棉稈炭老化特性及其對(duì)風(fēng)沙土氨揮發(fā)的影響

林 玲,朱玉潔,馮 雷,唐光木,張?jiān)剖?,徐萬里

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091;3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院拜城農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站,新疆拜城 8423001)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1.1 棉稈炭老化試驗(yàn)

棉稈炭室內(nèi)老化試驗(yàn)設(shè)凍融循環(huán)、干濕交替和檸檬酸3種老化處理方式,每個(gè)處理重復(fù)3次。

凍融循環(huán)老化處理:稱取100 g新鮮棉稈炭于1L玻璃燒杯中,加入100 mL蒸餾水混合均勻后用保鮮膜封口置于-20℃冰箱中培養(yǎng)8 h,然后再轉(zhuǎn)移到25℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)16 h,完成1次凍融循環(huán),共60個(gè)凍融循環(huán)周期 (60 d)[19-20]。凍融循環(huán)結(jié)束后,將棉稈炭置于60℃干燥箱中烘干至恒重,記為EBC。

干濕交替老化處理:稱取100 g新鮮棉稈炭于1 L玻璃燒杯中,加入100 mL蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?記錄燒杯、蒸餾水與棉稈炭混合物的重量,然后置于60℃干燥箱中干燥8 h;取出燒杯稱重加蒸餾水至初始重量后,再轉(zhuǎn)移到25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)16 h,完成一次干濕交替,共60個(gè)干濕交替周期 (60 d)[20]。干濕交替結(jié)束后,將棉稈炭置于60℃干燥箱中烘干至恒重,記為DBC。

檸檬酸老化處理:稱取30 g新鮮棉稈炭于1 L玻璃燒杯中,加入180 mL 0.3 mol/L的檸檬酸溶液,在磁力攪拌器上25℃均勻攪拌30 min后靜置24 h,在60℃干燥箱中干燥24 h后升溫至120℃維持 90 min,冷卻后用蒸餾水清洗多次至濾液透明以去除多余檸檬酸[21-22],將檸檬酸處理棉稈炭在60℃烘箱中干燥至恒重,記為CBC。

1.2.1.2 土壤氨揮發(fā)培養(yǎng)試驗(yàn)

室內(nèi)靜態(tài)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理,分別為:土壤+2%新鮮棉稈炭 (SBC) 、土壤+2%干濕交替老化棉稈炭 (SDBC) 、土壤+2%凍融循環(huán)老化棉稈炭 (SEBC) 和土壤+2%檸檬酸老化棉稈炭 (SCBC)。每個(gè)處理4次重復(fù),氮肥添加量為0.2 g/kg干土 (純N計(jì)) 。

稱取過2 mm篩的風(fēng)干土壤500 g與10 g棉稈炭混勻,先將400 g炭土混合物裝入1 L塑料瓶 (高17 cm,直徑12 cm) 瓶中,用玻璃棒引流100 mL蒸餾水,將剩余的炭土混合物與0.22 g尿素混合后裝于塑料瓶最上層,瓶口用保鮮膜密封。試驗(yàn)期間,在每個(gè)塑料瓶內(nèi)土壤表面放置一個(gè)25 mL的小燒杯,內(nèi)裝硼酸指示劑溶液5 mL,于試驗(yàn)開始第1、2、3、4、5、6、7、9、13 d換取小燒杯,用0.01 mol/ L標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定,每次換取小燒杯后做空白滴定。

氨揮發(fā)速率(P,mg/d)=滴定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)酸的摩爾濃度 (mol/L) ×[ 滴定時(shí)消耗標(biāo)準(zhǔn)酸體積 (mL) -空白滴定時(shí)消耗標(biāo)準(zhǔn) (Q,mg) =∑每次滴定氨揮發(fā)量。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 棉稈炭表面形貌

采用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡 (J SM610FPlus,日本) 對(duì)棉稈炭樣品的表面形貌進(jìn)行觀察。冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)棉稈炭樣品的掃描條件是加速電壓 5.0 kV,多次掃描采用效果清晰的掃描圖。

1.2.2.2 棉稈炭比表面積及孔徑

采用 BEL SORP - max型比表面積及孔徑分析儀 (日本麥奇克拜爾) 測定。先稱取少量(200～400 mg) 棉稈炭于樣品管內(nèi)在 100℃真空下干燥 6 h,再以靜態(tài)容量法對(duì)樣品進(jìn)行等溫氮?dú)馕胶兔摳綔y定,通過 BET 方程計(jì)算得到樣品的比表面積,利用 BJH 模型計(jì)算得到孔徑分布。

1.2.2.3 棉稈炭pH值和電導(dǎo)率

采用炭水比為1∶ 10的水浸提法測定棉稈炭pH值和電導(dǎo)率。稱取棉稈炭5 g加50 mL水后恒溫震蕩3 min過濾,用pH計(jì) (Five Easy Plus,梅特勒-托利多) 和電導(dǎo)儀 (DDS-11A,上海大普) 測定濾液pH、電導(dǎo)率[23-24]。

1.2.2.4 棉稈炭全氮、磷、鉀

棉稈炭全氮、磷、鉀的含量測定前處理均采用濃硫酸-過氧化氫消煮,全氮采用凱氏定氮法,全磷采用釩鉬黃比色法,全鉀采用火焰光度法[24-25]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Excel 2019整理,SPSS 25 Duncan法進(jìn)行處理分析 (P<0.05) ,養(yǎng)分、氨揮發(fā)速率及累積量數(shù)據(jù)用Origin 2021軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 老化棉稈炭處理表面形貌和結(jié)構(gòu)的比較

研究表明,新鮮棉稈炭表面有多重孔洞,管狀表面附著一些白色物質(zhì)。與新鮮稈炭相比,干濕交替老化棉稈炭表面較為光滑,附著的白色物質(zhì)明顯減少;凍融循環(huán)老化棉稈炭管壁有許多孔洞且孔隙明顯增大;檸檬酸老化棉稈炭表面形成了許多凹坑,使其具有較大的比表面積和較好的多孔性。圖1

圖1 不同老化棉稈炭的表面形貌

棉稈炭經(jīng)過不同方式老化處理后,其比表面積、總孔體積和平均孔徑發(fā)生變化 。比表面積表現(xiàn)為CBC>BC>EBC>DBC,與新鮮棉稈炭相比,干濕交替和凍融循環(huán)老化棉稈炭比表面積顯著減小了0.49和0.42倍 (P<0.05) ,但檸檬酸老化棉稈炭比表面積顯著增大了1.88倍。

棉稈炭總孔體積表現(xiàn)為CBC>BC>EBC>DBC,介孔體積表現(xiàn)為CBC>EBC>BC>DBC。與新鮮棉稈炭相比,干濕交替和凍融老化棉稈炭總孔體積和介孔體積變化不顯著,檸檬酸老化棉稈炭總孔體積和介孔體積顯著增大了1.37和1.36倍 (P<0.05) ,檸檬酸處理可以使棉稈炭形成更多的孔隙,增加其比表面積和孔體積。

棉稈炭平均孔徑介于5.56～11.51 nm,新鮮和老化棉稈炭孔徑分布以介孔為主,大小表現(xiàn)為DBC>EBC>BC>CBC。與新鮮棉稈炭相比,干濕交替和凍融循環(huán)老化棉稈炭平均孔徑顯著增大了0.69和0.66倍 (P<0.05) ,而檸檬酸老化棉稈炭平均孔徑減小了0.19倍,差異不顯著。表1

表1 不同老化處理下棉稈炭的比表面積和孔徑變化

2.2 不同老化棉稈炭處理 pH 值和電導(dǎo)率比較

研究表明,老化后均呈現(xiàn)pH值降低的趨勢,表現(xiàn)為BC>EBC>DBC>CBC。與新鮮棉稈炭相比,干濕交替和凍融循環(huán)老化棉稈炭pH值下降不顯著,分別降低了0.09和0.01個(gè)單位,檸檬酸老化棉稈炭pH值顯著降低 (P<0.05) ,降低了5.14個(gè)單位。

新鮮棉稈炭經(jīng)干濕交替、凍融循環(huán)、檸檬酸老化處理后電導(dǎo)率均降低,表現(xiàn)為BC>EBC>DBC>CBC。與新鮮棉稈炭相比,干濕交替和檸檬酸老化棉稈炭電導(dǎo)率顯著降低了1.37和7.31 mS/cm,凍融循環(huán)老化棉稈炭電導(dǎo)率降低了0.33 mS/cm,差異不顯著。表2

表2 不同老化處理下棉稈炭的pH值和電導(dǎo)率變化

2.3 不同老化棉稈炭處理養(yǎng)分比較

研究表明,與新鮮棉稈炭相比,干濕交替和凍融循環(huán)老化棉稈炭全氮含量降低了9.1%、15.6%,但檸檬酸老化棉稈炭全氮含量增加了7.8%,差異不顯著。

棉稈炭全P含量表現(xiàn)為BC>EBC>DBC>CBC (2 b) ,與新鮮棉稈炭相比,干濕交替、凍融循環(huán)老化棉稈炭全P含量降低了5.8%、2.1%,差異不顯著,檸檬酸老化棉稈炭全P含量顯著降低了56.9% (P<0.05)。

棉稈炭全K含量表現(xiàn)為BC>DBC>EBC>CBC (2 c) ,與新鮮棉稈炭相比,干濕交替、凍融循環(huán)老化棉稈炭全K含量降低了15.7%、16.8%,差異不顯著,檸檬酸老化棉稈炭全K含量顯著降低了86.9% (P<0.05)。圖2

圖2 不同老化處理下棉稈炭的N、P、K含量變化

2.4 老化棉稈炭處理的風(fēng)沙土氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)

研究表明,土壤氨揮發(fā)速率表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢,試驗(yàn)第1～9 d呈波動(dòng)狀態(tài),第10 d后逐漸趨于穩(wěn)定。氨揮發(fā)速率在培養(yǎng)第 2 d后逐漸升高,SBC、SEBC、SCBC處理排放峰出現(xiàn)在培養(yǎng)第 4 d,SDBC處理排放峰出現(xiàn)在培養(yǎng)第 5 d,此后逐漸降低。與新鮮棉稈炭處理 (ST,0.20 mg/d) 相比,不同老化棉稈炭處理的氨揮發(fā)速率最大值 (SDBC,0.18 mg/d;SEBC,0.14 mg/d;SCBC,0.17 mg /d) 均降低,且新鮮棉稈炭處理揮發(fā)速率一直處于最高水平。

各處理土壤氨揮發(fā)累積量表現(xiàn)為SBC>SDBC>SEBC>SCBC。與新鮮棉稈炭處理相比,不同老化棉稈炭處理的土壤氨揮發(fā)累積量均降低,干濕交替、凍融循環(huán)和檸檬酸老化棉稈炭處理的氨揮發(fā)累積量分別降低了0.07、0.20和0.33 mg,老化棉稈炭處理可減少風(fēng)沙土氨揮發(fā)。圖3,圖4

圖3 棉稈炭對(duì)和風(fēng)沙土氨揮發(fā)速率變化

圖4 棉稈炭對(duì)風(fēng)沙土氨揮發(fā)累積量變化

3 討 論

3.1 不同老化方式對(duì)棉稈炭比表面積和孔徑的影響

生物炭在農(nóng)田施用中由于不同地區(qū)土壤和氣候不盡相同,導(dǎo)致生物炭結(jié)構(gòu)存在較大差異。新鮮棉稈炭經(jīng)干濕交替和凍融循環(huán)老化處理后棉稈炭的平均孔徑顯著增大,比表面積顯著降低,可能是因?yàn)樗址磸?fù)的融化和凍結(jié)以及水的相變和含量的不斷變化使棉稈炭內(nèi)部分子間發(fā)生膨脹和收縮,微孔發(fā)生破碎形成介孔。玉米秸稈和蘋果枝條生物炭經(jīng)干濕老化后比表面積下降了16.34%[7],生物炭電導(dǎo)率的變化可以指示可溶性鹽分的變化[26],巨菌草生物炭在干濕交替后比表面積增大了15.3 m2/g[27]。老化生物炭結(jié)構(gòu)的差異可能是因?yàn)檠芯康纳锾?、試?yàn)周期和條件不同所導(dǎo)致。研究中新鮮棉稈炭經(jīng)檸檬酸老化處理后比表面積和孔體積顯著增加,可能是檸檬酸溶解了棉稈炭表面有機(jī)物質(zhì)發(fā)生不同程度的氧化導(dǎo)致。閔露娟等[16]通過強(qiáng)酸和水培小麥根系分泌物老化水稻秸稈炭后,比表面積顯著增大,與研究結(jié)果相似。XU等[22]研究結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)檸檬酸處理使殘留在生物炭孔洞和表面的有機(jī)物質(zhì)溶解后沖洗出來,導(dǎo)致生物炭表面空隙的孔徑增大,檸檬酸小分子被生物炭吸附使比表面積減小。

3.2 不同老化方式對(duì)棉稈炭pH值、電導(dǎo)及養(yǎng)分含量的影響

棉稈炭老化后pH值和電導(dǎo)率降低,與前人研究結(jié)果相同[6, 28],且檸檬酸老化對(duì)棉稈炭酸度和電導(dǎo)率的影響顯著大于干濕交替、凍融循環(huán),可能是酸化作用使棉稈炭表面氧化、羧基和酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量增加,生物炭所含的大量鹽基離子通過溶解、離子交換作用等經(jīng)水洗淋失[21]。王朝旭等[29]通過高溫、凍融循環(huán)、自然方法老化玉米秸稈生物炭,老化生物炭羧基和酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量分別增加,pH值分別降低了0.50、0.99和0.30個(gè)單位,ZHANG等[30]發(fā)現(xiàn)高溫、凍融循環(huán)、自然老化生物炭表面出現(xiàn)新的酸性基團(tuán),pH值由堿性變?yōu)槿跛嵝?。老化方式、生物炭材料和老化時(shí)間不同pH值降低程度不同。生物炭在土壤中的作用很大程度上取決于生物炭的理化性質(zhì),老化生物炭pH值、電導(dǎo)率的降低可能會(huì)引起對(duì)土壤酸堿性的影響效果。劉艷[31]研究發(fā)現(xiàn)在同一添加比例下,老化生物炭提高土壤pH值的效果相對(duì)新鮮炭較弱,秦蓓[32]在生物炭改良新疆風(fēng)沙土試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生物炭施入到土壤5年后土壤pH值低于對(duì)照土壤。

棉稈炭經(jīng)干濕交替、凍融循環(huán)和檸檬酸老化處理后,其養(yǎng)分含量發(fā)生變化。老化棉稈炭全磷、全鉀含量降低,檸檬酸老化棉稈炭全磷、全鉀的降低程度顯著大于干濕交替和凍融循環(huán)老化棉稈炭,可能是因?yàn)闄幟仕崛芤喝芙饬烁采w在生物炭表面的無機(jī)鹽 (K、P) 后通過水洗流失。LIU等[33]試驗(yàn)表明檸檬酸促進(jìn)了生物炭的礦物溶解、植物養(yǎng)分的釋放,檸檬酸老化生物炭中K+比300℃裂解未老化的生物炭增加了5.9%,與研究結(jié)果不同,可能與生物炭材料不同和檸檬酸處理中水洗有關(guān)。

3.3 老化棉稈炭處理對(duì)氨揮發(fā)的影響

4 結(jié) 論

4.1與新鮮棉稈炭相比,干濕交替、凍融循環(huán)和檸檬酸老化棉稈炭結(jié)構(gòu)具有明顯差異,pH值和電導(dǎo)率均降低,凍融循環(huán)、干濕交替等物理因素對(duì)棉稈炭養(yǎng)分含量影響不顯著。其中,檸檬酸老化棉稈炭pH值和電導(dǎo)率降幅最大,下降了5.14個(gè)單位和7.31 mS/cm,比表面積和總孔體積顯著增大了33.33 m2/g和0.041 cm3/g,平均孔徑減小1.27 nm。

4.2不同老化棉稈炭對(duì)風(fēng)沙土氨揮發(fā)的抑制表現(xiàn)為檸檬酸老化棉稈炭>凍融循環(huán)老化棉稈炭>干濕交替老化棉稈炭,檸檬酸老化棉稈炭處理氨揮發(fā)累積量最少,減少了34.7%。