[0001] 本发明涉及改性生物炭技术领域，具体涉及一种瞬态电磁脉冲改性生物炭在土壤温室气体减排中的应用。

[0002] 生物炭是生物质(如秸秆、杂草、木材等农林废弃物)在缺氧条件下不完全燃烧产生的含碳高聚物的统称。生物炭具有高度芳香化结构，表面多孔且含有丰富的含氧官能团，具有表面吸附和化学性质稳定的特性。生物炭本身很难与周围的环境物质发生反应而消失，即使通过沉降、掩埋、风化等地质循环过程，仍然能在大气、土壤、沉积物、岩石、水体和冰体中大量存在。

[0003] 生物炭改性的方法主要有氧化剂表面氧化、金属氧化物浸渍等。目的是为了增强原始生物炭的功能性，使得生物炭具有更大的比表面积，以及含氧官能团等。

[0004] 未改性生物炭和改性生物炭具有出色的吸附能力，可以吸附和去除水中有机物、重金属离子和其他污染物。未改性生物炭的高比表面积和丰富的孔隙结构提供了良好的吸附平台，而改性生物炭通过引入功能团或改变表面性质，进一步提高了吸附能力和选择性。这使得未改性生物炭和改性生物炭在水处理、废水处理、土壤修复和大气污染控制等方面具有广泛的应用前景。

[0005] 未改性生物炭和改性生物炭在土壤改良方面也发挥着重要作用。它们具有良好的保水性和通气性，能够改善土壤结构和土壤保水能力。同时，未改性生物炭和改性生物炭含有机质和微量元素，可以提供植物生长所需的养分，促进植物的根系发育和吸收能力。此外，在酸性土壤中使用碱性改性生物炭可以有效调整土壤pH值，提供适宜的生长环境。因此，未改性生物炭和改性生物炭可用于改良酸性土壤、提高土壤肥力、增加农作物产量等。

[0006] 未改性生物炭和改性生物炭在农业生产中也发挥着积极的作用。它们可以作为土壤改良剂或添加剂，提供植物所需的养分、保水性能和微生物活性，并改善土壤质量和作物生长条件。此外，未改性生物炭和改性生物炭也可用于农作物的种植介质，如土壤改良剂、添加剂或育苗基质。通过调整和改良土壤环境，未改性生物炭和改性生物炭可以提高农作物的产量和质量，提高土壤的养分利用效率，并减少化学肥料和农药的使用。

[0007] 生物炭的改性方法较多，有物理改性(球磨、气体活化、紫外线照射等)、化学改性(酸、碱、金属盐或其他氧化剂等)和生物改性(添加微生物等)，但在不同条件下制备的改性生物炭加入土壤后对土壤的改良效果有待提升等问题。电磁脉冲处理作为一种新兴的物理外场处理工艺，将电磁脉冲能量以脉冲电流或脉冲磁场的形式引入材料或零件中，从而达到改变其微观组织、形状、机械性能等目的。电磁脉冲处理过程中不添加化学物质，因此不会产生污染问题，另外电磁脉冲处理的时间较短，效率较高。与未改性生物炭相比，本发明选用瞬态电磁脉冲改性可以增加生物炭的比表面积和孔径增大，官能团丰富程度增加，改性过程中没有使用化学试剂，在改良土壤过程中不会产生二次污染。

[0008] 解决这些问题和缺陷对于推动改性生物炭的应用具有重要的意义，可以在环境污染治理、土壤改良、农业生产等领域发挥更大的作用。因此，需要进一步深入研究改性生物炭的制备方法，优化改性剂的选择和使用，提高改性生物炭的稳定性和性能，以适应不断增长的应用需求。

[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 实施例1

[0035] 本实施例所述的一种瞬态电磁脉冲改性生物炭在土壤温室气体减排中的应用。

[0036] 在本实施例中，所述应用具体包括：降低CO2、N2O和CH4的累积排放量。

[0037] 与未改性生物炭相比，粒径<0.154mm的生物炭，改性生物炭使CO2排放量减少5.02％，N2O排放量减少52.16％，CH4排放量减少23.24％；粒径0.5‑1mm的生物炭，改性生物炭可使CO2排放量减少6.62％，N2O排放量减少44.11％，CH4排放量减少74.25％；粒径1‑2mm的生物炭，改性生物炭可使CO2排放量减少6.96％，N2O排放量减少17.65％，CH4排放量减少
30.71％。

[0038] 一种瞬态电磁脉冲改性生物炭在改善土壤理化性质的应用。

[0039] 在本实施例中，所述应用具体包括：提高土壤可溶解性有机碳(DOC)、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮与速效磷的含量。

[0040] 另一方面，本发明提出上述瞬态电磁脉冲改性生物炭的方法，包括：将粒径<0.154mm、0.5‑1mm、1‑2mm的玉米秸秆生物碳放置于瞬态电磁脉冲场中，在频率140Hz、电压
20kV的条件下脉冲处理3h。

[0041] 实施例2

[0042] 实验材料：

[0043] 1mol/L氯化钾溶液；盐酸；0.5mol/L碳酸氢钠溶液；葡萄糖溶液；硝酸钾溶液；氯化铵溶液；土壤(取自云南省曲靖市马鸣乡)。

[0044] 实验所用土壤取自云南省曲靖市马鸣乡，土壤为相对比较贫瘠的人工草地土壤。

[0045] 实验器材：

[0046] 250mL培养瓶，气相色谱仪；全自动无间断化学分析仪；TOC测定仪。

[0047] 实验设计

[0048] 1.土壤理化性质的测定实验

[0049] 本发明在土壤理化性质的测定的实验方面主要测定土壤的铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、速效磷和可溶解性有机碳的变化情况，测定铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、速效磷时，将土壤进行浸提后，用全自动无间断化学分析仪进行测定；测定可溶性有机碳时，同样将土壤进行浸提，用TOC测定仪进行测定。

[0050] 具体实验设计为：

[0051] (1)试样制备

[0052] 首先进行试样制备，将采集后的新鲜土壤样品过5mm‑3mm筛子，去除石头和杂物，手工或仪器混匀，4℃下保存。同时需测定土壤含水量。根据不同处理以及不同粒径的生物炭作为分组依据，分别为对照组，未改性生物炭组、不同粒径的瞬态电磁脉冲改性生物炭组，之后在培养瓶中进行培养，在无底物的培养期内进行两次土壤理化性质的实验，21d培养期内分别于第0、7、15、21d进行土壤理化性质测定实验。

[0053] (2)浸提操作

[0054] 试样制备完成后，首先对样品进行浸提操作。测定铵态氮、硝态氮、亚硝态氮时，称取10.00g试样(准确称量)，置于干燥的浸提瓶中，加入50.00mL浸提剂(1mol/L氯化钾溶液)，盖紧盖子，置于恒温往复振荡器上，在25±1℃下以180‑220r/min的振荡频率振荡60±1min，取出静置，待悬浊液澄清后，上清液立即用滤纸过滤，滤液过0.45μm(或0.22μm水性滤膜)滤液应当天分析，否则应在‑20℃下保存；测定速效磷时，称取2.50g试样(准确称量)，置于干燥的浸提瓶中，加入50.00mL浸提剂(0.5mol/L碳酸氢钠溶液)，盖紧盖子，置于恒温往复振荡器上，在25±1℃下以180‑220r/min的振荡频率振荡30±1min，取出静置，待悬浊液澄清后，上清液立即用滤纸过滤，滤液过0.45μm(或0.22μm水性滤膜)滤液应当天分析，否则应在‑20℃下保存。同时，做一个空白实验。最后计算结果时，样品结果应扣除空白结果，才为实际的样品结果。

[0055] (3)样品处理

[0056] 测定铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、速效磷时，将土壤样品进行浸提后，利用无间断化学分析仪进行操作，实验时的土壤样品不少于三个重复。

[0057] 测定可溶性有机碳时，将土壤样品进行浸提后，利用TOC分析仪进行操作，实验时的土壤样品同样不少于五个重复。

[0058] 2.温室气体的测定

[0059] 根据不同处理以及不同粒径的生物炭作为分组依据，分别为对照组，未改性生物炭组以及瞬态电磁脉冲改性生物炭组，每个组中的每个粒径的样品重复不少于六个。取25g土壤(干重)和0.25g生物炭混合，土壤预培养3天，以稳定土壤代谢。混匀后称取25g土壤(干重)置于250mL培养瓶中。之后，将瓶盖盖上，置于19.8℃的生物培养箱中进行培养,首先进行为期6天无底物培养,在这六天的培养期内每天用注射器采集培养瓶的顶空气体(25mL)。之后进行添加底物的为期21天的培养，底物为碳源与氮源，即按照碳源：葡萄糖100mg C/每千克干土，氮源：硝酸钾25mg N/每千克干土，氯化铵25mg N/每千克干土加入培养瓶中，在培养期的第0、1、2、3、7、10、15、21d用注射器采集培养瓶顶空气体(25mL)，收集后立即用气相色谱仪测定CO2、N2O和CH4浓度。气体取样后，打开瓶盖20分钟以确保累积在瓶中的气体排出，密封后继续上述处理步骤。

[0060] 表格中各参数：

[0061] CK：土壤中未添加生物炭。

[0062] BC<0.154：未改性玉米秸秆生物炭，粒径为<0.154mm

[0063] BC0.5‑1：未改性玉米秸秆生物炭，粒径为0.5‑1mm

[0064] BC1‑2：未改性玉米秸秆生物炭，粒径为1‑2mm

[0065] EBC<0.154：瞬态电磁脉冲改性玉米秸秆生物炭，粒径为<0.154mm EBC0.5‑1：瞬态电磁脉冲改性玉米秸秆生物炭，粒径为0.5‑1mm EBC1‑2：瞬态电磁脉冲改性玉米秸秆生物炭，粒径为1‑2mm

[0066] 实施例3

[0067] 瞬态电磁脉冲改性生物炭对土壤温室气体累积排放量的影响

[0068] 1、未加入底物培养

[0069] 温室气体的累积排放量

[0070] 与对照相比：

[0071] 粒径<0.154mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少11.28％，N2O排放量增加67.22％，CH4排放量减少9.63％；粒径0.5‑1mm的改性生物炭使CO2排放量减少14.62％，N2O排放量增加66.84％，CH4排放量减少8.30％；粒径1‑2mm的生物炭使CO2排放量减少27.77％，N2O排放量增加53.85％，CH4排放量增加1.97％。

[0072] 与未改性生物炭相比：

[0073] 粒径<0.154mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少28.31％，N2O排放量增加97.90％，CH4排放量减少12.73％；粒径0.5‑1mm的改性生物炭使CO2排放量增加0.75％，N2O排放量减少5.26％，CH4排放量减少28.57％；粒径1‑2mm的生物炭使CO2排放量减少12.01％，N2O排放量减少4.25％，CH4排放量增加22.97％。

[0074] 表1温室气体的累积排放量

[0075] 生物炭 CO2(μg/kgsoil) N2O(ng·kg‑1soil) CH4(ng·kg‑1soil)CK 140.981 3.206 4.259BC<0.154 174.546 2.709 4.113
BC0.5‑1 119.540 5.646 3.038
BC1‑2 115.696 5.152 3.395
EBC<0.154 106.131 5.357 3.488
EBC0.5‑1 125.078 5.361 3.717
EBC1‑2 120.372 5.349 3.906

[0076] 2、加入底物培养

[0077] 与对照相比：

[0078] 粒径<0.154mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少1.69％，N2O排放量减少50.67％，CH4排放量减少32.11％；粒径0.5‑1mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少
5.73％，N2O排放量减少41.75％，CH4排放量增加60.31％；粒径1‑2mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少13.64％，N2O排放量减少47.48％，CH4排放量减少8.85％。

[0079] 与未改性生物炭相比：

[0080] 粒径<0.154mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少5.02％，N2O排放量减少52.16％，CH4排放量减少23.24％；粒径0.5‑1mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少
6.62％，N2O排放量减少44.11％，CH4排放量减少74.25％；粒径1‑2mm的改性生物炭使土壤的CO2排放量减少6.96％，N2O排放量减少17.65％，CH4排放量减少30.71％。

[0081] 表2温室气体的累积排放量

[0082]生物炭 CO2(μg/kgsoil) N2O(μg/kgsoil) CH4(ng/kgsoil)
CK 769.1 0.081 4.007
BC<0.154 796.1 0.083 6.896
BC0.5‑1 776.5 0.084 6.176
BC1‑2 713.9 0.051 6.295
EBC<0.154 756.1 0.04 5.293
EBC0.5‑1 725.1 0.047 1.59
EBC1‑2 664.3 0.042 4.361

[0083] 瞬态电磁脉冲改性生物炭对土壤理化性质的影响

[0084] 1、未加底物培养

[0085] 与对照相比

[0086] 粒径<0.154mm的改性生物炭，使DOC含量增加0.298mg/kg，增加了38.02％；速效磷含量增加2.100mg/kg，增加了11.32％；硝态氮含量减少0.978mg/kg，减少了8.89％；亚硝态氮含量减少0.008mg/kg，减少了10.27％；铵态氮含量减少0.781mg/kg，减少了35.10％。

[0087] 粒径0.5‑1mm的改性生物炭，可使DOC含量增加0.456mg/kg，增加了58.22％；速效磷含量减少0.658mg/kg，减少了3.55％；硝态氮含量减少1.091mg/kg，减少了9.91％；亚硝态氮含量减少0.008mg/kg，减少了9.96％；铵态氮含量减少0.529mg/kg，减少了23.77％。

[0088] 粒径1‑2mm的改性生物炭，可使DOC含量增加0.328mg/kg，增加了41.80％；速效磷含量减少1.304mg/kg，减少了7.03％；硝态氮含量增加0.551mg/kg，增加了5.01％；亚硝态氮含量减少0.012mg/kg，减少了14.58％；铵态氮含量减少0.847mg/kg，减少了38.10％。

[0089] 与未改性生物碳相比

[0090] 粒径<0.154mm的改性生物炭使DOC含量增加0.043mg/kg，增加了4.13％；速效磷含量减少0.021mg/kg，减少了0.10％；硝态氮含量减少0.517mg/kg，减少了4.90％；亚硝态氮含量增加0.250μg/kg，减少了0.34％；铵态氮含量减少0.473mg/kg，减少了24.67％；

[0091] 粒径0.5‑1mm的改性生物炭使DOC含量增加0.216mg/kg，增加了21.06％；速效磷含量增加0.693mg/kg，增加3.87％；硝态氮含量减少0.365mg/kg，减少了3.55％；亚硝态氮含量减少0.250μg/kg，减少了0.34％；铵态氮含量减少0.389mg/kg，减少了18.65％；

[0092] 粒径1‑2mm的改性生物使DOC含量增加0.288mg/kg，增加了35.04％；速效磷含量增加0.467mg/kg，增加了2.71％；硝态氮含量减少0.015mg/kg，减少了0.14％；亚硝态氮含量减少1.083μg/kg，减少了1.54％；铵态氮含量减少0.830mg/kg，减少了37.60％。

[0093] 表3土壤的理化性质

[0094]

[0095]

[0096] 2、加入底物培养

[0097] 表4土壤的理化性质

[0098]

[0099] 与对照相比，

[0100] 粒径<0.154mm的改性生物炭使DOC含量增加0.084mg/kg，增加了9.11％；速效磷含量增加1.078mg/kg，增加了6.83％；硝态氮含量增加0.992μg/kg，增加了0.004％；亚硝态氮含量增加5.25μg/kg，增加了7.35％；铵态氮含量减少0.073mg/kg，减少了5.91％。

[0101] 粒径0.5‑1mm的改性生物炭使DOC含量增加0.093mg/kg，增加了10.09％；速效磷含量增加1.101mg/kg，增加了6.97％；硝态氮含量减少3.967μg/kg，减少了0.016％；亚硝态氮含量减少3.417μg/kg，减少了4.78％；铵态氮含量减少0.019mg/kg，减少了1.54％。

[0102] 粒径1‑2mm的改性生物炭使DOC含量增加0.302mg/kg，增加了30.44％；速效磷含量增加1.285mg/kg，增加了8.14％；硝态氮含量减少2.975μg/kg，减少了0.012％；亚硝态氮含量减少3.417μg/kg，减少了4.78％；铵态氮含量增加0.253mg/kg，增加了20.49％。

[0103] 与未改性生物炭相比，

[0104] 粒径<0.154mm的改性生物炭使DOC含量增加0.230mg/kg，增加了22.86％；速效磷含量减少0.849mg/kg，减少了4.79％；硝态氮含量减少2.975μg/kg，减少了0.01％；亚硝态氮含量减少6.833μg/kg，减少了8.87％；铵态氮含量减少0.381mg/kg，减少了32.79％。

[0105] 粒径0.5‑1mm的改性生物炭使DOC含量增加0.129mg/kg，增加了12.71％；速效磷含量增加2.226mg/kg，增加了15.18％；硝态氮含量增加0.992μg/kg，增加了0.004％；亚硝态氮含量增加4.417μg/kg，增加了6.50％；铵态氮含量减少0.143mg/kg，减少了11.76％。

[0106] 粒径1‑2mm的改性生物炭使DOC速增加0.137mg/kg，增加了12.60％；速效磷含量增加0.761mg/kg，增加了4.66％；硝态氮含量增加6.942μg/kg，增加了0.03％；亚硝态氮含量增加1.500μg/kg，增加了2.21％；铵态氮含量减少0.658mg/kg，减少了44.22％。

[0107] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。