生物炭的理化性质及其在作物生产上的应用
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生物炭的理化性质及其在作物生产上的应用
【摘要】 长期以来，化学肥料的大量施用，使土壤酸化板结、耕地质量持续下降。重金属污染和农业废弃物被焚烧或丢弃对土壤与环境也造成了严重危害，已成为制约作物生产可持续发展的关键问题。生物炭是生物质在缺氧条件下热解而形成的富碳产物，可能是有效解决上述问题，实现农业特别是耕地可持续发展的重要途径。为此本研究以花生壳和不同农作物秸秆为原料制备生物炭，研究生物炭的理化性质及其对作物生长发育、土壤生态以及重金属污染农田修复的效应。主要研究结果如下：1.不同材料在炭化以后基本保留了原有生物质的孔隙结构，比表面积平均提高了3.7倍。孔容积发生了明显变化，总孔体积平均提高了4倍，微孔体积平均提高了3倍。固定碳量提高了6～12.6倍，灰分含量提高了1.3～4.1倍。不同材料生物炭的平均孔径在10～30nm之间，pH值7.9～9.8，阳离子交换量9.1～19cmol/kg，含有作物生长所需的氮、磷、钾、硫等营养元素和矿质元素，适于在作物生产上应用。2.生物炭对土壤理化性质的影响研究结果表明，施炭以后土壤容重降低，最高降幅为12.94%，总孔隙度提高了9%～13%，通气孔隙度提高了0.2～2.7倍。土壤耕层含水量与温度、阳离子交换量、碱解氮、速效磷均有所提高。生物炭优化了土壤水、肥、气、热条件。3.采用盆栽与大田试验方法，研究了生物炭对作物生长发育的影响。结果表明生物炭明显提高了作物叶片净光合速率，促进了干物质积累，提高了产量和品质。其中，水稻产量比对照平均提高了21.89%，每千克干土加10g生物炭处理最高。糙米率、精米率、整精米率提高，垩白粒率、垩白度下降。研究结果表明施用生物炭明显提高了大豆单株荚数、单株粒数、单株粒重和产量，以3000kg/hm2和6000kg/hm2施用生物炭的产量比对照平均提高了10.98%。在降低施肥量条件下增施生物炭对作物生长发育的研究表明，炭/肥互作提高了大豆叶片净光合速率，增强了地上部植株对氮、磷养分的吸收量，促进了干物质积累，肥料表观利用率与产量明显提高。其中，在常规施肥施用量降低15%、30%、60%基础上施用生物炭，肥料表观利用率与产量分别比单施等量未加炭的肥料提高了327.87%和15.99%，比常规施肥的肥料利用率提高了95.09%，产量提高了10.51%，施炭效果明显。无论单施生物炭或炭/肥互作,对作物生长均起到了一定促进效应，产量和品质提高。4.生物炭对重金属镉污染农田的修复研究表明，土壤有效态镉离子含量在水稻生长前期有所提高，对有效态镉离子有一定的“活化”增促作用。但随着时间延长，土壤有效态镉离子逐渐降低，生物炭对有效态镉离子有“钝化”效应，并趋于稳定。地上部植株镉积累量表现为：茎秆>叶片>籽粒，生物炭处理的稻米镉含量比对照平均降低了33%，产量比对照平均提高了10.66%，降低了污染物生物有效性，提高了产量。
【关键词】 生物炭； 大豆； 水稻； 作物生产； 土壤性质； 炭肥互作； 镉污染修复；
摘要 9-11
Abstract 11-12
第一章 生物炭研究概述 13-32
1.1 生物炭的定义与性质 13-14
1.1.1 生物炭的定义 13
1.1.2 生物炭的性质 13-14
1.2 生物炭在土壤环境系统中的来源及稳定性 14-16
1.2.1 生物炭在土壤环境系统中的来源 14
1.2.2 生物炭在土壤环境生态系统中的稳定性 14-16
1.3 生物炭在土壤-作物-环境系统中的作用 16-24
1.3.1 生物炭在土壤生态系统中的作用 17-20
1.3.2 生物炭的作物学效应 20-21
1.3.3 生物炭在环境生态系统中的作用 21-24
1.4 生物炭应用 24-28
1.4.1 生物炭在农业中的应用 25-26
1.4.2 生物炭在环境中的应用 26-28
1.5 生物炭研究展望 28-29
1.6 研究内容和目的与意义 29-32
第二章 生物炭基本理化性质的研究 32-44
2.1 材料与方法 32-33
2.1.1 试验材料 32-33
2.1.2 测定方法 33
2.2 结果与分析 33-42
2.2.1 生物炭微观结构与形态特征 33-35
2.2.2 生物炭比表面积与孔容、孔径表征 35-37
2.2.3 生物炭主要元素组成 37-38
2.2.4 生物炭基本理化性质 38-41
2.2.5 生物炭吸附性能 41-42
2.3 小结 42-44
第三章 生物炭对不同作物生长发育的影响 44-65
3.1 材料与方法 44-47
3.1.1 试验材料与试验设计 44-46
3.1.2 测定内容与方法 46-47
3.2 结果与分析 47-63
3.2.1 生物炭对作物株高的影响 47-48
3.2.2 生物炭对作物地上部植株干物质积累的影响 48-50
3.2.3 生物炭对作物生理特性的影响 50-55
3.2.4 生物炭对作物产量及其构成因素的影响 55-57
3.2.5 生物炭对作物品质的影响 57-58
3.2.6 生物炭对作物养分吸收特性的影响 58-63
3.5 小结 63-65
第四章 生物炭对土壤理化性质的影响 65-75
4.1 材料与方法 65-66
4.1.1 试验材料与试验设计 65
4.1.2 测定内容与方法 65-66
4.2 结果与分析 66-74
4.2.1 生物炭对土壤容重的影响 66
4.2.2 生物炭对土壤孔隙度的影响 66-69
4.2.3 生物炭对土壤耕层水分与温度的影响 69-70
4.2.4 生物炭对土壤 pH 值的影响 70-71
4.2.5 生物炭对土壤阳离子交换量的影响 71-72
4.2.6 生物炭对土壤有效养分的影响 72-74
4.3 小结 74-75
第五章 炭/肥互作对大豆生长发育和产量与品质的影响 75-92
5.1 材料与方法 75-77
5.1.1 试验材料与试验设计 75-76
5.1.2 测定内容与方法 76-77
5.2 结果与分析 77-90
5.2.1 炭/肥互作对大豆株高的影响 77-78
5.2.2 炭/肥互作对大豆地上部植株干物质积累的影响 78-80
5.2.3 炭/肥互作对大豆光合生理特性的影响 80-81
5.2.4 炭/肥互作对大豆农艺性状与产量的影响 81-83
5.2.5 炭/肥互作对大豆品质的影响 83-84
5.2.6 炭/肥互作对大豆植株养分吸收特性的影响 84-89
5.2.7 炭/肥互作对肥料表观利用率的影响 89-90
5.3 小结 90-92
第六章 生物炭对重金属污染农田修复的初步研究 92-105
6.1 材料与方法 92-94
6.1.1 试验材料与试验设计 92-93
6.1.2 测定内容与方法 93-94
6.2 结果与分析 94-103
6.2.1 生物炭对镉污染土壤生物有效性的影响 94-98
6.2.2 生物炭对镉污染土壤理化性质的影响 98-101
6.2.3 生物炭对土壤有效态镉离子与植株镉吸收的影响 101-103
6.3 小结 103-105
第七章 综合讨论与结论 105-114
7.1 生物炭结构与性质 105-106
7.2 生物炭与土壤生态 106-108
7.3 生物炭与作物生长发育 108-109
7.4 生物炭与化学肥料 109-111
7.5 生物炭与重金属污染 111-114
参考文献 114-121
致谢 121-122
攻读博士学位期间发表的学术论文 122-123
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