生物炭在提高土壤肥力及控制氮磷面源污染方面具有重要作用。本研究以玉米秸秆为生物质材料,分别在250℃、350℃和450℃碳化温度下制备了三种玉米秸秆生物炭(B250、B350和B450),利用红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)对其结构和表面形貌进行了表征,通过实验室模拟研究了三种玉米秸秆生物炭对氮、磷的吸附性能,同时研究了吸附液不同pH对其吸附特性的影响。将B450玉米秸秆生物炭按不同比例(玉米秸秆生物炭所占质量比分别为0、0.5%、1%、2%)与暗棕壤及黑土混合进行培养30天后取样,进行基本理化性质测定和模拟吸附实验,研究玉米秸秆生物炭对土壤氮、磷吸附特征的影响。研究结果如下:(1)不同碳化温度条件下制备的玉米秸秆生物炭的理化性质存在差异。随碳化温度升高,玉米秸秆生物炭pH增大,且均呈偏碱性;全氮、全磷含量相近,但存在形态有所差异。扫描电镜和红外光谱分析结果表明,随碳化温度升高,玉米秸秆生物炭表面的微孔形变程度加剧,有利于提高其吸附性能;玉米秸秆生物炭的芳构程度增强,稳定性提高。(2)不同碳化温度条件下制备的玉米秸秆生物炭对氮、磷的吸附动力学和热力学实验结果表明:B250玉米秸秆生物炭具有较强的磷释放能力,对磷呈现显著负吸附。可用Lagergren准二级动力学方程较好的描述玉米秸秆生物炭对氮、磷的吸附动力学过程。对磷的吸附速率快慢顺序为:B450>B350;对氮的吸附速率快慢顺序为:B450>B350>B250。可用Langmuir方程描述玉米秸秆生物炭对氮、磷的吸附热力学过程,对氮、磷的饱和吸附量高低顺序均为:B450>B350>B250,对氮的饱和吸附量依次为15.04、14.11、13.11 mg/g,对磷的饱和吸附量依次为2.33、2.03、1.07×10-6 mg/g。在相同条件下,玉米秸秆生物炭对氮的饱和吸附量高于磷。(3)吸附液不同pH条件下玉米秸秆生物炭对氮、磷的吸附动力学和热力学实验结果表明:Lagergren准一级动力学方程能较好的描述玉米秸秆生物炭对氮、磷的吸附动力学过程。当吸附液pH在8-10范围内,玉米秸秆生物炭对磷的吸附速率最快。当吸附液pH在4-8范围内,玉米秸秆生物炭对氮的吸附过程达到平衡所需时间均比磷的平衡时间短。Langmuir方程能较好的描述玉米秸秆生物炭对氮、磷的吸附热力学过程。当吸附液pH在8-10范围内,玉米秸秆生物炭对磷的饱和吸附量最大(5.30 mg/g),吸附液pH在6-8范围内时次之,吸附液pH在4-6范围内时最小。当吸附液pH在8-10范围内玉米秸秆生物炭对氮的饱和吸附量最高,为9.90 mg/g,高于对磷的饱和吸附量。(4)玉米秸秆生物炭可以加深土壤颜色,提高土壤有机质、全氮、全磷以及有效氮、速效磷的含量。相较于黑土,暗棕壤的pH及全氮、全磷、有效氮、速效磷含量较低,添加生物炭后升高更明显。(5)暗棕壤及黑土对氮、磷的吸附动力学和热力学实验结果表明:可用Lagergren准一级动力学方程拟合土壤对氮、磷的吸附动力学过程,随玉米秸秆生物炭添加量增大,暗棕壤对氮、磷的吸附速率增大;添加玉米秸秆生物炭能提高黑土的吸附速率,但随玉米秸秆生物炭添加量增大,吸附速率增加不明显。黑土对氮、磷的吸附速率高于暗棕壤。可用Langmuir方程较好的拟合土壤对氮、磷的吸附热力学过程。随玉米秸秆生物炭添加量增大,暗棕壤对氮、磷的饱和吸附量增加,对氮的饱和吸附量依次为3.34、3.83、5.25、5.28 mg/g,对磷的饱和吸附量依次为3.09、3.19、3.53、3.61 mg/g,对氮、磷的固定能力增强;黑土对氮、磷的饱和吸附量增加,随添加量进一步增大,增加趋势趋于缓慢,对氮的饱和吸附量依次为4.14、8.94、10.23、10.27 mg/g,对磷的饱和吸附量依次为6.30、7.11、7.38、7.45 mg/g。黑土对氮、磷的饱和吸附量高于暗棕壤,土壤对氮的饱和吸附量高于磷。
