玉米秸秆基生物炭制备及改良白浆土研究

白浆土分布广泛，主要位于中国东北地区，特别集中在黑龙江省的三江平原。这种土壤由粉砂和粘粒组成，形成了紧密的结构，其砂粘比高达2.0左右，类似于混凝土。白浆土透水性和透气性差，易于形成板结，导致旱涝灾害频发。由于养分贫瘠，土壤中微生物数量稀少且生存空间有限，对作物生长和肥料利用效率有负面影响。

在黑龙江省的调查研究中发现，白浆土地区的大田作物产量普遍较低，比同区域的黑土地少产约20%。因此，白浆土被认为是区域性的低产土壤，近年来受到广泛关注和研究。

生物质炭是一种在缺氧或氧含量受限条件下，通过高温热解生物质原料制备的固态物质。其结构具有丰富的孔隙和活性官能团，能有效吸附和固定重金属及有机污染物，从而修复和改善受污染的土壤。生物质炭可以稳定存在于土壤中，不仅有助于固定大气中的碳，还能显著减少二氧化碳的排放。

此外，生物质炭施入土壤后能显著提高土壤的微生物活性，改善土壤的保水性、保肥性和透气性。通过增加土壤的养分吸收能力和肥力，生物质炭有助于提升农作物的产量。因此，本项目旨在探究生物质炭在改良白浆土中的效果，使用玉米秸秆制备生物质炭，并评估不同施用量对土壤氮、磷淋溶特性及作物生长的影响，为白浆土的改良和农业污染控制提供理论支持。

项目的研究目标是利用玉米秸秆制备生物炭，探索其在改良“酸、黏、重”等不良特性的白浆土以及对作物生长的影响。具体研究内容包括：

（1）生物炭制备工艺优化

通过高温热解技术，以玉米秸秆为原料制备生物炭。使用单因素试验研究影响生物炭质量的因素，如原料粒径、热解温度和炭化时间。

（2）工艺参数优化

采用正交旋转组合试验设计，建立原料粒径、热解温度和炭化时间对生物炭性质（比表面积、孔隙度、pH值、碳氮含量）的影响模型，确定最佳制备工艺。

（3）生物炭对土壤性质的影响

采用室内模拟土柱淋溶实验，研究生物炭添加后白浆土中氮素淋溶、土壤pH、以及硝态氮和磷酸盐含量的变化。

（4）生物炭对作物生长的影响

进行盆栽试验，评估不同施用量生物炭对大豆生长发育及土壤理化性质的影响。确定最适合白浆土改良和作物生长的生物炭施用量。

生物炭是生物质材料在限氧或无氧条件下，采用高温热解、气化或水热碳化等技术制备而成的一种结构稳定、多孔、富含炭的物质，在环境修复、土壤改良及能量回收等方面具有显著的优势。近些年，国内外学者针对生物炭制备及应用方面进行了大量的科学研究并取得了一定的研究成果。

生物炭制备及应用国外研究进展

生物质炭的制备受到两大关键因素的影响：生物质本身的特性和热解过程的参数。生物质的特性包括原料种类、含水率和粒径大小；而热解过程的参数涵盖热解温度、升温速率、保温时间以及使用的气体类型等。研究表明，在400°C至1000°C的热解温度范围内制备的生物质炭，其比表面积可达200至400 m2/g，远高于低温条件下制备的活性炭。生物质炭因其独特的理化性质，如丰富的孔隙结构、较高的pH值和丰富的官能团，与普通活性炭有所区别。这些特性赋予生物质炭良好的土壤改良性能，可以提高肥料利用效率并实现持续缓释效果。此外，生物质炭具有表面带正负电荷和高度发达的孔隙结构，使其在污染物吸附方面表现突出，这是它与传统活性炭显著不同的特点之一。

Medic等人的研究发现，对玉米秸秆和干草进行低温热解（10分钟、20分钟和30分钟停留时间），显示炭化时间延长可增加能量密度，但会降低质量和能量得率。此外，原料含水率较低时，质量和能量得率的波动幅度较小。

Uchimiya等人的研究表明，以棉花籽为原料，热解温度在200至800°C范围内进行。结果显示，低于400°C时，随着温度升高，生物炭产率显著下降，这主要是由于挥发性物质的损失和无法冷凝的气体（如CO2、CO、H2和CH4）的释放。然而，高于400°C时，尽管温度进一步升高，生物炭的产率保持相对稳定，这是因为棉花籽中木质素含量较低的原因。

Mamaeva等人利用花生壳和松木屑为原料，研究了不同催化剂（活性炭和褐煤焦）、热解温度（300°C、400°C、500°C和600°C）以及生物质与催化剂混合比例（8:1、8:1.5、8:2和8:2.5）对热解产物产率和组成的影响。他们通过GC-MS分析发现，在催化剂为活性炭、热解温度为300°C时，花生壳和活性炭混合比例为8:1时，热解油中酚类物质含量最高。此外，在微波热解过程中，观察到生物炭颗粒表面形成了碳纳米管。

Tryon的研究表明，生物炭施加到沙土和肥沃土壤中可以显著改善土壤的含水量。生物炭具有多孔结构和高比表面积，能够调节土壤的孔隙结构，影响土壤的渗透系数和溶液停留时间。这种改善了土壤的水分条件有助于保持植物根系范围内的水分充足，提高土壤中矿物元素的溶解率，从而提高植物的吸收利用效率和产量。

Glaser等人的研究发现，在巴西亚马逊地区，富含生物炭的土壤较邻近无生物炭的土壤含水量高出18%。因此，为了提升中低产田的土壤保水能力，增加生物质炭的施用量至关重要。此外，土壤的含水量不仅取决于其质地，还受生物质炭的颗粒大小、比表面积和密度等因素的影响。

生物炭制备及应用国内研究进展

近年来，国内学者和研究机构对生物质炭进行了广泛研究。例如，王秦超等通过热解稻秆、桑树枝、杨树枝和竹子，发现热解温度在250 ℃～300 ℃时，随着温度升高，生物质的生物炭得率和能量得率显著降低，如稻秆在250 ℃条件下的生物炭得率为55.06%，能量得率为76.55%。

朱丹晨等在不同温度下对木屑进行热解试验，结果显示，在550 ℃～650 ℃范围内热解制备的生物质炭具有较高的高位热值，且含氧官能团逐渐减少，表现出较好的疏水性能。此外，这一温度区间制备的生物质炭碱金属元素含量较低。

李飞跃等研究了以核桃壳为原料制备生物质炭的过程，热解温度范围从200 ℃到700 ℃不等。研究结果表明，热解温度显著影响生物质炭的得率、元素组成、表面官能团的分布以及其稳定性，温度越高，这些参数变化越明显。

陈温福等首次系统地探讨了农业废弃物制备生物质炭在土壤改良和农田生态系统中的应用，为秸秆基生物质炭的回归和土壤改良技术的集成奠定了基础。目前，生物质炭已广泛应用于治理受有机或无机物污染的土壤，显著改善了土壤理化性质并提高了作物产量。

张阿凤等研究了生物质炭自身的理化特性对提高土壤肥力和作物产量的积极影响。研究发现，生物质炭的添加显著增加了土壤中速效养分和可交换性离子的含量，减少了养分的流失，并提升了作物的抗病能力。

徐振华的研究利用花生壳制备生物质炭表明，施加每千克土壤50克的生物质炭能显著提高土壤的pH值，特别适用于我国东北部酸性和低肥力的白浆土改良。生物质炭表面富含-COOH和-OH官能团，有效提升了土壤的阳离子交换容量（CEC），从而有助于改善土壤肥力。

张斌等人在广汉平原稻-麦轮作体系的研究结果显示，生物质炭在无氮肥条件下对土壤性质的改良效果稳定且持久。然而，在存在氮肥的情况下，生物质炭对不同土壤性质的影响程度各异。

本项目的创新之处在于采用高温热解技术，以玉米秸秆为原材料，制备出一种玉米秸秆基生物炭，并将其应用于白浆土的改良，探讨生物炭在土壤改良和促进农业生态可持续发展方面的潜力。?

1.技术路线

本项目的技术路线如下所示。

2.拟解决的问题

（1）探究玉米秸秆基生物炭最佳制备工艺。

（2）研究不同生物炭添加量对白浆土pH值、土壤中硝态氮及磷酸盐含量的影响规律。

3.预期成果

（1）制备一种玉米秸秆基生物炭，并明确其最佳的制备工艺。

（2）确定用于白浆土改良的生物炭最佳添加量。

（3）发表学生论文1篇。

（4）撰写研究报告1分。

2024年6月-2024年7月，查阅相关资料，确定项目的总体研究方案。

2024年8月-2025年1月，制定试验方案，进行生物炭制备试验，确定其最佳制备工艺。

2025年2月-2025年4月，进行生物炭室内淋溶实验和盆栽试验，探究生物炭对白浆土的改良效果。

2025年4月-2025年5月，进行项目总结，撰写项目结题报告，完成项目结题。