發(fā)布時(shí)間：2020-09-03 20:15

　　 生物炭是在缺氧條件下生物質(zhì)熱解生成的碳質(zhì)殘余物。生物炭是一種復(fù)雜的有機(jī)材料；其特性隨生產(chǎn)技術(shù)諸如慢速或快速熱解以及制備條件如熱解溫度、停留時(shí)間和原料使用而變化。近年來,生物炭被證明是可用以固碳和減少溫室氣體從土壤到大氣中的排放,從而減緩全球環(huán)境變化的一種工具。生物炭添加到農(nóng)業(yè)土壤中被證實(shí)可以提高土壤肥力和作物產(chǎn)量,從而改良傳統(tǒng)耕地土壤的肥力。本文旨在研究熱解溫度對(duì)生物炭的性質(zhì)和產(chǎn)量的影響,不同溫度產(chǎn)生的生物炭及其施用率對(duì)植物生長、沙漠土壤持水力和化學(xué)性質(zhì)的影響。 本文以不同來源的生物質(zhì)鋸末為原料,在五個(gè)不同的熱解溫度下(400,500,600,700和800℃)快速熱解產(chǎn)生生物炭。并對(duì)不同溫度和原料制得的生物炭進(jìn)行了工業(yè)分析、元素分析,測(cè)定了其pH值,電導(dǎo)率(EC),陽離子交換量(CEC)和植物營養(yǎng)物質(zhì)含量。此外,為了解不同生物炭的持水能力,作者進(jìn)行了布魯諾爾-埃米特-特勒(BET)表面積和孔隙率和粒徑分布分析；并通過傅立葉變換紅外(FTIR),X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)成像的分析等手段探討了生物炭的表面化學(xué)和表面形態(tài)特性。 當(dāng)熱解溫度從400℃增加到800℃時(shí),生物炭產(chǎn)量由55%下降到15.7%,而合成氣產(chǎn)率由25%提高到63.6%。生物液體的最大產(chǎn)率為在500℃熱解溫度下獲得的28.3%。隨著熱分解溫度從400℃增加到800℃,生物炭的pH值(6.35至9.31)、灰分含量(2.20至8.80%)、總碳量(51.71至77.46%)、固定碳(31.40至87.77%)、C/N比(64.86至161.37)和較高熱值(20.40至28.71公斤MJ-1)增加的同時(shí),碳轉(zhuǎn)化效率(71.41至30.55%)、揮發(fā)性物質(zhì)(VM)(72.00至20.19%),EC(2.44至0.57dS m-1)和CEC(27.50至23.60cmol kg-1)也下降。在700℃的熱解溫度下獲得的生物炭植物必需營養(yǎng)物質(zhì),如磷(P),鉀(K)含量最大。隨著熱解溫度從400℃增加到800℃,該生物炭的BET表面積從3.02上升至8.93m2g-1同時(shí)生物炭的WHC從3.77顯著增加到6.68g g-1。松木屑衍生生物炭的產(chǎn)率則為51%,而生物炭呈酸性,pH為4.21。該生物炭有54.32%的碳,其中19.23%為固定碳,灰分含量為3.27%,C/N比高達(dá)72.84。表面性質(zhì)如比表面積和WHC則與鋸末衍生生物炭基本相同。 在本研究中,作者分別選取了了來自中國庫布其沙漠和巴基斯坦的塔爾沙漠的沙土作為測(cè)試材料。不同溫度下制備獲得的生物炭(即400、500、600、700和800℃)以1%(質(zhì)量比)摻雜比與庫布其沙漠土壤混合成團(tuán),不同的處理被分別命名為T-400,T-500,T-600,T-700和T-800。同時(shí),本文還研究了不同生物炭施用率對(duì)庫布其沙漠或塔爾沙漠土壤的影響,施用率分別為0,15,22和45噸每公頃,這些處理方法分別被指定為KB-0,KB-15KB-22和KB-45或TR-0,TR-15,TR-22和TR-45。本文還選取高粱作為試驗(yàn)作物,進(jìn)行了為期八周的植物生長實(shí)驗(yàn)。通過測(cè)定植株高度和收獲植物后高梁的干物質(zhì)產(chǎn)量來監(jiān)測(cè)不同生物炭對(duì)植物生長的改良效果。為探討添加不同生物炭對(duì)沙漠土壤水力特性的影響,作者測(cè)試計(jì)算了生物炭對(duì)沙漠土壤的持水能力(WHC)、水分保持能力(WRC)、水力傳導(dǎo)系數(shù)和水本身效率(WUE)等參數(shù)。在植物生長實(shí)驗(yàn)的同時(shí),作者也對(duì)不同生物炭對(duì)沙漠土壤化學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了分析。 在T-400和T-700作用下,高粱產(chǎn)率分別增長了19%和32%,在上述施用條件下,生物炭減少了土壤柱縱向的水分消耗,因而分別提高了52%和74%的WHC。土壤導(dǎo)水率降低了15%和42%,而WRC分別提高了16%和59%。因此在T-400和T-700下,高粱凈水分利用效率分別提高了52%和74%。此外,生物炭還改善了土壤總碳,CEC和植物營養(yǎng)素的含量。 與不施加生物質(zhì)半焦對(duì)比,在施用不同量的生物質(zhì)半焦的情況下(KB-15,KB-22,KB-45,TR-15,TR-22和TR-45),土壤的涵養(yǎng)水能力分別增加了11%,22%,30%,10%,14%和27%；土壤的保水性能分別增加了17%,28%,50%,16%,27%和66%；但是其滲透率分別下降為0%,30%,37%,4%,7%和16%；pH分別降低了0.33,0.61,0.92,0.38,0.79和0.95；土壤中總碳含量增加了7%,11%,25%,6%,8%和20%：總鉀的含量增加了25%,37%,56%,31%,41%和74%；總磷的含量增加了40%,70%,83%,30%,68%,和73%。在土壤中分別施加KB-15,KB-22,TR-15和TR-45的生物質(zhì)半焦,高粱的干產(chǎn)率分別增加了16%,19%,18%和22%,水分利用率分別增加了25%,40%,27%和41%。然而,在分別施用KB-45和TR-45這兩種半焦時(shí),高粱的干產(chǎn)率分別下降了24%和27%,水分利用率也分別下降了6%和8%。因此,在土壤中施加量為15-22t/ha的生物質(zhì)半焦,有利于改善土壤的水力特性,同時(shí)高梁的干產(chǎn)率和水分利用率也得到了增加。然而,在生物質(zhì)半焦施用量比較高時(shí)(45t/ha),植物的生長和干產(chǎn)率都有所下降,其主要的原因是增加了土壤的C/N比值以及失去了一些植物生長的微量營養(yǎng)物質(zhì),比如Cu, Fe和Mn。因此,在45t/ha的生物質(zhì)半焦施用量時(shí),高粱的水分利用率有所下降。總結(jié)本文結(jié)論,為生產(chǎn)高品質(zhì)的適于土壤改良的生物炭,生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器的溫度應(yīng)該不應(yīng)超過700℃。以加入由木屑制成的快速熱解生物炭能顯著改善沙漠土壤的品質(zhì)、促進(jìn)植物生長。與低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的生物炭相比,較高的熱解溫度下產(chǎn)生的生物炭沙土改良性能更好。對(duì)150毫米厚度的沙土,生物炭施用比率為15到22t ha-1濕有利于改良沙土品質(zhì)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：S141

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本文編號(hào)：2811912