一種新型的生物炭

作者：編輯：來源：發(fā)布日期： 2021.02.05

信息摘要：

江蘇省農(nóng)科院面源污染團(tuán)隊：稻麥系統(tǒng)的自然陳化過程對水熱炭表面特征和可溶性有機(jī)成分產(chǎn)生影響

阿姆斯面源污染廣告圖一20210205

作者： 王冰玉，馮彥房*

導(dǎo)讀： 水熱炭（hydrochar）作為一種新型的生物炭，在農(nóng)業(yè)和環(huán)境應(yīng)用中顯示出一定的優(yōu)勢，具有良好應(yīng)用前景。 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所面源污染團(tuán)隊 在水熱炭的農(nóng)業(yè)環(huán)境應(yīng)用及效應(yīng)方面開展了系列研究工作。水熱炭作為土壤添加劑施用后，其環(huán)境功能可能會發(fā)生改變，其性質(zhì)的變化對土壤施用的影響不容忽視?？紤]到水熱炭和傳統(tǒng)的高溫?zé)峤馍锾浚╬yrochar）的理化性質(zhì)有顯著差異，而自然老化對水熱炭性質(zhì)的影響仍然不明確。因此，本研究以麥秸為原料，分別在220℃和260℃條件下制備水熱炭并還田，在稻麥輪作體系中進(jìn)行了為期16個月的自然老化試驗，并定期采樣探究水熱炭的表面特征和可溶性有機(jī)成分在這個過程中的變化規(guī)律和趨勢。本研究將有助于從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境角度更好地理解水熱炭作為土壤添加劑使用的潛力。以上相關(guān)結(jié)果發(fā)表在 Environmental Pollution 上。

水熱炭的穩(wěn)定性是施加進(jìn)入土壤后需關(guān)注的問題，然而目前還缺少關(guān)于水熱炭自然老化的相關(guān)研究。稻麥輪作體系是一種關(guān)鍵的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，可作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的典型代表；此外，稻麥輪作也可以模擬干濕條件，有利于水熱炭的自然老化過程。本研究將麥秸水熱炭（標(biāo)記為WHC220和WHC260）應(yīng)用于稻麥輪作系統(tǒng)，通過對自然老化后第4個月和16個月的水熱炭進(jìn)行采樣表征（分析分別標(biāo)記為WHC220-A4 /A16和WHC260-A4 /A16），探究了自然老化過程對水熱炭表面特征及其可溶性有機(jī)成分理化性質(zhì)的影響。

研究表明，在16個月的老化過程中，由于可溶性有機(jī)質(zhì)的淋濾以及與礦物和微生物等的相互作用，使得老化后的水熱炭的親水性/極性指數(shù)明顯下降，孔隙度、灰分和穩(wěn)定性顯著增加。此外，老化后的水熱炭具有較少的C-OH，較多的C=O和較高的芳香度(C-C/C=C)。

表1 原始和老化水熱炭的元素組成和原子比

圖2 原始和老化水熱炭的C分峰圖譜。(a) WHC220 原始水熱炭；(b) WHC220-A4老化水熱炭；(c) WHC220-A16 老化水熱炭；(d) WHC260 原始水熱炭；(e) WHC260-A4老化水熱炭；(f) WHC2260-A16 老化水熱炭。

為了解自然老化過程對水熱炭中可溶性有機(jī)質(zhì)的影響，我們進(jìn)一步對從水熱炭中水提液樣品進(jìn)行了FT-ICR-MS分析。老化過程中，水提液樣品DWHC220中木質(zhì)素類和脂類化合物的相對豐度分別增加了5.48-5.28%和62.7-81.0%，而單寧類、碳水化合物和蛋白類化合物的相對豐度分別減少了59.2-76.8%、83.2-84.5%和39.7-47.4%。老化過程中，水提液樣品DWHC260木質(zhì)素類和類脂類化合物的相對豐度分別增加3.80-4.08%和86.3-90.0%，單寧類、碳水化合物和蛋白類化合物的相對豐度分別減少64.0-86.2%、91.6-97.3%和45.1-58.4%。而老化水熱炭的水提液樣品中稠環(huán)芳烴相對豐度呈現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)變趨勢，最初下降2.44-9.18%，隨后上升2.76-5.83%。

圖4顯示了水熱炭的水提液樣品的Van Krevelen圖，分別分為CHO、CHON1和CHON2三組。首先，CHO基團(tuán)可能代表羧基和羥基官能團(tuán)。值得注意的是，CHO基團(tuán)的相對豐度從100%下降到50-53%，伴隨著木質(zhì)素、稠環(huán)芳烴、單寧和碳水化合物的在老化過程中的貢獻(xiàn)增加，說明水熱炭的水提液樣品中這些組分很容易被去除，主要?dú)w因于為單寧和碳水化合物的釋放以及微生物對木質(zhì)素和縮合芳香族化合物降解。其次，在老化水熱炭的水提液樣品（DWHC220-A4/A16）中發(fā)現(xiàn)了CHON1和CHON2化合物，占比為48-50%。因此，CHON化合物在老化過程中相對豐度的逐漸增加，表明一些植物源的溶解有機(jī)碳，如木質(zhì)素類、稠環(huán)芳烴類(多酚類)、單寧類、碳水化合物等，可能保留在老化水熱炭上。這些結(jié)果表明，在水稻-小麥輪作體系中，釋放的不穩(wěn)定可溶性有機(jī)質(zhì)和微生物降解導(dǎo)致老化水熱炭中CHO化合物的減少，而保留的木質(zhì)素、稠環(huán)芳烴、單寧和碳水化合物導(dǎo)致老化水熱炭中CHON化合物的增加。

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圖3 原始和老化水熱炭中水提液樣品的Van Krevelen圖。(a) WHC220 原始水熱炭；(b) WHC220-A4老化水熱炭；(c) WHC220-A16 老化水熱炭；(d) WHC260 原始水熱炭；(e) WHC260-A4老化水熱炭；(f) WHC2260-A16 老化水熱炭；(g) 七組成分的V-K區(qū)域分布圖；(h) 不同水提液樣品中7類有機(jī)組分的相對豐度。

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

本研究工作指出了水熱炭的理化性質(zhì)和可溶性有機(jī)成分的分子變化規(guī)律，對于預(yù)測水熱炭作為土壤添加劑在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期效應(yīng)十分重要。從環(huán)境的角度看，水熱炭理化性質(zhì)的變化將進(jìn)一步影響溶解有機(jī)物的釋放或?qū)ξ廴疚锏墓潭?。因此，研究水熱炭理化性質(zhì)變化的結(jié)果對其農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境應(yīng)用具有重要意義。

相關(guān)文獻(xiàn)：

[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.

原文鏈接：

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

阿姆斯面源污染廣告圖二20210205

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