基于黄河三角洲盐碱土改良的热解炭与水热炭制备及改性的对比研究

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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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