【摘 要】
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土地盐碱化已成为农业发展和经济建设中亟待解决的重点问题,传统处理方法存在一定的局限性。生物炭作为一种兼具经济效益和生态效益的土壤改良剂,已在盐碱土壤改良中展现出良好潜力。而相比传统热解炭,水热炭碱性特征较弱,具备用于盐碱土壤改良的优秀潜能。本文通过土壤淋洗实验,对比研究热解炭和水热炭对黄河三角洲盐碱土壤的改良效果,主要研究结果如下:(1)使用花生壳、小麦秸秆、玉米秸秆、稻壳作为原材料,采用马弗炉热
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土地盐碱化已成为农业发展和经济建设中亟待解决的重点问题,传统处理方法存在一定的局限性。生物炭作为一种兼具经济效益和生态效益的土壤改良剂,已在盐碱土壤改良中展现出良好潜力。而相比传统热解炭,水热炭碱性特征较弱,具备用于盐碱土壤改良的优秀潜能。本文通过土壤淋洗实验,对比研究热解炭和水热炭对黄河三角洲盐碱土壤的改良效果,主要研究结果如下:(1)使用花生壳、小麦秸秆、玉米秸秆、稻壳作为原材料,采用马弗炉热解法制备得到MBC1、MBC2、MBC3、MBC4四种热解炭,采用反应釜水热炭化法制备得到FBC1、FBC2、FBC3、FBC4四种水热炭。根据土壤淋洗实验结果发现,生物炭的添加均改变了盐碱土壤粒度组成、p H和zeta电位,增加了土壤孔隙度、含水率、阳离子交换量(CEC)和有机质含量,显著降低了土壤容重、水溶性盐总量、交换性Na+含量和碱化度(ESP)。整体而言,水热炭处理效果优于热解炭,其中MBC1、FBC1处理效果最佳,使得土壤水溶性盐总量分别降低了约11.43%、23.03%,交换性Na+含量分别降低了约16.47%、45.31%,ESP分别降低了约30.74%、55.58%,故确定花生壳为最优制备原材料,并对其制备条件进行实验研究,确定热解炭、水热炭最佳制备温度分别为500℃、260℃,最佳制备时间分别为4 h、2 h。(2)根据盐碱土壤盐分降低效果,确定炭浸渍法为最优生物炭磷酸改性方法,通过改变磷酸改性溶液浓度(5%、10%、15%、20%),得到MGBC1、MGBC2、MGBC3、MGBC4四种改性热解炭,以及FGBC1、FGBC2、FGBC3、FGBC4四种改性水热炭。根据实验土壤淋洗结果发现,随着所用磷酸溶液浓度的增加,改性生物炭对土壤p H的降低效果整体呈现上升趋势。同时,改性生物炭对土壤水溶性盐总量、交换性Na+含量、ESP的降低效果得到显著提高。而对于盐碱土壤的其他性质,改性前后生物炭的处理效果无显著差异。整体而言,改性水热炭处理效果优于改性热解炭,其中MGBC3、FGBC2处理效果最佳,使土壤含盐量分别降低了约23.26%、32.29%,土壤交换性Na+含量分别降低了约24.27%、51.39%,土壤ESP分别降低了约16.37%、26.02%。(3)通过主成分分析,确定碱化度、水溶性盐总量、容重和孔隙度作为评价黄河三角洲盐碱土壤改良效果的关键指标,由此确定MGBC3、FGBC2分别为最优改性热解炭、改性水热炭。进一步进行土壤淋洗实验发现,MGBC2、FGBC3均使得主要盐分离子(Na+、Cl-)含量和土壤钠吸附比(SAR)显著下降,其中FGBC3处理效果优于MGBC2。而MGBC2、FGBC3的添加还均使得土壤速效钾、全氮、有效磷和有机质含量得到提高,增加了盐碱土壤细菌的丰富度、多样性、均匀性,土壤细菌的相对丰度改变,盐碱土壤细菌整体关于核苷和核苷酸生物合成、氨基酸生物合成、碳水化合物生物合成等代谢功能相对丰度明显增加。根据全部实验结果,推断改性生物炭对黄河三角洲盐碱土壤改良机理是:一方面,改性生物炭的添加有利于盐碱土壤结构的改善,使得土壤盐分更易随淋洗水下沉,同时由生物炭表征可得,磷酸改性后,生物炭的比表面积、孔体积及表面含氧官能团增加,比改性前对Na+、Cl-等盐分离子具有更好的吸附作用,减缓了土壤盐碱胁迫;另一方面,改性生物炭的添加使得土壤养分含量增加,同时改变了土壤细菌群落多样性和相对丰度,增强了细菌的合成、利用土壤养分的功能,土壤养分环境得到改善。因此,改性生物炭的添加有效改良了黄河三角洲盐碱土壤,土壤环境得到改善,其中改性水热炭的改良效果整体优于改性热解炭,研究结果为盐碱土壤改良提供理论支撑。
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