J. Environ. Manage.丨生物炭有机材料对水稻生产的抑制作用

论文内容

研究背景：

水热炭化技术作为一种低成本、环保的生物质转化技术，是清洁生产的重要技术措施之一。近年来，生物质水热碳化制备HBC这一新型生物炭受到了研究者的广泛关注。众所周知，生物炭作为一种土壤改进剂已被广泛研究，以减少温室气体排放，改善土壤质量，减少氮流失。生物炭主要通过两种完全不同的工艺得到，这两种工艺产生两种生物炭，即PBC和HBC。PBC是由有机材料(如生物质)在300°C至700°C的温度下在有限的氧气条件下热解产生的与PBC相比，HBC是在相对较低的温度(180-300◦C)下通过水热碳化工艺生产的，其特点是存在水和高压(2-10 MP)。与PBC相比，HBC的生产具有能耗低、生产过程中环境副作用少、CO2排放少、生产率高等优点。因此，由于其在生产中的优势，HBC有可能成为PBC的替代，作为一种可持续的技术，同时回收养分。

研究内容：

采用土柱试验，每柱填土35 kg。选择0.5%和3.0% w/w的焦炭施用量。因此，3个重复的4个生物炭处理分别为P05 (PBC添加0.5%，w/w)、P30 (PBC添加3.0%，w/w)、H05 (HBC添加0.5%，w/w)和H30 (HBC添加3.0%，w/w)。在此基础上，采用无炭处理CKU(施氮对照)和CK(不施氮对照)作为对照。每个处理有3个重复。

Fig.1本研究中使用的PBC和HBC的SEM分析(a,c)和PBC和HBC的SEM-eds分析(b, d)

Fig.2 施用PBC和HBC对水稻生长的影响:(a)株高，(b)抽穗期和成熟期NDVI。(*表示与CKU比较有统计学意义，P < 0.05)

Fig.3不同生物炭处理水稻籽粒产量(a)和HI (b) (n = 3)

Fig.4不同阶段PBC和HBC对表层土壤(a) TN和(b) NH4+-N的影响

Fig.5 PBC和HBC提取液中的重要营养成分和参数

Fig.6不同阶段HBC和PBC处理下PBC和HBC水提物的pH值及表层土壤pH值

Fig.7 (a) PBC和HBC水提取物的TOC值;(b) GC-MS/MS分析的化学成分;(c) ESI-FT-ICR-MS检测HBC水提液的Van-Krevelen图;(d) ESI-FT-ICR-MS检测HBC水提物各成分饼状图;(e) HBC水提液中化合物的dbe -碳数分布，内坐标表示ESI-FT-ICR-MS检测到的AI指标的相对份额;(f) ESI-FT-ICR-MS检测HBC水提液的NOSC图

研究结论：

本研究比较了小麦秸秆PBC和HBC对水稻生长、产量和氮肥利用效率的影响。结果表明，施用PBC和低施量HBC (0.5%，w/w)可略微提高水稻产量和氮肥利用效率。然而，施用高浓度HBC (3%，w/w)，水稻产量显著降低60.4%，氮肥利用效率相应降低。表层土壤氮供应能力和pH值的变化可能不是高施用量HBC造成产量损失的原因。在较高的施用量下，HBC中过量的有毒溶解有机物(如2,6-二甲氧基酚)可能导致产量损失和氮肥利用效率降低。ESI-FT-ICR-MS分析发现，HBC中存在一定量的芳香族化合物，这些化合物会影响植株的光合作用，可能是导致水稻减产的原因。综上所述，HBC不建议在高施用量下直接施用于水稻土。为了在农业环境中有更好的应用前景，需要进一步研究HBC的负面影响，并开发预处理方法。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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