生物炭模拟老化及其对酸性红壤改良的潜力分析

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我国南方红壤分布区,年均降雨量大,土壤淋溶作用较强,且铝毒害严重,是主要的酸雨分布区。生物炭具有提高酸性土壤pH,增加土壤肥力,缓解土壤铝毒的作用。自然状态下存在的生物炭较为稳定,但是施入土壤中的生物炭在降雨淋洗和酸雨的浸泡下会发生老化作用。近年来,人们主要关注生物炭改良土壤和促进作物生长这些方面,对生物炭老化以及其老化后对土壤改良和作物生长后效的研究较少。因此,本研究通过水洗和酸化两种方法对花生壳生物炭进行模拟老化试验,并利用元素分析仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射光谱分析仪(XRD)和傅立叶红外光谱分析仪(FTIR)研究生物炭老化前后的理化性质及结构差异。并将原生物炭(Primary biochar,PB)、水洗老化生物炭(Washing biochar,WB)和酸化老化生物炭(Acidulated biochar,AB)与酸性红壤进行充分混合培养,研究生物炭缓解土壤铝毒,提高土壤养分的后效,并通过种植小白菜,研究生物炭促进作物生长的潜力。获得主要以下研究结果:(1)生物炭经老化处理后pH值均下降,且酸化生物炭比水洗生物炭的下降程度大;另外,WB的O/C和(O+N)/C分别下降了8.89%和10.42%,而AB的O/C和(O+N)/C却升高了11.11%和14.58%,表明生物炭老化后其亲水性和极性发生改变;且WB和AB的碱性元素总量分别比原生物炭下降了26.53%和88.76%,说明生物炭老化后有较多的碱性元素被释放。(2)与原生物炭相比,生物炭水洗老化后表面较平整且微孔结构保持完好,而酸化老化后表面较粗糙、微孔结构严重破坏。生物炭老化后,其表面Al2SiO5和SiO2晶体的含量均明显下降;与PB相比,WB新增加了1166 cm-1和1082 cm-1特征峰2个;而AB新出现了1705 cm-1、1622 cm-1和1546 cm-1特征峰3个,并减少了466 cm-1这个振动峰,且其他特征峰的吸光度较原生物炭整体降低,说明生物炭在老化过程中其含氧官能团增加,而其它官能团数量和表面的晶体含量都有所减少。13C-NMR光谱分析可知,和原生物炭相比,水洗老化生物炭的图谱没明显差异,而酸化老化生物炭图谱差异较大,生物炭老化后脂肪族碳和羧基碳增加,而芳香族碳却有所减少。(3)较CK(不添加生物炭)处理,老化生物炭可以增加土壤速效钾和有机质的含量;PB和WB处理的红壤pH分别上升了0.17和0.16个单位,而AB处理红壤的pH却降低0.44个单位;PB和WB处理的红壤交换性酸总量分别下降70.08%和34.84%,而AB处理的红壤交换性酸总量却升高18.24%,说明老化生物炭不能有效的降低土壤中活性酸和潜在酸的含量,且酸化老化生物炭甚至会加剧土壤的酸化。(4)较CK而言,PB和WB处理的红壤中腐殖酸铝、胶体铝离子和单聚体羟基铝离子的含量分别增加了8.59%和2.87%、20.17%和14.46%、101.65%和32.92%,交换性Al3+含量却分别降低了81.87%和49.15%,而AB处理中交换性Al3+和胶体铝离子的含量升高了17.98%和20.67%,而腐殖酸铝和单聚体羟基铝离子的含量却降低了40.69%、49.79%,表明水洗老化生物炭仍可以使具有生物毒害性的Al3+含量下降,而酸化老化生物炭会增加Al3+的含量。进一步表明生物炭老化前后,不同形态的铝都会发生转化关系,使得土壤中各形态铝比例发生变化,但是腐殖酸铝和胶体态铝Al(OH)30仍然是活性铝存在的主要形态。(5)生物炭能显著增加红壤速效钾、速效磷和有机碳含量,但生物炭老化后,对土壤速效养分增加的趋势减弱。虽然生物炭在老化后,弱化了土壤的改良效果,但是并没有对土壤官能团的种类和数量产生较大影响。同时,生物炭能促进小白菜的生长,降低小白菜体内的铝含量,缓解铝对小白菜的毒害。而其在老化后,不能有效地促进小白菜的生长,不能显著降低铝毒害。
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