凹凸棒石/生物炭及其老化对沙化土壤水氮运移行为的影响机理

Biochar play a significant role in soil for its unique physical and chemical properties. Biochar effect nutrient cycle directly or indirectly, by its special structure and the physical and chemical properties, it will change nutrient leaching in soil. Actually fresh biochar and ageing biochar have many differences on structure and functions. Therefore, studying mechanism of the ageing possess of biochar is of vital importance, for increase soil nitrogen use efficiency and reduce N loss. The current project，attapulgite/biochar is produced from spent bleaching clay，and simulating abiotic and biotic factors to ageing attapulgite/biochar. Study the relationship between physical and chemical properties of biochar aging and different environmental factors, and discuss biochar and aged biochar effect on soil water and nitrogen movement. And cotton as the indicator, by 15 N labeling technology, discuss biochar and its aging effects on nitrate biological effectiveness, analysis the relationship between the root system distribution and nitrogen utilization efficiency, clear migration of 15 N in the soil, revealing biological effect and environmental effect of NO3 -- N of the biochar and its ageing. It will provide theoretical basis for reasonable and efficient use of biochar for a long term usages. At the same time develop a deeply utilization of spent bleaching clay, achieve the sustainable utilization and development.

生物质炭因其特殊的结构和理化性质，直接或间接地参与土壤养分循环，并对土壤养分淋溶产生主要影响。现有研究表明“新炭”和“旧炭”在结构和功能等方面存在很大差异，因此明确生物炭的老化效应、分析老化影响机制，对于生物炭提高农田氮素利用率、减少氮素流失的长效性至关重要。本研究拟利用脱色后残留的油脂为天然碳源，通过一步法焙烧制备凹凸棒石/生物炭材料，研究非生物、生物因素造成的生物炭老化对生物炭物化性质的影响；采用15N 同位素示踪技术，通过土柱实验和棉花种植试验，分析凹凸棒石/生物炭及其老化对根系分布与氮素利用率的关系，明确15N 在土体中运移的规律，揭示凹凸棒石/生物炭及其老化对NO3--N 的生物效应和环境效应，以期为长期合理高效利用凹凸棒石/生物炭提供理论依据。同时开拓了脱色废土深度再利用的新途径，实现了可持续利用和发展。

近年来，有关生物炭对氮素的地表径流流失及淋溶损失影响的研究，证实了生物炭对土壤氮素流失的控制作用。随着在土壤中停留时间的增加，生物炭表面发生各种官能团发生氧化作用。因此，无论是从明确生物炭改土增产机制的角度，还是从生物炭改性的应用技术角度，或是明析生物炭长期效应的角度，都有必要对生物炭的老化过程加以研究。本研究利用脱色后废土制备凹凸棒石/生物炭材料，研究老化过程对其物化性质的影响；通过土柱实验和种植试验，分析凹凸棒石/生物炭及其老化对根系分布与氮素利用率的关系，探讨凹凸棒石/生物炭及其老化对NO3--N 的生物效应和环境效应。研究结果为以下几个方面：.（1）焙烧温度对材料吸附能力起主导作用。在煅烧温度300℃时，脱色废土制备的凹凸棒石/生物炭复合材料，其表面的碳种类和官能团具有更多的活性位点，吸附能力提高。.（2）通过室内土柱实验发现，凹凸棒石/生物炭可有效改善土壤结构及理化性质，改善土壤三相比例，调节土壤pH值及阳离子交换量，提高土壤中养分含量，且随着施炭量的增加而增大。复合材料提高土壤阳离子交换量是持肥、保肥能力的主要因素。复合材料特殊的多微孔结构则是提高土壤持水、保水能力的重要原因。.（3）生物炭经过物理老化、生物老化或化学氧化后均会对其自身理化性质产生影响，但是不同的老化方式对生物炭的理化性质的影响程度不同。无论上述的任何一种老化后，其理化性质的变化如下：C含量降低，O含量增加，C/O降低；CEC显著增加，pH值及Zeta电位显著降低；-COOH官能团显著增加，比表面积降低。老化炭对氨氮的吸附率大小为：生物老化＞物理老化＞酸氧化。.（4）生物炭表面疏松多孔，可以吸持水分提高土壤持水能力，降低养分流失；表面负电荷能够吸附土壤中的氨氮，提高肥料氮的利用率、降低损失率。凹凸棒石/生物炭输入土壤中能够降低硝态氮和总氮的流失，但与老化材料相比，其吸附性能减弱，表明凹凸棒石/生物炭应用于土壤具有一定的长期稳定性。