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一种新型的生物炭

作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2021.02.05
信息摘要:
江苏省农科院面源污染团队:稻麦系统的自然陈化过程对水热炭表面特征和可溶性有机成分产生影响

阿姆斯面源污染广告图一20210205


作者: 王冰玉,冯彦房*

导读: 水热炭(hydrochar)作为一种新型的生物炭,在农业和环境应用中显示出一定的优势,具有良好应用前景。 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所面源污染团队 在水热炭的农业环境应用及效应方面开展了系列研究工作。水热炭作为土壤添加剂施用后,其环境功能可能会发生改变,其性质的变化对土壤施用的影响不容忽视。考虑到水热炭和传统的高温热解生物炭(pyrochar)的理化性质有显著差异,而自然老化对水热炭性质的影响仍然不明确。因此,本研究以麦秸为原料,分别在220℃和260℃条件下制备水热炭并还田,在稻麦轮作体系中进行了为期16个月的自然老化试验,并定期采样探究水热炭的表面特征和可溶性有机成分在这个过程中的变化规律和趋势。本研究将有助于从农业生态系统和环境角度更好地理解水热炭作为土壤添加剂使用的潜力。以上相关结果发表在 Environmental Pollution 上。

水热炭的稳定性是施加进入土壤后需关注的问题,然而目前还缺少关于水热炭自然老化的相关研究。稻麦轮作体系是一种关键的农业生产系统,可作为农业生态系统的典型代表;此外,稻麦轮作也可以模拟干湿条件,有利于水热炭的自然老化过程。本研究将麦秸水热炭(标记为WHC220和WHC260)应用于稻麦轮作系统,通过对自然老化后第4个月和16个月的水热炭进行采样表征(分析分别标记为WHC220-A4 /A16和WHC260-A4 /A16),探究了自然老化过程对水热炭表面特征及其可溶性有机成分理化性质的影响。

研究表明,在16个月的老化过程中,由于可溶性有机质的淋滤以及与矿物和微生物等的相互作用,使得老化后的水热炭的亲水性/极性指数明显下降,孔隙度、灰分和稳定性显著增加。此外,老化后的水热炭具有较少的C-OH,较多的C=O和较高的芳香度(C-C/C=C)。

表1 原始和老化水热炭的元素组成和原子比


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图2 原始和老化水热炭的C分峰图谱。(a) WHC220 原始水热炭;(b) WHC220-A4老化水热炭;(c) WHC220-A16 老化水热炭;(d) WHC260 原始水热炭;(e) WHC260-A4老化水热炭;(f) WHC2260-A16 老化水热炭。

为了解自然老化过程对水热炭中可溶性有机质的影响,我们进一步对从水热炭中水提液样品进行了FT-ICR-MS分析。老化过程中,水提液样品DWHC220中木质素类和脂类化合物的相对丰度分别增加了5.48-5.28%和62.7-81.0%,而单宁类、碳水化合物和蛋白类化合物的相对丰度分别减少了59.2-76.8%、83.2-84.5%和39.7-47.4%。老化过程中,水提液样品DWHC260木质素类和类脂类化合物的相对丰度分别增加3.80-4.08%和86.3-90.0%,单宁类、碳水化合物和蛋白类化合物的相对丰度分别减少64.0-86.2%、91.6-97.3%和45.1-58.4%。而老化水热炭的水提液样品中稠环芳烃相对丰度呈现出不同的转变趋势,最初下降2.44-9.18%,随后上升2.76-5.83%。

图4显示了水热炭的水提液样品的Van Krevelen图,分别分为CHO、CHON1和CHON2三组。首先,CHO基团可能代表羧基和羟基官能团。值得注意的是,CHO基团的相对丰度从100%下降到50-53%,伴随着木质素、稠环芳烃、单宁和碳水化合物的在老化过程中的贡献增加,说明水热炭的水提液样品中这些组分很容易被去除,主要归因于为单宁和碳水化合物的释放以及微生物对木质素和缩合芳香族化合物降解。其次,在老化水热炭的水提液样品(DWHC220-A4/A16)中发现了CHON1和CHON2化合物,占比为48-50%。因此,CHON化合物在老化过程中相对丰度的逐渐增加,表明一些植物源的溶解有机碳,如木质素类、稠环芳烃类(多酚类)、单宁类、碳水化合物等,可能保留在老化水热炭上。这些结果表明,在水稻-小麦轮作体系中,释放的不稳定可溶性有机质和微生物降解导致老化水热炭中CHO化合物的减少,而保留的木质素、稠环芳烃、单宁和碳水化合物导致老化水热炭中CHON化合物的增加。

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图3 原始和老化水热炭中水提液样品的Van Krevelen图。(a) WHC220 原始水热炭;(b) WHC220-A4老化水热炭;(c) WHC220-A16 老化水热炭;(d) WHC260 原始水热炭;(e) WHC260-A4老化水热炭;(f) WHC2260-A16 老化水热炭;(g) 七组成分的V-K区域分布图;(h) 不同水提液样品中7类有机组分的相对丰度。

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图4 原始和老化水热炭中水提液样品中不同化合物(CHO、CHON1和CHON2)的Van Krevelen图。(a) WHC220 原始水热炭;(b) WHC220-A4老化水热炭;(c) WHC220-A16 老化水热炭;(d) WHC260 原始水热炭;(e) WHC260-A4老化水热炭;(f) WHC2260-A16 老化水热炭。  

本研究工作指出了水热炭的理化性质和可溶性有机成分的分子变化规律,对于预测水热炭作为土壤添加剂在农业生态系统的长期效应十分重要。从环境的角度看,水热炭理化性质的变化将进一步影响溶解有机物的释放或对污染物的固定。因此,研究水热炭理化性质变化的结果对其农业生态系统和环境应用具有重要意义。

相关文献:

[1] Wang B., Fu H., Han L., Xie H., Xue L., Feng Y.*, Xing B.2021. Physicochemical Properties of Aged Hydrochar in a Rice-Wheat Rotation System: A 16-Month Observation.Environmental Pollution, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116037.

[2] Chu Q., Xue L., Wang B., Li D., He H., Feng Y.*, Han L., Yang L., Xing B. 2020. Insights into the molecular transformation in the dissolved organic compounds of agro-waste-hydrochars by microbial-aging using electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Bioresource Technology, 320, 124411

[3] Fu H., Wang B., Li D., Xue L., Hua Y., Feng Y.*, Xie H*. 2021. Anaerobic fermentation treatment improved Cd2+ adsorption of different feedstocks based hydrochars. Chemosphere, 263, 127981.

[4] Hua Y., Zheng X., Xue L., Han L., He S., Mishra T., Feng Y.*, Yang L., Xing B. 2020. Microbial aging of hydrochar as a way to increase cadmium ion adsorption capacity: Process and mechanism. Bioresource Technology, 300, 122708.

[5] Yu S., Xue L., Feng Y.*, Liu Y., Song Z., Mandal S., Yang L., Sun Q., Xing B. 2020. Hydrochar reduced NH3 volatilization from rice paddy soil: Microbial-aging rather than water-washing is recommended before application. Journal of Cleaner Production, 122233.


原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749120367269

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