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作者: 王冰玉,馮彥房*
導讀: 水熱炭(hydrochar)作為一種新型的生物炭,在農業(yè)和環(huán)境應用中顯示出一定的優(yōu)勢,具有良好應用前景。 江蘇省農業(yè)科學(xué)院農業(yè)資源與環(huán)境研究所面源污染團隊 在水熱炭的農業(yè)環(huán)境應用及效應方面開(kāi)展了系列研究工作。水熱炭作為土壤添加劑施用后,其環(huán)境功能可能會(huì )發(fā)生改變,其性質(zhì)的變化對土壤施用的影響不容忽視??紤]到水熱炭和傳統的高溫熱解生物炭(pyrochar)的理化性質(zhì)有顯著(zhù)差異,而自然老化對水熱炭性質(zhì)的影響仍然不明確。因此,本研究以麥秸為原料,分別在220℃和260℃條件下制備水熱炭并還田,在稻麥輪作體系中進(jìn)行了為期16個(gè)月的自然老化試驗,并定期采樣探究水熱炭的表面特征和可溶性有機成分在這個(gè)過(guò)程中的變化規律和趨勢。本研究將有助于從農業(yè)生態(tài)系統和環(huán)境角度更好地理解水熱炭作為土壤添加劑使用的潛力。以上相關(guān)結果發(fā)表在 Environmental Pollution 上。
水熱炭的穩定性是施加進(jìn)入土壤后需關(guān)注的問(wèn)題,然而目前還缺少關(guān)于水熱炭自然老化的相關(guān)研究。稻麥輪作體系是一種關(guān)鍵的農業(yè)生產(chǎn)系統,可作為農業(yè)生態(tài)系統的典型代表;此外,稻麥輪作也可以模擬干濕條件,有利于水熱炭的自然老化過(guò)程。本研究將麥秸水熱炭(標記為WHC220和WHC260)應用于稻麥輪作系統,通過(guò)對自然老化后第4個(gè)月和16個(gè)月的水熱炭進(jìn)行采樣表征(分析分別標記為WHC220-A4 /A16和WHC260-A4 /A16),探究了自然老化過(guò)程對水熱炭表面特征及其可溶性有機成分理化性質(zhì)的影響。
研究表明,在16個(gè)月的老化過(guò)程中,由于可溶性有機質(zhì)的淋濾以及與礦物和微生物等的相互作用,使得老化后的水熱炭的親水性/極性指數明顯下降,孔隙度、灰分和穩定性顯著(zhù)增加。此外,老化后的水熱炭具有較少的C-OH,較多的C=O和較高的芳香度(C-C/C=C)。
表1 原始和老化水熱炭的元素組成和原子比
圖3 原始和老化水熱炭中水提液樣品的Van Krevelen圖。(a) WHC220 原始水熱炭;(b) WHC220-A4老化水熱炭;(c) WHC220-A16 老化水熱炭;(d) WHC260 原始水熱炭;(e) WHC260-A4老化水熱炭;(f) WHC2260-A16 老化水熱炭;(g) 七組成分的V-K區域分布圖;(h) 不同水提液樣品中7類(lèi)有機組分的相對豐度。
圖4 原始和老化水熱炭中水提液樣品中不同化合物(CHO、CHON1和CHON2)的Van Krevelen圖。(a) WHC220 原始水熱炭;(b) WHC220-A4老化水熱炭;(c) WHC220-A16 老化水熱炭;(d) WHC260 原始水熱炭;(e) WHC260-A4老化水熱炭;(f) WHC2260-A16 老化水熱炭。
本研究工作指出了水熱炭的理化性質(zhì)和可溶性有機成分的分子變化規律,對于預測水熱炭作為土壤添加劑在農業(yè)生態(tài)系統的長(cháng)期效應十分重要。從環(huán)境的角度看,水熱炭理化性質(zhì)的變化將進(jìn)一步影響溶解有機物的釋放或對污染物的固定。因此,研究水熱炭理化性質(zhì)變化的結果對其農業(yè)生態(tài)系統和環(huán)境應用具有重要意義。
相關(guān)文獻:
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原文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749120367269
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