熱解溫度對蘋果枝條生物質(zhì)炭理化性質(zhì)及其環(huán)境效應(yīng)的影響.pdf

1、生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類多孔富碳，高度芳香化，難降解，類似活性炭的物質(zhì)。生物質(zhì)炭因原材料及制備條件的不同，其理化性質(zhì)具有較大的差異。這在一定程度上又決定了生物質(zhì)炭的環(huán)境效應(yīng)。近年來，雖然國內(nèi)外學(xué)者就不同原材料及制備條件下生物質(zhì)炭理化特性及其環(huán)境效應(yīng)開展了不少的研究，但多施用在酸性土壤中，在偏堿性的石灰性土壤中相對較少;而且關(guān)于蘋果枝條生物質(zhì)炭的制備及其性質(zhì)和應(yīng)用效果的研究更少涉及。為此，本文以蘋果枝

2、條為原材料分別在300、400、500、600℃條件下熱解制備生物質(zhì)炭，采用掃描電鏡、紅外光譜、物理化學(xué)吸附儀等技術(shù)在研究其理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)差異的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗研究了不同溫度制備的生物質(zhì)炭在石灰性土壤（壤土）中的礦化特征及其對土壤有機碳含量和組成、土壤團聚體形成及穩(wěn)定性的影響。同時，通過模擬銅鋅污染的水體和土壤，研究了生物質(zhì)炭對銅鋅的吸附特征及其對土壤中銅鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化和生物有效性的影響。研究取得的主要結(jié)果如下:
　　(1)熱

3、解溫度對生物質(zhì)的理化性質(zhì)及表面結(jié)構(gòu)特征有重要影響。熱解溫度的增加，降低了生物質(zhì)炭的產(chǎn)率，揮發(fā)性組分，CEC，O，H，H/C，O/C，酸性官能團及總官能團的含量，而增加了其C，固定態(tài)碳，比表面積，孔隙容積及礦質(zhì)元素的含量（Cu和Mn除外）。生物質(zhì)炭pH和灰分隨著熱解溫度的增加表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，BC500其pH值和灰分含量最高。熱穩(wěn)定分析表明，高溫制備的生物質(zhì)炭具有較高的熱穩(wěn)定性。
　　(2)不同溫度制備的生物質(zhì)炭輸入土壤后均

4、可顯著增加土壤有機碳含量，在300～600℃的制備溫度范圍內(nèi)，以500℃制備的生物質(zhì)炭對土壤有機碳庫的提升效果最為明顯。生物質(zhì)炭輸入土壤后的礦化分解特征及其對土壤活性有機碳的影響因熱解溫度不同而有較大的差異。與對照相比，低溫（≤400℃）制備的生物質(zhì)炭在培養(yǎng)期間增加了土壤微生物量碳(MBC)、水溶性有機碳(WSOC)以及易氧化有機碳(ROC)的含量，且隨著添加比例的增加而增加，培養(yǎng)360 d后，BC300處理平均分別增加了38.25％、

5、82.09％和63.53％; BC400處理平均分別增加了26.07％、65.61％和48.09％，且差異均達到顯著水平(P＜0.05);高溫(＞400℃)制備的生物質(zhì)炭在培養(yǎng)初期增加了土壤MBC、WSOC及ROC含量，且隨著添加比例的增加而增加，而在培養(yǎng)后期則減少了土壤MBC、WSOC、ROC含量，且隨著添加比例的增加而減少，培養(yǎng)360 d后，BC500處理平均分別減少了1.28％、13.48％和14.67％，BC600處理平均減少7

6、.80％、14.66％和15.79％，且差異達到顯著水平(P＜0.05)。雙庫模型能夠很好地描述不同溫度制備的生物質(zhì)炭輸入對土壤有機碳庫及其分解速率的影響。不同溫度制備的生物質(zhì)炭輸入土壤后土壤有機碳的半衰期變化在22.77～47.83 a之間，且隨著熱解溫度及生物質(zhì)炭添加比例的增加，土壤有機碳的半衰期呈現(xiàn)增加的趨勢。
　　(3)隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭類腐殖物質(zhì)的含量呈降低的趨勢，但生物質(zhì)炭類腐殖物質(zhì)的結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化。生物質(zhì)炭

7、輸入土壤后，與對照相比，低溫(≤400℃)制備的生物質(zhì)炭在培養(yǎng)期間增加了土壤胡敏酸(HA)含量，并隨著添加比例的增加而增加，培養(yǎng)360 d后，BC300和BC400處理平均分別增加了69.93％和48.75％，且差異達到顯著水平(P＜0.05);富里酸(FA)含量在培養(yǎng)前期(240 d)也有所增加，但后期則減少了土壤FA含量;高溫(＞400℃)制備的生物質(zhì)炭在培養(yǎng)過程中主要降低了土壤HA和FA含量（僅在培養(yǎng)初期階段引起土壤HA、FA含量

8、的短時間增加），培養(yǎng)結(jié)束時，BC500處理分別減少了34.38％和44.48％，BC600處理平均分別減少了42.84％和49.27％，且差異均達到顯著水平(P＜0.05)。生物質(zhì)炭輸入顯著增加了土壤胡敏素(Hu)的含量，其中以BC500處理的增加效應(yīng)最大。生物質(zhì)炭輸入增加了土壤H/F比，提高了土壤Hu的相對含量，增加了土壤中相對穩(wěn)定性碳的比例。高溫制備(＞400℃)的生物質(zhì)炭培養(yǎng)結(jié)束時顯著降低了土壤HA及FA的色調(diào)系數(shù)(ΔlgK)，使

9、土壤腐殖物質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而低溫制備的則相反。
　　(4)生物質(zhì)炭輸入土壤均可以不同程度的增加＞0.5 mm粒級土壤水穩(wěn)性團聚體含量，尤其是5-8 mm以及2-5 mm土壤水穩(wěn)性團聚體含量，且隨著添加比例的這種趨勢更加明顯。同時，生物質(zhì)炭輸入增加了土壤團聚體的WR0.25，MWD以及GMD，土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所加強，且隨著添加比例的增加而增加。不同制備溫度間相比，BC500對土壤水穩(wěn)性團聚體組成及穩(wěn)定性的影響最為顯著。生物質(zhì)炭

10、輸入均可顯著增加各粒級土壤有機碳含量，且以BC500處理下提升效果最為明顯。不同粒級間相比，生物質(zhì)炭輸入對5-8 mm以及2-5 mm粒級土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的增幅最大，并隨著添加比例的增加而增加。同時，生物質(zhì)炭輸入可以改變土壤有機碳在土壤水穩(wěn)性團聚體中的分配，與對照相比，四種溫度制備的生物質(zhì)炭輸入增加了＞0.5 mm土壤水穩(wěn)性團聚體，尤其是5-8 mm和2-5 mm水穩(wěn)性團聚體中有機碳的分配，其中BC500處理與對照相比差異均達

11、到顯著水平。
　　(5)不同溫度制備的蘋果枝條生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)均具有較強的吸附能力。隨著生物質(zhì)炭用量的增加，生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)吸附效率明顯降低，而去除效率顯著增加;在pH2～6范圍，隨著pH值的增加，生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附量先增加而后降低，在pH為5.0時，吸附量達到最大值;生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附在6h內(nèi)吸附速率較快，而后吸附速率變慢，在24 h內(nèi)吸附達到平衡，生物質(zhì)炭

12、對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附過程符合準二級動力學(xué)模型，表明吸附過程主要受化學(xué)吸附所控制;Langmuir等溫吸附模型可以很好的描述生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附過程，表明生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附主要是單層吸附;生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附量隨著溶液溫度的增加而增加，熱力學(xué)分析表明，生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附過程是一個自發(fā)的吸熱過程。不同溫度制備的生物質(zhì)炭相比，BC500對Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ

13、)的吸附量在不同的條件下均為最高（除了初始pH為2.0時）;而不同的離子間相比，生物質(zhì)炭對Cu(Ⅱ)的吸附量大于Zn(Ⅱ)。
　　(6)生物質(zhì)炭輸入可增加土壤有機結(jié)合態(tài)銅鋅的含量，減少了土壤交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)銅鋅的含量。其中，BC500處理下土壤有機結(jié)合態(tài)銅鋅的增幅最高，培養(yǎng)360 d后期土壤有機結(jié)合態(tài)銅鋅比對照平均分別增加了21.12％和39.26％。生物質(zhì)炭輸入顯著降低了土壤有效銅鋅的含量，而BC500處理

14、導(dǎo)致土壤有效銅鋅下降的幅度最大，培養(yǎng)360 d后，土壤有效銅鋅平均比對照下降了40.58％和38.54％。有效銅鋅含量的降低導(dǎo)致其對小白菜的毒害降低，生物質(zhì)炭輸入增加了小白菜地上部分及根系干重，降低了地上部分及根系銅鋅濃度。四種溫度制備的生物質(zhì)炭相比，小白菜地上部分及根系干重表現(xiàn)為BC500＞BC400＞BC300＞BC600＞CK，而小白菜地上部分及根系銅鋅濃度則表現(xiàn)為CK＞BC600＞BC300＞BC400＞BC500。生物質(zhì)炭輸入

15、對土壤的pH值及有機碳含量的影響是改變土壤重金屬形態(tài)分布及其有效性的重要原因。
　　綜上所述，生物質(zhì)炭因熱解溫度不同，自身理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)存在較大的差異，其環(huán)境效應(yīng)也有所不同。與其他制備溫度相比，在500℃下制備的蘋果枝條生物質(zhì)炭，不僅可顯著增加土壤穩(wěn)定性有機碳的含量、土壤腐殖化程度、土壤團聚體的穩(wěn)定和大團聚中有機碳的分配，同時，在此條件下制備的生物質(zhì)炭還可以有效吸附水體銅鋅等重金屬，且對污染土壤中銅鋅的鈍化作用最為顯著。因此，50