通過(guò)生物質(zhì)熱解制成的生物炭( biochar) 已日益被視為增加土壤碳截留、緩解溫室效應(yīng)的潛在有效措施。研究還表明生物炭具有較大比表面積、表面官能團(tuán)和微孔結(jié)構(gòu)，施入土壤后對(duì)養(yǎng)分保持、水分利用、土壤性質(zhì)、重金屬和有機(jī)污染物生物有效性均產(chǎn)生重要影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有廣闊的應(yīng)用前景。生物炭的特性由原料和制備條件所決定，不同原料、制備條件下形成的生物炭結(jié)構(gòu)性質(zhì)存在很大差異。目前，研究制備生物炭的原料主要包括闊葉樹(shù)、牧草、樹(shù)皮、作物殘余物、柳枝、稷、有機(jī)廢物等。研究表明生物炭產(chǎn)率、碳含量、氮含量和生物炭吸水能力等均隨裂解溫度升高而降低，不同材料制備的生物炭性質(zhì)有顯著差異; 研究發(fā)現(xiàn)棉稈炭中全磷、全鉀、速效鉀、鈣、鎂含量隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，全氮和堿解氮?jiǎng)t相反。中國(guó)為世界第1 產(chǎn)茶大國(guó)，統(tǒng)計(jì)資料顯示2013年全國(guó)茶園面積257. 93 萬(wàn)hm2，茶葉產(chǎn)量189 萬(wàn)t。定期修剪保持茶樹(shù)采摘面積是茶葉豐產(chǎn)的重要措施，每年產(chǎn)生大量的廢棄修剪枝葉。由于茶樹(shù)聚鋁特性，修剪枝葉直接還園易加速茶園土壤酸化，同時(shí)影響茶園耕作，對(duì)茶園生態(tài)造成負(fù)面影響。如果將修剪后的茶樹(shù)枝就地轉(zhuǎn)化為生物炭回園利用，一方面可利用生物炭的穩(wěn)定性達(dá)到固碳增匯的目的，為減緩全球氣候變化做出貢獻(xiàn); 另一方面可利用生物炭的多孔性、親水性、吸附性等特性改善茶園土壤。目前采用茶樹(shù)修剪枝作為原料制備生物炭的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。據(jù)此，筆者利用茶樹(shù)修剪枝為原料，研究炭化條件( 溫度和時(shí)間) 對(duì)生物炭理化性質(zhì)的影響，以期為茶樹(shù)修剪枝的資源化利用提供新方法。

材料與方法

試驗(yàn)材料

  生物炭制備原材料為茶樹(shù)修剪枝，粉碎過(guò)5 mm孔徑篩。采用常規(guī)方法302 － 316測(cè)定茶樹(shù)枝性質(zhì)，w( 灰分) 為2. 78%，w( 有機(jī)碳) 為49. 82%，w( 全氮)為9. 59 g·kg － 1，w( 全鉀) 為3. 56 g·kg － 1，w( 全磷)為2. 75 g·kg － 1，pH 值為6. 83，C/N 比為51. 96。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置生物炭燒制最高溫度( 炭化溫度) 和最高溫度穩(wěn)定時(shí)間( 炭化時(shí)間) 2 個(gè)因素，其中炭化溫度設(shè)置300、450 和600 ℃ 3 個(gè)水平，炭化時(shí)間設(shè)置1 和3 h 2 個(gè)水平，共6 個(gè)處理，3 次重復(fù)。采用OTF － 1200X 真空管式高溫?zé)Y(jié)爐( 合肥科晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)) 進(jìn)行生物炭燒制，升溫速率為5 ℃·min － 1，達(dá)到預(yù)設(shè)最高溫度后按試驗(yàn)設(shè)計(jì)穩(wěn)定1 或3 h，之后自然降溫到室溫; 在升溫程序啟動(dòng)前對(duì)爐管進(jìn)行抽真空處理，保證茶樹(shù)枝無(wú)氧炭化。

生物炭性質(zhì)測(cè)定

  采用日本電子JEOL 觸控掃描電鏡JSM －6010LV 掃描觀測(cè)生物炭形貌特征; 灰分含量參照植物粗灰分測(cè)定方法( 干灰化法) 測(cè)定; pH 值采用m( 生物炭) ∶ V( 去離子水) = 1∶ 10 攪拌后用玻璃電極( 德國(guó)Sartorius，PB － 21) 測(cè)定［18］; 有機(jī)碳含量采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化－容量法測(cè)定; 全氮含量采用濃H2SO4-H2O2 消化，凱氏定氮法測(cè)定;全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定; 全鉀含量采用火焰光度法測(cè)定;鈣、鎂含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定302 －324。

數(shù)據(jù)處理

  采用DPS 6. 85 和Microsoft Excel 2003 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析，采用鄧肯新復(fù)極差法( SSＲ) 進(jìn)行多重比較。圖表中的數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。

結(jié)果與分析

  炭化溫度和時(shí)間對(duì)生物炭形貌特征的影響由不同炭化溫度和時(shí)間條件下制備的茶樹(shù)枝生物炭400 倍電鏡掃描圖片可知，茶樹(shù)枝生物炭呈多孔、高比表面積結(jié)構(gòu)，較完整保留了茶樹(shù)枝的組織結(jié)構(gòu)且形成的碳架結(jié)構(gòu)更為清晰、明顯;隨著炭化溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，茶樹(shù)枝結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)損耗、收縮，形成更為致密、均勻的孔度結(jié)構(gòu)。