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摘 要： 摘要：采用不同粒徑(0.5，0.25～0.5，0.25mm)的4種原 材 料(椰 糠、木 薯 秸 稈、桉 樹 枝、豬 糞)，通過不同熱解溫度(300，400，500，600 ℃)炭化不同時間(1，2，3，5h)制備 生 物 炭，探討制炭條件對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響，并探索生物炭改良酸性土壤pH 的影響因
摘要：采用不同粒徑(>0.5，0.25～0.5，<0.25mm)的4種原 材 料(椰 糠、木 薯 秸 稈、桉 樹 枝、豬 糞)，通過不同熱解溫度(300，400，500，600 ℃)炭化不同時間(1，2，3，5h)制備 生 物 炭，探討制炭條件對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響，并探索生物炭改良酸性土壤pH 的影響因素。結(jié)果表明，不同制炭條件所制備的生物炭均呈堿性，堿性基團(tuán)含量范圍為0.40～1.05mmol/g。不同原材料生物炭堿性基團(tuán)含量呈現(xiàn)豬糞>木薯秸稈>椰糠>桉樹枝的規(guī)律。隨著熱解溫度的升高、熱解時間的延長及原材料粉碎粒度的減小，生物炭堿性基團(tuán)含量呈增加趨勢。研究還表明，添加生物炭能顯著提高酸性土壤 pH，其改良酸性土壤的能力隨堿性基團(tuán)含量的增加而增強(qiáng)。原材料粉碎粒度減小、熱解溫度升高和熱解時間延長及用量增加，均能有效提升生物炭改良酸性土壤pH 的效果。
關(guān)鍵詞：生物炭;堿性基團(tuán);酸性土壤;制炭條件
土壤中存在著各種化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致土體表現(xiàn)出不同的酸堿特征。我國的酸性土壤主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，由于這些地區(qū)高溫多雨、濕熱同季，土壤的風(fēng)化和淋溶作用強(qiáng)烈，鐵鋁氧化物明顯富積，土壤鹽基飽和度較低，pH 一般在4.5～6.0的范圍。鋁毒和土壤肥力低下，是酸性土壤限制作物生長的兩個重要因素[1]。施用石灰是改良酸性土壤傳統(tǒng)而有效的方法，但大量添加石灰會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本并消耗寶貴的礦產(chǎn)資源，因此需要開發(fā)新型改良劑來改良土壤酸度。生物炭是由生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)熱解炭化生成的高度芳香化的固態(tài)物質(zhì)[2]。生物炭材料來源廣泛，農(nóng)林廢棄物、城市廢棄物、庭院垃圾等都可作為制備生物炭的原材料。土壤養(yǎng)分的有效性通常受土壤pH 值的影響，而作物生長與土壤養(yǎng)分息息相關(guān)。生物炭通常因表面含有一定數(shù)量的堿性基團(tuán)而呈堿性，因此可以改良酸性土壤，提高土壤肥效。在酸性土壤中施用生物炭還能提高土壤碳庫，增加土壤鹽基飽和度，提升土壤速效磷、鉀和有效氮含量，增強(qiáng)土壤保肥能力，改善植物生長環(huán)境。客觀正確地認(rèn)識生物炭的固有特性是所有研究的基礎(chǔ)，也是生物炭發(fā)揮其土壤改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能的重要前提。生物炭不是單一的化合物，它是一種富含碳元素的有機(jī)連續(xù)體，其構(gòu)成元素、空間結(jié)構(gòu)以及性狀特征受生物質(zhì)材料自身和制備條件的雙重影響[3]。因此本研究以探討原材料和制炭條件對生物炭堿性基團(tuán)含量影響為基礎(chǔ)，研究生物炭改良酸性土壤pH 的影響因素，為合理選擇和利用生物炭改良酸性土壤提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 供試材料
供試酸性土壤為磚紅壤，采自海南儋州，土壤質(zhì)地為沙壤土。新鮮土樣(0-20cm)采回實(shí)驗(yàn)室后剔除雜物及殘留根系，經(jīng)自然風(fēng)干，過2mm 篩備 用。其 基 本 理 化 性 質(zhì) 為：pH4.55，有機(jī) 質(zhì) 和 全 氮 含 量 分 別 為9.96，0.62g/kg，堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為69.22，12.54，11.62mg/kg，CEC為4.21cmol/kg。
生物炭制備方法參照文獻(xiàn)[4]，將制備生物炭的原材料洗凈、烘干、粉碎至指定粒度，密封于不銹鋼鐵盒中，在馬弗爐中按指定溫度缺氧加熱一定時間，冷卻至室溫取出備用。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 制炭條件對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響 本研究與生物炭制備同時進(jìn)行。按上述方法以椰糠、木薯秸稈、桉樹枝和豬糞為原材料(<0.25mm)，分別在熱解溫度為300，400，500，600 ℃條件下炭化2h制備生物炭，并測定其堿性基團(tuán)含量，探討熱解溫度對不同材料生物炭堿性基團(tuán)含量的影響。以同樣4種原材料在熱解溫度為500 ℃條件下分別炭化1，2，3，5h制備生物炭，并測定其堿性基團(tuán)含量，探討熱解時間對不同材料生物炭堿性基團(tuán)含量的影響。分別將不同粒度(>0.5，0.25～0.5，<0.25mm)的4種原材料在熱解溫度為500 ℃ 條件下炭化2h制備生物炭，并測定其堿性基團(tuán)含量，探討粉碎粒度對不同材料生物炭堿性基團(tuán)含量的影響。
1.2.2 生物炭改良酸性土壤pH 的影響因素研究 取風(fēng)干、過篩后的磚紅壤200g，按20g/kg的比例分別添加4種不同原材料的生物炭(粒度<0.25mm，熱解溫度500 ℃，炭化時間2h)，調(diào)節(jié)含水量為15%，混勻，25 ℃恒溫培養(yǎng)，同時設(shè)置不添加生物炭的對照處理，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。各處理分別在培養(yǎng)后的0，3，7，14，28d取樣測定土壤pH，探討不同原材料生物炭對磚紅壤pH 的影響。生物炭用量對磚紅壤pH 影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同上，不同之處為僅使用椰糠生物炭進(jìn)行，添加量設(shè)置5，20，50g/kg3個水平;熱解溫度對生物炭改良酸性土壤pH 的影響實(shí)驗(yàn)同樣僅使用椰糠生物炭進(jìn)行，不同之處為制備椰糠生物炭的溫度分別為300，400，500，600℃;熱解時間對生物炭改良酸性土壤pH 的影響實(shí)驗(yàn)使用豬糞生物炭進(jìn)行，制備豬糞生物炭的炭化時間分別為1，2，3，5h;原材料粉碎粒度對生物炭改良酸性土壤pH 的影響實(shí)驗(yàn)同樣使用豬糞生物炭進(jìn)行，制備豬糞生物炭的原材料粉碎粒度分別為>0.5，0.25～0.5，<0.25mm。
1.3 分析方法
生物炭堿性基團(tuán)含量采用 Boehm 滴定法[5]：準(zhǔn)確稱取1.0g生物炭樣品于250ml碘量瓶中，加入0.05mol/L的 HCl25ml，于25 ℃條件下在恒溫?fù)u床中振蕩24h至平 衡，取10ml離心后的上清液，采用0.05mol/L的 NaOH 溶液進(jìn)行返滴定，通過平衡液 HCl的濃度推算生物炭堿性基團(tuán)含量(mmol/g)。
生物炭pH 測定采用復(fù)合電極法，m(炭)∶V(水)=1∶5[6]。土壤pH 測定采用復(fù)合電極法，m(土壤)∶V(水)=1∶2.5。圖1 熱解溫度對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響
2 結(jié)果與分析
2.1 制炭條件對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響
2.1.1 熱解溫度對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響 生物 質(zhì) 在不同熱解溫度范圍發(fā)生不同的熱化學(xué)過程，形 成 的 生 物 炭 理化性質(zhì) 存 在 差 異，堿 性 基 團(tuán) 含 量 也 必 然 不 同。粉 碎 顆 粒 <0.25mm 的椰糠、木 薯 秸 稈、桉 樹 枝 和 豬 糞4種 材 料，分 別 在300，400，500，600 ℃的條 件 下 熱 解2h制備生物炭的堿性 基團(tuán)含量如圖1所示。結(jié)果顯示，4種材料制備的生物炭堿性基團(tuán)含量差異較 大，不同熱解溫度制備的椰糠生物炭的堿性基團(tuán)含量范圍 為0.53～0.64mmol/g，木薯 秸 稈 生 物 炭 為0.68～0.78mmol/g，桉樹 枝 生 物 炭 為0.39～0.52mmol/g，豬糞生物炭為0.75～0.90mmol/g，且在不同熱解溫度下均呈現(xiàn)出豬糞>木薯秸稈>椰糠>桉樹枝的規(guī)律。隨著熱解溫度的升高，椰糠、木薯秸稈和桉樹枝3種材料制備的生物炭堿性基團(tuán)含量呈增加趨勢，而豬糞生物炭在熱解溫度為500 ℃條件下堿性基團(tuán)含量最大。圖2 熱解時間對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響圖3 原材料粒度對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響
2.1.2 熱解時間對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響 隨著 熱 解時間的延長，生物質(zhì)裂解的程度將會受到影響，其堿性基團(tuán)含量勢必也會隨之發(fā) 生 變 化。粉 碎 顆 粒<0.25mm 的椰 糠、木薯秸稈、桉樹枝和豬糞4種材料在500 ℃的條件下分別熱 解1，2，3，5h所制備的 生 物 炭 的 堿 性 基 團(tuán) 含 量 如 圖2所 示。由圖2可知，不同 熱 解 時 間 椰 糠 生 物 炭 的 堿 性 基 團(tuán) 含 量 范 圍 為0.45～0.73mmol/g，木薯秸稈生物炭為0.65～0.95mmol/g，桉樹枝生物炭為0.40～0.64mmol/g，豬糞 生 物 炭 為0.70～1.05mmol/g，且隨著熱解 時 間 的 延 長，生 物 炭 堿 性 基 團(tuán) 的含量均呈增加趨勢。
2.1.3 原材料粒度對生物炭堿性基團(tuán)含量的影響 原 材 料的粉碎粒度不 同，一方面會導(dǎo)致生物質(zhì)的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，同時也可能影響生物質(zhì)受熱的均勻性，因此不同粉碎粒度的原材料 制 備 的 生 物 炭 的 堿 性 基 團(tuán) 含 量 也 會 存 在 差 異。應(yīng)用不同粉碎粒度(>0.5，0.25～0.5，<0.25mm)的4種原材料在熱解溫度為500 ℃條件下炭化2h制備生物炭，其堿性基團(tuán)含量如圖3所示。由圖3可知，不同粒度椰糠生物炭的堿性基團(tuán)含量范 圍 為0.56～0.62mmol/g，木薯 秸 稈 生 物 炭 為0.71～0.78mmol/g，桉樹枝生物炭為0.44～0.48mmol/g，豬糞生物炭為0.77～0.90mmol/g。木薯秸稈和豬糞兩種材料制備的生物炭堿性基團(tuán)含量隨顆粒的增大而降低;椰糠生物炭在粒度為0.25～0.5mm 時堿性基團(tuán)含量最低;而桉樹枝生物炭的堿性基團(tuán)含量基本不隨粉碎粒度的大小發(fā)生變化。圖4 不同原材料生物炭對磚紅壤pH 的影響圖5 生物炭添加量對磚紅壤pH 的影響
2.2 生物炭改良酸性土壤pH 的影響因素
2.2.1 原材料對生物炭改良酸性土壤pH 的影響 由圖4可知，不添加生物炭的 CK 處理在培養(yǎng) 過 程 中 pH 處 于4.13～4.55范圍，且隨培養(yǎng)時間的延長有下降趨勢。椰糠生物炭(pH為9.47)處理磚紅壤在培養(yǎng)期間pH 范圍為4.98～5.67，木薯秸稈生物炭(pH 為10.24)為5.00～5.94，桉樹枝生物炭(pH為9.56)為4.68～5.45，豬糞生物炭(pH 為10.35)為5.50～6.44。可見，不同原材料生物炭處理的磚紅壤 pH 始終比 CK處理高，說明生物炭能顯著提高土壤 pH，對 改 善 酸 性 土 壤 具有良好的效果。不同處理土壤隨時間的推移，pH 呈現(xiàn)一定的波動變化，但總體呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，說明在培養(yǎng)過程中土壤中仍然存 在 生 成 質(zhì) 子 的 化 學(xué) 或 生 化 過 程。通過比較可以看出，生物炭改良酸性土壤pH 的效果與其堿性基團(tuán)含量呈現(xiàn)出較好的一致 性：堿 性 基 團(tuán) 含 量 越 高 的 生 物 炭，改 良 酸 性 土 壤pH 的效果越好。
2.2.2 生物炭用量對改良酸性土壤pH 的影響 隨著生物炭用量的增加，能夠中和土壤中質(zhì)子的堿性物質(zhì)隨之增多，土壤環(huán)境也得到更 大 改 善，酸 性 土 壤 pH 的 改 良 效 果 也 會 隨 之 增強(qiáng)。本研究的結(jié)果表明(圖5)，添加5g/kg的 椰 糠 生 物 炭 在培養(yǎng)過程中pH 變化范圍為4.49～4.90，當(dāng)添加量20g/kg時pH 變化范圍為4.98～5.67，而添加量增加到50g/kg時pH 的變化范圍為5.03～5.94。培養(yǎng)之初，生物炭添加量為5，20，50g/kg對應(yīng)的磚紅壤pH 比CK處理分別高出0.23，0.84，0.94，在培養(yǎng)結(jié)束時(28d)分別高出0.36，0.93，0.99，可見，堿性生物炭對酸性土壤pH 的改良效果隨添加量的增多而增強(qiáng)。圖6 不同熱解溫度生物炭對磚紅壤pH 的影響圖7 不同熱解時間生物炭對磚紅壤pH 的影響圖8 不同原材料粒度生物炭對磚紅壤pH 的影響
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2.2.3 制炭溫度對生物炭改良酸性土壤pH 的影響 丁文川等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同溫度制備的生物炭添加到土壤后，可使土壤pH 較對照上升0.35～0.86，且添加熱解溫度越高的生 物炭土壤pH 值也越高。本研究向pH 為4.55的磚紅壤添加20g/kg，分別 在300，400，500，600 ℃炭化2h制備 椰 糠 生 物 炭(pH 分別為9.12，9.38，9.47，9.72)，土壤 pH 的 變 化 如 圖6所示。在培養(yǎng)過 程 中，添 加 熱 解 溫 度 為300，400，500，600 ℃ 制備生物炭的土壤pH 變 化 范 圍 分 別 為4.35～5.05，4.78～5.35，4.98～5.67，5.21～5.81，且隨熱解溫度的升高，生物炭改良酸性土壤pH 的能力隨之增強(qiáng)，且與生物炭堿性基團(tuán)含量表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性。
2.2.4 熱解時間對生物炭改良酸性土壤pH 的影響 圖7結(jié)果表明，不同熱解時間制備的生物炭對磚紅壤pH 的改良效果與熱解溫度的影響基本一致，也表現(xiàn)出了與生物炭堿性基團(tuán)含量一致的規(guī)律。在pH 為4.55的酸性土壤中添加500 ℃炭化時間分別為 1，2，3，5h 制 備 的 生 物 炭 (pH 分 別 為 9.04，9.65，9.81，10.12)，其pH 變化范圍分別為4.45～6.30，5.50～6.44，5.42～6.48，5.85～6.72。添加 堿 性 最 強(qiáng) 的 生 物 炭(熱解時間5h)培養(yǎng)初始與結(jié)束(28d)時pH 較 CK 處理分別增加了2.03和1.72，可見堿性基團(tuán)含量較高的豬糞生物炭改良酸性土壤能力顯著強(qiáng)于堿性基團(tuán)含量較低的椰糠生物炭。
2.2.5 原材料粒度對生物炭改良酸性土壤pH 的影響 原材料粒度的大小不僅會影響生物炭產(chǎn)品的最終顆粒大小，還 會顯著影響生物炭的比表面積及離子擴(kuò)散的難易程度。劉瑩瑩等[8]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對重金屬污染物的吸附量隨其粒徑的增大而下降，因?yàn)?吸 附 劑 粒 徑 越 小，比表面積就越大，吸 附 就 更容易進(jìn)行。本研究結(jié)果(圖8)也表明，粒度大小對生物炭改良酸性土壤 pH 也 存 在 影 響。材料粒徑分別為 >0.5，0.25～0.5，<0.25mm 的3種豬糞生物炭(pH 分別為9.45，9.88，10.35)在磚紅壤中添加初期，土壤的 pH 分別為5.82，6.08和6.30，比 CK 處理分別高 出1.27，1.53和1.75;而在 培 養(yǎng) 后 期(28d)土壤 的 pH 分 別 為5.34，5.43和5.50，比 CK 分別高出1.21，1.30和1.37。這說明顆粒較大的生物炭，在培養(yǎng)初期對酸性土壤的改良效果顯著低于小顆粒生物炭，而隨培養(yǎng)時間的延長，差異逐漸縮小，即粒徑較大生物炭在改良酸性土壤pH 時具有緩效性。
3 討 論
生物炭是在缺氧條件下通過高溫?zé)峤馍镔|(zhì)而形成，一般呈堿性，pH 范圍為8.2～13.0[9]，堿性基團(tuán)含量的多少與生物炭的原材料，熱解溫度和時間等制炭條件關(guān)系密切。以往的研究普遍認(rèn)為，原材料和熱解溫度對炭質(zhì)理化性質(zhì)和環(huán)境功能影響最為顯著[10]，而本研究的結(jié)果卻表明，熱解時間和原材料的粒度對生物炭的堿性基團(tuán)含量也有較大影響。制炭條件之所以能夠影響生物炭堿性基團(tuán)含量，主要有兩方面的原因，其一是改變了生物質(zhì)中酸、堿性基團(tuán)的數(shù)量和配比。經(jīng)過高溫?zé)峤猓锾勘砻娴?mdash;COO—和—O—等有機(jī)官能團(tuán)和碳酸鹽是堿的主要存在形態(tài)。提高熱解溫度、延長熱解時間或減小制炭材料的粉碎粒度等措施，均能顯著減弱生物炭的脂肪性，加強(qiáng)其芳構(gòu)化和致密性[11]。通常生物質(zhì)中的有機(jī)酸會使其顯酸性，但在熱解過程中，隨著溫度的升高和時間的延長，有機(jī)酸會發(fā)生脫水分解，與此同時，堿性基團(tuán)的含量卻不斷增加，最終使生物炭呈現(xiàn)堿性特征，并且堿性基團(tuán)含量隨熱解溫度的升高和熱解時間的延長而升高。Chun等[12]對秸稈炭的研究發(fā)現(xiàn)，熱解溫度從300 ℃升至700 ℃時，酸性基團(tuán)數(shù)量下降了0.3mmol/g，堿性基團(tuán)數(shù)量則上升了0.29mmol/g。
生物炭呈堿性的另一個重要原因是它含有一定量的灰分。灰分中的礦質(zhì)元素如鈉、鉀、鈣、鎂等以氧化物或碳酸鹽的形式存在，溶于水后呈堿性并能中和質(zhì)子。因此，生物炭的固定碳含量、礦物質(zhì)(灰分)含量和pH值，均隨熱解溫度升高而提高，生物炭堿性基團(tuán)含量大小與灰分含量呈現(xiàn)相關(guān)性，熱解溫度越高、時間越長，灰分含量越大，堿性基團(tuán)測定值也相應(yīng)提高。采用 X-射線衍射分析測定結(jié)果表明，生物質(zhì)炭中碳酸鹽的總量和對總堿含量的貢獻(xiàn)度，均隨其制備溫度的升高而增加[13]。一般來講，以木本植物為材料生產(chǎn)的生物炭含碳量較高，而灰分含量較少;而以廄肥及草本植物生產(chǎn)的生物炭含碳量較少，卻含有較多的灰分，因此以豬糞為原料制成的生物炭比以桉樹枝為原料制備的生物炭含有更多的堿性基團(tuán)。
生物炭的添加能夠顯著提升酸性土壤的pH，其原因可能有以下幾個方面。第一，生物炭含有堿性基團(tuán)，能夠中和土壤中的質(zhì)子，使土壤pH 升高[13]。王震宇等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高溫制備的生物炭對酸化土壤的改善能力顯著強(qiáng)于低溫生物炭，且改善能力隨著生物炭加入量的增加而增強(qiáng);盧再亮等[15]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭改善土壤pH 的能力與其堿性基團(tuán)含量大小基本一致;Yuan和 Xu[16]的研究也表明，生物炭的總堿含量是決定其對土壤酸度中和效果的主要因素;本研究的結(jié)果也表明，生物炭的堿性基團(tuán)含量是決定其對土壤酸度中和效果的主要因素。第二，土壤的酸堿度是由鹽基離子所支配的，生物炭中含有較多的鹽基離子，進(jìn)入土壤后可交換土壤中的質(zhì)子和鋁離子，從而降低其濃度，提高鹽基飽和度并調(diào)節(jié)土壤pH 值[17]。此外，生物炭的加入可以改變土壤中氮素轉(zhuǎn)化的速率，進(jìn)而也會間接影響土壤pH。已有研究表明，生物炭的添加能夠顯著提高土壤有機(jī)氮的礦化速率，而氮的礦化作用是消耗質(zhì)子的過程，這也可導(dǎo)致土壤pH 有所提高[18]。也有學(xué)者認(rèn)為，生物炭由于具有巨大的比表面積而吸附土壤中的 NH+4 ，導(dǎo)致土壤中可利用的 NH+4 減少，硝化作用受到抑制，而土壤中的硝化作用是釋放質(zhì)子、導(dǎo)致pH 降低的過程[19]。綜上所述，由于制炭條件的差異或添加量的不同，生物炭中和質(zhì)子的能力也有差異，最終體現(xiàn)為改善酸性土壤pH 的能力不同。
4 結(jié) 論
(1)制炭條件對生物炭堿性基團(tuán)含量有顯著的影響。不同原材料生物炭的堿性基團(tuán)含量大小為豬糞>木薯秸稈>椰糠>桉樹枝;隨原材料粉碎粒度的減小、熱解溫度的升高和熱解時間的延長，生物炭堿性基團(tuán)含量總體呈現(xiàn)增加趨勢。
(2)生物炭改良土壤pH 的能力與其堿性基團(tuán)含量多少基本一致，即豬糞>木薯秸稈>椰糠>桉樹枝;在添加量相同的條件下，同種原材料不同制炭條件的生物炭對酸性土壤pH 的改良能力，隨原材料粉碎粒度的減小、熱解溫度的升高和熱解時間的延長而增強(qiáng);增加生物炭用量能夠顯著提高酸性土壤pH。——論文作者：趙牧秋1，2，金凡莉1，孫照煒1，史云峰1，2
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