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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

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

东北地区极端大风时空分布特征及其对风蚀量的影响

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应用生态学报 2024年第1期35卷 87-94页

作者：李方昊范昊明石昊许秀泉沈阳农业大学水利学院沈阳110866

气候变化背景下东北地区极端大风事件频发,由极端风蚀事件造成的水土流失逐渐引起了相关学者的广泛关注。本研究使用线性分析、Sen+Mann-Kendal趋势分析、Kriging插值法对2005—2020年东北地区极端大风时空特征进行分析,并使用RWEQ风蚀... 详细信息

气候变化背景下东北地区极端大风事件频发,由极端风蚀事件造成的水土流失逐渐引起了相关学者的广泛关注。本研究使用线性分析、Sen+Mann-Kendal趋势分析、Kriging插值法对2005—2020年东北地区极端大风时空特征进行分析,并使用RWEQ风蚀估算模型计算典型风蚀站点的全年土壤风蚀量和极端大风条件下的风蚀量。结果表明:2005—2020年间,东北地区极端大风频次呈显著上升趋势,上升幅度为2.9次·a^(-1)。东北地区极端大风频次的年均值在1~49次·a^(-1),频次高值区分布在锡林郭勒西北部、呼伦贝尔高原西部及长白山东北部等地。4个典型风蚀点(锡林浩特、新巴尔虎右旗、嫩江、通榆)极端大风对土壤风蚀量的平均贡献率为31%。

关键词：极端大风贡献率时空分布东北地区

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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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

斜发沸石对干湿交替条件下水稻产量和氮素累积的影响

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植物营养与肥料学报 2024年第5期30卷 922-933页

作者：赵清沙炎王术陈涛涛迟道才沈阳农业大学水利学院辽宁沈阳110866 东北农业大学水利与土木工程学院黑龙江哈尔滨150030 沈阳农业大学农学院辽宁沈阳110866 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

【目的】斜发沸石作为一种优良的土壤改良剂,因其具有改善土壤养分、提高水稻产量、减少氮素流失等积极作用而广泛用于水稻生产中。通过田间定位试验,探究干湿交替灌溉条件下斜发沸石对水稻氮素吸收利用和产量的长期影响。【方法】在201... 详细信息

【目的】斜发沸石作为一种优良的土壤改良剂,因其具有改善土壤养分、提高水稻产量、减少氮素流失等积极作用而广泛用于水稻生产中。通过田间定位试验,探究干湿交替灌溉条件下斜发沸石对水稻氮素吸收利用和产量的长期影响。【方法】在2017—2021年连续5年进行原位大田试验。试验设计为随机区组试验,设置常规淹灌条件下不施斜发沸石(I_(CF)Z_(0)),干湿交替灌溉下不施斜发沸石(I_(AWD)Z_(0))和干湿交替灌溉下施加10 t/hm^(2)斜发沸石(I_(AWD)Z_(10))3个处理,斜发沸石于2017年施入土壤,之后4年(2018—2021)不再施用。水稻生育期内定期取0—30 cm土壤样品用于测定无机氮含量,每年水稻成熟期,调查籽粒产量量及主要产量构成因子,计算地上部氮累积量、氮肥偏生产力。【结果】I_(CF)Z_(0)和I_(AWD)Z_(0)处理的水稻产量、地上部氮累积量和氮肥偏生产力差异均不显著。与I_(CF)Z_(0)和I_(AWD)Z_(0)处理相比,I_(AWD)Z_(10)处理连续5年均显著提高了地上部氮累积量和产量,但增长率随定位试验的延长有所下降。I_(AWD)Z_(10)处理氮肥偏生产力较I_(CF)Z_(0)和I_(AWD)Z_(0)处理分别增加了9.67~13.44和5.53~9.55 kg/kg,产量分别增加了1.26~2.42和1.00~1.72 t/hm^(2)。与I_(AWD)Z_(0)相比,I_(AWD)Z_(10)处理地上部干物质累积量在拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和成熟期分别增加了20.96%~31.24%、16.89%~30.44%、17.87%~25.45%和13.43%~21.12%,地上部氮累积量分别增加了19.92%~47.14%、14.90%~43.88%、21.68%~31.37%和7.18%~30.27%。I_(AWD)Z_(0)与I_(CF)Z_(0)处理土壤无机氮含量差异不显著,I_(AWD)Z_(10)处理土壤无机氮含量最高,较I_(AWD)Z_(0)处理增加了19.88%~40.96%。在分蘖—穗肥阶段,5年间I_(AWD)Z_(10)处理的土壤NH_(4)^(+)-N含量较I_(CF)Z_(0)和I_(AWD)Z_(0)处理分别增加了31.83%~48.84%和28.35%~52.80%。I_(AWD)Z_(0)和I_(CF)Z_(0)处理收获后土壤全氮含量差异不显著,I_(AWD)Z_(10)较I_(CF)Z_(0)处理显著提高了收获期土壤全氮含量,提升幅度为9.27%~11.41%,这表明随着时间的延长,斜发沸石并不会对土壤养分产生负面影响,反而对土壤养分具有长期改善的作用。【结论】在干湿交替灌溉条件下,一次性施用斜发沸石可连续多年提高水稻生育期土壤铵态氮含量、增加土壤全氮,进而促进水稻氮吸收,提高氮肥偏生产力和产量。因此,斜发沸石可用于新型灌溉技术下提高水稻产量,实现稻田可持续利用。

关键词：斜发沸石氮干湿交替灌溉水稻产量

辽宁地区农田土壤中微塑料丰度及其在团聚体中的分布特征

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农业环境科学学报 2024年第4期43卷 858-865页

作者：王展陈春羽苏沛瑶邢云飞邹洪涛张玉龙沈阳农业大学土地与环境学院沈阳110866

为了明确辽宁地区农田土壤微塑料污染情况,本研究以辽宁14个地区的农田土壤为研究对象,采用密度分离和氧化分解的方法,结合显微镜和红外光谱技术测定了土壤及各级团聚体中微塑料的丰度和分布特征。结果表明:辽宁地区农田土壤中微塑料丰... 详细信息

为了明确辽宁地区农田土壤微塑料污染情况,本研究以辽宁14个地区的农田土壤为研究对象,采用密度分离和氧化分解的方法,结合显微镜和红外光谱技术测定了土壤及各级团聚体中微塑料的丰度和分布特征。结果表明:辽宁地区农田土壤中微塑料丰度为3605个·kg^(-1),主要包括纤维状、颗粒状、块状和薄膜状4种形状,其中纤维状最多(42.11%),颗粒状和块状次之(29.10%和22.32%),薄膜状最少(6.47%)。纤维状微塑料的主要成分是尼龙,颗粒状微塑料的主要成分是聚对苯二甲酸乙二酯,块状和薄膜状微塑料的主要成分是聚乙烯。辽宁14个地区农田土壤中微塑料丰度及其形状组成各不相同,其中辽阳、朝阳、本溪、营口地区土壤中微塑料丰度显著高于其他地区。土壤中69.14%的微塑料以与团聚体结合的方式存在,尤其与小团聚体结合的最多,另外30.86%的微塑料以分散态存在。不同形状微塑料在团聚体中的分布也不同,纤维状和颗粒状微塑料主要存在于小团聚体中,薄膜状微塑料主要存在于大团聚体中,而块状微塑料在各级团聚体中的分布没有显著差异。研究表明,辽宁地区农田土壤中普遍存在微塑料污染,但是在空间上分布不均衡。土壤中微塑料主要是纤维,其成分是尼龙。土壤中的微塑料主要以与团聚体结合的方式存在,但是仍有一部分微塑料以分散态存在,在灌溉或降雨条件下存在向下淋失污染深层土壤和地下水的风险。

关键词：微塑料土壤团聚体农田土壤辽宁地区

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微塑料参与下的土壤碳循环过程评述

中国生态农业学报（中英文） 2024年第2期32卷 252-261页

作者：朱芷宏张琎高晓丹陶招马南徐英德沈阳农业大学土地与环境学院沈阳110866

土壤有机碳固定是驱动土壤肥力演变和陆地生态系统碳平衡的关键过程。鉴于微塑料在土壤生态系统中的持久性和生态环境风险,其对土壤性质和过程的影响日益受到关注,但基于土壤碳循环视角关注微塑料介导作用的研究仍相对匮乏。赋存于土壤... 详细信息

土壤有机碳固定是驱动土壤肥力演变和陆地生态系统碳平衡的关键过程。鉴于微塑料在土壤生态系统中的持久性和生态环境风险,其对土壤性质和过程的影响日益受到关注,但基于土壤碳循环视角关注微塑料介导作用的研究仍相对匮乏。赋存于土壤中的微塑料能够通过间接影响土壤理化性质和直接参与碳循环的方式影响土壤有机碳固存、矿化与消长,这进一步加剧了土壤有机碳循环过程的不确定性,也突出了相关研究的迫切性。以此为背景,本文概述了土壤有机碳固定途径的理论发展,总结了土壤中微塑料的来源特征,阐述了微塑料对不同土壤碳库的影响,并深入探讨了微塑料调控土壤碳循环的可能机制,最后对微塑料参与下的土壤有机碳循环相关研究进行了展望。结果表明微塑料能够通过影响土壤物理结构、微生物群落结构多样性、酶活性与功能基因、生物膜的形成、动物的繁殖与生长、植物的生长和根系沉积等对土壤碳的平衡起到介导作用,同时通过自身参与到土壤全链条生物地球化学循环中而直接影响土壤有机碳循环。但相关研究仍处于起步阶段,如何选取科学方法将微塑料周转与有机碳循环过程进行区分与耦合是未来研究的难点。因此,在现有研究基础上,通过先进土壤学研究手段的嵌套与改良,以及研究思路的革新与交叉,可进一步精准区分微塑料源碳在不同有机碳库中的贡献潜力,探明微塑料直接和间接影响土壤有机碳循环的耦合作用机制,并推进多因素影响下微塑料参与土壤碳循环过程的研究。

关键词：微塑料土壤有机碳土壤碳循环土壤微生物微生物残体

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长期不同施肥的棕壤胶体凝聚动力学比较

土壤学报 2024年第2期61卷 484-494页

作者：任凯璐左研寇琪张广才张昀汪景宽高晓丹沈阳农业大学土地与环境学院沈阳110866 中国科学院南京土壤研究所南京210008

土壤胶体的凝聚与土壤团聚体的形成密切相关。施肥改变土壤溶液环境,对土壤团聚体形成、土壤结构和土壤物质组成产生影响。探索长期不同施肥影响土壤胶体微观性质和相互作用进而影响土壤宏观现象的关联十分必要。依托35年棕壤长期定位... 详细信息

土壤胶体的凝聚与土壤团聚体的形成密切相关。施肥改变土壤溶液环境,对土壤团聚体形成、土壤结构和土壤物质组成产生影响。探索长期不同施肥影响土壤胶体微观性质和相互作用进而影响土壤宏观现象的关联十分必要。依托35年棕壤长期定位施肥监测试验站,选取不施肥处理(CK)、施用氮肥(N)、施用有机肥(M)、氮肥与有机肥配合施用(N+M)四种处理的棕壤为研究对象,采用动态光散射技术监测不同施肥处理的棕壤胶体凝聚动力学过程,通过对比分析棕壤有机质含量、表面化学性质和棕壤矿物组成等探究不同施肥处理对棕壤胶体凝聚过程的影响。研究发现:四种长期不同施肥处理的棕壤胶体凝聚特征均表现为在低电解质浓度条件下发生慢速凝聚(RLCA)与高电解质浓度条件下的快速凝聚(DLCA);不同施肥处理胶体在相同电解质体系中的临界聚沉浓度的大小顺序均为M>N+M>CK>N。有机肥的长期施用增加了棕壤有机质含量,从而提高了胶体颗粒表面电场强度,加大了胶体颗粒间的静电斥力,加之有机质组分的空间位阻效应使得胶体的凝聚现象减弱;另一方面,长期不同施肥处理并未改变棕壤黏土矿物组成类型,但对其相对含量产生影响:其中,有机肥的长期施入使2︰1型伊利石的相对含量增加,1︰1型高岭石的相对含量减少,长期施用氮肥使伊利石相对含量减少而高岭石相对含量增加。综上,长期不同施肥处理会改变棕壤胶体的基本理化性质和矿物组成比例关系,进而影响棕壤胶体的凝聚动力学过程。

关键词：长期定位施肥棕壤临界聚沉浓度 X射线衍射光散射