秸秆等生物质的年产出量十分巨大,但是生物质的传统利用方法存在以下问题:一方面对资源造成巨大浪费,另一方面对环境造成严重污染。与此同时,我国土壤质量日趋下降,有机污染尤为严重。将废弃的生物质炭化后作为土壤添加剂施加到土壤,既是对秸秆的有效利用,也为解决土壤问题提供了一种新选择。因此,生物炭的制备工艺及其用于土壤改良与治理的研究具有重要的应用价值。本课题主要研究工作如下:(1)使用高温电阻炉,以小麦、大豆和玉米等秸秆作为不同生物质源,在反应温度为400℃、500℃、600℃、700℃和热解时间为30 min、60 min、120 min、180 min、240 min等条件下制备生物炭,并通过对其灰分、酸碱度、表面形貌、表面官能团、物相、比表面积、粒度及元素含量等性质进行检测分析来考察各条件对生物炭品质的影响;(2)以生物炭种类(购买的杏壳生物炭、稻壳生物炭、松木炭和在500℃条件下热解2 h所得到的小麦、大豆、玉米秸秆生物炭)为变量,在室温为25℃、相对湿度为49%、光照时长为16 h/d条件下种植黑麦草,进行土壤改良实验。在培养的不同时期(黑麦草出芽1、2、3、4周时)进行根际土的采集,分析该过程脲酶和蔗糖酶活性的动态变化,比较不同生物炭对土壤酶活性的作用效果;(3)以有机污染物多环芳烃(PAHs)的代表——萘为对象,进行土壤治理实验,通过改变生物炭种类(同黑麦草盆栽实验)、投加量(与土样的质量比为:0.2%、0.5%、1%、1.5%、2%)和吸附时间(1h、2 h、6 h、12 h、24 h、48 h),分析不同种类生物炭对有机污染物的吸附特性,以及该过程污染物生物有效性的动态响应特征。通过上述实验研究,得出了如下几个结论:(1)通过理化性质表征实验发现:生物炭理化性质会因其生物质材料、热解参数的变化而产生差异,通常情况下,在热解时间为120 min、热解温度为500℃的条件下得到的生物炭具有更好的品质,具有比表面积较大、pH值较高、SEM成像较其它热解条件孔隙更为丰富等特点;(2)通过黑麦草盆栽实验发现,土壤蔗糖酶活性与生物炭添加到土壤中的时间成正相关关系。当黑麦草生长4周时,蔗糖酶活性提高程度为20.04%～83.08%,不同种类生物炭对于蔗糖酶活性的促进作用的对比结果为:松木炭>大豆秸秆生物炭>杏壳生物炭>稻壳生物炭>小麦秸秆生物炭>玉米秸秆生物炭。而生物炭对于土壤中脲酶活性促进率的最大值出现在黑麦草苗期为3周时。其中,添加小麦秸秆生物炭的一组对脲酶活性促进率具有最大值64.76%,而添加其余5种生物炭时,脲酶的增长率为21.71%～49.38%。(3)通过生物炭对土壤中萘的吸附实验发现,无论是以吸附时间为变量还是以生物炭投加量为变量,松木炭对萘的吸附作用都具有明显的优势。当吸附时间为48 h时,吸附量随生物炭投加量的增大而增大。生物炭的投加量为2%时,松木炭对萘的去除率最大,为90.29%;而杏壳生物炭、稻壳生物炭、小麦秸秆生物炭、大豆秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭对土壤中萘的去除率分别为 61.94%、87.81%、46.24%、66.53%和 61.73%。当投加量为0.5%,6种生物炭的吸附率随吸附时间的延长而增加。吸附时间为48 h时,同样得到松木炭对萘的最大去除率,为88.65%;而杏壳生物炭、稻壳生物炭、小麦秸秆生物炭、大豆秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭对土壤中萘的去除率分别为50.45%、87.14%、37.83%、62.75%和54.74%。