生物炭对玉米生理特性及黄土中硫有效性的影响研究

摘要

硫作为仅次于氮、磷和钾的营养元素，对植物生长起到非常重要的作用。同时，硫在植物生长调节、解毒和抗逆等过程中也起到一定的作用，是影响植物品质的重要因素，其对植物的生长和代谢过程的重要性不言而喻。目前，全世界约70多个国家和地区的土壤存在缺硫或潜在缺硫的现象，缺硫会给农业生产造成巨大损失，从而影响农产品品质，并且对生态环境造成潜在威胁。因此，土壤中硫含量及其生物有效性研究受到广泛关注。生物炭是生物质（如秸秆、畜禽粪便和市政污泥等）在限氧条件下热解所得的富碳颗粒。生物炭在土壤改良、固碳减排、土壤污染控制等方面具有非常大的应用潜力，已成为国际土壤界和环境界的研究热点之一。生物炭由于具有孔隙结构发达、比表面积较大等特点，使其具有较强的吸附性能，因而可以吸附持留土壤中的无机和有机养分，有效降低农田土壤营养元素的损失，提高作物产量。生物炭具有直接营养价值和间接营养价值，生物炭施入土壤后不仅会对土壤理化性质产生影响，也必将直接或间接影响土壤中营养元素的环境化学行为及生物有效性。植物主要是通过根际以硫酸根阴离子形态从土壤中吸收硫，生物炭存在下植物对硫的吸收与生物炭的来源和性质、土壤性质、植物种类以及土壤环境因子有关。黄土由于具有结构疏松，透水性强，团聚能力差等特点，导致黄土中的营养元素易淋溶。因此，在黄土中宜施加生物炭，以期改善土壤理化性质和结构，同时有望增强营养元素（硫）的植物有效性，保障农场品质量。关于生物炭施入黄土后对土壤理化性质以及生物炭存在下植物吸收积累硫的变化规律尚待研究。
　　论文简要介绍了生物炭在环境和农业领域中的应用技术及土壤中硫的生物有效性等研究进展，重点评述了生物炭的制备及其对植物生长影响研究进展。针对生物炭施入黄土后对植物吸收硫的影响以及规律尚不清楚等问题，本文选择玉米秸秆和玉米芯为生物质原料，分别在不同温度下制备生物炭(分别标记BMS300、BMS600和BCC300、BCC600)，通过元素分析、比表面积、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)等手段对所制备生物炭的表面性质和结构进行表征;通过玉米作物种植实验，在5种生物炭处理水平(0、7、14、21、28gC/2 kg soil）下，研究了施加生物炭对黄土理化性质、植物生长发育和硫的生物有效性影响。研究结果可为区域土壤生物炭应用以及保障农产品质量提供科学依据。论文的主要结果如下:
　　(1)随着生物炭制备温度的升高，BCC的产率从48.89％减小到26.55％，BMS的产率从35.97％下降到19.65％。生物炭的灰分含量与热解温度之间具有较大的相关性，生物炭的灰分随着热解温度的升高而升高，在相同热解温度条件下，BMS比BCC的灰分含量高。随着热解温度的升高，生物炭的pH值增大，从BCC300的8.63增大到BCC600的11.03，从BMS300的9.42增大到BMS600的11.42。生物炭的电导率随着温度的升高也随之增大。生物质来源以及热解温度的不同，所制备的生物炭的比表面积也有较大差异，相同制备条件下制备的BMS比表面积高于BCC，从SEM图谱中也可以看出，高温制备的生物炭具有更多的孔隙结构。从FTIR结果可以看出，BMS300、BMS600和BCC300、BCC600的表面含有丰富的含氧官能团（-OH、C=O、C=C、Si-O-Si等）。XRD结果表明，生物炭中主要是由石英和方解石组成。对BMS300、BMS600和BCC300、BCC600的含硫情况分析可得，随着热解温度的升高，水溶性硫的含量逐渐增大，由BCC300的0.07％增大到BCC600的0.17％，BMS300的0.015％增大到BMS600的0.31％。同时NaH2PO4-SO42-的硫含量也占较大的比例。HCl-SO42-态硫的含量随着热解温度的升高也随着增大。
　　(2)研究了BMS300、BMS600、BCC300和BCC600施入黄土后对土壤理化性质的影响。与CK(B0)相比，生物炭施加量的增加，土壤pH值呈现增加的趋势，在所有处理情况间有显著性差异(P＜0.05)。然而，随着BCC300施加量的增加，土壤pH值呈现先增加，后减小的趋势。与CK(B0)相比，施加生物炭的处理对土壤EC没有显著影响，且不同生物炭的施加量处理间无显著性差异(P＜0.05)。随着生物炭施加量的增加，土壤脲酶活性和土壤过氧化氢酶活性都呈增大趋势（P＜0.05）。生物炭的施加显著提高了土壤SOM含量，在低生物炭施加量的处理情况下(B1)，土壤SOM含量增加，但随着生物炭施加量的进一步增加，土壤SOM含量反而呈现降低趋势。
　　(3)施加不同比例生物炭会对玉米生长产生不同程度的影响，和CK(B0)相比，BMS600的施入可显著提高种植玉米的株高，随着生物炭施加量的增加，玉米株高呈现先增加后显著减小的变化趋势。当生物炭施用量为B2时，BMS300、BMS600、BCC300和BCC600施用时的株高分别为89.6、82、81.8和79.3 cm。生物炭施入对玉米株直径的影响结果表明，在生物炭低施入量的情况下没有显著增加，而在较高施加量的情况下显著增加。随着生物炭施加量的增加，玉米叶片数有增加的趋势，但在高施加量处理的情况下反而使得玉米株直径有一定程度的见地。这可能是由于生物炭施加量过高会抑制玉米生长导致的结果。玉米鲜重和干重随着生物炭施加量的增加而显著增加，且不同处理组之间达到了显著性水平(P＜0.05)。玉米叶片叶绿素含量随着生物炭施加量的增加呈现缓慢增加的趋势，且不同处理组之间达到了显著性水平(P＜0.05)，结果表明，生物炭施加可提高玉米的光合作用能力。
　　(4)施加生物炭对玉米生长及硫的植物有效性产生影响。在低施硫水平下，玉米株直径和叶片数随着生物炭热解温度的升高而显著升高（P＜0.05），在生物炭处理水平为B4时，在所有施硫水平处理下，玉米株直径和叶片数都为最小值。在同一施硫水平下，玉米鲜重和干重随着生物炭施加量的增加而增大，且当生物炭施加量为B4时达到了显著性水平（P＜0.05）。结果表明，黄土中施硫会显著提高玉米生长的生物量，且低施硫水平相对于高硫水平条件下有更显著的促进效应。随着生物炭施加量的增加，同一施硫水平条件下玉米叶绿素含量随之先增加后降低，且达到了显著性差异水平(P＜0.05)。与CK(B0)相比，施加生物炭可提高玉米对硫的吸收，在低硫处理水平下，玉米叶片和根部的硫含量随着生物炭施加量的增加而显著增加（P＜0.05）。

目录

声明

Abstract

摘要

Abbreviations

Contents

Figure captions

Table captions

1 Introduction and literature review

1．1 Background

1．2 Sulfur in soil plant system

1．2．1 Sulfur in soil

1．2．2 Sulfur in plants

1．3 Theories on biochar as a tool amendment of a soil

1．3．1 Background

1．3．2 Production of biochar

1．4 Important points and inquiries

1．4．2 Are there any studies improved plant growth using biochar

1．4．3 How much of the biochar is assumed to be applied

1．4．4 What kind of bioehar is most privileged，how to obtained

1．4．5 Applications of biochar on soil and agricultural productivity

1．5 Justification of problem and research progress

1．5．1 Research background and significance

1．5．2 Research content and objectives

1．5．3 Research scheme

2 Characterization of biochar and Methodology

2．1 Introduction

2．2 Experimental

2．2．1 Raw materials and experimental design

2．2．2 Reagents and instruments

2．3 Measurement methods

2．3．1 Biochar yields(％)

2．3．2 The ash content

2．3．3 The pH value

2．3．4 Electrical conductivity(EC)

2．3．5 The elemental composition of biochar

2．3．6 Scanning electron microscope(SEM)

2．3．7 The specific surface area(SSA)

2．3．8 Analysis of FTIR

2．3．9 X-ray diffraction(XRD)

2．4 Sulfur form and content in biochar

2．4．1 Water soluble sulfur

2．4．2 Adsorption sulfur

2．4．3 Hydrochloric acid soluble sulfur

2．5 Data analysis

2．6．1 Chemical characterization of biochar

2．6．2 Physical characterization of biochar

2．6．3 Effects of pyrolysis temperature on biochar characterization

2．6．4 Sulfur content in biochar

2．7 Conclusion

3 Effects of biochar on maize physiological characteristics and loess soil

3．1 Introduction

3．2 Materials and Methods

3．2．1 Soil samples

3．2．2 Pot experiment

3．3 Statistical analysis

3．4 Results and discussion

3．4．1 Effects of biochar on physiological characteristics of maize

3．4．2 Effects of biochar application on soil properties

3．5 Conclusion

4 Effects of sulfur addition in the presence of biochar on maize physiology and loess soil

4．1 Background

4．2 Materials and Methods

4．2．1 Experimental materials and equipment's

4．2．2 Pot experiment

4．2．3 Measurement and collecting data

4．2．4 Sulfur content

4．2．5 Extraction of sulfur

4．3 Data analysis

4．4 Results and Discussion

4．4．1 Effects of sulfur addition in the presence of biochar on maize physiology

4．4．2 Effects of sulfur addition in the presence of biochar on soil properties

4．5 Conclusion

5 Conclusions and Prospects

5．1 Conclusion

5．2 Prospects

References

Research achievement during working for the degree

Acknowledgments