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近年来，中国农业面源污染问题严重，而氮肥盲目过量使用导致的农田氮损失高，氮肥利用率低是农业面源污染的主要原因之一。控制农田氮损失不仅能提高氮肥利用率，减少农业成本，而且对控制农业面源污染具有重要意义。从农林废弃物制备的生物炭比表面积大、孔隙结构丰富、具有多种表面官能团，能有效降低土壤中的氮通过淋溶、挥发等途径造成的损失，提高氮肥利用效率。缓释氮肥可以延长作物对养分利用的时间，解决当前普通氮肥利用率低的问题。农林废弃物制备缓释肥料包膜材料将是一种废弃物高值化利用途径。因此，探明用于缓释肥料包膜材料的生物炭特征，研发生物炭基包膜尿素，研究生物炭包膜尿素列氮损失和氮肥利用率的影响和机理，对解决中国农林废弃物高值化利用和防控农业面源污染具有意义。
本研究首先选择6种农林废弃物，在不同温度下制备生物炭材料，分析制备参数对生物炭特性指标的影响。通过将不同特性生物炭直接施入土壤培养试验，分析生物炭特性指标对肥料氮损失的影响及机理，为缓释尿素包膜生物炭的选择提供依据。采用灰色相关度分析，优选3种生物炭作为制备生物炭包膜尿素的包膜材料，并评价生物炭包膜尿素制各的可行性及氮溶出特性。最后选择一种最优生物炭包膜尿素，利用盆栽试验研究最优生物炭包膜尿素农学和环境效应，探明生物炭包膜尿素对肥料氮损失和氮利用率的影响和机理。主要结果总结如下:
(1)以六种典型农林废弃物（水稻秸秆、楠竹、芦竹、酒糟、甘蔗渣和鸡粪），通过热解方法研究热解温度（400℃，500℃，600℃和700℃）对生物炭各参数的影响。结果显示，随温度的升高，六种废物制备的生物炭产率降低，灰分含量升高，O/C、H/C降低，芳香化程度增加，表面氨基、甲基、亚甲基、羟基C-O、C=O等官能团断链，pH升高，BET比表面积升高;但是温度过高时(＞600℃)，水稻秸秆、酒糟、甘蔗渣和鸡粪制备的生物炭比表面积降低;生物炭中营养元素N的含量下降，但P、K、Ca、Mg含量升高。生物质原料类型对生物炭特性参数有影响，如楠竹原料灰分含量低，本身具有纤维束结构，木质纤维素含量高，营养元素含量低，其制备的生物炭灰分含量低，pH低，比表面积大，芳香化程度高;而鸡粪炭质地松散，灰分较高，营养元素含量高，其制备的生物炭灰分较高、比表面积小。
(2)通过土施生物炭培养试验(共设置8个处理，每个处理3个重复，分别为不施生物炭和尿素-CK、施尿素-U、施秸秆炭和尿素-BR6+U、施鸡粪炭和尿素-BC6+U、施酒糟炭和尿素-BV6+U、施楠竹炭和尿素-BP6+U、施芦竹炭和尿素-BA6+U、施甘蔗渣炭和尿素-BS6+U，其中生物炭制备温度600℃，添加量为0.5％)研究了生物炭特性指标对肥料氮损失的影响及机理。结果表明，生物炭能够显著降低土壤的氮损失，主要表现为减少氨挥发和淋溶液中的NH4+-N损失。与单独添加尿素处理相比，施生物炭可以降低施尿素土壤8.00％-24.76％氨挥发，降低3.86％-17.08％NH4+-N淋溶损失;生物炭特性参数中影响施用尿素土壤氨挥发和NH4+-N淋溶主要指标包括生物炭比表面积、灰分含量、pH、表面酸性和负电荷的官能团等，其中生物炭比表面积和pH的影响更显著。以生物炭产率、N含量、O/C原子比、BET比表面积为有利指标，生物炭灰分含量、H/C原子比、pH为不利指标进行灰色关联度分析，结果与试验结果相符，表明灰色关联度分析法可以作为评价生物炭对施用尿素土壤氮损失的方法;
(3)采用灰色关联度分析法优选出600℃制备的楠竹炭、酒糟炭和秸秆炭作为制备生物炭包膜尿素的材料。生物炭包膜缓释尿素制备试验发现，生物炭材料中具有较高O/C原子比、较多表面含氧官能团指标的生物炭易成型，而生物炭的添加比例越高，生物炭越不易粘附;秸秆炭和酒糟炭比楠竹炭更适合作为缓释包膜尿素的包膜材料;25％的生物炭添加比例制备生物炭包膜尿素更易成型。基于静水和土壤淋溶试验研究，本研究制备的12种生物炭包膜尿素中VI45-27、VII25-33和PII25-33符合中国缓释肥料的标准;试验发现低pH、低灰分和高比表面积的生物炭材料制备的生物炭包膜尿素的氮释放速率低。综合考虑生物炭包膜尿素制备的可行性以及氮的释放特征，酒糟炭作为生物炭包膜尿素的材料性能最佳;
(4)通过红壤种植油菜温室培养试验（共设置8个处理，每个处理3个重复，分别为不施氮-CK;施尿素-Ureal;施减氮量20％的尿素-Urea2;施尿素+0.5％生物炭-U1+B;施减氮量20％的尿素+0.5％生物炭-U2+B;施生物炭包膜尿素-BCU1;施减氮量20％的生物炭包膜尿素-BCU2;施生物炭包膜尿素+生物炭，生物炭总量占0.5％-BCU1+B）研究了微碱性高吸附性生物炭对氨挥发，氮淋溶和油菜生物量的影响。试验结果表明，生物炭包膜尿素能够有效减少氮损失，提高氮肥利用率。与单独施尿素比较，生物炭包膜尿素的总氮损失减少了30％左右，比生物炭和尿素混施土壤处理的总氮损失减少了18％-25％。生物炭包膜尿素减少氮损失的主要途径是减少氮淋溶损失，其机理主要归于生物炭包膜尿素良好的缓释性能，其次是由于生物炭材料的多孔性、表面官能团等特征对氮素的吸附/固持以及对氮在土壤中的硝化反硝化作用的影响等。试验也发现生物炭包膜尿素可增加肥料氮的氨挥发，这是由于生物炭包膜尿素减少铵氮淋溶，提高了土壤铵氮浓度，延长了氨挥发的释放期，包裹在尿素四周的生物炭增加了氨挥发微环境的pH值。试验表明，生物炭包膜尿素提高了氮利用率，与单独施尿素比较，生物炭包膜尿素处理氮利用率提高了20％左右，其主要原因是生物炭包膜尿素降低了肥料的氮损失，提高了土壤中氮浓度以及氮的生物有效性。试验证实，以生物炭包膜尿素作为氮源，相对于单施尿素，减少20％施氮量不仅减少氮损失，氮肥利用效率明显提高，而且对油菜生物量也没有负面的影响。
综上，生物炭包膜尿素能够有效减少氮损失，提高氮肥利用率，比直接土施生物炭方便，对解决氮肥施用引起的农业生产氮流失和农业废弃物高值化利用具有实际意义。生物质原材料和制备温度均影响生物炭的性能指标，用生物炭作为包膜材料制备包膜尿素需要根据生物炭特性，综合考虑制备的可行性和氮溶出特性，选择具有较高O/C原子比、-OH官能团、BET比表面积，以及较低的灰分含量、H/C原子比和pH的生物炭作为缓释包膜尿素的包膜材料效果更好。
本研究首先选择6种农林废弃物，在不同温度下制备生物炭材料，分析制备参数对生物炭特性指标的影响。通过将不同特性生物炭直接施入土壤培养试验，分析生物炭特性指标对肥料氮损失的影响及机理，为缓释尿素包膜生物炭的选择提供依据。采用灰色相关度分析，优选3种生物炭作为制备生物炭包膜尿素的包膜材料，并评价生物炭包膜尿素制各的可行性及氮溶出特性。最后选择一种最优生物炭包膜尿素，利用盆栽试验研究最优生物炭包膜尿素农学和环境效应，探明生物炭包膜尿素对肥料氮损失和氮利用率的影响和机理。主要结果总结如下:
(1)以六种典型农林废弃物（水稻秸秆、楠竹、芦竹、酒糟、甘蔗渣和鸡粪），通过热解方法研究热解温度（400℃，500℃，600℃和700℃）对生物炭各参数的影响。结果显示，随温度的升高，六种废物制备的生物炭产率降低，灰分含量升高，O/C、H/C降低，芳香化程度增加，表面氨基、甲基、亚甲基、羟基C-O、C=O等官能团断链，pH升高，BET比表面积升高;但是温度过高时(＞600℃)，水稻秸秆、酒糟、甘蔗渣和鸡粪制备的生物炭比表面积降低;生物炭中营养元素N的含量下降，但P、K、Ca、Mg含量升高。生物质原料类型对生物炭特性参数有影响，如楠竹原料灰分含量低，本身具有纤维束结构，木质纤维素含量高，营养元素含量低，其制备的生物炭灰分含量低，pH低，比表面积大，芳香化程度高;而鸡粪炭质地松散，灰分较高，营养元素含量高，其制备的生物炭灰分较高、比表面积小。
(2)通过土施生物炭培养试验(共设置8个处理，每个处理3个重复，分别为不施生物炭和尿素-CK、施尿素-U、施秸秆炭和尿素-BR6+U、施鸡粪炭和尿素-BC6+U、施酒糟炭和尿素-BV6+U、施楠竹炭和尿素-BP6+U、施芦竹炭和尿素-BA6+U、施甘蔗渣炭和尿素-BS6+U，其中生物炭制备温度600℃，添加量为0.5％)研究了生物炭特性指标对肥料氮损失的影响及机理。结果表明，生物炭能够显著降低土壤的氮损失，主要表现为减少氨挥发和淋溶液中的NH4+-N损失。与单独添加尿素处理相比，施生物炭可以降低施尿素土壤8.00％-24.76％氨挥发，降低3.86％-17.08％NH4+-N淋溶损失;生物炭特性参数中影响施用尿素土壤氨挥发和NH4+-N淋溶主要指标包括生物炭比表面积、灰分含量、pH、表面酸性和负电荷的官能团等，其中生物炭比表面积和pH的影响更显著。以生物炭产率、N含量、O/C原子比、BET比表面积为有利指标，生物炭灰分含量、H/C原子比、pH为不利指标进行灰色关联度分析，结果与试验结果相符，表明灰色关联度分析法可以作为评价生物炭对施用尿素土壤氮损失的方法;
(3)采用灰色关联度分析法优选出600℃制备的楠竹炭、酒糟炭和秸秆炭作为制备生物炭包膜尿素的材料。生物炭包膜缓释尿素制备试验发现，生物炭材料中具有较高O/C原子比、较多表面含氧官能团指标的生物炭易成型，而生物炭的添加比例越高，生物炭越不易粘附;秸秆炭和酒糟炭比楠竹炭更适合作为缓释包膜尿素的包膜材料;25％的生物炭添加比例制备生物炭包膜尿素更易成型。基于静水和土壤淋溶试验研究，本研究制备的12种生物炭包膜尿素中VI45-27、VII25-33和PII25-33符合中国缓释肥料的标准;试验发现低pH、低灰分和高比表面积的生物炭材料制备的生物炭包膜尿素的氮释放速率低。综合考虑生物炭包膜尿素制备的可行性以及氮的释放特征，酒糟炭作为生物炭包膜尿素的材料性能最佳;
(4)通过红壤种植油菜温室培养试验（共设置8个处理，每个处理3个重复，分别为不施氮-CK;施尿素-Ureal;施减氮量20％的尿素-Urea2;施尿素+0.5％生物炭-U1+B;施减氮量20％的尿素+0.5％生物炭-U2+B;施生物炭包膜尿素-BCU1;施减氮量20％的生物炭包膜尿素-BCU2;施生物炭包膜尿素+生物炭，生物炭总量占0.5％-BCU1+B）研究了微碱性高吸附性生物炭对氨挥发，氮淋溶和油菜生物量的影响。试验结果表明，生物炭包膜尿素能够有效减少氮损失，提高氮肥利用率。与单独施尿素比较，生物炭包膜尿素的总氮损失减少了30％左右，比生物炭和尿素混施土壤处理的总氮损失减少了18％-25％。生物炭包膜尿素减少氮损失的主要途径是减少氮淋溶损失，其机理主要归于生物炭包膜尿素良好的缓释性能，其次是由于生物炭材料的多孔性、表面官能团等特征对氮素的吸附/固持以及对氮在土壤中的硝化反硝化作用的影响等。试验也发现生物炭包膜尿素可增加肥料氮的氨挥发，这是由于生物炭包膜尿素减少铵氮淋溶，提高了土壤铵氮浓度，延长了氨挥发的释放期，包裹在尿素四周的生物炭增加了氨挥发微环境的pH值。试验表明，生物炭包膜尿素提高了氮利用率，与单独施尿素比较，生物炭包膜尿素处理氮利用率提高了20％左右，其主要原因是生物炭包膜尿素降低了肥料的氮损失，提高了土壤中氮浓度以及氮的生物有效性。试验证实，以生物炭包膜尿素作为氮源，相对于单施尿素，减少20％施氮量不仅减少氮损失，氮肥利用效率明显提高，而且对油菜生物量也没有负面的影响。
综上，生物炭包膜尿素能够有效减少氮损失，提高氮肥利用率，比直接土施生物炭方便，对解决氮肥施用引起的农业生产氮流失和农业废弃物高值化利用具有实际意义。生物质原材料和制备温度均影响生物炭的性能指标，用生物炭作为包膜材料制备包膜尿素需要根据生物炭特性，综合考虑制备的可行性和氮溶出特性，选择具有较高O/C原子比、-OH官能团、BET比表面积，以及较低的灰分含量、H/C原子比和pH的生物炭作为缓释包膜尿素的包膜材料效果更好。