氯化钙改性稻草秸秆炭制备及其在土壤氮磷截留中的应用

【摘要】：磷(P)通常是水中微生物藻类生长的限制因素,是水体富营养化的主要原因。自然条件下,P的主要以磷酸盐的形态存在,吸附法以其高效、低廉的特性在磷酸盐去除的研究应用最为广泛。另外,我国每年约有60%水稻秸秆无法有效利用而废弃焚烧,造成了大量能源浪费和环境污染。本文研究采用一种安全低廉的化学物——氯化钙为稻草秸秆炭的活化剂,制备稻草秸秆炭,作为控制农业面源的吸P材料。探究稻草秸秆炭制备工艺条件(碳化温度、浸渍比)和吸附条件(初始P浓度、吸附剂用量、吸附时间、pH以及干扰离子)对稻草秸秆炭吸P性能的影响及其吸附机理；同时模拟24 h降雨情况,采用土柱淋溶方式,研究其对不同土壤(黏土、粉壤土、砂土)的氮磷淋溶的截留作用；最后,将稻草秸秆炭(改性与未改性)以不同施加方式(撒施和包裹施加；施加量为1或2 t hm-2)应用于农田,探究其对农田系统(田面水、土壤、水稻植株)产生的影响。研究发现：1)未改性稻草秸秆炭对溶液中磷素几乎无吸附效果,去除率小于5%(用量为4 g L-1)；而优化吸磷稻草秸秆炭的制备工艺,选择活化剂为CaCl2溶液(wt=10%),碳化温度为700-C,浸渍比(W稻草：W氯化钙)为1：0.5,得到的改性稻草秸秆炭吸附剂用量为4 g L-1对于10.30 mg P L-1的KH2P04溶液中P的去除率达到95%以上。稻草秸秆炭吸附P符合Langmiur吸附模型(R2=0.947),为单分子层化学吸附；主要依靠离子交换吸附：H2P04取代结合在Ca离子上的OH-而被吸附,使得吸附后的水样pH值上升(由6.87上升至9.62)。氯化钙改性稻草秸秆炭对水体中的正磷酸盐具有优异的吸附性能,是良好的吸磷材料。2)将改性稻草秸秆炭应用于土柱淋溶实验时,24h的淋溶条件下,相较于空白对照组,改性稻草秸秆炭(施加量1和2 t hm-2)对不同类型土壤的N、P淋溶截留效果差别很大,粘粒含量高、水分下渗速度低的土壤N、P淋溶截留效果好,黏土的N、P淋溶截留(TN、TP累计截留率分别达到70%和20%)效果明显优于粉壤土和砂粉土(TN、TP累计截留率分别为10-18%和0-10%)。因而,改性稻草秸秆炭对土壤氮磷淋溶有一定的截留作用,截留效率受土壤本身性质的影响。3)改性稻草秸秆炭和未改性稻草秸秆炭的施加(1和2 thm-2)于稻田,在施肥后3h内,撒施改性稻草秸秆炭(2 t hm-2)可降低田面水中60-85%的P浓度和50%的N浓度；改性稻草秸秆炭和末改性稻草秸秆炭的施加,均小幅提高土壤pH值(0-0.1)、增加土壤中Organic P含量(0.04～0.16 gP kg-1)和NH4+-N含量(0-0.0076g N kg-1),而土壤中STC、STN、STP含量并无显著变化；撒施改性稻草秸秆炭和未改性稻草秸秆炭可提高水稻株高(1-7 cm)但对水稻有效穗数、地面部分总重、稻谷产量无显著影响；而采用包裹施加的方式亦可提高水稻株高,但因其可能炭吸附部分N、P,导致减产。综上,本实验选用的施加量条件下,撒施改性稻草秸秆炭于稻田(粘土,青紫泥田),能极大缓解土壤的氮磷径流流失风险,但对土壤中氮磷含量及水稻生产力等指标无显著影响。 【关键词】：面源污染 吸附 稻草秸秆炭 氯化钙改性 氮磷淋溶
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X712;X52
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• Abstract10-18
• 缩略词清单18-19
• 1. 绪论19-33
• 1.1 研究背景19-20
• 1.2 改性稻草秸秆炭制备20-25
• 1.2.1 农业秸秆废弃物利用现状20-21
• 1.2.2 改性秸秆炭制备方法21-25
• 1.3 生物质炭对土壤氮磷固持原理25-30
• 1.3.1 吸磷材料及吸磷元素25-26
• 1.3.2 生物质炭对土壤理化性质及微生物的影响26-27
• 1.3.3 生物质炭对土壤氮磷淋溶的截留效果27-28
• 1.3.4 生物质炭对农作物产量的影响28-30
• 1.4 研究内容与技术路线30-31
• 1.4.1 研究目标30
• 1.4.2 研究内容30-31
• 1.4.3 技术路线31
• 1.5 研究条件31-33
• 2. 改性稻草秸秆炭制备及其吸磷性能研究33-46
• 2.1 引言33-34
• 2.2 材料与方法34-38
• 2.2.1 稻草秸秆炭制备与优化34-36
• 2.2.2 改性稻草秸秆炭吸附实验设计36-37
• 2.2.3 样品测试与分析37-38
• 2.2.4 数据分析与处理38
• 2.3 结果与讨论38-45
• 2.3.1 改性稻草秸秆炭基本特征38-40
• 2.3.2 吸附条件对改性稻草秸秆炭吸磷性能的影响40-42
• 2.3.3 改性稻草秸秆炭吸附后离子浸出情况42-43
• 2.3.4 改性稻草秸秆炭吸磷机理分析43-45
• 2.4 本章小结45-46
• 3. 改性稻草秸秆炭对氮磷淋溶截留的影响46-54
• 3.1 引言46
• 3.2 材料与方法46-48
• 3.2.1 供试土壤基本性质46-47
• 3.2.2 试验设计47
• 3.2.3 样品采集与分析47-48
• 3.2.4 数据分析与处理48
• 3.3 结果与讨论48-52
• 3.3.1 粘土(青紫泥田土)氮磷淋溶流失情况48-50
• 3.3.2 粉壤土(黄斑田土)氮磷淋溶流失情况50-51
• 3.3.3 砂性土(黄泥沙菜地土)氮磷淋溶流失情况51
• 3.3.4 三种土壤类型氮磷淋溶累计截留率51-52
• 3.4 本章小结52-54
• 4. 改性稻草秸秆炭对稻田氮磷截留及生产力综合影响54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 材料与方法54-58
• 4.2.1 供试土壤基本性质54-57
• 4.2.2 试验设计57
• 4.2.3 样品采集与测定57-58
• 4.2.4 数据分析与处理58
• 4.3 结果与讨论58-65
• 4.3.1 改性秸秆炭对田面水的影响58-60
• 4.3.2 改性秸秆炭对土壤的影响60
• 4.3.3 改性秸秆炭对水稻产量的影响60-65
• 4.4 本章小结65-66
• 5. 结论与展望66-68
• 5.1 研究结论66-67
• 5.2 论文创新点67
• 5.3 研究展望67-68
• 参考文献(References)68-76
• 作者简历、科研成果及奖励76-77

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