韓劍宏, 李艷偉, 姚衛(wèi)華, 張連科, 余維佳, 焦麗燕

〔1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.包頭市輻射環(huán)境管理處, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 3.暉澤水務(wù)(青州)有限公司, 山東 青州 262500〕

玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭及其對(duì)鹽堿土壤理化性質(zhì)的影響

韓劍宏1, 李艷偉1, 姚衛(wèi)華1, 張連科1, 余維佳2, 焦麗燕3

〔1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭014010;2.包頭市輻射環(huán)境管理處,內(nèi)蒙古包頭014010; 3.暉澤水務(wù)(青州)有限公司,山東青州262500〕

[目的] 研究不同溫度制備的玉米秸稈和污泥基生物質(zhì)炭不同施加量對(duì)鹽堿土壤基本理化性質(zhì)的影響，為鹽堿土改良及土壤污染物質(zhì)的生態(tài)修復(fù)等方面的研究提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 以質(zhì)量比5∶2的玉米秸稈和剩余活性污泥為原料，分別在300,350,400,450,500 ℃共5個(gè)不同溫度條件下熱解制備生物質(zhì)炭，通過(guò)掃描電鏡、元素分析和紅外光譜對(duì)其性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并通過(guò)培養(yǎng)試驗(yàn)研究其對(duì)鹽堿土壤基本理化性質(zhì)的影響。 [結(jié)果] 隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭微觀(guān)結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，比表面積越大，表面官能團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量也產(chǎn)生了顯著性變化；同時(shí)隨著熱解溫度逐漸升高，生物質(zhì)炭C含量不斷增加，而O，H和N含量卻逐漸降低；添加玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭能夠顯著增加鹽堿土壤中有機(jī)碳含量，而土壤中總氮、總磷、有效磷、速效鉀含量變化幅度較?。凰苄喳}含量降低明顯；加入生物質(zhì)炭后大幅度提高了土壤陽(yáng)離子交換能力，添加量越大，陽(yáng)離子交換量越大；但生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH值影響不大。 [結(jié)論] 玉米秸稈和污泥基生物質(zhì)炭提高了土壤養(yǎng)分含量和肥力指標(biāo)，降低了土壤鹽堿性。玉米秸稈和污泥基生物質(zhì)炭可用于鹽堿土壤的改良。

生物質(zhì)炭; 鹽堿土壤; 玉米秸稈; 剩余活性污泥; 熱解溫度; 改良

文獻(xiàn)參數(shù)： 韓劍宏, 李艷偉, 姚衛(wèi)華, 等.玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭及其對(duì)鹽堿土壤理化性質(zhì)的影響[J].水土保持通報(bào)，2017,37(4)：92-98.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.016； Han Jianhong, Li Yanwei, Yao Weihua, et al. Co-pyrolysis preparing biochar with corn straw and sewage sludge and its effects on saline soil improvement[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：92-98.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.016

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì)，世界上鹽堿地面積達(dá)9.50×108hm2[1]，中國(guó)鹽堿土總面積約3.60×107hm2，占全國(guó)可利用土地面積的4.88%[2]，在耕地面積日趨減少，人口日益膨脹，可用淡水資源日趨匱乏的今天，鹽堿地作為潛在耕地的后備資源，有著巨大的開(kāi)發(fā)潛力。鹽堿土物理化學(xué)性狀?lèi)毫樱粌H導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力降低，而且還會(huì)引發(fā)諸多環(huán)境問(wèn)題[3]，因此，對(duì)鹽堿土的改良顯得愈發(fā)重要。目前，鹽堿地改良措施方法主要有：物理方法[4]、化學(xué)方法[5]和生物方法[6]。但是傳統(tǒng)的鹽堿治理模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足改良的需要，物理方法雖然能有效降低土壤鹽分，起效快，但是基礎(chǔ)投資大、工程復(fù)雜[7]，化學(xué)措施施用改良劑，見(jiàn)效快但成本較高[8]，生物措施中遠(yuǎn)離雜交、基因工程培育耐鹽種對(duì)技術(shù)要求高，經(jīng)濟(jì)投入大且見(jiàn)效慢，周期長(zhǎng)[9]。高效、經(jīng)濟(jì)的新技術(shù)、新材料、新方法是今后鹽堿地改良研究的方向。生物質(zhì)炭(biochar， BC)是指生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下以及相對(duì)較低的溫度(<700 ℃)條件下，經(jīng)熱解炭化形成的一種含碳量極其豐富的、性質(zhì)穩(wěn)定的產(chǎn)物，本質(zhì)屬于黑炭的一種[10]。生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性以及良好的表面性狀，使其具備在全球碳的生物地球化學(xué)循環(huán)、土壤改良及土壤污染物質(zhì)的生態(tài)修復(fù)等方面得到應(yīng)用的美好前景[11]。大量理論研究與實(shí)踐應(yīng)用表明[12-14]，生物質(zhì)炭有利于提高土壤肥力，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量?？萝S進(jìn)等[15]研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈生物質(zhì)炭能夠顯著提高土壤TOC，EOC含量。王建俊[16]研究中指出將污泥加工處理后作為農(nóng)肥，對(duì)農(nóng)作物必須的肥料組成，將增產(chǎn)效果，也可以對(duì)土壤進(jìn)行改良。前人大部分都是分別單獨(dú)利用玉米秸稈和污泥制備生物質(zhì)炭去對(duì)鹽堿地的改良進(jìn)行研究，采用玉米秸稈和剩余活性污泥共同作為熱解材料制備生物質(zhì)炭應(yīng)用于鹽堿地改良還鮮有研究。熱解溫度是生物質(zhì)炭制備過(guò)程的重要影響因素[17-18]。眾多研究者認(rèn)為熱解溫度能夠顯著影響生物質(zhì)炭的表面性狀，一般而言，隨著溫度升高，生物質(zhì)炭的脂肪性減弱，芳構(gòu)化和致密性加強(qiáng)。熱解溫度越高，生物炭具有更大的比表面積和孔隙度，具有更強(qiáng)的吸附能力。前人大部分都是分別單獨(dú)利用玉米秸稈和污泥制備生物質(zhì)炭去對(duì)鹽堿土壤的改良進(jìn)行研究，而本研究采用玉米秸稈和剩余活性污泥作為熱解材料，在不同裂解溫度條件下制備玉米秸稈和污泥共熱解生物質(zhì)炭，并利用材料SEM掃描、元素分析和紅外光譜對(duì)制備的生物質(zhì)炭進(jìn)行了表征。通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了不同溫度制備的玉米秸稈和污泥共熱解生物質(zhì)炭對(duì)鹽堿土壤的pH值、基礎(chǔ)養(yǎng)分、肥力指標(biāo)及溶解性鹽含量的影響。

1 材料與方法

1.1 原材料

(1) 供試玉米秸稈。在內(nèi)蒙古西北部農(nóng)區(qū)收集玉米秸稈，將其洗凈、自然風(fēng)干、粉碎過(guò)2 mm篩后于密封袋中備用；

(2) 供試污泥。將取自?xún)?nèi)蒙古某污水處理廠(chǎng)污泥泵房?jī)?nèi)剩余活性污泥于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)100目篩后置于密封袋中備用，其基本理化性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

表1 供試污泥理化性質(zhì)

(3) 供試土壤。取自?xún)?nèi)蒙古包頭市美岱沼(東經(jīng)109°22′—111°07′，北緯40°15′—41°29′)鹽堿地表層土壤(0—20 cm)。

供試土壤所在地區(qū)屬于半干旱中溫大陸性季風(fēng)氣候，主要表現(xiàn)為冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒，土壤凍結(jié)期約為4.5～5個(gè)月，夏季短暫而干燥，春秋干旱多風(fēng)，年均氣溫在7.2 ℃，平均風(fēng)速1.2 m/s，年降水總量421.8 mm，年日照數(shù)2 882.2 h。土樣采集后除去石塊和植物殘?bào)w，自然條件下風(fēng)干過(guò)100目篩備用，其基本理化性質(zhì)如表2所示。

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 生物質(zhì)炭的制備

玉米秸稈和污泥共熱解制備生物質(zhì)炭：將供試玉米秸稈與污泥按質(zhì)量比5∶2混合均勻，置于白玉坩堝中，填滿(mǎn)，分別于300，350，400，450，500 ℃溫度下經(jīng)管式電爐(GWL-1700GA)熱解3 h，加熱前通入氮?dú)怛?qū)趕盡爐內(nèi)空氣，形成氮?dú)猸h(huán)境。冷卻后，過(guò)20目篩儲(chǔ)存于干燥器中備用，分別標(biāo)記為BC300，BC350，BC400，BC450，BC500。

1.3 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)分析

稱(chēng)取50 g風(fēng)干土樣于250 ml培養(yǎng)瓶中，選用BC300，BC350，BC400，BC450，BC500生物質(zhì)炭作為添加物，按照10，20，25 g/kg添加量水平分別將生物質(zhì)炭與土壤充分混勻，同時(shí)設(shè)不添加生物質(zhì)炭的對(duì)照(CK)。加蒸餾水至田間持水量的75%，覆蓋可透氣的塑料薄膜，在25 ℃恒溫恒濕條件下培養(yǎng)30 d后取樣測(cè)定土壤中總氮、總磷、有效磷、速效鉀、有機(jī)碳、水溶性鹽含量、陽(yáng)離子交換總量(CEC)和pH值。土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定參考土壤農(nóng)化分析[19]：總氮采用凱式定氮法；總磷采用堿熔—鉬銻抗分光光度法；有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬睇抗比色法；速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；陽(yáng)離子交換總量采用乙酸鈉—火焰光度法測(cè)定；溶解性鹽含量采用質(zhì)量法測(cè)定；pH值采用電位法測(cè)定(水土質(zhì)量比1∶2.5)。

生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)分析：生物質(zhì)炭的官能團(tuán)組成利用傅里葉紅外光譜分析(FTIR)(NEXUS 670，Thermo Nicolet，美國(guó))，比表面積測(cè)定采用BET(3H-2000 A)法，C，H，O，N含量分別通過(guò)元素分析儀(德國(guó)Elementar元素分析儀vario MACRO)測(cè)定。生物質(zhì)炭灰分的測(cè)定參照木炭和木炭試驗(yàn)(BG/T17664-1999)進(jìn)行[20]。

(1)BaS在溶解過(guò)程中會(huì)首先電離出S2-和Ba2+，然后S-發(fā)生可逆水解反應(yīng)生成OH-，當(dāng)溶液中[OH-]和[Ba2+]達(dá)到飽和時(shí)BaS不再繼續(xù)溶出；BaS的溶出量很大程度上受限于Ba(OH)2的溶解度，增加浸取溫度、液固比可一定程度提高BaS的溶出量。

所有試驗(yàn)3次重復(fù),利用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;利用Origin 8.0制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度制備生物質(zhì)炭的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 生物質(zhì)炭微觀(guān)結(jié)構(gòu)與形態(tài)分析 由圖1可以看出，玉米秸稈、污泥混合物在碳化后，原有主體結(jié)構(gòu)均得到了完整保留，且在碳化以后形成的炭架結(jié)構(gòu)更加明顯清晰。原有生物質(zhì)的部分不穩(wěn)定、易揮發(fā)結(jié)構(gòu)在熱解過(guò)程中逐漸消失或形成微小孔隙結(jié)構(gòu)[21]。碳化后，主體炭架結(jié)構(gòu)特征非常明顯，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，這種豐富的孔隙結(jié)構(gòu)特征，對(duì)生物質(zhì)炭應(yīng)用具有重要價(jià)值[22]。玉米秸稈在碳化前表面結(jié)構(gòu)略顯雜亂，骨架結(jié)構(gòu)不突出，而在碳化后無(wú)論從橫切面結(jié)構(gòu)還是縱表面結(jié)構(gòu)，其主體炭架結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)的很明顯，孔隙結(jié)構(gòu)非常豐富[23]。在350 ℃條件熱解時(shí)，出現(xiàn)一些表面非常不平滑的細(xì)碎物質(zhì)，這些物質(zhì)并沒(méi)有與主體分離，表面物質(zhì)凹凸起伏會(huì)增加材料的表面積；450 ℃熱解溫度制備的生物炭碳化后外圍輪廓清晰，孔隙結(jié)構(gòu)變得非常豐富，呈典型的維管束狀；到500 ℃時(shí)，產(chǎn)物表面變得十分粗糙并且出現(xiàn)較為明顯的孔隙，以及重新出現(xiàn)更大量的細(xì)碎物質(zhì)，表面不再像450 ℃條件下那么整潔。黃華等[24]對(duì)玉米秸稈生物質(zhì)炭微觀(guān)表面研究表明，隨著熱解溫度的升高，玉米秸稈生物質(zhì)炭表面形貌發(fā)生了較大的變化，300 ℃熱解所得生物質(zhì)炭表面光滑，沒(méi)有明顯紋理，直到700 ℃溫度制備的生物質(zhì)炭才形成明顯的魚(yú)鱗形狀，而本研究混合生物質(zhì)炭BC500表面已形成明顯魚(yú)鱗狀，具有較大的比表面積。

2.1.2 生物質(zhì)炭元素組成及比表面積 不同熱解溫度制備的玉米秸稈和污泥共熱解生物質(zhì)炭物理化學(xué)性質(zhì)列于表3，生物質(zhì)炭含有植物生長(zhǎng)所必需的一些營(yíng)養(yǎng)元素和礦質(zhì)元素。隨著熱解溫度逐漸升高，生物質(zhì)炭C含量不斷增加，而O，H，N含量卻逐漸降低，這說(shuō)明高溫生物質(zhì)炭的碳化程度更高。生物質(zhì)炭元素含量隨熱解溫度的變化規(guī)律同黃華等[24]研究結(jié)果一致，但與單純玉米秸稈生物炭相比，本研究玉米秸稈基和污泥基生物質(zhì)炭C，H，O，N元素含量更高。高熱解溫度制備的生物質(zhì)炭具有更大的比表面積，說(shuō)明熱解溫度越高，越有利于生物質(zhì)炭微孔結(jié)構(gòu)的形成，與姜秀艷等[25]制備的污泥基生物質(zhì)炭最大比表面積為3.74 m2/g相比，本研究玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭具有更好的比表面積。隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭pH值逐漸升高，灰分含量也隨著熱解溫度的升高而升高，各種礦質(zhì)元素以氧化物、硫酸鹽、硅酸鹽等形式存在于灰分中[26]。

圖1 玉米秸稈、生物質(zhì)炭電鏡掃描圖

樣品C含量/%H含量/%O含量/%N含量/%pH值灰分含量/%比表面積/(m2·g-1)BC30060.04±0.014.59±0.0138.04±0.012.11±0.017.96±0.0131.04±0.0183.69±0.01BC35062.52±0.014.23±0.0138.52±0.011.45±0.018.01±0.0235.47±0.01117.25±0.01BC40063.66±0.014.04±0.0137.13±0.011.31±0.018.07±0.0238.40±0.02166.91±0.01BC45065.13±0.013.84±0.0139.66±0.011.28±0.018.13±0.0141.72±0.01220.25±0.02BC50066.43±0.013.62±0.0140.43±0.010.98±0.018.15±0.0146.33±0.03230.52±0.02

2.1.3 生物質(zhì)炭紅外光譜圖及表面官能團(tuán)特征 由不同溫度制備的生物質(zhì)炭(BC300，BC350，BC400，BC450，BC500)的紅外譜圖可知，生物質(zhì)炭表面官能團(tuán)受熱解溫度影響較大，隨溫度的變化，各生物質(zhì)炭表面官能團(tuán)的種類(lèi)產(chǎn)生了顯著性變化，隨著熱解溫度的升高，處于波數(shù)3 600～3 200 cm-1的羥基(-OH)伸縮振動(dòng)峰減小，含氧官能團(tuán)羥基結(jié)構(gòu)增加，使生物質(zhì)炭具有更高的陽(yáng)離子交換特性，也有利于細(xì)胞的黏附和增殖[27]。BC450，BC500最為明顯，BC450，BC500脂肪族CH2吸收峰(2 960～2 850 cm-1)消失，而處于721～873 cm-1的芳香族CH振動(dòng)峰則更加明顯，這表明生物質(zhì)炭BC450，BC500中非極性脂肪族官能團(tuán)減少，而芳香結(jié)構(gòu)增加；當(dāng)熱解溫度高于450 ℃時(shí)，混合生物質(zhì)炭C=O鍵較易被熱解生成氣體或者液體副產(chǎn)物，所以羧基和酮類(lèi)中C=O鍵(1 600～1 620 cm-1)于450 ℃后顯著減少；波數(shù)處于1 385，1 315 cm-1的酚羥基的-OH伸縮振動(dòng)和羧基(-COOH)的C-O吸收峰，隨熱解溫度的升高而逐漸減弱，直到450 ℃以后消失。

2.2 不同溫度制備的生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

表4 不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

注：數(shù)據(jù)由3組平行試驗(yàn)所得平均值及誤差值組成。下同。

2.2.2 生物質(zhì)炭對(duì)鹽堿土壤pH值的影響 土壤pH值可以綜合反映土壤其他化學(xué)性質(zhì)，它與土壤微生物活性、土壤各種酶的活性、有機(jī)質(zhì)的合成和分解、各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及土壤保肥保水的能力等有關(guān)[29]。圖2為BC300，BC350，BC400，BC450，BC500生物質(zhì)炭分別以不同比例(10，20，25 g/kg)施加到鹽堿土壤中對(duì)土壤pH值得影響。由圖2可知，施加玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭能夠降低鹽堿土壤pH值，但降低幅度較小，降低了0.11～0.40個(gè)單位。添加同一裂解溫度制備的生物質(zhì)炭，對(duì)鹽堿土壤pH值降低幅度隨著添加量的增加而減小，加入裂解溫度為300 ℃的生物質(zhì)炭后鹽堿土壤pH值分別降低了0.40，0.27，0.17個(gè)單位，說(shuō)明加入生物質(zhì)炭能夠小程度的降低土壤pH，但隨著生物質(zhì)炭添加量逐漸增加，土壤pH值降低幅度卻呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。楊麗艷等[30]研究生物質(zhì)炭對(duì)蘇打鹽堿土pH時(shí)，也得出相似結(jié)論，輕度蘇打鹽漬土pH值隨著生物質(zhì)炭施用量的增加先降后升。這和生物質(zhì)炭本身呈堿性有關(guān)，隨著添加量越來(lái)越大，其對(duì)鹽堿土的改良效應(yīng)與自身的堿性效應(yīng)逐漸抵消[31]。添加相同量的不同裂解溫度制備的玉米秸稈和污泥共熱解生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH值降低幅度大小順序?yàn)椋築C300>BC350>BC400>BC450>BC500。加入生物質(zhì)炭后能夠降低鹽堿土壤pH值，這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭施入鹽堿土壤后生物炭所含有的K+，Ca+，Mg2+等離子逐漸被釋放，與土壤中的氫離子交換，氫離子被吸附保持在生物炭表面，降低鹽堿土壤pH值[32]。

圖2 不同生物質(zhì)炭添加量對(duì)土壤pH值的影響

2.2.3 生物質(zhì)炭對(duì)鹽堿土壤中溶解性鹽含量的影響 土壤水溶性鹽是鹽堿土的一個(gè)重要屬性，是限值作物生長(zhǎng)的主要障礙因素之一。鹽分在土壤中積聚對(duì)作物的主要傷害為引起生理性干旱。土壤中可溶性鹽濃度高，土水勢(shì)降低至小于根水勢(shì)，作物根細(xì)胞就會(huì)失水以至枯萎死亡[33]。對(duì)不同溫度制備的玉米秸稈和污泥共熱解生物質(zhì)炭的各施加量進(jìn)行分析，如圖4，按照生物炭改變鹽堿土壤水溶性鹽的效果來(lái)看，10，20，25 g/kg 3種施加量都能降低水溶性鹽含量，隨著生物質(zhì)炭施加量的增加，水溶性鹽含量降低幅度越大，施加量為25 g/kg時(shí)，土壤水溶性鹽含量下降4.68～5.06 g/kg，降低量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2個(gè)濃度。這與岳燕等[34]研究加入不同量生物質(zhì)炭對(duì)鹽堿土壤的脫鹽效果所得結(jié)論相似。施加不同溫度制備的生物質(zhì)炭后土壤中水溶性鹽含量與對(duì)照CK間的差異顯著(圖3)。3種施加量處理的土壤水溶性鹽含量隨生物質(zhì)炭制備溫度的變化具有相同的趨勢(shì)。當(dāng)生物質(zhì)炭施加量為10 g/kg時(shí)，土壤水溶性鹽含量降低幅度由大到小分別為：BC500(24.91%)>BC450(24.46%)>BC400(21.56%)>BC350(18.30%)>BC300(14.40%)。

圖3 不同生物質(zhì)炭添加量對(duì)土壤溶解性鹽含量的影響

2.2.4 生物質(zhì)炭對(duì)鹽堿土壤CEC含量的影響 陽(yáng)離子交換總量是土壤凈負(fù)電荷的總量，它直接表征了土壤的肥力和緩沖能力，是進(jìn)行土壤管理和質(zhì)量評(píng)價(jià)以及土壤特征、分類(lèi)研究的重要指標(biāo)[35]。由圖5可知，加入玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭后大幅度提高了土壤陽(yáng)離子交換能力。當(dāng)熱解溫度為300℃時(shí)，土壤陽(yáng)離子交換量隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而增加，當(dāng)生物質(zhì)炭投加量分別為10，20，25 g/kg，陽(yáng)離子交換量分別提高了3,6.63和9.25倍(圖4)。與陳紅霞等[36]研究單純秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量提高幅度大。當(dāng)添加比例為300 kg/hm2時(shí)，不同裂解溫度制備的生物質(zhì)炭的添加對(duì)鹽堿土壤陽(yáng)離子交換量分別提高了：9.25倍>9.00倍>8.25倍>6.50倍>5.25倍，隨著裂解溫度的升高，陽(yáng)離子交換總量提高幅度逐漸降低，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)任何處理的鹽堿土陽(yáng)離子交換總量值。陳心想等[37]研究了生物質(zhì)炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明生物質(zhì)炭的添加顯著增加土壤陽(yáng)離子交換量，增幅為1.5%～58.2%，與本研究結(jié)果相比，對(duì)土壤陽(yáng)離子交換能力提高幅度較低。

圖4 不同生物質(zhì)炭添加量對(duì)土壤CEC的影響

3 結(jié) 論

(1) 熱解溫度影響了生物質(zhì)炭的性狀：隨著熱解溫度升高，生物質(zhì)炭表面官能團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量產(chǎn)生了顯著性的變化，比表面積逐漸增大。熱解溫度越高，生物質(zhì)炭C含量越高，O，H，N含量越低。

(2) 添加玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭培養(yǎng)一段時(shí)間后，土壤的養(yǎng)分均有不同程度的增加，同一裂解溫度下，土壤中養(yǎng)分含量均隨著添加量的增加而增加，其中有機(jī)碳含量提高幅度最大。同一添加量不同裂解溫度間，土壤全氮含量隨著溫度的升高比對(duì)照提高幅度呈下降趨勢(shì)，但仍大大提高了鹽堿土壤中氮含量，而土壤中全磷、有效磷、速效鉀、有機(jī)碳含量隨著溫度的升高提高幅度越大。

(3) 施加玉米秸稈和污泥共熱解制備的生物質(zhì)炭能夠降低土壤pH值，但降低幅度較小，降低了0.11～0.40個(gè)單位。研究結(jié)果表明，3種施加量都能起到脫鹽的效果，隨著生物質(zhì)炭施加量的增加，水溶性鹽含量降低幅度越大。3種施加量處理的土壤水溶性鹽含量隨生物質(zhì)炭制備溫度的變化具有相同的趨勢(shì)；加入生物質(zhì)炭后大幅度提高了土壤陽(yáng)離子交換能力，添加量越大，陽(yáng)離子交換量越大。

(4) 本研究充分利用污水處理廠(chǎng)剩余活性污泥富含有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素,具有較強(qiáng)的黏性、持水性等物理性質(zhì)，對(duì)其應(yīng)用于鹽堿土壤的改良。但是污泥含有大量銅、鋅、鉛、鎳等重金屬，其重金屬毒性及形態(tài)影響將在后續(xù)文章中報(bào)道。

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Co-pyrolysis Preparing Biochar with Corn Straw and Sewage Sludge and Its Effects on Saline Soil Improvement

HAN Jianhong1, LI Yanwei1, YAO Weihua1, ZHANG Lianke1, YU Weijia2, JIAO Liyan3

〔1.School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou， Inner Mongolia 014010, China; 2.Baotou Radiation Environment Management, Baotou， Inner Mongolia 014010, China; 3.Huize Water(Qingzhou) Co. Ltd., Qingzhou, Shandong 262500, China〕

[Objective] Five types of biochar were prepared by corn straw and sludge at different temperature, the effects of different biochar applications on basic soil physical and chemical properties were examined to provide scientific basis for the improvement of saline alkali soil and the ecological restoration of soil pollution. [Methods] Five types of biochars were prepared by corn straw and sewage sludge at the temperatures of 300,350,400,450,500 ℃, the structure and properties of biochars were characterized by scanning electron microscope(SEM), element assay and fourier transform infrared spectroscopy(FTIR). A laboratory incubation study was conducted to examine the effects of biochar on the basic physical and chemical properties in saline soil. [Results] The element C content increased and the elements O, H, N gradually reduced when temperature increased. With the increase of biochar, the content of organic carbon in the saline soil was significantly improved; while the mineral nitrogen, phosphorus, available phosphorus and available potassium changed very little; the content of CEC in the saline soil was significantly improved, the pH value was slightly lower, the content of soluble salts decreased significantly. [Conclusion] Corn straw and sludge-based biochar can improve the saline soil nutrient content and fertility index, and can reduce the soil salt. Corn straw and sludge-based biochar can be used for the improvement of saline soil.

biochar;salinesoil;cornstraw;manicipalslugde;pyrolysistemperature;improvement

A

： 1000-288X(2017)04-0092-07

： S156.4， X53

2016-11-02

：2016-12-21

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“秸稈污泥生物炭對(duì)內(nèi)蒙古沿黃灘地鹽堿地土壤肥力的影響”(2016MS0405)，“油料作物生物炭對(duì)包頭鐵礦區(qū)農(nóng)田土壤中鉛的穩(wěn)定化研究”(2016MS0221); 內(nèi)蒙古科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作培育項(xiàng)目(CXY201603)

韓劍宏(1966—),女(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市人,博士,教授，主要研究方向?yàn)樗Y源管理與水污染控制技術(shù)。E-mail:hjhlpm@163.com。

張連科(1980—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市人,博士研究生,副教授,土壤化學(xué)與污染修復(fù)。E-mail:lkzhang@imust.cn。