腐殖酸-磁性生物炭对轻度盐碱地修复及植物生长特性的影响机理研究

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由于海水长期灌溉以及地下水位高,使得滨海土壤含盐量高,进而导致土壤结构性质严重退化,农作物产量下降,严重制约了农业发展。因此,改善滨海盐碱地,使沿海地区成为重要的农业储备用地迫在眉睫。生物炭可以通过提高土壤养分保持能力和降低土壤盐碱度来解决沿海盐碱土壤退化问题,但是施加生物炭修复盐碱地还存在一些弊端,例如吸附性能较差以及过量生物炭会对盐碱土产生副作用等问题。为了解决生物炭在盐碱地应用的弊端,可以通过对生物炭进行适当的改性,优化生物炭的投加量等措施,以保证修复盐碱地的同时减少对土壤的危害。本论文拟选取稻草秸秆为原材料热解制备稻草秸秆生物炭(RBC),通过将RBC混入含Fe2+和Fe3+溶液,调节p H的方法,制备了磁性生物炭(MBC),通过将MBC浸泡在腐殖酸(HA)溶液的方法,制备腐殖酸-磁性生物炭(HA-MBC)。利用FTIR、SEM-EDS、元素分析、BET等手段对制备的三种生物炭的性能进行表征。将三种生物炭按照不同的添加比例施用于盐碱土中,进行实验室模拟土柱实验淋滤盐碱土,通过测定淋滤液的基本性质和盐碱土的理化性质,结合小白菜盆栽实验,探究生物炭对盐分运移和农作物生长的影响机理。主要结论如下:(1)生物炭的性能表征三种生物炭的p H大于7,都呈碱性。与RBC相比,MBC和HA-MBC的比表面积和总孔体积明显增大,比表面积分别增加了1.68倍和1.78倍,总孔体积分别增大了2.36倍和2.81倍。红外光谱的分析结果显示HA-MBC的含氧官能团明显增加,这是因为腐殖酸本身含有大量的含氧官能团。此外,MBC和HA-MBC的O/C、(O+N)/C相较于RBC更高,表明改性后生物炭具有更强的亲水性和更多的极性官能团。扫描电镜可以看出MBC表面沉积着较多疏松多孔的团聚物质。结合FTIR的表征结果,HA-MBC表面负载着不规则的腐殖酸颗粒。SEM-EDS显示了MBC和HA-MBC有铁峰的出现,表明铁氧化物成功负载。(2)生物炭修复盐碱地的机理研究施加生物炭后,由于生物炭较大的孔隙体积,土柱中的淋滤速率显著提升,淋滤速率如下:HA-MBC>RBC>MBC>Blank,电导率都呈先上升后下降的变化趋势,并且添加生物炭的土柱淋滤液中的电导率有所提升,这可能由于生物炭自身含有可溶性离子,淋滤速率和淋滤液的电导率与生物炭的投加量成正比。淋滤液的p H值呈现缓慢上升的趋势,RBC对淋滤液p H值无明显影响,MBC和HA-MBC淋滤液的p H值都有小幅度的下降,随着生物炭的投加量的增加,影响就越大。淋滤液中的阳离子主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+,其中Na+占80%,表明盐碱土的盐度主要来自Na+,其中RBC处理中还含有大量的K+,四种阳离子的含量的变化趋势与电导率相似。土壤经过土柱淋滤实验后,土壤的理化性质发生了显著变化,所有处理的土柱中的土壤电导率下降至200μs/cm左右,所有处理的土柱中的土壤p H值下降至7.5左右,约下降了1.1个单位。添加生物炭的土柱中的土壤的持水率有所提高,其中HA-MBC提升效果最明显,提升了3.8%。土壤的阳离子交换量(CEC)也显著提高,5%HA-MBC较对照组Blank提升了1.99倍,其中5%HA-MBC处理效果最佳,有效磷和速效钾含量分别为9.41 mg/kg和29.52 mg/kg,相比于对照组的含量大有提升。生物炭可以有效固定NH4+-N,但是施加RBC和MBC对NO3-没有明显保留效果,HA-MBC可以保持部分硝态氮不被淋失,证明腐殖酸-磁性生物炭的可以保持氮素不被淋失,腐殖酸和生物炭对改善盐碱地有协同作用。(3)生物炭对小白菜生长的影响机理研究将淋滤后的盐碱土和直接施加生物炭的盐碱土进行了为期30 d的小白菜盆栽实验,设置了三种类型的生物炭的处理,三种不同投加量的处理以及对照组Blank。研究结果显示,经过淋滤和施加生物炭的土壤对小白菜的长势都起到促进作用,其中长势最佳的是经过淋滤后施加5%HA-MBC的处理。经过淋滤后处理盐碱土种植的小白菜的叶绿素含量要低于未淋滤盐碱土。其中RBC和MBC处理结果相似,表明RBC和MBC对叶绿素合成元素的截留作用比较弱,不过相比于淋滤后的对照组,施加生物炭后,叶绿素的含量有所提升,其中AF-5%HA-MBC提升了约120%。小白菜中可溶性蛋白质含量淋滤后的含量要高于淋滤前的含量,其中AF-5%HA-MBC处理的可溶性蛋白质含量最高,随着生物炭的投加量增加,蛋白质的含量增加。淋滤前处理可溶性糖的含量较低。施加生物炭后,可溶性糖的含量比Blank要低,其中AF-5%HA-MBC处理的盆栽和Blank持平,证明小白菜的可溶性糖含量与小白菜的长势成反比。为了进一步探究盐分在土壤中的迁移规律,选取改良效果较好的投加量5%生物炭处理和对照组Blank测定种植后土壤的盐分分布,结果表明随着土壤深度的增加盐分含量越高,施加生物炭后,土壤各层的盐分含量减少,淋滤后的其中盐分含量的排序Blank>MBC>RBC>HA-MBC,淋滤前的盐分含量排序RBC>Blank>MBC>HA-MBC。钠离子的变化趋势与土壤盐分相似,钾离子和镁离子在0-7.5 cm土层逐渐增加,钾离子和镁离子在7.5-12.5 cm土层逐渐降低,钙离子在0-7.5 cm土层逐渐降低,钙离子在7.5-12.5 cm土层逐渐增加。施加生物炭后,土层剖面的钠离子降低,钾钙镁离子含量有所提升,表明生物炭能够吸附土壤溶液中的钠离子,并释放钾钙镁等离子到土壤中,其中效果最明显的还是淋滤后HA-MBC处理;经过淋滤的土壤的钠吸附比低于淋滤前的土壤,各处理的土壤剖面的钠吸附比如下:HA-MBC<RBC<MBC<Blank,其中5-7.5 cm土层的钠吸附比(SAR)最低。本研究结果证明淋滤与腐殖酸-磁性生物炭联合修复滨海盐碱土有良好的修复效果,且探究了小白菜生长的影响研究和小白菜生长过程的土层的盐分运移规律,为滨海盐碱土的修复改善提供了一定的理论支撑。
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