生物炭(Biochar),是生物质在无氧或限氧条件下经热裂解反应过程而获得的稳定富碳产物,具有含碳量高、孔隙丰富、比表面积大、吸附力强和含有一定养分元素等理化特性。由于生物炭具有诸多优良理化特性,使其在农业、环境等领域可发挥很多正向、积极作用。钾是生物炭中所含最多的养分元素,其速效钾含量非常丰富,施入土壤后可增加土壤有效钾含量,促进植物对钾的吸收利用。生物炭所含有的钾及其对土壤与作物钾的调控,为扩大钾素来源,合理、高效利用钾素,提高钾素利用率提供了新途径。目前现有研究中缺少钾素在生物质炭化过程中的形成、转化以及生物炭中的钾在土壤中的分布、转化等相关研究。为此,本研究从钾元素利用角度出发,采用室内和盆栽试验方法,将“生物质-生物炭-土壤-作物”有效结合,研究不同来源生物质中的钾在炭化过程中的形成、转化,生物炭中的钾在不同土壤中的转化,生物炭对不同土壤的钾素有效性以及作物对钾的吸收利用的影响,为丰富生物炭的农业应用,提高生物炭中钾元素及作物对钾的吸收利用率,提供理论基础和科学依据。本研究的室内试验:采用玉米秸秆、玉米芯、水稻秸秆、水稻壳、大豆秸秆、大豆荚皮、花生壳、椰壳、竹子、松木等10种不同生物质,分别在300℃、500℃、700℃、900℃条件下制备不同来源生物炭,研究不同生物质在炭化后的钾素有效性及钾在“生物质-生物炭”中的转化规律,并进一步研究其对钾的吸附-解吸规律。在盆栽试验中采用不同土壤(白浆土、风沙土、棕壤),设置不同施炭量(10、20、30 g/kg),研究生物炭中的钾在不同土壤中的转化,生物炭对不同土壤的钾素有效性,以及大豆对钾的吸收利用的影响。主要研究结果如下:1.不同炭化温度条件下生物炭中不同形态钾的变化。不同材质生物质在700℃炭化后,全钾含量高于其他炭化温度;不同材质生物质(除玉米秸秆外)在炭化后,其水溶性钾含量随炭化温度提高而增加;除玉米秸秆和大豆荚皮外的其他生物质,在500℃炭化后的交换性钾含量高于其他炭化温度;不同材质生物质(除竹子、玉米秸秆外)随炭化温度提高,其难溶性钾含量呈先升高、后降低的变化趋势,其中当炭化温度为900℃时,生物炭中的难溶性钾含量低于其他炭化温度。2.不同炭化温度条件下生物质中钾的转化。除玉米秸秆和大豆荚皮外,其他所有材质生物质中的钾在不同炭化温度条件下转化为水溶性钾的比例基本不变或有所增加;随着炭化温度升高,不同材质生物质中的交换性与非交换性钾之和减少,与交换性和非交换性钾转化为水溶性钾和难溶性钾有关,其转化量因材料而不同;随着炭化温度升高,不同材质生物质中的难溶性钾逐渐减少或消失,与炭化过程造成的损失有关。3.生物炭中的有效钾(水溶性钾、交换性钾、非交换性钾),可以为植物利用。当炭化温度在300-700℃时,不同材质生物炭中的有效钾随炭化温度的升高而提高。在炭化温度为300℃时,不同材质生物质(除水稻秸秆外)中的钾转化为有效钾的含量和效率最高。4.不同生物炭对钾的等温吸附曲线分析表明,十种不同原材料制备的生物炭对钾离子的吸附均为多层吸附。其中,在不同炭化温度条件下,竹子生物炭的单层饱和吸附量均高于其他材料。而在解吸过程中,在不同炭化温度条件下制备的不同材质生物炭,其在第1、第5次的解吸量高于其他。随着炭化温度升高,不同材质生物炭的总解吸量呈现先增加后降低趋势,在900℃时总解吸量最低。不同材质中,壳类生物质和松木制炭后对钾的解吸量低于其他生物质。5.生物炭的施入可提高不同土壤的水溶性、交换性和非交换性钾的含量,且对不同土壤中不同形态钾的作用途径不同。生物炭存在条件下,风沙土中的不同形态钾与饱和含水量、交换性钾正相关,白浆土中的不同形态钾和土壤热容、p H和饱和含水量存在正相关或极显著正相关,棕壤中的不同形态钾与土壤热容、饱和含水量呈正相关或者极显著正相关。6.生物炭可促进大豆植株对钾的吸收利用,因土壤不同而存在一定差异。在白浆土中,施炭可促进大豆全株(根、茎、叶、荚)对钾的吸收,在风沙土中可促进大豆根、茎、叶对钾的吸收,而在棕壤中施炭可促进大豆茎、叶对钾的吸收;外源钾(钾肥)投入条件下,施炭可促进不同土壤中大豆地上部植株不同器官的钾吸收,但对大豆生长的影响并不一致,在白浆土中仅在最高施炭量对大豆生长有促进作用,而在风沙土中大豆干物质积累有所降低,而在棕壤中施炭则可促进大豆生长。7.生物炭可提高土壤有效钾库,提高其速效钾占比,但生物炭的有效钾并非全部进入土壤有效钾库,部分有效钾进入土壤非有效钾库。在不同土壤中,生物炭有效钾进入土壤有效钾库的比例不同,在棕壤、风沙土、白浆土中生物炭有效钾库进入土壤有效钾库的平均转化率为72.94%、41.79%、17.02%。8.生物炭中的有效钾在不同土壤中转化为速效钾的转化率不同,表现为风沙土>棕壤>白浆土,其平均转化率分别为43.87%、19.26%、15.35%;生物炭中的有效钾在不同土壤中转化为缓效钾的转化率表现为棕壤>白浆土>风沙土,在棕壤、白浆土中生物炭的平均转化率分别为53.68%、1.66%,而在风沙土中没有转化;在外源钾投入(钾肥)条件下,生物炭的有效钾在白浆土、风沙土中转化为速效钾的转化率降低,而在棕壤中表现提高。但在不同土壤中,生物炭的有效钾转化为缓效钾的转化率均有提高。