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壳聚糖、铁锰改性稻壳生物炭的表征及其Cd^(2+)吸附性能研究

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农业环境科学学报 2023年第9期42卷 1964-1973页

作者：王江南孙晓雪杨玲辉姜楠张淼刘遵奇赫天一沈阳农业大学农学院/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 沈阳市乡村振兴发展中心沈阳110034

为改善稻壳炭对Cd^(2+)的吸附能力,分别选用壳聚糖、硝酸铁与高锰酸钾对稻壳生物炭进行改性,成功制备了壳聚糖改性稻壳炭(C-BC)和铁锰改性稻壳炭(FM-BC),表征了各稻壳炭的基础理化性质,包括比表面积分析(BET)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)... 详细信息

为改善稻壳炭对Cd^(2+)的吸附能力,分别选用壳聚糖、硝酸铁与高锰酸钾对稻壳生物炭进行改性,成功制备了壳聚糖改性稻壳炭(C-BC)和铁锰改性稻壳炭(FM-BC),表征了各稻壳炭的基础理化性质,包括比表面积分析(BET)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射表征(XRD),进行了动力学吸附实验和等温吸附实验,并在不同pH和投加量条件下,研究了改性生物炭对Cd^(2+)的吸附量和去除率。结果表明:两种改性方式均减小了稻壳炭的比表面积和总孔隙体积;FM-BC含有Mn-O、Fe-O的特征官能团,此外改性前后稻壳炭的官能团类型基本不变;两种改性方式均使稻壳炭产生了对应的晶体结构变化。两种改性炭对Cd^(2+)动力学吸附特征均符合准二级动力学模型,颗粒内扩散模型均分为3个阶段,对Cd^(2+)等温吸附特征均符合Langmuir模型;C-BC和FM-BC的最大吸附量分别为25.51 mg·g^(-1)和16.25 mg·g^(-1),是BC(14.97 mg·g^(-1))的1.7倍和1.08倍。随着溶液pH增加,C-BC和FMBC的吸附量和去除率逐渐增加,且始终高于BC;随着投加量的增加,C-BC和FM-BC的Cd^(2+)去除率逐渐增加,而吸附量逐渐降低。两种改性方式均能够在一定程度上提高稻壳炭对Cd^(2+)的吸附能力,均以单分子层化学吸附占主导,C-BC的最大吸附量明显高于FM-BC,适度调整溶液pH和投加量可改善改性稻壳炭的Cd^(2+)吸附效果。

关键词：生物炭改性壳聚糖铁锰吸附 Cd^(2+)

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生物炭对棕壤团聚体空间分布及有机碳的影响

农业环境科学学报 2022年第11期41卷 2515-2524页

作者：孙强杨旭孟军兰宇韩晓日农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室沈阳110866 沈阳农业大学国家生物炭研究院沈阳110866 沈阳农业大学土地与环境学院农业资源与环境博士后流动站沈阳110866

为研究一次性施入玉米秸秆生物炭对棕壤团聚体的空间分布和有机碳含量的影响,于2013年在辽宁沈阳棕壤区建立长期定位试验,试验共设置4个处理,分别为C0(不施炭),C1(一次性施入玉米秸秆生物炭15.75 t·hm^(-2)),C2(一次性施入玉米秸秆生物... 详细信息

为研究一次性施入玉米秸秆生物炭对棕壤团聚体的空间分布和有机碳含量的影响,于2013年在辽宁沈阳棕壤区建立长期定位试验,试验共设置4个处理,分别为C0(不施炭),C1(一次性施入玉米秸秆生物炭15.75 t·hm^(-2)),C2(一次性施入玉米秸秆生物炭31.50 t·hm^(-2)),C3(一次性施入玉米秸秆生物炭47.25 t·hm^(-2)),分析土壤团聚体的空间分布及有机碳含量变化情况。结果表明:与C0相比,生物炭显著提高了耕层(0~20 cm)土壤有机碳含量,随着生物炭施用量的增加,C1、C2和C3处理耕层有机碳含量分别提高了6.81%、11.06%和41.62%。耕层土壤团聚体稳定性随着生物炭施用量的增加,呈现出先增加后降低的趋势,但C3处理仍然显著高于C0处理。20~40 cm土层的土壤有机碳含量随生物炭施用的增加而显著提高,与C0相比较,C1、C2和C3处理分别提高了92.36%、111.63%和123.25%,该土层微团聚体含量随着生物炭施用量的增加而显著降低,C3处理的粉黏粒含量也显著降低,大团聚体含量随着生物炭施用量的增加而显著提高。C3处理平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)均显著高于其他处理。40~60 cm土层中仅C3处理显著提高了土壤有机碳含量,与C0相比较,其提高幅度为4.67%,C3处理也相应地提高了大团聚体含量和GMD。研究表明,一次性施用生物炭不仅提高了耕层土壤有机碳含量、大团聚体含量和团聚体稳定性,也会相应地提高耕层以下土层有机碳含量和团聚体稳定性。对土壤耕层而言,生物炭作为土壤改良剂有其最适宜施用量,在本研究中,最适宜的施用量为31.50 t·hm^(-2)(C2处理)。生物炭对耕层以下土壤有机碳含量和团聚体稳定性的提高受生物炭施用量的影响,生物炭施用量越高,其对耕层以下土层的影响越大。

关键词：生物炭施用量土壤团聚体团聚体稳定性土壤有机碳

辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量高光谱预测模型的构建

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土壤通报 2022年第6期53卷 1320-1330页

作者：王荐一杨雯王玉川徐鑫鹏韩春兰王秋兵沈阳农业大学土地与环境学院辽宁沈阳110866 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

【目的】建立辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量的高光谱预测模型,以便快速获取土壤样品的有机质含量。【方法】对省域内黄土状母质发育土壤进行了样品采集,获取样品有机质含量和高光谱数据;选择原始光谱及其一阶微分、二阶微分、倒... 详细信息

【目的】建立辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量的高光谱预测模型,以便快速获取土壤样品的有机质含量。【方法】对省域内黄土状母质发育土壤进行了样品采集,获取样品有机质含量和高光谱数据;选择原始光谱及其一阶微分、二阶微分、倒数对数、倒数对数一阶微分、倒数对数二阶微分6种光谱变换数据作为自变量,与土壤有机质含量进行相关分析,选取特征波段,分别建立多元逐步线性回归(SMLR)、偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)3种土壤有机质高光谱线性预测模型,并进行了支持向量机(SVM)方法的非线性模型拟合。【结果】土壤有机质含量与其光谱反射率呈负相关关系,对光谱进行不同的数学变换,可以提高土壤有机质含量与光谱反射率的相关性,其中一阶微分和二阶微分的提升效果最佳;相同光谱数据在不同模型中建模精度存在显著差异,以原始光谱反射率一阶微分为自变量的PLSR模型精度最高,建模集和验证集的决定系数(R2)分别为0.958和0.976;3种线性方法建立的最佳预测模型的检验精度为:PLSR>SMLR>PCR。【结论】PLSR模型是辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量的最佳高光谱预测模型,且基于特征波段的建模效果优于全波段;SVM非线性模型的预测精度较低。

关键词：土壤有机质高光谱遥感光谱变换模型黄土状母质

生物炭对植物土传病害的影响与作用机制研究进展

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沈阳农业大学学报 2022年第5期53卷 611-619页

作者：王思宇刘赛男黄玉威兰宇鄂洋孟军沈阳农业大学农学院/水稻研究所/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110161

生物炭是生物质在缺氧环境下热解而得到的富碳固体材料,具有发达的孔隙结构、较强的吸附能力及丰富的官能团,其作为一种绿色、可再生的新型功能材料,在土壤改良、污染修复和碳封存等方面具有巨大潜力。近年来,有关生物炭应用于农田土壤... 详细信息

生物炭是生物质在缺氧环境下热解而得到的富碳固体材料,具有发达的孔隙结构、较强的吸附能力及丰富的官能团,其作为一种绿色、可再生的新型功能材料,在土壤改良、污染修复和碳封存等方面具有巨大潜力。近年来,有关生物炭应用于农田土壤改良的研究中发现,植物土传病害的发生情况受生物炭影响显著,生物炭对植物土传病害的影响研究逐渐成为农用生物炭研究的热点方向。由土壤病原真菌和细菌引起的土传病害经常给农作物生产造成无可挽回的损失,以往的化学防治方法又常常给生态环境带来沉重负担,且随着病原微生物的不断演化,常规化学药剂防治效果越来越难以令人满意。植物土传病害严重威胁土壤-植物系统健康和农业可持续发展,过量使用化学药品防控病害存在污染风险,也是病原体产生耐药性的主要原因。本研究从生物炭影响病原微生物的数量和生长代谢、诱导增强植物全系统防御能力以及改善土壤环境等方面,探讨了生物炭抑制土传病害病原微生物的机理。生物炭能够增强植物养分吸收,提高寄主系统抗性,改变土壤微生物群落和功能,减少对抗性和植物毒性化合物,建立健康的植物根际-土壤防御系统,进而减少病原体种群,降低土传病害发病率。生物炭与土壤、植物和病原微生物之间相互作用,很难确定一个单独的因子来解释生物炭对土传病害的影响,还需要更多的实验数据支撑。上述生物炭抗病机制间是否相互独立或者存在协同效应,亟待进一步研究。

关键词：生物炭病原微生物植物土传病害植物系统防御

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木醋液改良盐碱土的研究进展

国土与自然资源研究 2024年第1期 62-67页

作者：于贝贝何莉莉杨生茂刘淑英甘肃农业大学资源与环境学院甘肃兰州730070 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所浙江杭州310021 浙江省生物炭工程技术研究中心浙江杭州310021

盐碱土是全球耕地的重要组成部分,由于土壤含盐量、碱化度的增加,土壤的理化结构变差、保水保肥能力降低。改良盐碱土是促进土壤利用、提高土壤农业生产能力及土壤综合效益的重要方法之一。木醋液作为富含有机酸类物质的改良剂在盐碱土... 详细信息

盐碱土是全球耕地的重要组成部分,由于土壤含盐量、碱化度的增加,土壤的理化结构变差、保水保肥能力降低。改良盐碱土是促进土壤利用、提高土壤农业生产能力及土壤综合效益的重要方法之一。木醋液作为富含有机酸类物质的改良剂在盐碱土改良方面具有独特优势,关于木醋液直接作用于作物来影响作物产量、品质的研究较多,但是对土壤尤其是盐碱土改良作用系统研究较少。本文通过综合分析近年来木醋液在盐碱土理化性质、养分利用、碳氮循环和微生物作用方面的研究进展,总结了木醋液在盐碱地改良中的潜在作用机制,并对木醋液在盐碱地的研究、应用前景进行展望,以期为木醋液资源回收利用和盐碱地的生态治理提供思路。

关键词：木醋液盐碱土理化性质养分微生物

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中轻度重金属污染农田土壤的时空特征及改良

农业环境科学学报 2024年第2期43卷 294-307页

作者：占楠彪谷端银李婷崔秀敏娄燕宏诸葛玉平土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院山东泰安271018 山东省泰安市农科院蔬菜所山东泰安271000

为研究农田土壤重金属与速效养分的时空特征以及氮磷增效剂对农田土壤重金属的影响,本试验以受中、轻度污染的酸性棕壤和典型潮土为研究对象,采用田间试验、盆栽试验与室内分析相结合的方法进行研究。结果表明:农田土壤中Cd、Cu、Pb、Z... 详细信息

为研究农田土壤重金属与速效养分的时空特征以及氮磷增效剂对农田土壤重金属的影响,本试验以受中、轻度污染的酸性棕壤和典型潮土为研究对象,采用田间试验、盆栽试验与室内分析相结合的方法进行研究。结果表明:农田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn 4种重金属元素含量在0~20 cm土层显著高于深层土壤;棕壤0~20 cm土层Cd含量超标204%,潮土0~20 cm土层Cd、Zn含量分别超标104%、419%;农田土壤0~20 cm土层重金属有效态含量占比高于深层土壤,棕壤中重金属有效态含量占比高于潮土。棕壤0~20 cm土层全氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量均显著高于深层土壤,且随土壤深度增加呈逐渐减小趋势,而潮土中仅全氮、碱解氮和有效磷含量显著高于深层土壤;农田土壤速效养分随时间波动变化,其中硝态氮和铵态氮波动幅度最大,最大变异系数分别为44.1%和47.3%。受污染农田土壤的小麦植株体内Cd、Pb、Cu主要积累在叶片,Zn主要积累在籽粒;不同重金属元素从小麦茎、叶向籽粒的迁移程度差异较大,其中Cd迁移率最小,Zn迁移率最大。氮磷增效剂能显著减少棕壤中重金属有效态含量,底肥+氢醌+双氰胺+生物炭处理的有效态Cd、Cu、Pb、Zn含量较对照(仅加底肥,不加氮磷增效剂)处理分别显著降低24.7%、19.5%、23.7%、18.1%,而在潮土中施用效果不明显。研究表明,农田土壤重金属与土壤养分之间存在一定的相关性,且在土壤垂直分布上大体一致,土壤类型是氮磷增效剂对重金属有效态产生不同影响的重要因素。

关键词：棕壤潮土重金属养分有效性重金属迁移氮磷增效剂

不同有机物料对南疆黏质土壤化学性质及微生物数量的影响

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西北农林科技大学学报(自然科学版) 2024年 1-9页

作者：赵玉鹏王治国付彦博陈波浪扁青永新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所新疆农业大学资源与环境学院新疆农业科学院拜城农业试验站/国家土壤质量阿克苏观测试验站

【目的】探究不同有机物料输入对土壤化学性质和土壤微生物数量的影响,筛选最佳碳源物质输入量,指导有机物料合理利用,为板结黏质土壤改良提供重要的理论参数。【方法】采用大田试验方法,设置农家肥组（N）、生物炭组（T）、生物菌肥组... 详细信息

【目的】探究不同有机物料输入对土壤化学性质和土壤微生物数量的影响,筛选最佳碳源物质输入量,指导有机物料合理利用,为板结黏质土壤改良提供重要的理论参数。【方法】采用大田试验方法,设置农家肥组（N）、生物炭组（T）、生物菌肥组（J）、商品有机肥组（S）、矿源黄腐酸钾组（H）5个不同有机物料组,每组设置50%推荐量、100%推荐量和150%推荐量3个梯度处理,以不施用有机物料为对照（CK）,测定不同处理土壤化学性质和微生物数量,探讨5种不同有机物料（碳源物质）对黏质土壤化学性质和微生物数量的影响。【结果】（1）与对照相比,不同有机物料处理均能降低土壤盐分含量、p H和电导率,其中矿源黄腐酸钾和生物菌肥处理的抑盐效果较好。（2）与对照相比,不同有机物料处理均能提高土壤中有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾含量,其中生物菌肥、生物炭、农家肥处理的效果较好。（3）农家肥处理对土壤细菌和放线菌数量有较好的提升效果,生物炭处理对土壤真菌数量有较好的提升作用。【结论】综合各有机物料对土壤化学性质和微生物数量的影响,农家肥是该试验区较适宜的黏质土壤改良剂,推荐用量为36 t/hm2。

关键词：土壤改良黏质土壤土壤化学性质土壤微生物南疆

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生物炭基肥离散元模型参数标定与试验

沈阳农业大学学报 2023年第4期54卷 447-455页

作者：任德志张露籍宫元娟孟军赫天一沈阳农业大学农学院/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110161 沈阳农业大学工程学院沈阳110161

生物炭基肥料是近年来新兴的一种农业投入品,然而生物炭基肥料还田施用的机械化程度尚属较低水平。为促进生物炭基肥料机械化还田的理论和实践发展,寻求最优生物炭基肥离散元模型接触参数组合,指导生物炭及炭基肥料还田机械的设计和试制... 详细信息

生物炭基肥料是近年来新兴的一种农业投入品,然而生物炭基肥料还田施用的机械化程度尚属较低水平。为促进生物炭基肥料机械化还田的理论和实践发展,寻求最优生物炭基肥离散元模型接触参数组合,指导生物炭及炭基肥料还田机械的设计和试制,提出了一种真实试验与仿真试验结合的方法,对生物炭基肥颗粒数学模型开展研究,验证数值方法的适用性和准确性。以生物炭颗粒堆积角的实际测量值为目标值,通过物料特性研究了创建法向力、切向力和附着力接触模型,利用离散元仿真软件ESSS Rocky DEM对生物炭基肥颗粒离散元参数进行标定,设计Placket-Burman试验获取对堆积角有显著影响的参数,通过最陡爬坡试验得到显著因素参数区间,最后通过Box-Behnken试验优化参数组合。结果表明:生物炭基肥料颗粒粒径占比2mm为35%,3 mm颗粒占比为42%,4 mm颗粒占比为23%,颗粒平均含水率为5%,测得炭颗粒堆积角实际值为23.65°;对炭基肥颗粒接触参数有显著影响的因素为炭—炭滚动摩擦系数、炭颗粒表面能JKR以及炭—钢滚动摩擦系数,最优化参数组合为炭—炭滚动摩擦系数0.36、炭颗粒表面能0.30、炭-钢滚动摩擦系数0.20,仿真堆积角试验值与真实试验值的平均相对误差仅为0.72%,验证了仿真参数及试验的可行性和适用性。研究结果为生物炭基肥料离散元模型参数选取提供了新的参考。

关键词：生物炭基肥 Rocky 离散元模型参数标定

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添加生物炭对连作辣椒生长及根系生理代谢和产量的影响

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西北农业学报 2024年第9期33卷 1667-1680页

作者：牟舒敏关月明高晶霞范子晗李红兵谢华张风宝张岁岐西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100 宁夏农林科学院园艺研究所银川750002

旨在研究添加生物炭对宁南连作辣椒生长、根系生理代谢和产量的作用效果,为使用生物炭缓解宁南拱棚辣椒的连作障碍以及生物炭合理用量提供理论依据。2021年4月-2021年9月在宁夏回族自治区固原市彭阳县连作7 a的拱棚辣椒上开展生物炭添... 详细信息

旨在研究添加生物炭对宁南连作辣椒生长、根系生理代谢和产量的作用效果,为使用生物炭缓解宁南拱棚辣椒的连作障碍以及生物炭合理用量提供理论依据。2021年4月-2021年9月在宁夏回族自治区固原市彭阳县连作7 a的拱棚辣椒上开展生物炭添加试验,以彭阳县当地主栽的辣椒品种‘方兴大将军’为试验材料,以拱棚内垄上25 cm土层每千克土壤干质量的百分比等比递增设置5种生物炭梯度:0%(T0)、0.5%(T1)、1%(T2)、2%(T3)、4%(T4)。在2021年的幼苗期和盛果期测定并分析各处理辣椒的农艺性状、叶绿素含量以及盛果期的根系生长指标、根系生理指标以及果实维生素C含量和产量。结果表明:首先,施加生物炭显著提高了连作辣椒的茎粗,但对辣椒的株高、分枝数和叶面开展度无影响;施加生物炭优化了辣椒叶片的光合性能;增加了根长、根表面积和根体积,根系活力明显增强。其次,施加生物炭处理下,辣椒根系超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性显著增强,从而减少了根系中丙二醛(MDA)、过氧化氢(H_(2)O_(2))的积累;生物炭的添加降低了植株受胁迫的程度,从而维持了根系中脯氨酸(Pro)、可溶性糖等渗透调节物质含量的较低水平。最后,施加生物炭增加了辣椒果实中维生素C含量,提高了果实总产量。此外,生物炭对辣椒连作障碍的改良有一定的阈值,过多的生物炭添加量会对连作辣椒的生长产生不利影响。施加生物炭降低了由连作带来的逆境胁迫的伤害,有效地缓解了辣椒的连作障碍。根据本试验结果,宁南连作拱棚辣椒的生物炭推荐使用量为2%。

关键词：生物炭连作障碍根系生理代谢拱棚辣椒产量

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