生物炭对农田土壤氮素迁移及氨氧化作用的影响

发布时间：2017-06-30 14:07

  本文关键词：生物炭对农田土壤氮素迁移及氨氧化作用的影响，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了取得更高的粮食产量,氮素肥料被广泛用于农业生产中,但是也相应带来了许多负面效应。氮肥利用率低导致的营养物质淋失,进而污染地表地下水资源是最主要的表现形式,对农业环境造成了巨大威胁。因此,寻求一种能吸附固持土壤中氮素的高效、经济的处理方法,最大限度的减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率以及治理无机氮污染是目前迫切需要解决的问题之一。近年来,生物炭作为一种土壤改良剂越来越受到人们的关注。生物炭主要是以植物或其他农业废弃物为原材料,在限氧或无氧、高温条件下形成的富含碳的物质,其结构稳定、多孔、比表面积大,对NO3-和NH4+具有较强的吸附能力。因此,本课题考虑采用农业废弃物玉米秸秆、玉米芯以及小麦秸秆作为生物炭制备材料,首先开展了玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中无机氮的吸附性能研究,研究了其对NH4+-N、NO3--N 和 NO2--N的吸附动力学过程;并用等温吸附模型对NH4+-N和NO3--N的吸附过程进行拟合,探讨制得生物炭对无机氮的吸附机理。结果表明,400℃和600℃制得玉米秸秆和玉米芯生物炭均呈碱性,表现为400℃600℃;同种原材料,与400℃制得生物炭相比,600℃制得生物炭碱性含氧官能团数量较多,而酸性含氧官能团数量较少。400℃制得生物炭对NH4+-N的吸附能力较强(玉米秸秆和玉米芯生物炭的平衡吸附量分别为4.22和4.09mg/g);而600℃制得生物炭对NO3--N和NO2--N的吸附能力较强(玉米秸秆和玉米芯生物炭对NO3--N的平衡吸附量分别为0.73和0.63mg/g;对NO2--N的平衡吸附量分别为0.55和0.35mg/g)。与NO3--N和NO2--N相比,玉米秸秆和玉米芯生物炭对NH4+-N的吸附能力更强,4种生物炭对NH4+-N的平衡吸附量是NO3--N/NO2--N的4.29~20.2倍。4种生物炭对NH4+-N 和 NO3--N的吸附均符合准二级吸附动力学模型,以化学吸附为主。等温吸附模型拟合研究表明,玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中NH4+-N和NO3--N的吸附过程均可用Freundlich模型描述,其在生物炭表面的吸附是多分子层吸附。为了深入研究玉米秸秆生物炭及其老化对农田土壤氮素迁移的影响,开展了柱状淋滤实验。研究表明:生物炭能减少土壤无机氮的淋失;在淋滤过程中,无机氮淋失量和淋滤液p H均呈单峰形式变化,呈现先增大后减小的趋势;与对照相比,添加新鲜和老化生物炭均使土柱铵态氮淋失量达到峰值的时间推迟,起到了缓释作用;而老化生物炭的这一作用表现较新鲜生物炭更显著。对于硝态氮而言,添加老化生物炭土柱淋失量达到峰值的时间,与对照相同;而添加新鲜生物炭土柱淋失量达到峰值的时间,较对照提前。老化生物炭对提高氮肥利用率和减少氮肥淋失具有更加积极的作用;40天的淋滤实验后,在土柱表层土壤中,添加老化生物炭处理的氨氧化速率、氨氧化细菌数量和脲酶活性都较添加新鲜生物炭处理大;而在深层土壤中(5cm以下),则相反;其原因为与新鲜生物炭相比,老化生物炭对铵态氮具有更强的吸附能力,更能抑制其迁移;土柱各分层氨氧化速率、氨氧化细菌数量和脲酶活性的分布特征可能与铵态氮的纵向迁移及其分布有关。为了探索小麦秸秆生物炭对农田土壤氨氧化作用的影响,将小麦秸秆生物炭按0%、2%、5%和10%的比例与土壤室内混合培养,定期采集土样,并测定其氨氧化速率、氨氧化细菌数量、脲酶活性、无机氮含量及p H变化,进一步揭示添加生物炭条件下,土壤氨氧化作用变化的机理。研究表明:小麦秸秆生物炭显著促进了该碱性农田土壤的氨氧化速率,且随培养时间的延长而增大;添加小麦秸秆生物炭后,除铵态氮含量外,氨氧化细菌数量、脲酶活性、p H、硝态氮含量均随培养时间的延长而增大;相关性分析表明,土壤氨氧化速率与氨氧化细菌数量、脲酶活性、p H、NO3--N含量均显著正相关(r0.709,P0.01),与NH4+-N含量显著负相关(r=-0.413,P0.01);小麦秸秆生物炭促进了碱性农田土壤的氨氧化作用,可能加速土壤NO3--N的生成,降低NH4+-N的生物有效性。
【关键词】：生物炭 氨氧化作用 氨氧化细菌 脲酶活性 柱状淋滤
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S156.2;X53
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 生物炭的概念、来源及理化特性14-15
• 1.1.1 生物炭的概念及来源14
• 1.1.2 生物炭的理化特性14-15
• 1.2 土壤氮污染的来源、危害及常见处理方法15-17
• 1.2.1 土壤氮污染的来源15-16
• 1.2.2 土壤氮污染的危害16
• 1.2.3 土壤氮污染的常见处理方法16-17
• 1.3 生物炭的应用研究17-18
• 1.3.1 生物炭对土壤理化性质的影响研究17
• 1.3.2 生物炭对无机氮的吸附性能研究17-18
• 1.3.3 生物炭对土壤硝化作用的影响研究18
• 1.4 研究意义与目标18-20
• 1.4.1 研究意义18-19
• 1.4.2 研究目标19-20
• 1.5 研究内容与思路20-22
• 1.5.1 研究内容20
• 1.5.2 研究思路20-22
• 第二章 实验检测方法22-30
• 2.1 酸碱性含氧官能团的测定—Boehm滴定法22-24
• 2.1.1 主要试剂22
• 2.1.2 主要仪器22
• 2.1.3 操作方法22-23
• 2.1.4 结果表示23-24
• 2.2 零电荷点（pH_(pzc)）的测定方法—质量滴定法24
• 2.2.1 主要试剂24
• 2.2.2 主要仪器24
• 2.2.3 基本原理24
• 2.2.4 操作方法24
• 2.3 无机氮的测定方法24-25
• 2.3.1 水溶液中无机氮的测定方法24-25
• 2.3.2 土壤中无机氮的测定方法25
• 2.4 脲酶活性的测定25-27
• 2.4.1 主要试剂25-26
• 2.4.2 脲酶活性的测定26
• 2.4.3 结果计算26-27
• 2.5 氨氧化速率的测定27-28
• 2.5.1 主要试剂27
• 2.5.2 操作方法27
• 2.5.3 结果表示27-28
• 2.6 氨氧化细菌数量的测定—平板计数法28-29
• 2.6.1 基本原理28
• 2.6.2 主要仪器28
• 2.6.3 培养基主要成分28
• 2.6.4 实验操作28-29
• 2.6.5 结果计算29
• 2.7 数据统计分析方法29-30
• 第三章 玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中无机氮的吸附特性30-48
• 3.1 引言30
• 3.2 玉米秸秆和玉米芯生物炭的制备及其特性表征方法30-31
• 3.2.1 玉米秸秆和玉米芯生物炭的制备30-31
• 3.2.2 玉米秸秆和玉米芯生物炭的特性表征31
• 3.3 生物炭对水溶液中无机氮的吸附动力学研究及吸附等温线测定方法31-33
• 3.3.1 生物炭对水溶液中无机氮的吸附动力学研究31-32
• 3.3.2 生物炭对水溶液中无机氮的吸附等温线测定32-33
• 3.4 实验结果33-44
• 3.4.1 不同温度条件下玉米秸秆和玉米芯生物炭的基本特性33
• 3.4.2 不同温度条件下玉米秸秆和玉米芯生物炭对无机氮的吸附动力学33-40
• 3.4.3 不同温度条件下玉米秸秆和玉米芯生物炭对无机氮的吸附等温线40-44
• 3.5 讨论44-46
• 3.6 本章小结46-48
• 第四章 玉米秸秆生物炭及其老化对农田土壤氮素迁移的影响48-60
• 4.1 引言48
• 4.2 样品采集与柱状淋滤实验48-50
• 4.2.1 土壤样品的采集48-49
• 4.2.2 玉米秸秆生物炭的制备及老化49-50
• 4.2.3 柱状淋滤实验50
• 4.3 实验结果50-56
• 4.3.1 淋滤液中无机氮含量及pH的动态变化50-53
• 4.3.2 玉米秸秆生物炭及其老化对铵态氮和硝态氮累积淋失量的影响53-54
• 4.3.3 玉米秸秆生物炭及其老化对土柱不同分层土壤氨氧化速率、氨氧化细菌数量及脲酶活性的影响54-56
• 4.4 讨论56-58
• 4.5 本章小结58-60
• 第五章 小麦秸秆生物炭对农田土壤氨氧化作用的影响60-68
• 5.1 引言60-61
• 5.2 样品采集与室内培养实验61
• 5.2.1 土壤样品采集61
• 5.2.2 小麦秸秆生物炭61
• 5.2.3 土壤-生物炭的室内培养61
• 5.3 实验结果61-66
• 5.3.1 小麦秸秆生物炭对土壤氨氧化速率的影响61-62
• 5.3.2 小麦秸秆生物炭对土壤氨氧化细菌数量的影响62-63
• 5.3.3 小麦秸秆生物炭对土壤脲酶活性的影响63
• 5.3.4 小麦秸秆生物炭对土壤无机氮含量的影响63-64
• 5.3.5 小麦秸秆生物炭对土壤pH的影响64-65
• 5.3.6 相关性分析65-66
• 5.4 讨论66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 结论与展望68-72
• 6.1 主要结论68-69
• 6.2 论文创新点69
• 6.3 研究展望69-72
• 参考文献72-82
• 致谢82-84
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文84

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