生物炭对土壤全氮（TN）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（AP）和全钾（TK）含量影响不大（除个别处理）。施用生物炭显著提高了土壤HA、可溶性腐殖质（HE）和HM含量。与CK处理相比，BC1、BC2和BC3处理土壤HA含量分别提高了39.68%—40.91%、30.91%—50.79%和34.55%—57.14%。BC1、BC2和BC3处理土壤HE含量较CK处理分别提高18.02%—29.74%、16.81%—30.48%和15.92%—24.91%。与CK处理相比，BC1、BC2和BC3处理土壤HM含量分别提高了48.39%—58.94%、13.57%—89.23%和82.36%—105.82%。施用生物炭4年后对土壤FA含量无显著影响，但施用生物炭8年后显著提高了土壤FA含量，BC1、BC2和BC3处理较CK处理分别提高了22.01%、30.19%和18.24%。在2016年，各施炭处理提高了土壤HA/HE和HA/FA，但降低了HE/HM，但在2020年，仅BC1处理显著提高了土壤HA/FA,BC3处理显著降低了HE/HM。通过冗余和相关分析表明，SOC、TK、AK、TP和AP与腐殖质组分含量存在显著的正相关关系；SOC和TK与土壤腐殖质的稳定性呈显著正相关关系，但土壤SOC、AK、TP和AP与土壤腐殖质的活性呈显著负相关关系。【结论】长期施用生物炭可改善土壤养分状况，主要表现在提高SOC和AK含量；长期施用生物炭可提高土壤腐殖质组分的含量，主要表现在提高土壤HA和HM含量，但对土壤腐殖质稳定性的影响会随时间推移被减弱；土壤养分含量与土壤腐殖质组分含量及稳定性存在显著正相关关系。

关键词：生物炭棕壤富里酸胡敏酸胡敏素土壤养分

生物炭和丛枝菌根真菌协同促进稻田土壤有机磷向无机磷的转化和水稻磷素吸收

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植物营养与肥料学报 2024年第6期30卷 1064-1074页

作者：文中华陈义轩史永佳朱晓琳刘赛男孟军沈阳农业大学国家生物炭研究院辽宁沈阳110866 农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室辽宁沈阳110866 辽宁恒润农业有限公司辽宁鞍山114222

【目的】明确生物炭和丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)及其协同作用对土壤磷素赋存形态和水稻磷吸收的影响,为提高稻田土壤磷素有效性提供科学依据。【方法】水稻(Oryza sativa L.)盆栽试验在温室内进行,以正常施肥管... 详细信息

【目的】明确生物炭和丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)及其协同作用对土壤磷素赋存形态和水稻磷吸收的影响,为提高稻田土壤磷素有效性提供科学依据。【方法】水稻(Oryza sativa L.)盆栽试验在温室内进行,以正常施肥管理为对照(CK),在此基础上设置接种AMF处理(A)、施用生物炭处理(10 g/kg土,B)、同时接种AMF和施用生物炭处理(10 g/kg土,AB)。水稻收获时采样测定土壤pH、电导率(EC)、微生物生物量、磷酸酶活性以及不同形态磷的含量,分析了水稻根系菌根浸染率。【结果】与CK处理相比,生物炭、接种AMF及其联合添加处理(AB)土壤pH值分别显著增加了0.16、0.17和0.23个单位;生物炭处理土壤EC增加了7.4%,而接种AMF处理降低了6.4%;AB处理土壤微生物量碳和磷含量分别增加了39.1%和139.7%。稻田土壤中最主要的磷素赋存形态为稳态磷(HCl-Pi和Res-P),占全磷的75%~77%,其次是中度活性磷(NaOH-Pi和NaOH-Po),占全磷的16%~18%,而活性磷(H2O-P、NaHCO3-Po和NaHCO3-Pi)含量仅占全磷的7%~8%。生物炭、接种AMF及二者联合添加处理(AB)显著增加了土壤活性磷和中度活性磷中无机态磷组分(H2O-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi)的含量,降低了有机态磷组分(NaHCO3-Po、NaOH-Po)含量,且AB处理对活性和中度活性无机磷组分的提升幅度显著高于接种AMF处理。与CK相比,生物炭、接种AMF及AB处理均显著增加了土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性(P生物炭和接种AMF处理对水稻地上部和地下部磷吸收量均无显著影响,而AB处理显著增加了地下部磷吸收量,相较于CK增加了200.0%。【结论】生物炭和AMF联用提高了土壤pH、酸性和碱性磷酸酶活性,促进了活性和中度活性磷中有机态磷向无机态磷的转化,进而优化了土壤磷素的赋存形态,提高了磷素有效性。生物炭与AMF联用显著增加了水稻根系的菌丝和丛枝侵染率,促进了水稻的磷素吸收。因此,生物炭与AMF联用可更有效地改善土壤磷素有效性,提高水稻对磷的吸收利用。

关键词：生物炭丛枝菌根真菌土壤pH Hedley磷组分菌根侵染率磷吸收量

生物炭与氮肥配施对水稻土理化性质及作物氮效率的影响

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农业环境科学学报 2024年

作者：郭亚新杨镜秀韩昱放王迪曹殿云孟军陈温福兰宇沈阳农业大学农学院农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室

为探究生物炭与氮肥配施对水稻土理化性质和水稻氮素利用、水稻产量形成等的影响，以辽宁省典型水稻土为研究对象设置田间试验。试验共设4处理，分别为不施氮肥（CK）、单施氮肥（N）、单施生物炭（BC）和氮肥与生物炭配施（N+BC）。于... 详细信息

为探究生物炭与氮肥配施对水稻土理化性质和水稻氮素利用、水稻产量形成等的影响，以辽宁省典型水稻土为研究对象设置田间试验。试验共设4处理，分别为不施氮肥（CK）、单施氮肥（N）、单施生物炭（BC）和氮肥与生物炭配施（N+BC）。于水稻收获后测产并采土测定土壤理化性质。添加玉米秸秆生物炭使土壤容重显著降低了0.04～0.07 g·cm-3，土壤pH值和养分含量均显著升高，其中土壤有机质和速效磷含量在生物炭与氮肥配施处理下提高效果最显著；相比于单施化肥，玉米秸秆生物炭与氮肥配施显著提高了水稻产量，经济产量、秸秆产量和生物产量分别提高了10.03%、8.70%和9.36%；在施氮肥的基础上添加生物炭显著提高了籽粒的含氮量和氮素积累量以及水稻的氮素收获指数，同时水稻氮肥利用率、偏生产力和土壤氮素依存率分别显著提高了2.09%、5.47%和2.44%。研究表明，生物炭与氮肥配施有利于提高土壤肥力水平从而显著提高水稻氮素积累量和产量。

关键词：生物炭水稻土壤理化性质产量构成氮效率

微波消解法在生物炭基有机肥料氮、磷、钾含量测定中的应用

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中国土壤与肥料 2024年

作者：崔鑫杨旭沈阳农业大学农学院沈阳农业大学农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室

为了提升生物炭基有机肥料中氮、磷、钾元素测定的准确性与适用性，通过对比评估两种主流的样品前处理方法：NY/T 3618-2020《生物炭基有机肥料》标准采用的硫酸-过氧化氢(H2SO4–H2O2)消煮法，以及微波消解技术。通过响应面试验设计对... 详细信息

为了提升生物炭基有机肥料中氮、磷、钾元素测定的准确性与适用性，通过对比评估两种主流的样品前处理方法：NY/T 3618-2020《生物炭基有机肥料》标准采用的硫酸-过氧化氢(H2SO4–H2O2)消煮法，以及微波消解技术。通过响应面试验设计对微波消解过程中的酸体系配比进行了精细优化，得到生物炭基有机肥样品最佳消煮酸系配比为：5 mL H2SO4+1 mL HClO4+2.5 mL HF，进而研发出一种适合于生物炭及其衍生制品中氮、磷、钾元素测定的微波消解新方法。对比标准方法的验证实验结果显示，对于生物炭基有机肥料样本，微波消解法测得的样品相对标准偏差（RSD）为0.04%～0.37%，低于标准方法，其消解效率较高，检测结果的重现性更佳，测定时间上具有显著优势。

关键词：生物炭基有机肥响应面试验微波消煮养分含量

施用生物炭对东北大豆草甸土理化性质及腐殖质组分的影响

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生态学报 2024年第17期44卷 7797-7806页

作者：詹增意郝丽伟岳岐刘帅曹殿云陈温福兰宇钱创建沈阳农业大学国家生物炭研究院农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室沈阳110866 黑龙江省农业科学院经济作物研究所哈尔滨150086

为评价生物炭添加对土壤理化性质、腐殖质及其腐殖化程度的改良效果,以生物炭田间定位试验为基础,设置4个处理:空白对照(CK)、常规施肥(NPK)、单施生物炭(B1)和化肥配施生物炭(NPK+B1),通过连续2年的田间试验,研究了生物炭添加对土壤理... 详细信息

为评价生物炭添加对土壤理化性质、腐殖质及其腐殖化程度的改良效果,以生物炭田间定位试验为基础,设置4个处理:空白对照(CK)、常规施肥(NPK)、单施生物炭(B1)和化肥配施生物炭(NPK+B1),通过连续2年的田间试验,研究了生物炭添加对土壤理化性质和土壤胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)以及大豆产量的影响。结果表明:施用生物炭可短期内有效提高土壤养分,增加土壤中腐殖物质含量,提高稳定性,并改善土壤质地,提高大豆产量。其中与CK相比,B1和NPK+B1处理的土壤理化性质提升效果较为明显,电导率(EC)提高3.50%—98.99%、有机碳(OC)含量提高18.01%—23.18%、碱解氮(AN)含量提高23.48%—37.15%、全氮(TN)含量提高14.93%—25.37%、有效磷(AP)含量提高8.33%—110.16%、全磷(TP)含量提高10.00%—45.00%、速效钾(AK)含量提高6.61%—20.76%、全钾(TK)含量提高13.24%—30.74%、大豆产量提高了54.34%—90.36%。与NPK处理相比,NPK+B1处理土壤HA、FA和HM含量分别提高了38.62%、26.76%和16.45%。且通过相关性分析和主成分分析表明,土壤pH、EC、AK、TK、TP、AN、TN、OC和大豆产量与腐殖质存在显著的正相关关系。因此,化肥配施生物炭处理可有效改善土壤理化特性,提高土壤腐殖质组分含量,为克服大豆连作障碍,提高大豆生产能力提供理论和技术支撑。

关键词：生物炭草甸土理化性质腐殖质