氯化钙改性稻草秸秆炭制备及其在土壤氮磷截留中的应用

摘要

磷(P)通常是水中微生物藻类生长的限制因素，是水体富营养化的主要原因。自然条件下，P的主要以磷酸盐的形态存在，吸附法以其高效、低廉的特性在磷酸盐去除的研究应用最为广泛。另外，我国每年约有60％水稻秸秆无法有效利用而废弃焚烧，造成了大量能源浪费和环境污染。本文研究采用一种安全低廉的化学物——氯化钙为稻草秸秆炭的活化剂，制备稻草秸秆炭，作为控制农业面源的吸P材料。探究稻草秸秆炭制备工艺条件（碳化温度、浸溃比）和吸附条件（初始P浓度、吸附剂用量、吸附时间、pH以及干扰离子）对稻草秸秆炭吸P性能的影响及其吸附机理;同时模拟24 h降雨情况，采用土柱淋溶方式，研究其对不同土壤（黏土、粉壤土、砂土）的氮磷淋溶的截留作用;最后，将稻草秸秆炭（改性与未改性）以不同施加方式（撒施和包裹施加;施加量为1或2t hm-2）应用于农田，探究其对农田系统（田面水、土壤、水稻植株）产生的影响。
　　研究发现:1）未改性稻草秸秆炭对溶液中磷素几乎无吸附效果，去除率小于5％（用量为4gL-1）;而优化吸磷稻草秸秆炭的制备工艺，选择活化剂为CaCl2溶液(wt=10％)，碳化温度为700℃，浸渍比（W稻草∶W氯化钙）为1∶0.5，得到的改性稻草秸秆炭吸附剂用量为4gL-1对于10.30mg P L-1的KH2PO4溶液中P的去除率达到95％以上。稻草秸秆炭吸附P符合Langmiur吸附模型(R2=0.947)，为单分子层化学吸附;主要依靠离子交换吸附:H2PO4-取代结合在Ca离子上的OH-而被吸附，使得吸附后的水样pH值上升（由6.87上升至9.62）。氯化钙改性稻草秸秆炭对水体中的正磷酸盐具有优异的吸附性能，是良好的吸磷材料。
　　2)将改性稻草秸秆炭应用于土柱淋溶实验时，24h的淋溶条件下，相较于空白对照组，改性稻草秸秆炭（施加量1和2thm-2）对不同类型土壤的N、P淋溶截留效果差别很大，粘粒含量高、水分下渗速度低的土壤N、P淋溶截留效果好，黏土的N、P淋溶截留（TN、TP累计截留率分别达到70％和20％）效果明显优于粉壤土和砂粉土（TN、TP累计截留率分别为10～18％和0～10％）。因而，改性稻草秸秆炭对土壤氮磷淋溶有一定的截留作用，截留效率受土壤本身性质的影响。
　　3)改性稻草秸秆炭和未改性稻草秸秆炭的施加（1和2thm-2）于稻田，在施肥后3h内，撒施改性稻草秸秆炭(2thm-2)可降低田面水中60～85％的P浓度和50％的N浓度;改性稻草秸秆炭和未改性稻草秸秆炭的施加，均小幅提高土壤pH值(0～0.1)、增加土壤中OrganicP含量(0.04～0.16 gPkg-1)和NH4+-N含量(0～0.0076g N kg-1)，而土壤中STC、STN、STP含量并无显著变化;撒施改性稻草秸秆炭和未改性稻草秸秆炭可提高水稻株高(1～7cm)但对水稻有效穗数、地面部分总重、稻谷产量无显著影响;而采用包裹施加的方式亦可提高水稻株高，但因其可能炭吸附部分N、P，导致减产。综上，本实验选用的施加量条件下，撒施改性稻草秸秆炭于稻田（粘土，青紫泥田），能极大缓解土壤的氮磷径流流失风险，但对土壤中氮磷含量及水稻生产力等指标无显著影响。

目录

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论文说明

致谢

摘要

图表索引

Index of figures and tables

缩略词清单

1．绪论

1．1 研究背景

1．2 改性稻草秸秆炭制备

1．2．1 农业秸秆废弃物利用现状

1．2．2 改性秸秆炭制备方法

1．3 生物质炭对土壤氮磷固持原理

1．3．1 吸磷材料及吸磷元素

1．3．2 生物质炭对土壤理化性质及微生物的影响

1．3．3 生物质炭对土壤氮磷淋溶的截留效果

1．3．4 生物质炭对农作物产量的影响

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

1．5 研究条件

2．改性稻草秸秆炭制备及其吸磷性能研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 稻草秸秆炭制备与优化

2．2．2 改性稻草秸秆炭吸附实验设计

2．2．3 样品测试与分析

2．2．4 数据分析与处理

2．3 结果与讨论

2．3．1 改性稻草秸秆炭基本特征

2．3．2 吸附条件对改性稻草秸秆炭吸磷性能的影响

2．3．3 改性稻草秸秆炭吸附后离子浸出情况

2．3．4 改性稻草秸秆炭吸磷机理分析

2．4 本章小结

3．改性稻草秸秆炭对氮磷淋溶截留的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 供试土壤基本性质

3．2．2 试验设计

3．2．3 样品采集与分析

3．2．4 数据分析与处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 粘土(青紫泥田土)氮磷淋溶流失情况

3．3．2 粉壤土(黄斑田土)氮磷淋溶流失情况

3．3．3 砂性土(黄泥沙菜地土)氮磷淋溶流失情况

3．3．4 三种土壤类型氮磷淋溶累计截留率

3．4 本章小结

4．改性稻草秸秆炭对稻田氮磷截留及生产力综合影响

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 供试土壤基本性质

4．2．2 试验设计

4．2．3 样品采集与测定

4．2．4 数据分析与处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 改性秸秆炭对田面水的影响

4．3．2 改性秸秆炭对土壤的影响

4．3．3 改性秸秆炭对水稻产量的影响

4．4 本章小结

5．结论与展望

5．1 研究结论

5．2 论文创新点

5．3 研究展望

参考文献

作者简历、科研成果及奖励