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资环所薛利红团队在生物质碳化的农田环境效应研究领域获系列进展

资环所农业生态与面源污染治理团队在废弃物碳化及环境应用方面取得系列进展,发表论文12篇;申报国家发明专利5项,1项发明专利转让到炭基肥企业。

一、创新生物质碳化还田技术,实现稻田稳产增产前提下的氨挥发及温室气体减排

1)团队采用微生物陈化的方法对农林废弃物水热炭进行改良后还田,实现水稻单位产量氨挥发累积排放量的显著降低;并从土水养分动态及理化性质、土壤功能基因和酶活性角度系统分析了减排机制Journal of Cleaner Production, 2020a;《环境科学》2020a[论文1、2]。此外,实验验证了低肥力稻田土壤中应用水热炭及其微生物改良产物,在水稻产量增加的同时还可有效控制稻田温室气体排放强度(Science of The Total Environment, 2020a[论文3]

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1. 微生物陈化改良水热炭减少了稻田氨挥发排放


2)团队利用富营养化水体产生的小球藻等微藻制成水热炭,施入稻田后可增加水稻产量,但也增加了氨挥发及氧化亚氮排放。利用黏土热活化技术对水热炭进行改良后还田,提升了其对铵根的固持能力,增产的同时显著减少了氨挥发(-41.8%)(Science of the Total Environment, 2020b; Science of the Total Environment, 2020c[论文4、5]

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2. 黏土矿物改良水热炭在增产的同时显著降低了氨挥发排放


3团队首次提出将高温裂解碳化过程的液体副产物木醋液与生物炭配施还田,可有效解决单施木醋液(酸性)或生物炭(碱性)可能造成的不良环境影响,实现氨挥发减排和增产,而且对温室气体N2OCH4的减排效果更突出,温室气体排放强度(GHGI)两年平均减排56.7%,并分析了相关机制(Chemosphere, 2020Environmental Pollution, 2020[论文6、7]

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3. 两年实验表明木醋液配施生物炭显著降低了温室气体排放


4)团队通过两年两种类型土壤的研究发现,水热炭经物理或生物改良后,由于表面特性改善和养分的变化,在两种类型土壤上均能够增加水稻产量和氮素吸收,减少氮素损失,且其效应不受水热炭添加量影响。结合文献荟萃分析发现,高C/N比水热炭材料更有利于高肥力土壤水稻氮素吸收量的增加(《环境科学》,2020b[论文8] 

二、在养殖废水中培养微藻并制成水热炭,可实现磷素高效循环利用

养殖废水中富含磷,将其安全高效的农田回用具有重要意义。团队研究发现用养殖废水培养小球藻和微囊藻,可将88.4%的磷富集到藻细胞;然后通过水热碳化,可实现91.5%的磷转移到水热炭中,且磷的形态主要以植物易于吸收的铁铝结合态存在,可作为一种缓释磷肥。将其还田后提高了土壤磷的有效性和小麦产量。本研究创新性的提出了将养殖废水的磷素循环利用以实现减磷增效的新策略(Journal of Cleaner Production, 2020b[论文9]

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4. 养殖废水培养微藻并制备水热炭还田可实现磷素的高效回收利用


三、通过生物和化学方法对水热炭改良可提升其对镉的吸附能力,还田后可降低籽粒镉累积

微生物陈化和化学改良方法均增加了不同水热炭的比表面积以及表面氧化性,显著提高了其对水体中镉的吸附能力,且还田后减少了水稻籽粒中镉的积累。这一结果显示水热炭在重金属污染土壤修复和水体环境治理中具有应用前景(Bioresource Technology2020Chemosphere2021;《农业环境科学学报》,2020[论文10、11、12]

以上研究主要得到了冯彦房主持的国家自然科学基金面上项目(41877090)、国家重点研发计划课题(2018YFD0800206),薛利红主持的江苏省农业自主创新课题(CX(19)1007)等科研项目的支持;前后近十位本科实习生参与相关实验的采样分析等工作,在此一并致谢。2020年度,指导的硕士研究生1人次获省优秀毕业生称号,1人次获国家奖学金,2人次获校级奖学金;参与相关工作的博后顺利出站并进入日本东京大学成为讲师。


附:2020年度团队在相关领域发表的论文列表

[1] Yu S., Xue L., Feng Y.*, Liu Y., Song Z., Mandal S., Yang L., Sun Q., Xing B. 2020a. Hydrochar reduced NH3 volatilization from rice paddy soil: Microbial-aging rather than water-washing is recommended before application. Journal of Cleaner Production, 122233. IF=7.2,一区)

[2] 余姗, 薛利红, 花昀, 李德天, 谢斐, 冯彦房*, 孙庆业, 杨林章. 2020a. 水热炭减少稻田氨挥发损失的效果与机制. 环境科学, 41(2), 922-931. EI, 卓越期刊)

[3] Hou P., Feng Y., Wang N., Petropoulos E., Li D., Yu S., Xue L.*, Yang, L. 2020a. Win-win: Application of sawdust-derived hydrochar in low fertility soil improves rice yield and reduces greenhouse gas emissions from agricultural ecosystems. Science of The Total Environment, 748, 142457. IF=6.6,一区)

[4] Chu Q., Xue L., Cheng Y., Liu Y., Feng Y.*, Yu S., Meng L., Pan G., Hou P., Duan J., Yang L. 2020b. Microalgae-derived hydrochar application on rice paddy soil: Higher rice yield but increased gaseous nitrogen loss. Science of The Total Environment, 717, 137127. IF=6.6,一区)

[5] Chu Q., Xu S., Xue L., Liu Y., Feng Y.*, Yu S., Yang L., Xing B. 2020c. Bentonite hydrochar composites mitigate ammonia volatilization from paddy soil and improve nitrogen use efficiency. Science of The Total Environment, 718(20), 137301. IF=6.6,一区)

[6] Sun H., Feng Y.*, Xue L., Mandal S., Wang H., Shi W., Yang L. 2020. Responses of ammonia volatilization from rice paddy soil to application of wood vinegar alone or combined with biochar. Chemosphere, 242, 125247. IF=5.1,二区TOP

[7] Feng Y., Li D., Sun H.*, Xue L., Zhou B., Yang L., Liu J., Xing B. 2020. Wood vinegar and biochar co-application mitigates nitrous oxide and methane emissions from rice paddy soil: A two-year experiment. Environmental Pollution, 267, 115403. IF=6.8,二区TOP

[8] 侯朋福, 薛利红, 冯彦房*, 余姗, 杨林章. 2020b. 废弃物基水热炭改良对水稻产量及氮素吸收的影响. 环境科学, 41(12). EI, 卓越期刊)

[9] Chu Q., Lyu T., Xue L.*, Yang L., Feng Y., Sha Z., Yue B., Mortimer R.J.G., Cooper M., Pan G*. 2020b. Hydrothermal carbonization of microalgae for phosphorus recycling from wastewater to crop-soil systems as slow-release fertilizers. Journal of Cleaner Production, 124627. IF=7.2,一区)

[10] 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. IF=7.5,一区)

[11] Fu H., Wang B., Li D., Xue L., Hua Y., Feng Y.*, Xie H*. 2021. Anaerobic fermentation treatment improved Cd(II) adsorption of different feedstocks based hydrochars. Chemosphere, 263, 127981. IF=5.1,二区TOP

[12] 花昀, 刘杨, 冯彦房, 何华勇, 杨梖, 杨林章, 薛利红*. 2020. 微生物陈化可提升麦秆水热炭对Cd(II)吸附性能. 农业环境科学学报, 39(7), 1613-1622. 


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